■霍俊 嚴國剛 孫霞* 王暉 陳正洪 孟丹

(1.湖北安源安全環(huán)?？萍加邢薰荆?.武漢日新科技股份有限公司；3.湖北省氣象服務(wù)中心)

0 引言

近年，隨著政策的引導(dǎo)，我國光伏行業(yè)蓬勃發(fā)展。據(jù)國家能源局(NEA)公布的數(shù)據(jù)顯示，2017年，我國光伏新增裝機量為52.83 GW，累計裝機量已達130 GW，占全國總發(fā)電容量的7.3%，新增和累計裝機容量均為全球第一。但由于受自然環(huán)境等因素的影響，頻發(fā)的災(zāi)害給光伏電站帶來了巨大損失，光伏電站受災(zāi)的報道屢見不鮮。2012年6月，位于慕尼黑的光伏電站中的太陽能元件遭遇了自燃的問題；2016年7月，臺北市公館自來水園區(qū)屋頂?shù)墓夥M件起火；2017年7月1日，湖北麻城遭遇特大暴雨襲擊，導(dǎo)致該市多個光伏電站被淹。因此，科學評估光伏電站各環(huán)節(jié)的災(zāi)害風險，采取正確的防災(zāi)措施，對減輕災(zāi)害，保障電站、電網(wǎng)安全，提高太陽能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益具有十分重要的意義。

近年來，有許多關(guān)于災(zāi)害對光伏電站的影響及應(yīng)對策略方面的研究。在國內(nèi)，楊鯤鵬[1]從規(guī)劃選址和科學運維兩方面分析了光伏電站應(yīng)如何提高抗災(zāi)能力。韋媛[2]以2015年10月襲擊湛江的臺風“彩虹”為例，探討了在極限臺風影響下光伏電站的狀態(tài)，明確了光伏陣列遭遇損失的主要原因，并給出了一定的防護措施。馮鶴等[3]分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)面臨的雷電災(zāi)害類型及損害概率，并提出了一套光伏發(fā)電系統(tǒng)雷電災(zāi)害的風險評估方法，但并未提出相應(yīng)的防范對策。張杰等[4]對大規(guī)模光伏電站戶外場地的雷擊感應(yīng)電壓原理進行了分析，確定了雷電電波流的數(shù)學模型，計算結(jié)果證實，金屬邊框和背面鋁箔屏蔽等措施能大幅降低光伏組件的感應(yīng)電壓。楊磊等[5]結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)實例，計算了雷擊引起的損害風險，得出了感應(yīng)電壓、電流等各個參數(shù)之間的關(guān)系，估算了雷電安全距離，并提出了一套完整可行的雷電防御方案。弋峰[6]針對海邊光伏電站所遭遇的臺風影響問題展開了分析，并進一步論述了元件遭遇的影響及如何避免臺風所導(dǎo)致的負面影響，提出光伏組件和逆變器及匯流箱選型、光伏支架及組件連接可抵御12級臺風的措施。牛海霞等[7]以新疆某電站為研究對象，通過模擬光伏組件表面不同的積雪厚度，得出了積雪對光伏組件發(fā)電量的影響特性。殷代英等[8]研究了大型光伏電站對共和盆地荒漠區(qū)微氣候的影響，并得出大型光伏電站使共和盆地荒漠區(qū)的濕度增加、風向變得單一、風速減小、土壤溫度降低和濕度增加的結(jié)論。在國外，Anbu等[9]研究了光伏組件故障引起的熱斑效應(yīng)及由其所帶來的火災(zāi)隱患。

但多數(shù)研究僅從單方面對光伏電站的災(zāi)害進行了分析和對策研究，并未綜合分析災(zāi)害對于光伏電站的影響及應(yīng)對策略。因此，本文以湖北省20 MW及以上容量的光伏電站為例，結(jié)合湖北省地理、氣象條件，從理論推測及實際受災(zāi)案例進行分析，篩選出影響湖北省大型光伏電站的致災(zāi)因子，并提出有針對性的解決方案或措施，為湖北省光伏電站在前期選址建設(shè)和后期運維中的合理避險提供參考。

