Градушка срещу фото­вол­таици

Ще издъ­р­жат ли соларните модули?

Roman Rubanovich, NENCOM

Какво ще се случи с фото­вол­та­ич­ните (PV) модули по време на град? Може ли едра гра­душка да разбие стъ­к­ле­ната повърх­ност на пане­лите и да повреди солар­ните клетки? Кои PV модули са по-устой­чиви на удари от град и сурови кли­ма­тични усло­вия? Нека да раз­бе­рем.

Съдържа­ние

Въведе­ние
Устрой­ство на PV модул
Изпита­ния и стан­дарти
Образу­ване на гра­душка
Статистика и тен­ден­ции
Борба с гра­душка
Намаля­ване на рис­кове
Допълни­телни мате­ри­али

Въведе­ние

За сер­ти­фи­ци­рани соларни модули гра­душка с диа­метър до 25 mm не пред­став­лява опас­ност. По време на задъ­л­жи­телни изпи­та­ния моду­лите биват обстрел­вани с ледени топки именно с такъв размер, изли­тащи от спе­ци­ална пушка със ско­рост 23 m/s (82.8 km/h). След гра­до­вите удари спе­ци­а­ли­сти от лабо­ра­то­рия про­ве­ря­ват моду­лите: те трябва да са съхра­нили харак­те­ри­сти­ките си и да нямат визу­ални дефекти.

По-едрите гра­душки носят в себе си повече кине­тична енер­гия, затова те могат да нане­сат както явни повреди на защит­ното стъкло, така и скрити повреди на солар­ните клетки или токо­про­во­дя­щите шини.

Във връзка с изме­не­ни­ето на кли­мата все по-често се сблъ­скваме с екс­тремни метео­ро­ло­гични усло­вия. Едновре­менно с това тех­но­ло­ги­ите бързо се раз­ви­ват: уче­ните раз­ра­бот­ват все по-здрави и устой­чиви на външни въз­дей­ствия мате­ри­али. Светов­ната прак­тика показва, че повре­де­ните от град соларни панели обик­но­вено продъ­л­жа­ват да рабо­тят със съо­т­ветна загуба на ефек­тив­ност. Трябва да се има пред­вид, че мал­ките повреди могат да се уве­ли­чат в про­цеса на екс­пло­ата­ция на фото­вол­та­ич­ната система.

Устрой­ство на PV модул

Всички съвре­менни соларни модули от масово про­из­вод­ство са устро­ени почти една­кво. Отгоре те са защи­тени със зака­лено стъкло, което поема основ­ния удар по време на гра­душка. Стъклото трябва да бъде не само много здраво, но и достатъчно гладко, за да предот­вра­тява натруп­ва­нето на прах и да се само­по­чиства ефек­тивно по време на дъжд. В същото време то не трябва да бъде пре­ка­лено гладко, иначе слън­че­вите лъчи, падащи върху модула под малък ъгъл, ще се отра­зя­ват почти напълно. Специа­ли­сти в лабо­ра­то­рии по целия свят посто­янно екс­пе­ри­мен­ти­рат с мик­ро­струк­ту­рата на повърх­но­стта на стъ­к­лото за фото­вол­та­ични модули и със спе­ци­ални покри­тия, за да постиг­нат опти­мална ком­би­на­ция от про­ти­во­ре­чиви харак­те­ри­стики.

Структура на PV модул © NENCOM

Под защит­ното стъкло се нами­рат слън­че­вите клетки (обик­но­вено сили­ци­еви), свър­зани после­до­ва­телно с токо­про­во­дящи шини. По-рано за всяка клетка се използ­ваха по две широки плоски шини, което поня­кога водеше до обра­зу­ва­нето на така наре­че­ните «горещи точки», а повре­дата на една шина беше кри­тична. По-късно започ­наха да използ­ват 3, 5 и дори 10 по-тънки шини, като по този начин нама­ля­ваха елек­три­че­ското съпро­тив­ле­ние и раз­пре­де­ляха тока по-рав­но­мерно. Техноло­ги­ята MBB (multi-bus bar) се доказа като ефек­тивна и стана стан­дарт. Сега, през 2024 година, някои про­из­во­ди­тели използ­ват по 16 и повече свръхтънки токо­про­во­дящи шини с кръгло сече­ние на всяка клетка, което прави слън­че­вите модули не само по-ефек­тивни, но и по-надеждни и дъл­го­трайни. Качеството на изра­ботка на слън­че­вите клетки и токо­во­де­щите шини влияе върху устой­чи­во­стта на PV моду­лите срещу гра­душка.

PV модул LONGi LR7-72HGD 585~620

Слънче­вите клетки заедно с токо­про­во­дя­щите шини са лами­ни­рани от двете страни със спе­ци­ално здраво фолио от ети­лен­ви­нил­аце­тат (EVA), устой­чиво на ултра­ви­о­ле­тови лъчи. Такава инкап­су­ла­ция защи­тава клет­ките и шините от про­ни­кване на влага и нама­лява веро­ят­но­стта от обра­зу­ване на мик­ро­пук­на­тини при екс­тремни нато­вар­ва­ния върху модула (вятър, сняг, гра­душка). Качеството на това фолио не може да бъде оце­нено визу­ално при покупка на моду­лите, тъй като то просто не се вижда. Можем един­ствено да раз­чи­таме на репу­та­ци­ята на про­из­во­ди­теля, а резул­татът ще стане оче­ви­ден след няколко години — нека­че­стве­ните лами­ни­ращи фолиа с вре­мето помът­ня­ват и се отлеп­ват:

Нискока­че­ствен модул след 3 години © NENCOM

Послед­ният слой е поли­мерна или стъ­к­лена под­ложка, която също влияе на здра­ви­ната на слън­че­вия модул. Стъкле­ната под­ложка се използва в дву­странни (bifacial) модули, чиято обратна страна може да гене­рира енер­гия бла­го­да­ре­ние на отра­зе­ната от окол­ните повърх­но­сти свет­лина.

Целият този «санд­вич» обик­но­вено се побира в алу­ми­ни­ева рамка, която също е важен еле­мент от защи­тата на модула при екс­тремни нато­вар­ва­ния.

