Ekstremalne zjawiska pogodowe stają się coraz częstsze i intensywniejsze. Prawdopodobnie będą się jeszcze nasilać wraz ze wzrostem globalnej temperatury.
W Stanach Zjednoczonych tylko w ciągu ostatnich 7 lat skumulowany koszt zniszczeń po katastrofach pogodowych przekracza niewyobrażalną niemal sumę biliona dolarów. Z jednej strony mamy więc prognozę nasilających się, wraz ze zmianami klimatycznymi, niekorzystnych zjawisk pogodowych; z drugiej strony fotowoltaika jest jedną z głównych technologii, które mogą pomóc w ograniczeniu globalnego wzrostu temperatury. Zadaniem naukowców w tej sytuacji jest odpowiedzieć na pytanie, w jaki sposób te zdarzenia pogodowe wpływają na już wdrożone instalacje PV.
Amerykańscy naukowcy z laboratorium NREL porównali dane pochodzące z jednej z największych baz danych o ekstremalnych zdarzeniach pogodowych na świecie prowadzoną przez Narodową Administrację Oceaniczną i Atmosferyczną (NOAA) z ogromną bazą danych o fotowoltaice opartą na szeregach czasowych z inicjatywy PV Fleet Performance Data [D.C. Jordan, et al., Early Access, DOI: 10.1109/JPHOTOV.2023.3304357]. Analizowane dane co prawda ograniczają się do wydarzeń i wdrożeń w USA, ale mogą stanowić inspirację do podobnych badań na innych kontynentach i ewentualnego identyfikowania możliwości w zakresie wzmacniania infrastruktury. Przeszukano bazę danych zdarzeń burzowych, udostępnianą publicznie przez NOAA, w celu porównania konkretnych informacji o burzach z danymi systemu fotowoltaicznego. Zbiór danych Storm Events stanowi kompilację zgłoszonych wystąpień burz i nietypowych zjawisk pogodowych występujących w całych Stanach Zjednoczonych i zawiera informacje o typie zdarzenia (powodzie, grad, wiatr, tornada itp.), dacie rozpoczęcia i zakończenia zdarzenia, współrzędnych szerokości i długości geograficznej. Dla porównania wykorzystano dane dotyczące produkcji energii systemów fotowoltaicznych z bazy danych PV Fleets, w tym metadane, takie jak współrzędne szerokości i długości geograficznej, pojemność systemu, azymut i nachylenie, a także zmierzone dane dotyczące wydajności systemu fotowoltaicznego.
Skutki krótkoterminowe
Pełne i częściowe przestoje natychmiast wpływają na produkcję energii po zdarzeniu pogodowym. Utraconą moc przedstawia się jako różnicę między rzeczywistą produkcją, a oczekiwaną (modelowaną) produkcją, wyrażoną w procentach generacji rocznej. Wpływ gradu i silnego wiatru wynosi nieco poniżej 1%, co nie rodzi negatywnych implikacji. Należy jednak zauważyć, że powodzie i silne wiatry miejscowo powodują 60% spadek produkcji. Zatem pomimo statystycznie umiarkowanych strat pojedyncze systemy mogą doświadczyć ogromnych skutków ekstremalnych warunków pogodowych. Może to odzwierciedlać różnicę między wpływem burzy na system peryferyjny (np. chwilowa utrata łączności z siecią), a znacznie mniej prawdopodobnym przypadkiem fizycznego uszkodzenia.
Wpływ długoterminowy
Oprócz bezpośrednich skutków zdarzeń pogodowych, długoterminowe skutki w postaci utraty wydajności mogą wpływać na systemy PV przez wiele lat po zdarzeniu. Uderzenia gradu lub obciążenia mechaniczne (dynamiczne) lub powodowane przez wiatr lub śnieg (statyczne) mogą prowadzić do pękania ogniw w modułach i utraty wydajności. Naukowcy podsumowali wskazania utraty mocy systemów PV dotkniętych gradem o różnej wielkości, niezależnie od wykrycia przerw w pracy po burzy. Obecność większych średnic kul gradowych wykazywała większe straty wydajności, ale w opinii badaczy związane jest to z już występującymi naprężeniami w module np. w wyniku cykli termicznych. Wydaje się zatem, że większe rozmiary kul gradowych niekoniecznie muszą prowadzić do wyższych strat wydajności, natomiast straty indukowane są w przypadku przekroczenia minimalnego progu szkód. Potwierdzeniem tej teorii jest zaistnienie sytuacji, w której poszczególne przedziały wielkości kul gradowych wykazują statystyczną utratę wydajności systemu PV po burzy, z wyjątkiem kategorii najmniejszych kul o wielkości do 19 mm (porównanie do monety o nominale 1 centa). W warunkach rzeczywistych istnieją też pewne rozbieżności. Podczas naturalnie występujących burz gradowych wiele kul, o rozmiarach mniejszych niż krytyczny, może uderzyć w moduł, ale potencjalnie dostarczyć modułowi więcej energii kinetycznej. Ponadto rzeczywisty grad często nie jest idealną kulą i może nie odwzorowywać testów w pomieszczeniach zamkniętych.
Innym badanym czynnikiem jest występowanie silnego wiatru, który naukowcy podzielili na cztery kategorie według maksymalnej zaobserwowanej prędkości. Podobnie jak w przypadku systemów dotkniętych gradem, wydaje się, że aby po działaniu wiatru nastąpiła przyspieszona degradacja, wymagany jest minimalny próg prędkości wiatru. Podobnie jak w przypadku analizy gradu, najniższa kategoria wiatru wykazuje nieco mniejszą stratę wydajności po zdarzeniu. Jedną z różnic w porównaniu z systemami narażonymi na działanie wiatru jest to, że w niektórych lokalizacjach znajduje się kilka falowników, które nie wykazały strat, podczas gdy większość falowników straty wykazywała. Wyjaśnieniem mogą być możliwe efekty cienia wiatru tzn. części systemu mogły zostać osłonięte naturalnymi przeszkodami lub sąsiednimi konstrukcjami.
Trzecim analizowanym czynnikiem pogodowym były duże obciążenia śniegiem, które mogą również prowadzić do uszkodzeń systemów fotowoltaicznych. Naukowcy zbadali cztery systemy narażone na znaczne burze śnieżne o głębokości pokrywy przekraczającej 0,6 m śniegu. Masa śniegu może wahać się od 0,2 kg/m2 (suchy śnieg) do nawet 9 kg/m2 (lód). Ponownie najniższa kategoria wykazuje najmniejsze straty po zdarzeniu śnieżnym. Ciekawostką jest, że najwyższe badane obciążenie rzeczywiste było i tak niższe niż przyjęty standard badania kwalifikacji modułu wynoszący 5400 Pa dla obciążenia mechanicznego. Jednakże przy dodatkowej zawartości wody, która mogłaby z łatwością podnieść obciążenie o przynajmniej 0,5 kg/m2, obciążenie przekroczyłoby test obciążenia mechanicznego określony w normie IEC 61215.
Celem w wielu programach badawczych są moduły i systemy PV wykazujące żywotność na poziomie 50 lat. Jednak zwiększona żywotność podnosi również prawdopodobieństwo narażenia na ekstremalne warunki pogodowe. Niestety te długoterminowe konsekwencje, które mogą pozostać niewykryte, mogą prowadzić do zwiększonych strat finansowych, szczególnie biorąc pod uwagę najnowsze trendy branżowe, takie jak większe formaty modułów, cieńsze ogniwa i cieńsza szyba przednia.