1 致災(zāi)因子分析

對理論及實際受災(zāi)案例分析后發(fā)現(xiàn)，影響湖北省大型光伏電站的致災(zāi)因子主要有暴雨、洪水、雷電、大風、臺風、高溫、火災(zāi)、低溫、冰雪、冰雹、沙塵暴、霧霾、地質(zhì)災(zāi)害等。

1.1 暴雨、洪水

暴雨是氣象災(zāi)害中最嚴重、最常發(fā)生的災(zāi)害之一。暴雨、洪水對光伏電站產(chǎn)生的影響主要為3方面：1)遭遇水災(zāi)后，受損的光伏組件可能會出現(xiàn)絕緣不良等故障；2)光伏系統(tǒng)樁基不穩(wěn)，特別是支架與地面接觸的部分，在雨水長期浸泡的過程中，樁基會出現(xiàn)松動，從而導(dǎo)致陣列傾斜，甚至倒塌；3)光伏電站周邊排水系統(tǒng)存在欠缺，暴雨天氣時，排水系統(tǒng)的不完善會導(dǎo)致積水嚴重，可能出現(xiàn)光伏逆變器、箱變等設(shè)備長時間浸泡于水中的情況，致使設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)短路，導(dǎo)致光伏電站癱瘓。

1.2 雷電

雷擊對光伏電站的損害主要有以下幾種形式：1)直擊雷擊穿光伏組件旁路二極管和p-n結(jié)；2)直擊雷對逆變器、箱變、開關(guān)站等設(shè)備元器件造成損害；3)直擊雷對輸電線路造成損害；4)雷電感應(yīng)過電壓對電力設(shè)備造成損害；5)雷電感應(yīng)過電壓損壞監(jiān)控、計量設(shè)備，造成監(jiān)控不準或計量有誤；6)桿塔、線路等方面會面臨由雷電及電涌等問題構(gòu)成的負面影響，會造成一定的過電壓現(xiàn)象。

1.3 大風、臺風

大風、臺風對光伏電站的危害主要是其會對支架和光伏組件造成直接損害。光伏場區(qū)的實際范圍相對偏大，支架及組件屬于重點設(shè)施，數(shù)目相對較多且造價較高，而其自身又相對薄弱，一旦遭遇超過設(shè)計強度的大風，經(jīng)濟損失巨大。

另外，大風天氣還可對光伏場區(qū)的匯流箱、升壓站建(構(gòu))筑物等造成危害，特別是光伏組件間的連接線，受大風吹拂搖擺，很可能導(dǎo)致接觸不良或斷路。

由于臺風常伴隨強降水，所以，若光伏場區(qū)的排水措施設(shè)計不當，易造成支架、組件及電力設(shè)備長期浸水，進一步造成支架樁基不穩(wěn)、設(shè)備絕緣不良等安全隱患。此種災(zāi)害導(dǎo)致的后果，與暴雨災(zāi)害導(dǎo)致的后果有部分重疊。

1.4 高溫

高溫天氣對光伏電站主要有以下幾種危害：

1)會造成光伏組件功率損失，從而降低發(fā)電量。光伏組件有一項重要參數(shù)是峰值功率溫度系數(shù)，通常情況下，組件的峰值功率溫度系數(shù)在-0.44%/℃～-0.38%/℃之間，即溫度提升的同時，對應(yīng)的輸出功率參數(shù)會有所下降。

2)會影響逆變器關(guān)鍵部件的壽命。

3)與高濕天氣同時存在時，容易產(chǎn)生PID效應(yīng)，從而造成光伏組件失效，導(dǎo)致光伏電站的發(fā)電量銳減。

1.5 火災(zāi)

火災(zāi)主要會給光伏電站造成直接經(jīng)濟損失。針對火災(zāi)源頭及起因進行分類，可分為光伏電站設(shè)備問題、建設(shè)施工問題、防護措施問題3個類別。