Стъклото е най-теж­ката част на солар­ния модул. Квадра­тен метър листово стъкло с дебе­лина 1 mm тежи ~2.5 kg. Нека раз­гле­даме няколко при­мера:

1. Едностра­нен модул SHARP NU-JC440 за частен сектор има площ ~1.95 m² и стъкло с дебе­лина 3.2 mm. Излиза, че стъ­к­лото тежи ~15.6 kg, като целият модул тежи 20.7 kg. Така повече от 75% от тег­лото на модула се пада върху стъ­к­лото.

2. Двустра­нен модул SHARP NB-JD585 за тър­гов­ски сектор има площ ~2.58 m² и две стъкла с дебе­лина по 2 mm от всяка страна. Излиза, че стъ­клата тежат ~25.8 kg, като целият модул тежи 32.5 kg. Следова­телно почти 80% от тег­лото на модула се пада върху стъ­к­лото.

Специфи­ка­ция SHARP

Понякога в дву­стран­ните модули вместо задно стъкло се използва про­зра­чен поли­мер, което поз­во­лява да се нама­лят цената и тег­лото. Теоретично моду­лите с двойно стъкло (известни още като «glass/glass» или «dual‑glass») са по‑дъл­го­трайни от моду­лите с поли­мерна под­ложка («glass/backsheet» или «single‑glass») бла­го­да­ре­ние на изклю­чи­тел­ната устой­чи­вост на стъ­к­лото към атмо­сферни вли­я­ния. На прак­тика надежд­но­стта на слън­че­вия модул зависи от каче­ството на него­вите ком­по­ненти и про­из­вод­стве­ния процес.

Изпита­ния и стан­дарти

Ние раз­брахме как са устро­ени пове­чето съвре­менни PV модули и уста­но­вихме, че здра­ви­ната на мате­ри­а­лите и тех­но­ло­ги­ята на про­из­вод­ство пряко влияят върху устой­чи­во­стта към гра­душка. Но как може да се измери тази устой­чи­вост и да се срав­нят моду­лите помежду си? Тук на помощ идват изпи­та­тел­ните лабо­ра­то­рии и стан­дар­тите за тестване. В про­цеса на задъ­л­жи­тел­ната сер­ти­фи­ка­ция слън­че­вите модули пре­ми­на­ват през мно­же­ство изпи­та­ния, раз­ра­бо­тени от Междуна­род­ната елек­тро­тех­ни­ческа коми­сия (IEC), вклю­чи­телно тестове за устой­чи­вост на солена мъгла (IEC 61701), устой­чи­вост на атмо­сфера с нали­чие на амоняк (IEC 62716), устой­чи­вост на въз­дей­стви­ето на прах и пясък (IEC 60068) и устой­чи­вост на удари от гра­душка (IEC 61215).

Всъщност меж­ду­на­род­ният стан­дарт IEC 61215 пре­дви­жда не само про­верка на устой­чи­во­стта на солар­ните модули към гра­душка (hail test), но и мно­же­ство други изпи­та­ния, като «тест на тер­ми­чен цикъл», «тест на влаж­ност и замръ­зване», «тест на влажна топ­лина», «тест на ста­тично меха­нично нато­вар­ване», «топ­ли­нен тест на бай­па­сен диод» и много други.

Изпита­ния на устой­чи­вост на PV модули към удари от град по стан­дарта IEC 61215 се про­веж­дат по след­ния начин. Пневма­тична уста­новка изстрелва ледени топки със зада­ден размер и маса с опре­де­лена ско­рост в 11 точки на фото­вол­та­ич­ния модул:

Hail Test 35 mm © Kiwa PVEL, ани­ма­ция NENCOM

В стан­дарта IEC 61215 като пример схе­ма­тично е пока­зано под­хо­дящо устрой­ство, вклю­ч­ващо хори­зон­тална пнев­ма­тична пус­кова уста­новка, вер­ти­кално раз­по­ло­жен PV модул и датчик за ско­рост, който измерва вре­мето, за което ледена топка пре­лита раз­сто­я­ни­ето между два свет­линни лъча. Измери­те­лят на ско­ро­стта трябва да има точ­ност ±2% и да бъде раз­по­ло­жен на не повече от 1 метър от повърх­но­стта на изпит­ва­ния модул:

© International Electrotechnical Commission

На прак­тика могат да се използ­ват и други типове хори­зон­тални и вер­ти­кални пус­кови устрой­ства, вклю­чи­телно прашки и пру­жинни тестери. Скоростта на изстрела трябва да се поддъ­ржа с точ­ност ±5%, допу­сти­мото откло­не­ние от целта е ±10 mm. Точките за удари, опи­сани в стан­дарта, покри­ват ъглите и ръбо­вете на моду­лите, токо­про­во­дя­щите шини между клет­ките, ръбо­вете на отдел­ните клетки, местата за закреп­ване на модула към носе­щата кон­струк­ция и областта над раз­пре­де­ли­тел­ната кутия:

Точки върху PV модула за удари © NENCOM

Соларният модул трябва да бъде надеждно закре­пен в съо­т­вет­ствие с инструк­ци­ите на про­из­во­ди­теля, а повърх­но­стта му — раз­по­ло­жена пер­пен­ди­ку­лярно на тра­ек­то­ри­ята на полета на леде­ните топки.

Изпита­тел­ните ледени топки се фор­ми­рат в камера за замра­зя­ване при тем­пе­ра­тура −10±5 °C. За про­верка на тях­ната маса се използва кантар с точ­ност ±2%, докато откло­не­ни­ето на масата и диа­метъра трябва да бъде в диа­па­зона ±5% от изис­ква­ното. Всяка ледена топка вни­ма­телно се оглежда за пук­на­тини, след което се поставя в спе­ци­а­лен кон­тей­нер за съхра­не­ние при тем­пе­ра­тура −4±2 °C. Изкустве­ният град трябва да остава в кон­тей­нера най-малко един час преди упо­треба. Времето между изва­жда­нето на леде­ната топка от кон­тей­нера и удара ѝ в модула не трябва да надви­шава 60 секунди.

За това как истин­ските гра­дови зърна се обра­зу­ват и растат в гръ­мо­ви­ден облак, ще гово­рим по-късно. Сега трябва да раз­бе­рем с каква ско­рост падат на повърх­но­стта и с каква кине­тична енер­гия раз­по­ла­гат преди сблъ­съка.

