极端天气事件有多种定义方式：根据其经济影响、复发概率、相对于历史测量的强度以及与均值的距离 。政府间气候变化专门委员会（IPCC）将极端天气定义为“在特定的时间和地点年份中较为罕见的事件” 。术语“罕见事件”通常指发生在第10 th 或 90 th 从前一个观察值推导出的概率分布的百分位数[1]。此外 ，政府间气候变化专门委员会已报告称，人为气候变化导致大多数极端天气类别的强度和频率增加，并 造成超出自然气候变异可能导致的广泛不利影响。
风暴频率和强度的预期增加对全球光伏装机容量具有影响，其后果包括1)急性影响（发电损失和物理破 坏）和2)慢性影响（组件和系统加速退化）。每种影响类别都有其自身的关键绩效指标，这些指标范围 从资源可用性到防灾和运维策略的投资金额，到间接成本，包括保险溢价。 随着全球太阳能装机容量持续从目前的2太瓦扩展至预计到2030年的8太瓦，极端天气带来的运行和经济 后果也可能随之增加。后者反映了人口密集的沿海地区太阳能容量的快速增长区域，其中风暴活动频繁且风暴造成损害很可能对资源可用性产生不成比例的影响。
尽管有多个引人注目的案例研究，但全球范围内天气灾害的多重影响尚未得到全面评估。此外，光伏系 统全生命周期成本和性能的长期影响尚未得到充分量化。虽然理解后者需要资产所有者进行更多信息共 享，但本报告旨在总结目前已知的最佳实践，以分享经验并帮助提高全球光伏系统的韧性。
在本报告中，来自五大洲的一组光伏专家考察了全球发生的七种极端天气事件，并按以下顺序呈现：热 带气旋、对流风暴、暴风雪、沙尘暴、热浪、洪水和野火。对于我们努力捕捉的每种极端天气事件—— 根据可用数据——我们力求呈现急性期的影响（例如，由于辐照度损失和光伏系统机械应力损坏导致的 发电量减少）以及慢性期的影响（例如，光伏组件和系统平衡部件中潜在的可靠性问题，导致性能欠佳 ）。此外，重要的是要注意，光伏系统可能在施工期间或电站完全投入运营后受损。施工阶段面临着独 特的挑战：场地可能被平整，但通常缺乏地面覆盖，因此极易遭受洪水和侵蚀；组件可能已安装在支架 上，但尚未互连且未进行扭矩验证；连接器可能未连接且未封盖，因此暴露于湿气和灰尘中；电缆可能 铺设在露天沟槽中。
本报告也承认了光伏产业中导致风暴相关损害增加的潜在趋势，包括熟练安装人员的短缺以及更大更薄 模块的普及。我们的意图并不是暗示光伏系统对极端天气具有固有的脆弱性，而是为设计更强大的系统 提供基于证据的合理依据，这是一种针对特定天气威胁的战略方法。此外，我们还讨论了缓解策略，包 括预测性和纠正性维护方法，以提高整体系统韧性。读者应注意，韧性的一般原则适用于多个风暴类别 ，并将发现某些缓解策略在多个章节中反复出现。这种重叠是故意的，以便每章都能独立存在。
2.1 概述
台风是一个涵盖飓风、台风和热带风暴的通用术语。这些破坏性天气事件是全球性的，发生在美国东西 海岸以及亚洲（即印度洋和西太平洋）。虽然每种类型的热带风暴的具体定义（包括强 度）有所不同，但它们由于强风（通常超过33 m/s ≃ 119 km/h）和暴雨（可能导致洪水）而可能对基础 设施造成严重破坏，包括房屋、电力线路和交通网络。近年来，位于台风路径上的光伏系统也遭受了灾 难性破坏，促使人们努力识别耐久性设计和最佳实践，以确保电站的生存能力。
根据ipcc预测，热带气旋的强度预计将会增加，尽管它们的形成频率可能会降低或保持不变[1 ]。它们预计强度的一个指标是提议将萨菲尔-辛普森飓风等级扩展，从5级（超过70米/秒=252公里/小时 ），到6级，对于风速超过86米/秒（≃310公里/小时）的情况[5]。此外，由于热带气旋与温度相关（与 海洋温度升高有关），预计会随着全球变暖水平的增加而出现6级当量的风暴。
北美和亚洲沿海地区安装的太阳能光伏系统被认为最容易受到台风的损害[1],[5]。此外，随 着风暴活动的扩大，先前未受强烈风暴影响的地区也可能面临风险，例如2024年毁灭了北卡罗来纳州50 0多英里（≃805公里）内陆地区的飓风海伦娜。
2.2 设备损坏和失效机理
风暴损害通常归因于设计不良的货架系统以及/或安装不良的 螺栓和紧固件。扭矩不足或未设计用于高压应力条件（例如 机械强度低）的紧固件是一个常见问题。螺纹螺栓的松动和 磨损可能导致在风天气候中松动——如果风荷载足够严重— —则可能引发级联效应，从货架或跟踪平台的倒塌到模块被 从紧固件中拉出，通常是成批的。此外，过度的 、重复的风荷载如果超过安装硬件的允许应力，会导致螺栓 和支撑结构的不可逆变形。