1.5.1 光伏電站設(shè)備問題

由光伏電站設(shè)備問題引發(fā)的火災(zāi)高發(fā)事項分別為：外界野火誘發(fā)光伏電站火災(zāi)、光伏組件熱斑效應(yīng)、電纜火災(zāi)、箱變火災(zāi)和其他電力設(shè)備問題(主要是接地、絕緣不可靠、雷擊、短路等引發(fā)火災(zāi))。

1)在光伏電站運營維護階段，因雜草清理不及時、清明節(jié)期間祭祖燒紙引發(fā)野火，繼而燒毀光伏電站的占比最高。

2)光伏組件熱斑效應(yīng)是指光伏組件在使用過程中，有一塊電池單獨被遮擋，導(dǎo)致被遮擋部位形成短路狀態(tài)，使其升溫顯著超過未被遮蓋區(qū)域，造成了因溫度過高而產(chǎn)生的暗斑。熱斑效應(yīng)可能造成組件的損壞，甚至可能引發(fā)光伏電站火災(zāi)。

3)光伏場區(qū)及升壓站內(nèi)有較多電纜，主要采用電纜溝敷設(shè)。電纜敷設(shè)不合理、電纜溝設(shè)計不合理、電纜防火措施不合理、運行維護不當都可能導(dǎo)致電纜火災(zāi)問題。而且，電纜在著火后蔓延迅速，撲滅的難度相對較高，還會造成連接的儀表及設(shè)備的損毀，引發(fā)嚴重的火災(zāi)問題。

4)由于箱變質(zhì)量存在潛在缺陷，變壓器抗短路能力不足，繞組變形絕緣損毀產(chǎn)生匝間、相間短路會引起變壓器火災(zāi)事故，雷擊導(dǎo)致的過電壓擊穿絕緣、內(nèi)部短路、污閃、過熱均會引發(fā)變壓器火災(zāi)事故。

5)匯流箱、逆變器等電力設(shè)備接地、絕緣不可靠、內(nèi)部短路、故障均會引起火災(zāi)事故。

1.5.2 建設(shè)施工問題及防護措施問題

建設(shè)施工問題及防護措施問題若嚴格按照相關(guān)設(shè)計、施工規(guī)范實施，基本可以避免。

1.6 低溫、冰雪、冰雹

冰雪對光伏電站最主要的影響是冰雪堆積。光伏組件頂部的積雪未及時清理，使荷載增大，可能導(dǎo)致光伏組件、承載支架及建(構(gòu))筑物發(fā)生坍塌。特別是在低溫、暴雪條件下，光伏組件上覆蓋的冰雪被冰凍，來不及融化或掉落，導(dǎo)致冰雪一層層累加，若未及時清掃，最終會導(dǎo)致光伏電站因冰雪負荷超載而發(fā)生垮塌。冰雪天氣下，主變壓器等戶外電器設(shè)備長期覆雪還可能導(dǎo)致設(shè)備局部短路；而電氣設(shè)備上的積雪清掃不符合規(guī)程、規(guī)范要求還可能導(dǎo)致觸電等安全事故的發(fā)生。

低溫伴隨冰雪不僅會影響支架強度，光伏組件積雪還會對組件造成遮擋，影響發(fā)電量。

冰雹對光伏電站的主要影響是會造成組件的破損。光伏組件、變壓器、配電裝置等重要設(shè)備和設(shè)施的抗冰雹沖擊性能若未滿足要求或日常設(shè)備維護不到位，在冰雹等惡劣天氣條件下，可能會因冰雹沖擊導(dǎo)致設(shè)備損壞事故。

1.7 沙塵暴

沙塵暴對光伏電站的主要影響是其會使光伏組件上出現(xiàn)灰塵或污漬，導(dǎo)致組件接收的太陽輻射強度減弱，降低組件的發(fā)電量。早期建成的一些光伏電站，由于室外逆變器等設(shè)備的安全防護等級不高，設(shè)備內(nèi)部積灰會對絕緣和爬電距離產(chǎn)生不利影響，造成安全隱患。光伏組件局部灰塵遮蔽可能會導(dǎo)致熱斑效應(yīng)，損失發(fā)電量的同時會造成火災(zāi)等安全隱患。風沙較大時，砂石易損壞光伏組件。