Формулата за мак­си­мал­ната (пре­делна) ско­рост на падане на ледени късове се опре­деля от рав­но­ве­си­ето между силата на теже­стта и силата на въз­душ­ното съпро­тив­ле­ние. За сфе­рична гра­душка пре­дел­ната ско­рост $v_t$ може да бъде изра­зена по след­ния начин:

$$v_t = \sqrt{\frac{2mg}{\rho C_d A}}$$

В тази фор­мула $m$ е масата на гра­душ­ката (kg), $g$ е уско­ре­ни­ето на сво­бод­ното падане (~9.81 m/s²), $\rho$ е плът­но­стта на въз­духа (~1.225 kg/m³ на морско ниво), $C_d$ е кое­фи­ци­ентът на аеро­ди­на­мич­ното съпро­тив­ле­ние (~0.47 за сфера), а $A$ е площта на напреч­ното сече­ние на гра­душ­ката (m²).

Таблицата, при­ве­дена в стан­дарта IEC 61215, показва, че по‑голе­мите ледени кълба могат да раз­вият по‑висока ско­рост. Нашите изчис­ле­ния потвър­жда­ват това, а за по‑ясно пред­ста­вяне решихме да доба­вим в таб­ли­цата и кине­тич­ната енер­гия на гра­душ­ката (като осно­вен раз­ру­ши­те­лен фактор), изчис­ля­вайки я по фор­му­лата $E_k = \frac{1}{2} mv^2$

За срав­не­ние: дъж­до­в­ните капки падат на земята със ско­рост около 10 m/s

От таб­ли­цата става ясно, че при уве­ли­ча­ване на диа­метъра на гра­душ­ката три пъти (25 → 75 mm), ней­ната маса се уве­личи 27 пъти, ско­ро­стта — 1.7 пъти, а кине­тич­ната енер­гия — 80 пъти.

В реални усло­вия на ско­ро­стта на падане на града могат да влияят вятърът, както и въз­хо­дя­щите или низ­хо­дя­щите въз­душни потоци. Освен това, истин­ският град, осо­бено едрият, често има непра­вилна форма, а сле­до­ва­телно — раз­ли­чен, в срав­не­ние със сфе­рата, кое­фи­ци­ент на аеро­ди­на­мично съпро­тив­ле­ние.

Важно е да се отбе­лежи, че леде­ният къс не е абсо­лютно твърдо тяло, затова при сблъ­съка той няма да може да пре­даде цялата си кине­тична енер­гия на PV модула. Фактиче­с­ката енер­гия на удара ще пред­став­лява тази част от кине­тич­ната енер­гия, която се абсор­бира от модула и води до него­вата ела­стична дефор­ма­ция или повреда. Остана­лата част от енер­ги­ята ще се загуби за дефор­ма­ци­ята на самото ледено тяло, ще се пре­об­ра­зува в топ­лина, звук и ще бъде отне­сена от фраг­мен­тите при раз­ру­ша­ва­нето му.

Създаване на изку­ствена гра­душка © Kiwa PVEL

Градуш­ката от лабо­ра­то­рен про­из­ход по стан­дарт IEC 61215 е изклю­чи­телно плътна (~0.92 g/cm³), затова енер­ги­ята от нейния удар обик­но­вено зна­чи­телно пре­ви­шава тази на истин­ската гра­душка. Плътно­стта на истин­ските гра­дови зърна средно е около 0.64 g/cm³ и може да варира от ~0.32 g/cm³ в кишаво състо­я­ние до ~0.99 g/cm³ (много рядко).

По-мал­ката плът­ност на есте­стве­ния град води до нама­ля­ване на край­ната ско­рост на падане, което от своя страна нама­лява кине­тич­ната енер­гия. Освен това ударът на «по-мек» леден къс ще оказва по-малко локално нато­вар­ване върху модула поради по-дъл­гото време на вза­и­мо­дей­ствие и по-голя­мата площ на кон­такта.

Въпреки че стан­дартът IEC 61215 пре­дви­жда шест раз­мера на гра­душка, задъ­л­жи­те­лен за сер­ти­фи­ци­ра­нето е само пър­вият — 25 mm. Поради тази при­чина абсо­лютно бол­шин­ство от солар­ните модули, пред­ста­вени на пазара днес, имат точно това ниво на потвър­дена защита от град. Класът на устой­чи­вост на удари от гра­душка задъ­л­жи­телно се посочва в про­то­кола от изпит­ва­нето, а някои про­из­во­ди­тели, напри­мер LONGi, го посоч­ват и в спе­ци­фи­ка­ци­ята:

PV модул LONGi LR5-54HTH 420~440M

В момента всички модули LONGi, пред­на­зна­чени за евро­пей­ския пазар, са тествани за устой­чи­вост към град с диа­метър 25 mm в съо­т­вет­ствие със стан­дарта IEC 61215. През май 2024 година ком­па­ни­ята обяви начало на про­из­вод­ството на дву­странни модули от сери­ята «Ice-Shield», устой­чиви към уда­рите на гра­душка с диа­метър до 45 mm, но само на пазара в САЩ. Повише­ната здра­вина се постига бла­го­да­ре­ние на по-дебе­лото предно стъкло (3.2 вместо 2 mm) със спе­ци­ално покри­тие, което уве­личи тег­лото на модула със 7.7 kg.

Специфи­ка­ция LONGi

Компани­ята LONGi е против про­из­вод­ството на PV модули с пре­ка­лено голям размер. Това отча­сти се дължи на логи­стични про­блеми и без­опас­но­стта на опе­ра­ци­ите на обекта, но има и друга при­чина. Изслед­ва­ни­ята на LONGi през 2021 година показ­ват, че кол­кото по-голяма е площта на зака­ле­ното стъкло, тол­кова по-ниска е него­вата здра­вина. По-долу е пока­зана коре­ла­ци­ята между повърх­ност­ното напре­же­ние и шири­ната на стъ­к­лото:

Специа­ли­стите на LONGi се обър­наха към лабо­ра­то­ри­ята TÜV SÜD за срав­не­ние на устой­чи­во­стта към гра­душка на моду­лите с раз­мери 2256×1133 mm (2.56 m²) и 2384×1303 mm (3.11 m²), предо­ста­вяйки по три екзем­пляра от всеки. Стрелбата се извър­шваше с ледени топки с диа­метър 35 mm и ско­рост 27.2 m/s. Всички три модула с уве­ли­чена площ бяха раз­бити, докато модулът с площ 2.56 m² издъ­ржа уда­рите.

