王偉娜

華泰保險(xiǎn)經(jīng)紀(jì)有限公司

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風(fēng)險(xiǎn)矩陣在光伏電站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

王偉娜

華泰保險(xiǎn)經(jīng)紀(jì)有限公司

【摘 要】隨著光伏電站建設(shè)規(guī)模逐步擴(kuò)大，如何提高電站的安全性，如何將各種安全隱患防范于未然，也已成為電站業(yè)主們首要考慮的問題。根據(jù)某電站在運(yùn)營期間發(fā)生事故概率，其中最高的是光伏組件的破壞事故，為了識(shí)別光伏電站的風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估光伏矩陣的風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度，本文提出影響光伏矩陣損壞概率的4個(gè)影響因素，并通過現(xiàn)場查勘、事故案例和經(jīng)驗(yàn)給出所占概率，通過風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估方法評(píng)估了風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度；并且給出了針對(duì)性的措施和建議。

【關(guān)鍵詞】光伏組件；風(fēng)險(xiǎn)矩陣；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1　光伏發(fā)電簡介

1.1光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電的基本原理就是“光伏效應(yīng)”?！肮夥?yīng)”是“光生伏特效應(yīng)”的簡稱，指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子（光波）轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程，其次是形成電壓過程。光伏發(fā)電就是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。

一般的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏電池組件、交直流逆變器、蓄電池和光伏系統(tǒng)電池控制器組成。

首先，通過光伏電池組件將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，其次，再利用交直流逆變器將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，同時(shí)逆變器還可以自動(dòng)穩(wěn)定電壓，改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。然后通過升壓，并入電網(wǎng)，如圖1。

圖1　并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.2某電站概況及主要事故類型

該電站發(fā)電流程如下：光伏電站分為50個(gè)光伏發(fā)電單元，每1MWp為一個(gè)單元。每個(gè)單元接1臺(tái)逆變器。全站通過變壓器升壓至35kV，通過35 kV電力電纜輸出至110kV匯集升壓站35kV側(cè)，經(jīng)110kV升壓站后接入330kV變電站。

該電站電池組件選用55Wp非晶硅薄膜電池組件，電站安裝90余萬塊電池板。安裝方式為全固定式支架安裝，支架傾角36°，方位角0°。逆變器共計(jì)50臺(tái)。50MWp由50個(gè)獨(dú)立的1MWp系統(tǒng)組成，每個(gè)單元有256塊光伏板，每塊由72組主體單元組成，每72塊電池板接入1個(gè)匯流盒，每16個(gè)匯流盒接入1個(gè)匯流箱，每16個(gè)匯流箱接入一組逆變器。

根據(jù)德國“Mannheimer Versicherung保險(xiǎn)公司”在光伏領(lǐng)域的實(shí)際業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：光伏電站中火災(zāi)事故以32%的賠償金額占比排名第一，雷擊過電壓事故以30%的賠償金額占比緊隨其后。但是該電站在運(yùn)營期間發(fā)生事故概率最高的是光伏組件的破壞事故，根據(jù)了解，在剛投入運(yùn)行期間，受到地基、安裝質(zhì)量、環(huán)境因素等影響，損壞較為集中，該電站剛投入運(yùn)行一年期間損壞近3000塊電池組件，給電站運(yùn)營帶來了不利的影響。

2　風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估方法

風(fēng)險(xiǎn)分析是風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、估計(jì)和評(píng)價(jià)的總稱。風(fēng)險(xiǎn)分析的目的是為了科學(xué)決策，它是決策過程的一個(gè)有機(jī)組成部分。風(fēng)險(xiǎn)分析在工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。1998年，Paul R等人提出一種新型的風(fēng)險(xiǎn)矩陣法，即將風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的頻率和影響程度分別分為5個(gè)和4個(gè)級(jí)別，然后分別作為矩陣的行和列形成風(fēng)險(xiǎn)矩陣，進(jìn)而按照風(fēng)險(xiǎn)在矩陣中的位置做出該風(fēng)險(xiǎn)可以接受、可接受但需監(jiān)管、不希望發(fā)生、不可接受立刻消除等評(píng)估結(jié)論［1-3］。