1.8 霧霾

霧霾對光伏電站的主要影響是其會使光伏組件上出現(xiàn)灰塵或污漬，從而削減組件接收的太陽輻射強度，進一步影響組件的發(fā)電量；而且灰塵遮蔽還可能造成熱斑問題，在影響發(fā)電量的同時還會構(gòu)成顯著的安全隱患。

霧霾天氣的空氣質(zhì)量較差，升壓站等設(shè)備絕緣表面上會逐漸沉積一些污穢物質(zhì)，從而導(dǎo)致變配電裝置污穢程度增加，若清掃不及時，可能導(dǎo)致污閃等事故的發(fā)生。

1.9 地質(zhì)災(zāi)害

常見的會對光伏電站造成影響的地質(zhì)災(zāi)害包括：地震、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降和地裂縫等。地質(zhì)災(zāi)害對光伏電站造成的損失是巨大的，會導(dǎo)致光伏場區(qū)的各種設(shè)備扭曲變形，基礎(chǔ)沉降、埋沒，甚至完全損毀。

1.10 由洪水、火災(zāi)、地震等引發(fā)的次生災(zāi)害

洪水、大風、雷電、火災(zāi)、地震等災(zāi)害發(fā)生后，易誘發(fā)山體滑坡、泥石流、通信中斷、光伏電站停產(chǎn)等次生災(zāi)害，造成光伏電站人員、財產(chǎn)的損失。

大型光伏電站可能對當?shù)仫L向、風速、土壤溫度、土壤濕度等微氣候有一定影響。在光伏電站建設(shè)期和運營維護期，對環(huán)境保護工作的疏忽，容易造成站址區(qū)域的水土流失。

2 不同地區(qū)光伏電站災(zāi)害風險的防范對策

通過分析光伏電站災(zāi)害的成因和對光伏電站造成的影響，針對不同光伏電站致災(zāi)因子，可以采取不同的防范措施。

2.1 暴雨、洪水多發(fā)地區(qū)

對暴雨、洪水多發(fā)地區(qū)，可采取謹慎選址、考慮適當抬升光伏支架高度、增設(shè)排水系統(tǒng)等防護系統(tǒng)、關(guān)注短時天氣預(yù)報等防范對策。

2.1.1 謹慎選址

在暴雨、洪水多發(fā)地區(qū)建設(shè)光伏電站，應(yīng)綜合考慮項目選址地的日照資源等氣候、地理和地址情況及水文條件等。在水文條件方面要綜合考慮短時最大降水量、積水深度、洪水水位、排水條件等。

2.1.2 適當抬升光伏支架高度

根據(jù)積水深度、洪水水位等水文條件，可考慮適當抬升光伏支架高度，以提高組件及其他電氣設(shè)備的安裝高度。

2.1.3 增設(shè)排水系統(tǒng)等防護系統(tǒng)

長期浸水會影響光伏支架基礎(chǔ)及金屬支架的安全性，因此，需視情況增設(shè)排水系統(tǒng)等防護系統(tǒng)。

2.1.4 關(guān)注短時天氣預(yù)報

強降水對光伏電站的影響主要是雨水會浸泡光伏設(shè)備，所以，關(guān)注短時天氣預(yù)報，可以提前做好預(yù)案，在強降水來臨前增設(shè)臨時排水設(shè)施。

2.2 雷電多發(fā)地區(qū)

針對雷電多發(fā)地區(qū)，采取的防范對策主要為謹慎選址、做好防雷接地工作。

2.2.1 謹慎選址

在雷電多發(fā)地區(qū)建設(shè)光伏電站，應(yīng)謹慎選址，盡量避免將電站建設(shè)在易受雷擊的位置。

2.2.2 做好防雷接地工作

雷電高危地區(qū)，應(yīng)首先將各元件、構(gòu)件和地網(wǎng)等方面進行連接處理，進一步形成針對性的接地網(wǎng)；其次，參考光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)及雷電波的具體狀態(tài)，有針對性地安裝對應(yīng)的浪涌保護器(SPD)；再利用站內(nèi)主體建筑鋼混架構(gòu)的鋼筋及金屬架構(gòu)等，與防雷設(shè)備有效連接，構(gòu)成屏蔽體。各個金屬外殼有著對應(yīng)的穩(wěn)定連接，同時接地組成基本的設(shè)備屏蔽，從而令光伏發(fā)電系統(tǒng)的線纜及金屬管采取對應(yīng)的敷設(shè)處理；同時，還需要在光伏陣列兩側(cè)進行接地處理，在防雷區(qū)等方面進行電位連接處理等。