През декем­ври 2023 година ком­па­ни­ята SHARP Solar успешно мина изпи­та­ни­ята на моду­лите от серия NU‑JC за устой­чи­вост към гра­душка с диа­метър 40 mm. Няма такъв размер в таб­ли­цата на стан­дарта IEC 61215, но го има в швей­цар­ския стан­дарт VKF, който е по‑взис­ка­те­лен заради осо­бе­ните кли­ма­тични усло­вия в алпий­ския регион.

PV модул SHARP от серия NU-JC © NENCOM

Слънче­вите модули SHARP от серия NU-JC отдавна са достъпни на пазара в Европа. Нашата ком­па­ния е офи­ци­а­лен парт­ньор на SHARP Solar: ние про­да­ваме PV модули от този про­из­во­ди­тел на едро и дребно, както и ги използ­ваме за изграж­дане на фото­вол­та­ични системи в България.

В Швейца­рия и Австрия се води така наре­че­ния «реги­стър на гра­душка», в който раз­лични стро­и­телни изде­лия, вклю­чи­телно фото­вол­та­ични модули, се кла­си­фи­ци­рат в пет нива на устой­чи­вост към удари от гра­душка: от HW1 (10 mm) до HW5 (50 mm). За PV моду­лите мини­мално допу­сти­мото ниво на устой­чи­вост е HW3 (30 mm). Тази кла­си­фи­ка­ция не само поз­во­лява пра­вил­ния избор на соларни модули за кон­кре­тен регион, но също така може да повлияе на застра­хо­ва­тел­ното покри­тие на щети, при­чи­нени от гра­душка. Регламентът за изпит­ване е раз­ра­бо­тен под ръко­вод­ството на Кантонал­ната про­ти­во­по­жарна застра­хо­ва­телна асо­ци­а­ция (VKF).

Докумен­та­ция VKF

На пръв поглед мето­ди­ката за тестване VKF при­лича на IEC 61215, дори точ­ките на удар са същите, но леде­ните топки имат раз­лична плът­ност, раз­мери, ско­рост и тем­пе­ра­тура. Плътно­стта на леда според регла­мента VKF е 0.87 g/cm³, което е малко по-ниско от 0.92 g/cm³, приети в IEC 61215, но все още зна­чи­телно по-високо от сред­ната стой­ност за истин­ска гра­душка, която е 0.64 g/cm³. Поради лекото нама­ля­ване на плът­но­стта на леда ско­ро­стта на падане на гра­душ­ката нама­лява и съо­т­ветно ней­ната кине­тична енер­гия.

Ние доба­вихме три раз­мера на гра­душка за тестване на PV модули по регла­мента VKF (червен шрифт) в таб­ли­цата с раз­мери по стан­дарт IEC 61215 (син шрифт):

Таблицата показва, че мини­мал­ното ниво на защита според швей­цар­ския регла­мент VKF трябва да оси­гу­рява устой­чи­вост към гра­дови удари с кине­тична енер­гия от 3.51 джаула, което е 1.76 пъти по-високо от изис­ква­ното от стан­дарта IEC 61215.

Соларните модули SHARP от серия NU-JC имат ниво HW4, издъ­р­жат гра­душка с кине­тична енер­гия до 11.1 J, което е 5.58 пъти повече от изис­ква­ни­ята за задъ­л­жи­тел­ното сер­ти­фи­ци­ране.

Регламентът VKF пре­дви­жда ползва­нето на ледени топки, охла­дени до тем­пе­ра­тура −20 °C, докато по стан­дарт IEC 61215 тях­ната тем­пе­ра­тура трябва да е −4 °C.

Специа­ли­стите от швей­цар­ската лабо­ра­то­рия SUPSI PVLab про­ведоха изслед­ване, стре­ляйки изку­ствен град с диа­метър 25, 40 и 70 mm в прът на Хопкин­сон. Те искаха да ана­ли­зи­рат фор­мите на импул­сите, при­чи­нени от удари на ледени топки с тем­пе­ра­тура −20 °C и −5 °C.

Градов удар −5 °C и −20 °C © SUPSI PVLab

Оказа се, че лед с тем­пе­ра­тура −20 °C довежда до по-кратък импулс и пови­шено пиково нато­вар­ване, което зна­чи­телно пови­шава веро­ят­но­стта от локални щети на солар­ните модули.

Сега инже­не­рите на SUPSI PVLab раз­ра­бот­ват нов изпи­та­те­лен стенд, който ще поз­воли изстрел­ва­нето на гра­душка с диа­метър до 100 mm със ско­рост 46 m/s (166 km/h).

Към 25 юни 2024 година в реги­стъра на гра­душка са пуб­ли­ку­вани 94 сер­ти­фи­ката VKF за фото­вол­та­ични модули, вклю­чи­телно такива марки като Trina Solar, JA Solar, JinkoSolar и LONGi, които сме използ­вали в нашите про­екти. От тях 52 сер­ти­фи­ката потвър­жда­ват защита от гра­душка на ниво HW3, още 31 потвър­жда­ват ниво HW4 и 11 сер­ти­фи­ката — HW5 (6 про­из­во­ди­тели).

Продук­ци­ята HW5 не е масова. Основно това е инте­гри­рана в сгра­дите фото­вол­та­ика (BIPV) и така наре­че­ните «слън­чеви кере­миди» с дебело стъкло. Сред при­те­жа­те­лите на пето ниво на защита открихме само един про­дукт, външно напо­до­бя­ващ моду­лите за масово про­из­вод­ство — e.Prime M HC от австрий­ския про­из­во­ди­тел Energetica Industries (за съжа­ле­ние вече фали­рал). Дебели­ната на стъ­к­лото, рам­ката и общото тегло на този PV модул зна­чи­телно надви­ша­ват стан­дарт­ните пока­за­тели. Интерес­ното е, че много модели слън­чеви кере­миди, въпреки вну­ши­тел­ната дебе­лина на стъ­к­лото 7 mm (4+3), не достиг­наха пети клас на защита и полу­чиха сер­ти­фи­кати HW4.