一般，事故風(fēng)險(xiǎn)程度也R（風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)）定義為：

R=L×S

式中：

R—危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)度；

L—發(fā)生事故的可能性：重點(diǎn)考慮事故發(fā)生的頻次；

S—發(fā)生事故的后果嚴(yán)重性，重點(diǎn)考慮傷害程度、持續(xù)時(shí)間。

其中后果嚴(yán)重性S級(jí)別定義，見表1。

表1　事故后果嚴(yán)重性

事故發(fā)生的可能性L的定義，見表2。

表2　事故發(fā)生的可能性

事故風(fēng)險(xiǎn)程度R，見表3。

表3　事故后果嚴(yán)重性

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)程度R，繪制出風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖，如圖2所示，通過風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖可以形象的顯示出風(fēng)險(xiǎn)分布區(qū)域。一般只對(duì)風(fēng)險(xiǎn)矩陣做三級(jí)區(qū)分，黑色區(qū)域?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重區(qū)域，灰色區(qū)域?yàn)樾枰鹬匾暤娘L(fēng)險(xiǎn)，白色區(qū)域?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)較小區(qū)域。

圖2　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣圖

3　光伏組件損壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

光伏組件損壞有多方面的因素［4］，本文經(jīng)以往案例統(tǒng)計(jì)分析及對(duì)電站現(xiàn)場查勘情況，初步確定影響光伏組件損壞的原因主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）安裝質(zhì)量原因f1。

（2）自然災(zāi)害原因f2。

（3）后期運(yùn)營管理原因f3。

（4）其他原因引發(fā)的損壞f4。

3.1安裝質(zhì)量因素分析

安裝質(zhì)量涉及多方面因素，包括力矩的大小、地基的處理、墊片的質(zhì)量等。

為了更好的測量螺栓的扭力矩，使用數(shù)顯扭力扳手，對(duì)扭力進(jìn)行測量，抽取了部分電池板（圖3所示）進(jìn)行測量，測量結(jié)果如下：

圖3　光伏陣列

上圖中測量了最下面一行進(jìn)行扭力測量，單位均為N·M，測量結(jié)果如下圖所示：

由以上可以看出扭力在2～3N·M之間。

然后分別選擇有裂縫和發(fā)生位移脫落的電池組件進(jìn)行測量，結(jié)果如下：

可以看出電池片的損壞與力矩是有相互聯(lián)系的。

而且根據(jù)現(xiàn)場了解情況，該電站采用的電池片有部分陣列是進(jìn)口的電池片，8個(gè)陣列是國產(chǎn)的電池片，截止目前，損壞電池片90%以上是國產(chǎn)片，而且大部分裂縫是從夾具處出現(xiàn)的，通過對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩種電池板的安裝方式是不一樣的。

進(jìn)口電池片是橫向安裝，并且下面有向上支撐的力，如圖4。

圖4　進(jìn)口電池片安裝方式

由于不清楚材質(zhì)方面的差異，通過對(duì)比國產(chǎn)電池片的安裝圖3所示，從安裝方式上來說，下部有支撐的作用，則上面的力的大小要求相對(duì)變低了，優(yōu)于豎向安裝的方式。

3.2自然災(zāi)害因素分析

通過對(duì)電站的現(xiàn)場查勘，在光伏陣列迎風(fēng)面損壞的電池片居多，說明大風(fēng)對(duì)電池板也是有影響的。在有風(fēng)狀態(tài)下，對(duì)夾具力矩要求相對(duì)而言更要嚴(yán)謹(jǐn)，首先扭力大，在加上風(fēng)力的作用，使扭力增加，增大損壞的概率，如果扭力小，在加上風(fēng)的影響，更易下滑移動(dòng)。

因此建議在安裝之前，一方面針對(duì)電池組件有扭力方面的安裝要求，另外一方面應(yīng)根據(jù)安裝所在區(qū)域的自然環(huán)境選擇更為合適的扭力，可通過實(shí)驗(yàn)的方式選擇合適的力矩范圍。

另外，暴雨也會(huì)對(duì)電池組件造成損傷，電池板有裂紋后，隨著雨水的滲入，會(huì)加速電池板的損壞，而且暴雨引發(fā)山洪，如果沖刷陣列，可能造成光伏陣列的基礎(chǔ)不穩(wěn)，進(jìn)而影響到組件質(zhì)量。