2.3 大風、臺風多發(fā)地區(qū)

在大風、臺風多發(fā)地區(qū)建設(shè)光伏電站，需結(jié)合選址所在地的地形和氣候條件，并根據(jù)當?shù)仫L荷載數(shù)據(jù)設(shè)計光伏支架，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計提高光伏陣列抵抗風荷載的變形能力，并增大光伏支架、組件壓塊等構(gòu)件強度；采取合理的組件傾角，適當考慮增加擋風板等措施，以確保支架系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。同時，對光伏支架基礎(chǔ)進行分析，必要時需采取增強基礎(chǔ)承載力的措施，增設(shè)防風拉條，避免光伏支架出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。

光伏組件連接線應(yīng)配保護套管，光伏支架、匯流箱、升壓站建(構(gòu))筑物等應(yīng)按照當?shù)貧庀髼l件考慮抗風能力。

在施工時期，應(yīng)嚴格控制安裝質(zhì)量，尤其是組件的連接螺栓、壓塊，以及光伏支架的連接件等。在運營維護期，應(yīng)關(guān)注短時天氣預(yù)報，在大風天氣來臨之前，對螺栓、壓塊等緊固件進行加固。

2.4 高溫地區(qū)

高溫地區(qū)的光伏電站應(yīng)考慮配置攜帶高精度熱成像紅外相機及高清可視相機的智能光伏運維無人機，可實時查看光伏電站的實景全貌，并可及時查看光伏組件是否存在熱斑、缺失、隱裂等問題，對光伏電站進行精準排查，以保障電站安全穩(wěn)定的運營。高溫地區(qū)還應(yīng)選用散熱良好的逆變器，同時其他設(shè)備也應(yīng)做好通風散熱工作。

在高溫高濕地區(qū)，應(yīng)做好光伏組件負極接地或配備防PID裝置，以抑制PID效應(yīng)。

2.5 火災(zāi)多發(fā)地區(qū)

在光伏電站建設(shè)及運營維護期間，應(yīng)做好場區(qū)內(nèi)的除草工作，尤其是在清明節(jié)祭祖燒紙較為集中的時段，應(yīng)加強宣傳和巡查的力度。

在光伏電站設(shè)計、建設(shè)及運營維護期間，應(yīng)嚴控產(chǎn)品、工程質(zhì)量關(guān)，做好消防措施。應(yīng)根據(jù)電氣設(shè)備不同的性質(zhì)采取合適的消防方式，消防電源采用雙電源或雙回路供電。

2.6 低溫、冰雪、冰雹多發(fā)地區(qū)

在低溫、冰雪、冰雹多發(fā)地區(qū)建設(shè)光伏電站，可以考慮采取以下防范對策：

1)對于屋頂光伏項目，設(shè)計時應(yīng)復(fù)核原有建(構(gòu))筑物的屋面承載力是否適于承受光伏發(fā)電項目的新增荷載。

2)針對低溫、冰凍多發(fā)地區(qū)，應(yīng)根據(jù)當?shù)貧庀髼l件，適當增強光伏支架的設(shè)計強度。

3)多雪地區(qū)需考慮適當增加光伏支架、建筑屋頂?shù)膬A斜度，以利于積雪掉落?？煽紤]選用雙玻雙面組件方案，該方案有較為理想的耐候性和雙面發(fā)電的基礎(chǔ)特征，在大雪期間也有良好的發(fā)電表現(xiàn)；而且其能夠依靠背面獲取基本的反射光，進而實現(xiàn)良好的加熱及融化效果；另外，由于玻璃的光滑特性及合理的電站設(shè)計，雙玻雙面組件更有助于雪的自動滑落，從而可進一步減少積雪對組件的影響。