Примери за HW5

Лабора­то­ри­ята PVEL (PV Evolution Labs), част от групата Kiwa, про­вежда свои изпи­та­ния в САЩ, полз­вайки ледени топки с диа­метър до 55 mm. Според дан­ните SPC (Център за про­гно­зи­ране на бури) в пери­ода 1995-2019 в САЩ в 68% от слу­ча­ите раз­мерът на гра­душ­ката не е пре­ви­шил 25 mm. Така оста­на­лите 32% от слу­ча­ите носят потен­ци­а­лен риск от повреда на солар­ните модули:

© Kiwa PVEL

PVEL пред­лага на всички заин­те­ре­со­вани лица неза­ви­сими изпи­та­ния на соларни модули за устой­чи­вост към удари на гра­душка с раз­лични раз­мери, съоб­ра­зени с реги­она на използване и съо­т­вет­ната степен на риск. Интересно е, че според резул­та­тите от тества­нето на PVEL моду­лите с една­кви кон­струк­тивни пара­метри (размер, тегло, дебе­лина на стъ­к­лото) често полу­ча­ват напълно раз­лични резул­тати. Това показва, че каче­ството на използва­ните мате­ри­али и про­из­вод­стве­ната тех­но­ло­гия са от голямо зна­че­ние.

Лабора­то­рия Kiwa PVEL

Лабора­то­ри­ята RETC (Renewable Energy Test Center), част от групата VDE, също про­вежда неза­ви­сими тестове на фото­вол­та­ични модули в САЩ. И двете лабо­ра­то­рии над­хвър­лят необ­хо­ди­мите изис­ква­ния за устой­чи­вост към гра­душка. Освен това, след обстрел­ва­нето на моду­лите с ледени топки, те про­веж­дат ресурсни изпи­та­ния, ими­ти­райки про­мени в тем­пе­ра­ту­рите и вятърно нато­вар­ване, което помага да се иден­ти­фи­ци­рат скри­тите щети.

Ресурсни изпи­та­ния © RETC

Микропук­на­ти­ните в клет­ките, както и някои други видове вътрешни дефекти, не могат да се видят с просто око. За тази цел се използва елек­тро­лу­ми­нес­центна (EL) визу­а­ли­за­ция:

EL тест © Clean Energy Associates (CEA)

При пода­ване на обра­тен ток към солар­ния модул, клет­ките започ­ват да пускат луми­нис­центно (нетоп­линно) излъ­ч­ване в близ­кия инфра­чер­вен диа­па­зон, което се фик­сира от спе­ци­ална камера на тъмно. Софтуерът ана­ли­зира полу­че­ното изоб­ра­же­ние и авто­ма­тично кла­си­фи­цира щетите по тип.

През 2023 година спе­ци­а­ли­стите на RETC про­ведоха ста­ти­сти­че­ски анализ на всички свои тестове с гра­душка за послед­ните повече от три години, който вклю­чва слън­чеви модули от раз­лични про­из­во­ди­тели, мощ­но­сти и раз­мери, раз­де­ляйки ги на две групи:

1. Двустранни модули със стъкла по 2 mm от всяка страна;

2. Едностранни модули със стъкло 3.2 mm и поли­мерна под­ложка.

Оказа се, че вто­рата група е при­бли­зи­телно два пъти по-здрава:

Градоустой­чи­вост на PV © RETC

Това се дължи както на дебе­ли­ната, така и на харак­те­ри­сти­ките на стъ­к­лото. В едно­стран­ните модули основно се използва зака­лено стъкло, докато в дву­стран­ните модули обик­но­вено се използва тер­мично укре­пено (полу­за­ка­лено) стъкло.

Техноло­ги­ята на про­из­вод­ство на двата вида е иден­тична: стъ­к­лото се нагрява до тем­пе­ра­тура ~650 °C, след което се охла­жда рав­но­мерно от въз­душни потоци от двете страни. В резул­тат на това външ­ните слоеве се ком­пре­си­рат по-бързо от вътреш­ните, което съз­дава напре­же­ние и уве­ли­чава здра­ви­ната на стъ­к­лото. Единстве­ната раз­лика е, че при съз­да­ва­нето на зака­лено стъкло охла­жда­нето става по-бързо, което съз­дава още по-високо повърх­ностно напре­же­ние:

Закалено стъкло © RETC

Напълно зака­ле­ното стъкло е не само по-здраво, но и по-без­опасно, тъй като при счуп­ване обра­зува мно­же­ство малки фраг­менти с тъпи ръбове. Пробле­мът е, че при охла­ждане на стъкло с дебе­лина под 3 mm е много трудно да се съз­даде необ­хо­ди­мия тем­пе­ра­ту­рен гра­ди­ент между вътреш­ните и външ­ните слоеве. Стъкло с дебе­лина 2 mm просто е твърде тънко за пълно зака­ля­ване на пове­чето про­из­вод­ствени линии, поради което в крайна сметка става полу­за­ка­лено.

В резул­тат, дву­стран­ните модули с тънки полу­за­ка­лени стъкла (как­вито са почти всички дву­странни модули на пазара в момента) са изклю­чи­телно чув­стви­телни към тех­но­ло­гични грешки на всички етапи: про­из­вод­ство, това­рене, доставка, разто­вар­ване, монтаж, екс­пло­ата­ция. Стъклата на такива модули се чупят по-често, поня­кога «спон­танно» и без видими на пръв поглед при­чини, осо­бено когато гово­рим за модули от пре­ка­лено голям размер.

Като алтер­на­тива, про­из­во­ди­те­лите могат да използ­ват по-дебели стъкла, да съз­да­дат спе­ци­ални линии за зака­ля­ване на тънко стъкло или да използ­ват хими­че­ско укреп­ване, както прави ком­па­ни­ята Corning в про­из­вод­ството на своето фир­мено стъкло Gorilla Glass. Всичко това несъм­ненно ще уве­личи про­из­вод­стве­ните раз­ходи, но ще направи солар­ните модули по-здрави.

Образу­ване на гра­душка

Градовите зърна се обра­зу­ват в мощни въз­хо­дящи потоци на гръ­мо­те­вични облаци. Дори през лятото тем­пе­ра­ту­рите в гор­ната част на гръ­мо­те­вична буря са зна­чи­телно под нулата, което съз­дава усло­вия за обра­зу­ване на ледени кри­стали. Градуш­ката започва да се обра­зува, когато леден кри­стал се слее със свръ­хох­ла­дени водни кап­чици, които са оста­нали течни при тем­пе­ра­тури до −40 °C поради лип­сата на цен­трове на кри­ста­ли­за­ция като аеро­золни частици или други при­меси.