3.3運(yùn)維質(zhì)量因素分析

電池板安裝以后，運(yùn)維質(zhì)量與電池片的損壞、發(fā)電效率有著重要影響，一方面要建立完善的運(yùn)維制度，并且有效落實(shí)，另外一方面運(yùn)維人員的經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心等因素，可以使在事故的前期及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而采取措施，預(yù)防事故的發(fā)生。

但是實(shí)際運(yùn)行中，人的因素是最不可控，建議電站之間建立信息共享機(jī)制，使經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)得到有效分享，避免類似事故的發(fā)生。

例如該電站通過分析某電站電池片接線盒線路燒壞的原因，及時(shí)了解由于接線盒安裝方式的問題導(dǎo)致積水返潮，導(dǎo)致短路，進(jìn)而燒壞線路。該電站在后期安裝的時(shí)候及時(shí)更改安裝方式，使接線盒凹槽朝外，避免了事故的再次發(fā)生。

另外，存在一些不明原因的損壞。由于玻璃的“自爆”或者異物砸壞等現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)及事故案例給出風(fēng)險(xiǎn)因素所占的權(quán)重和概率，評(píng)估出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，結(jié)果見表4。并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，畫出光伏電池組件的風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖，如圖5。

表4　光伏陣列風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

圖5　光伏組件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣

因此通過風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估方法，可知光伏陣列風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為為III級(jí)，如圖中灰色區(qū)域所示，其發(fā)生頻率較高，但是一次損失后果相對(duì)較低。

4　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論與建議

4.1風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)論

根據(jù)出險(xiǎn)案例及現(xiàn)場查勘了解到的情況，光伏組件損壞是多方面因素耦合造成的，主要包括安裝質(zhì)量、自然災(zāi)害、后期運(yùn)營管理以及其他原因造成的。

通過風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估方法，評(píng)估光伏陣列風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為III級(jí)，其發(fā)生頻率較高，但是一次損失后果相對(duì)較低。

4.2風(fēng)險(xiǎn)管控建議

電池板的設(shè)計(jì)壽命一般為25年，但由于薄膜電池材質(zhì)、安裝質(zhì)量問題以及安裝環(huán)境條件較為惡劣，因此建議要加強(qiáng)維護(hù)，降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，降低衰減速率。

（1）電池組件的損壞與安裝質(zhì)量有密切關(guān)系，通過對(duì)該光伏電站的查勘，進(jìn)口片的損壞率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國產(chǎn)片，除了質(zhì)量的差別，還有安裝方式的不同，建議將安裝方式、扭力大小等作為一項(xiàng)課題深入研究，兼顧效益和安全因素，避免類似事故反復(fù)出現(xiàn)。

（2）即使同一電站在光伏組件安裝扭矩的要求也可能存在不同，與是否處于迎風(fēng)面有關(guān)，因此對(duì)不同陣列要有不同的安裝要求。

（3）由于在安裝過程中，靠人工很難保持力矩一致性，可通過使用數(shù)顯扭力扳手等工具提高安裝質(zhì)量。在驗(yàn)收時(shí)加強(qiáng)對(duì)扭力的檢驗(yàn)。

（4）一般光伏電站所在地區(qū)環(huán)境較為惡劣，需根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境確定安裝的要求，另外，風(fēng)沙較大的地方，有些沙塵附著在電池板上，一是影響電池的發(fā)電量，二是會(huì)降低電池板壽命。建議在風(fēng)沙較大的季節(jié)，應(yīng)經(jīng)常清除灰塵，保持太陽電池表面的干凈，以免影響發(fā)電量及設(shè)備正常運(yùn)行。

（5）定期檢查所有安裝部件的緊固程度。定期檢查光伏方陣表面是否破損、支架是否腐蝕、布線是否破損，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理。

（6）本文是在未考慮電池組件生產(chǎn)質(zhì)量的情況下進(jìn)行分析和評(píng)估的，后續(xù)可在生產(chǎn)質(zhì)量方面多加研究。

參考文獻(xiàn)

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