4)應(yīng)注意組件與地面需保持一定的高度，避免積雪滑落時堆積在底部，慢慢地積累覆蓋整個光伏組件。

5)運維部門應(yīng)在雪中、雪后加強對光伏電站的巡檢，及時清理積雪，發(fā)現(xiàn)問題及時上報。

6)冰雹過后，若出現(xiàn)組件發(fā)電量下降或有其他異常情況發(fā)生，應(yīng)及時檢查光伏發(fā)電系統(tǒng)是否受到損傷。

7)在冰雪、冰雹多發(fā)地區(qū)，變壓器、配電裝置等重要設(shè)備應(yīng)盡量放置于室內(nèi)，或適當增加保護措施。

2.7 沙塵暴、霧霾多發(fā)地區(qū)

針對沙塵暴、霧霾多發(fā)地區(qū)，可以考慮采取的防范對策為：1)在污染嚴重的情況下，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況，適當增加光伏組件的擦洗清潔頻次；2)電氣設(shè)備可適當使用硅油、硅脂等涂料，合理調(diào)節(jié)外絕緣的爬電比距。

2.8 地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)

針對地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，可以考慮采取的防范對策包括謹慎選址及選擇合適的光伏保險。

2.8.1 謹慎選址

在光伏電站建設(shè)前的調(diào)研活動中，要求針對項目場址具體的土壤、氣象、環(huán)境及構(gòu)造等要素開展有效的評估。參考項目地點基本的地質(zhì)信息及構(gòu)造，在具體的選址環(huán)節(jié)中需要規(guī)避地震及臺風等問題構(gòu)成的影響。

2.8.2 選擇合適的光伏保險

在光伏電站建設(shè)期間，必須購買建設(shè)安裝工程一切險，建議補充購買工程延誤保險、間接損失保險、商業(yè)綜合責任險等。

在電站運營維護期間，必須購買財產(chǎn)一切險，建議補充購買營業(yè)中斷險、光伏系統(tǒng)保證險等。

對于屋頂分布式光伏電站，還需投保公眾責任險。

2.9 易發(fā)生次生災(zāi)害的地區(qū)

針對山體滑坡、泥石流、通信中斷、光伏電站停產(chǎn)，以及光伏電站可能影響微氣候等次生災(zāi)害，可以考慮采取以下防范對策：

1)謹慎選址。在光伏電站的初期調(diào)研活動中，應(yīng)綜合評估站址的地質(zhì)、氣候條件，避開洪水、大風、雷暴等災(zāi)害多發(fā)區(qū)域。

2)關(guān)注短時天氣預(yù)報。在建設(shè)運營期間關(guān)注短時天氣預(yù)報，提前做好抗災(zāi)預(yù)案。

3)加強安全工作。重視短時天氣預(yù)報，在災(zāi)前、災(zāi)后加強安全工作。

4)購買合適的光伏保險，以降低光伏電站的財產(chǎn)損失。建設(shè)期間，必須購買建設(shè)安裝工程一切險，建議購買間接損失保險、商業(yè)綜合責任險等。運營維護期間，必須購買財產(chǎn)一切險，建議購買營業(yè)中斷險、光伏系統(tǒng)保證險等。

5)做好環(huán)境保護工作。在建設(shè)及運營期間，應(yīng)加強對光伏電站的環(huán)境監(jiān)測，做好水土保持及環(huán)境保護工作。

3 結(jié)論

整體來看，湖北省光伏電站的災(zāi)害風險較為多樣化，因此，在選址、設(shè)計階段應(yīng)當綜合考慮各災(zāi)害風險的影響，從源頭上將光伏電站可能遭受災(zāi)害的風險降到最低。在后期施工和運營維護的過程中，也要做好風險預(yù)估和控制工作，提前做好風險應(yīng)對預(yù)案，以降低災(zāi)害給光伏電站造成的損失。