© Min Hee Kim, Jaeyong Lee & Seung-Jae Lee

Възходя­щите потоци могат да задъ­р­жат леде­ните зърна от падане, докато растат. Ако гръ­мо­те­вич­ният облак е голям и съдъ­ржа много влага, но с уме­рено силни въз­хо­дящи потоци, резул­татът може да е голямо коли­че­ство малка гра­душка. По‑силен въз­хо­дящ поток може да задъ­ржа големи зърна гра­душка, поз­во­ля­вайки им да станат още по‑големи. В някои случаи замръ­з­на­лата капка може да се превърне в гра­душка с раз­ме­рите на бей­з­болна топка (повече от 70 mm в диа­метър) само за 20-30 минути.

Суперк­лет­ките, които са мощни гръ­мо­те­вични облаци с въртящ се въз­хо­дящ поток (мезо­цик­лон), заси­л­ват този процес. Услови­ята вътре в суперк­лет­ките насър­ча­ват интен­зив­ния растеж на леде­ните кри­стали, което води до обра­зу­ва­нето на големи зърна.

Структура на суперк­летка © Kelvinsong

Статистика и тен­ден­ции

През май 2019 година град повреди близо 400 хиляди PV модули в елект­ро­цен­тра­лата Midway Solar в Западен Тексас, което доведе до невъоб­ра­зи­мите преди това 80 мили­она долара застра­хо­ва­телни загуби. Рискът от гра­дови валежи е най-голям в рай­о­ните, където сту­дени сухи въз­душни маси се срещат с топли и влажни, както и в пла­нин­ските райони, където реле­фът бла­го­при­ят­ства пови­ше­ната кон­век­ция.

Особено изве­стен с огромни по размер гра­душки е рай­онът в САЩ, наре­чен «Алеята на гра­душ­ките», който обхваща голяма част от Централ­ните високи рав­нини, вклю­чи­телно Денвър. Високото раз­по­ло­же­ние на тази зона води до обра­зу­ва­нето на по‑дъл­боки сту­дени слоеве в гръ­мо­те­вич­ните облаци. Също така под­ло­жени на риск от едра гра­душка са Индия и Бангла­деш, Централна Европа, източна Австра­лия, пре­ри­ите на Централна Аржентина и части от Сахел в Централна Африка.

В пове­чето тери­то­рии по света едрата гра­душка е рядко явле­ние. Картата по-долу показва гло­бал­ната средна годишна веро­ят­ност за едра гра­душка, нор­ми­рана за площ от 100×100 km, в пери­ода от 1979 до 2015 година, според Национал­ния център за атмо­сферни изслед­ва­ния на САЩ (NCAR):

© National Center for Atmoshpheric Research, USA

В Европа голяма гра­душка доста често се реги­стрира в Алпите (Словения, Австрия, Швейца­рия, север­ната част на Италия) и Пирене­ите (гра­ница между Испания и Франция, Андора). Долу е пока­зана карта на годиш­ното коли­че­ство валежи на град в Европа в период от 2004 до 2014 година, според дан­ните на Европей­с­ката аген­ция по околна среда (EEA):

© European Environment Agency (EEA)

Измене­ни­ето на кли­мата кара едрия град да става все по-често сре­щано явле­ние както в све­то­вен мащаб, така и на евро­пей­ския кон­ти­нент. През 2023 година в ESWD (Европей­ска база данни за лошо време) стиг­наха 9 627 съоб­ще­ния за едра гра­душка (с диа­метър повече от 20 mm). От тях 1 931 съоб­ще­ния бяха за много едра гра­душка (>50 mm), а 92 съоб­ще­ния за гигант­ски град (>100 mm). И трите пока­за­тели бяха най-висо­ките, реги­стри­рани някога в базата данни, което направи 2023 година тре­тият поре­ден рекор­ден сезон за гра­душки:

© European Severe Weather Database (ESWD)

Италия беше силно засе­гната на 19 юни 2023 година, когато три суперк­летки про­из­ведоха гра­душка с диа­метър до 10, 14 и 16 cm. Градушка с раз­мери около 16 сан­ти­метра падна в Карминяно ди Брента и постави нов рекорд за раз­мера на евро­пей­с­ката гра­душка. В десетки села и гра­дове били повре­дени авто­мо­били, покриви и про­зорци, мини­мум 111 души са постра­дали.

Новият рекорд издъ­ржа едва 5 дни, и на 24 юни Европа беше разтър­сена от истин­ска «гра­душка на годи­ната», когато в ESWD бяха пода­дени 855 сиг­нала за един ден. Силни гра­душки бяха наблю­да­вани във Франция, Швейца­рия, Италия, Словения, Хърватия, Австрия, Чехия и Словакия. Постра­даха 119 души, всички в Италия. Градуш­ката нанесе зна­чи­телни щети, вклю­чи­телно повреди по соларни панели и пълно счуп­ване на пред­ните стъкла на много авто­мо­били. Най‑голя­мата гра­душка падна в Италия, където беше открит леден къс с размер 19 сан­ти­метра:

Най-едрата гра­душка в Европа © Marilena Tonin

Тази находка е много близо до све­тов­ния рекорд от 23 юли 2010 година във Вивиан, Южна Дакота, когато беше реги­стри­рана 8‑инчова гра­душка (20.3 cm). Трябва да се отбе­лежи, че Аццано Дечимо беше ударен от гигант­ска гра­душка два пъти за две години. Професио­нал­ният фото­граф и «ловец на бури» Marko Korošec засне повре­дите на фото­вол­та­ич­ните модули след рекорд­ната гра­душка в Аццано Дечимо на 24 юни 2023 година:

Разбити от рекордна гра­душка PV модули © Marko Korošec

За България 2023 година също се оказа много наси­тена на големи гра­душки. Рекордно съоб­ще­ние е полу­чено на 6 август от град Дулово, област Силистра. За щастие няма жертви, но са нане­сени щети по рекол­тата, постра­дали са къщи и коли. Размерът на зър­ната гра­душка достигна 13 сан­ти­метра (оран­жев триъ­гъл­ник на кар­тата):

© European Severe Weather Database (ESWD)

Борба с гра­душка

Градът нанася зна­чи­телни щети на посеви, пло­дове, авто­мо­били, сгради, домашни животни и хора, което при­нуж­дава фер­ме­рите и соб­стве­ни­ците на имоти да търсят методи за защита. Борбата с това явле­ние е акту­ална задача, но оцен­ката на ефек­тив­но­стта на раз­лич­ните методи остава трудна поради при­род­ните усло­вия, които не поз­во­ля­ват точни и кон­тро­ли­рани екс­пе­ри­менти.

Засява­нето на облаци с ледо­об­ра­зу­ващи агенти е един от най-извест­ните методи за борба с гра­душ­ката. Този метод вклю­чва въвеж­да­нето в гръ­мо­те­вич­ните облаци на частици среб­ъ­рен йодид (AgI) или «сух лед» (твърд въг­ле­ро­ден диок­сид). Микроско­пич­ните частици се улавят от пре­охла­дени кап­чици, пре­връ­щайки се в кри­стали, които стават гра­дови заро­диши. Тези изку­ствени кри­стали кон­ку­ри­рат с есте­стве­ните за влага в облака, което води до обра­зу­ва­нето на голямо коли­че­ство малки гра­дови зърна вместо малък брой едри.

© North Dakota Cloud Modification Project

Въпреки десе­ти­ле­тия изслед­ва­ния и при­ло­же­ния, ефек­тив­но­стта на облач­ното зася­ване остава пред­мет на дебат сред уче­ните, а све­де­ни­ята за него­вата ефек­тив­ност са доста про­ти­во­ре­чиви. Данните показ­ват, че облач­ното зася­ване поня­кога може да има обра­тен ефект. Освен това оста­ват въпроси относно еко­ло­гич­ната без­опас­ност на този метод, тъй като дъл­го­сроч­ните ефекти на среб­ър­ния йодид върху окол­ната среда оста­ват неизяс­нени.

Сребърен йодид © Ice Crystal Engineering (ICE)

Друг изве­стен метод за борба с гра­душ­ката — изстрели с аку­стични пушки — се използва вече повече от 100 години. Тези устрой­ства съз­да­ват зву­кови ударни вълни, насо­чени вер­ти­кално нагоре, които тео­ре­тично трябва да попре­чат на фор­ми­ра­нето на град в обла­ците. Въпреки това ефек­тив­но­стта на аку­стич­ните пушки за борба с гра­душка не е потвър­дена от научни изслед­ва­ния.

Изложба на пушки за гра­душка в Падуа, Италия

Пушките за гра­душка са били модерно фер­мер­ско зани­ма­ние в Европа в пери­ода от 1896 до 1905 година, след което масо­вото им използване е изо­ста­вено поради изклю­чи­телна нее­фек­тив­ност. Някои фер­мери и до днес купу­ват и използ­ват пушки за гра­душка:

Пушка за гра­душка © Stephen Kloosterman

Оценява­нето на ефек­тив­но­стта на мето­дите за борба с гра­душ­ките е изклю­чи­телно трудно поради уни­кал­но­стта на всеки гръ­мо­те­ви­чен облак и невъз­мож­но­стта да се съз­да­дат иден­тични усло­вия за срав­не­ние. За раз­лика от лабо­ра­тор­ните изслед­ва­ния с кон­тро­ли­рани про­мен­ливи, метео­ро­ло­гич­ните усло­вия вари­рат, което затруд­нява пра­ве­нето на заклю­че­ния относно дей­стви­тел­ната ефек­тив­ност на използва­ните тех­но­ло­гии. В същото време продъ­л­жа­ва­нето на науч­ните изслед­ва­ния и подоб­ря­ва­нето на ста­ти­сти­че­с­ките методи за оценка на резул­та­тите са много важни за нами­ра­нето на надеждни и без­опасни реше­ния.

От друга страна, дори успешна про­мяна на вре­мето в един регион може да доведе до непред­ви­дими после­дици в други. От тази гледна точка пасив­ната защита на иму­ще­ството чрез използва­нето на съвре­менни свръ­х­здрави мате­ри­али изглежда по-разумно от актив­ното вли­я­ние върху вре­мето. Например, надеж­ден начин за защита на рекол­тата от град може да бъде използва­нето на издръж­ливи и ела­стични три­ко­тажни мрежи:

Мрежи срещу гра­душка © Agroflor

Незначи­телно засен­ч­ване, съз­да­дено от такива мрежи, често е от полза за много сел­ско­сто­пан­ски кул­тури, но за соларна елект­ро­цен­трала това би озна­ча­вало загуба на мощ­ност. За пови­ша­ване на нивото на пасивна защита на PV моду­лите от гра­душка е необ­хо­димо по-здраво и ела­стично стъкло с достатъчно висок кое­фи­ци­ент на свет­ло­про­пуск­ли­вост.

Намаля­ване на рис­кове

Въпреки че е невъз­можно напълно да избег­нем риска от повреди на солар­ните панели от гра­душка, ние можем да нама­лим веро­ят­но­стта от такива повреди или да смек­чим тех­ните после­дици. Ето седем съвета от NENCOM за защита на вашата инве­сти­ция във фото­вол­та­ична система:

1. Купувайте PV модули от известни про­из­во­ди­тели и само чрез офи­ци­ални дис­три­бу­тори. Цената не трябва да бъде опре­де­лящ кри­те­рий при избора на ком­по­ненти за слън­чева елект­ро­цен­трала. На пазара има голям брой про­дукти с ниско каче­ство, както и фал­ши­фи­кати на известни марки. Основните кри­те­рии за избор са дъл­го­го­дишна исто­рия, без­упречна репу­та­ция и финан­сова ста­бил­ност на про­из­вод­стве­ната ком­па­ния. Почти всички про­из­во­ди­тели предо­ста­вят мно­го­го­дишна гаран­ция за соларни модули, но пове­чето от тях ще пре­ста­нат да съще­ству­ват много преди изти­ча­нето на гаран­ци­он­ния период.

2. Не купу­вайте PV модули с голям размер без явна необ­хо­ди­мост, осо­бено за домашни системи. Колкото по-голяма е площта на стъ­к­лото, тол­кова по-малко устой­чиво е то към удари от гра­душка при равни усло­вия. Оптимал­ният размер на сола­рен модул за домашна фото­вол­та­ична система е не повече от 2 m². През послед­ните години наблю­да­ваме тен­ден­ция за ползване в домаш­ните системи на PV модули с голям размер, пред­на­зна­чени за тър­гов­ски системи, поради по-нис­ката им цена за 1 Wp (ват-пик). Такива модули са опти­мални за изграж­да­нето на големи наземни елект­ро­цен­трали, но не и за монтаж на покрива на частна къща.

3. Поверете мон­тажа на фото­вол­та­ични модули на опитни про­фе­сио­на­ли­сти, които стриктно спаз­ват инструк­ци­ите на про­из­во­ди­теля. Не забра­вяйте, че нару­ша­ва­нето на пра­ви­лата за транс­пор­ти­ране, разто­вар­ване, съхра­не­ние и монтаж на соларни модули води до ану­ли­ране на гаран­ци­ята.

Монтаж на PV модули © NENCOM

Неправил­ният монтаж също пови­шава веро­ят­но­стта от повреди при силен вятър или гра­душка. Имайте пред­вид, че щетите нане­сени на слън­че­вите панели по време на фор­сма­жорни обсто­я­тел­ства или при­родни бед­ствия, вклю­чи­телно мълнии и град, не се покри­ват от гаран­ци­ята.

4. Препоръ­чи­телно е PV моду­лите да се инста­ли­рат под ъгъл най-малко 15° на хори­зон­тална повърх­ност, когато е въз­можно. Колкото по-голям е ъгълът на наклона, тол­кова по-малко гра­душки ще уцелят модула (поради по-мал­ката про­ек­ци­онна площ) и енер­ги­ята на уда­рите им ще бъде по-ниска.

PV модули с наклон 60° © NENCOM

Разбира се, силен вятър по време на гра­душка може да внесе непред­ска­зу­еми корек­тиви. Във всеки случай наклон от 15° и повече оси­гу­рява ефек­тивно само­очистване на слън­че­вите модули по време на дъжд. При избора на опти­ма­лен ъгъл на наклона във всеки кон­кре­тен случай трябва да се вземат пред­вид мно­же­ство фак­тори, вклю­чи­телно мястото на монтаж, вятър­ната нато­ва­ре­ност, стой­но­стта на мон­таж­ната кон­струк­ция, ази­мута, гра­фика на потреб­ле­ние на енер­гия и много други. Консул­ти­райте се с про­фе­сио­на­лист.

5. Постарайте се да застра­хо­вате своята фото­вол­та­ична система. Внимателно про­учете дого­вора за застра­ховка: в него може да има мно­же­ство изклю­че­ния и усло­вия, осо­бено в реги­они със сложни кли­ма­тични усло­вия. Някои застра­хо­ва­телни ком­па­нии може да отка­жат да застра­хо­ват фото­вол­та­ични модули. Известен про­из­во­ди­тел и сер­ти­фи­кат, потвър­жда­ващ пови­шена устой­чи­вост към гра­душка, ще уве­ли­чат шан­со­вете за склю­ч­ване на дого­вор или ще нама­лят цената на застра­хов­ката.

6. Ако при­те­жа­вате малка фото­вол­та­ична система, състо­яща се от няколко модула с лесен достъп до тях (лодка, кемпер, плосък покрив на къща или наземна инста­ла­ция) — имайте под ръка под­хо­дящи за защита мате­ри­али и сле­дете про­гно­зата за вре­мето. Едно от въз­мож­ните реше­ния е здраво три­слойно въз­душно-мех­ур­че­сто фолио:

Купете ролка с ширина 150 cm и наре­жете фолиото на отделни листове с изве­стен запас. Например, ако раз­мерът на модула е 113×172 cm, под­го­т­вете листове фолио с размер 150×200 cm. Като тре­ни­ровка се опи­тайте да закре­пите защит­ното фолио на един модул с помо­щта на арми­рано тиксо. Завийте кра­и­щата на фолиото зад алу­ми­ни­е­вата рамка и напра­вете няколко обо­рота тиксо около модула. Старайте се да не зале­пяте тик­сото директно върху слън­че­вия модул — само върху фолиото, за да можете лесно да пре­мах­нете защи­тата. Убедете се, че фолиото е закре­пено надеждно и няма да бъде отне­сено от вятъра.

При оча­к­ване на едра гра­душка използ­вайте няколко слоя мех­ур­че­сто фолио. В случай на гигант­ска гра­душка между сло­е­вете фолио може да се постави лист шпер­плат с размер малко по-голям от модула, за да раз­пре­дели енер­ги­ята на удара върху цялата площ, вклю­чи­телно рам­ката. Импрови­зи­райте, като взе­мете пред­вид своя опит и кон­крет­ната ситу­а­ция.

Не риску­вайте! Ако гра­душ­ката вече е започ­нала и не сте успели да поста­вите защита на слън­че­вите модули — пазете себе си и своите близки, като оста­нете в укри­тие.

7. Имайте пред­вид, че раз­би­тите от град PV модули в някои случаи могат да дове­дат до пожар поради обра­зу­ва­нето на елек­три­ческа дъга върху повре­де­ните токо­про­во­дящи шини. Например, когато на 20 декем­ври 2018 година силен град удари Сидни (Австра­лия), бяха повре­дени много авто­мо­били и покриви на къщи. Пострада и слън­чева елект­ро­цен­трала с мощ­ност 200 kW, инста­ли­рана на покрива на ком­па­ни­ята Tacca Industries пет години преди това съби­тие. Въпреки че след бурята PV моду­лите бяха изклю­чени от товара, три дни по-късно те се запа­лиха:

Изгоре­лите след гра­душка PV модули © Tacca

Запалва­нето на повре­де­ните панели може да въз­никне при слън­чево време, осо­бено при нато­вар­ване, когато те про­из­веж­дат много енер­гия. В по-голяма степен са изло­жени на риск моду­лите от «стария» тип: с квад­ратни клетки и малък брой токо­про­во­дящи шини. Модулите с тех­но­ло­гии «Half-cut cell» и «Multi-bus bar» са изло­жени на този риск в по-малка степен за сметка на по-рав­но­мер­ното раз­пре­де­ле­ние на тока вътре в модула.

Затова след повреда на пане­лите е много важно да се вземат опе­ра­тивни мерки, като се обър­нете към спе­ци­а­ли­сти. Фотовол­та­ич­ните модули про­из­веж­дат посто­я­нен ток (DC), чиято дъга е много по-ста­билна и опасна от дъгата на про­мен­лив ток (AC):

Електри­ческа DC дъга ~600W © NENCOM

Допълни­телни мате­ри­али

В този раздел сме събрали някои научни изслед­ва­ния, свър­зани с обра­зу­ва­нето на гра­душка, мето­дите за ней­ното про­гно­зи­ране и нама­ляване на щетите:

Hail Hazard Research