跟踪系统，其中模块连接到一端固定的单个扭矩管上，容易 受到模块高风载荷加剧的扭转应力的影响。如果硬件不足以 承受风载荷，强风会引发扭转共振，导致模块上的应力不断 加剧，最终引发失控失效事件。该过程始于行末模块开始颤 振，然后从边缘向中央模块（中央模块由驱动机构支撑，因 此是行列中最刚性的部分）扭曲，随着外层模块松动，扭曲 逐渐加剧，并从一块模块传播到另一块模块。最终，跟踪器 会扭曲分离，导致空中模块和整个行列的损失[9]。
损坏也可能超出机械故障，还包括电气故障风险的增加。强风可能松动电缆，导致连接器内部的磨损和/ 或插针和插座的局部分离。松散或拧紧不良的连接器变得容易受到湿气侵入，进而导致腐蚀、高电阻并 最终失效[10]。强降雨也可能导致水渗透到组合箱/电源调节箱的壳体内部，扰乱整个工厂的电路。
2.3 经济影响
台风对光伏电站的经济影响是多方面的，从发电损失到物理损坏再到运营成本增加。一项关于18次飓风 事件期间发电损失的研究表明，在风暴活动期间（可能归因于跟踪器处于停机位置和辐照度降低的组合 ），电力损失约为50%，尽管发电后来恢复正常[11]。统计分析还显示，飓风天气期间的性能比率—— 正如预期的那样——为12.6%。
低于非飓风天的水平[12]。然而，近期的数据显示，由于强风和暴雨造成的年产量损失（中位数）相对 较小，每个类别约为1%[13]。同项研究表明，对于超过最小风速阈值（25 m/s = 90 km/h）的场站，光 伏系统的退化率会加速[13]。正如作者所解释的，这种效应可能因周边环境（例如风影效应）和/或适当 的运行维护实践而有所不同。虽然需要更多数据，但预测热带气旋造成的发电损失似乎可行，并将这些 预测模型纳入新电站的设计和采购阶段，以确保更准确的LCOE计算，并为更可靠的设计提供依据。
这种概率建模越来越多地基于风暴事件频率的上升和成本的上升而变得合理。随着光伏安装数量的增长 ，恶劣天气造成的保险赔付可能会上升。例如，在日本，2017年至2021年保险赔付增加了3.7倍[14]， 其中很大一部分归因于强风、洪水和相关原因造成的损害[15]。虽然热带气旋的强度预计会增加[1]，但 光伏系统的保险费率也可能随之上升，与恶劣损害风险的增加相称。这代表了极端天气的一种间接但可 衡量的经济影响。
2.4 诊断工具
需要两种类型的灾后评估来诊断热带气旋造成的 破坏：1) 电力分析，以准确估计风暴对电力安全 性和发电能力的影响；以及2) 结构分析，以记录 模块、支架和相关硬件的任何物理损坏。强烈建 议对易受热带气旋影响地区的光伏电力系统进行 每日或实时监测，各种服务提供商提供具有先进 技术（例如，他们自己的光伏性能软件）的监控 系统。如果经过适当监测的光伏系统在热带气旋 期间或之后出现电力发电异常减少，必须立即确 认电力安全。特别是，应检查汇流箱、逆变器和 高电压设备外壳是否有被风吹动的雨水侵入。还 可以部署机载或手持红外热像仪来验证光伏连接 器的电力安全。从安全角度来看，在没有破裂的 组件玻璃的情况下，对太阳能电池损坏的诊断不 太紧急。后者涉及对一部分。
2.5 缓解策略
由于光伏系统在热带和亚热带地区迅速普及，热带气旋对光伏系统的损害正在增加。为缓解强风和暴雨 带来的日益严峻的威胁，最佳实践可分为四个阶段：1）项目规划，2）系统设计，3）施 工和调试，4）运行和维护。
项目规划阶段 在，考虑热带气旋活动的历史模式非常重要。这些信息对于判断某个特定地点是高灾险还是低灾险，以及是否可以为该地点设计具有弹性的光伏系统至关重要。例如，人们可以根据相关的气象参数(例如风速、降水量等)估算拟建光伏系统的资本支出(CAPEX)和运营支出(OPEX)。同时建议分析历史风模式，因为主导风向及其斜坡率可以提供有关跟踪器收起策略的信息。
设计阶段 The，然而，是减轻严重损害的关键阶段[17l。系统设计者应遵循这些指南，以确保结构组件和太阳能光伏组件所选材料符合这些法规规定的限值。此外，应考虑"不同气候条件下光伏电站运行与维护指南"第5.6.5章中所述的建议[10]。本报告的作者还强烈建议，由在螺栓连接和特定于气候应力因素的失效机制方面具有专长的独立工程师审查支架/跟踪系统的选择。
建设和调试 在 安装培训至关重要，现场人员应接受明确培训，正确安装模块紧固件以及螺栓连接，这些被广泛认为是许多货架系统中的薄弱环节，而现有的规范和标准对此覆盖不足。例如，当前的太阳能光伏审核标准，如IEC62446，尽管其对系统可靠性至关重要，但并未包括对紧固件的检查或扭矩审核。在调试阶段，记录代理人应(1)验证所有或大部分指定结构连接的正确安装，以及(2)对至少1%的紧固件进行扭矩审核。如果10%或更多的这些紧固件要么过紧要么过松，承包商应重新安装所有紧固件[181。此外，电气电缆的不当管理对太阳能光伏连接器的完整性以及最终电气系统平衡构成重大风险。其他应避免的糟糕做法包括松散的悬挂线缆、广泛依赖塑料扎带以及太阳能光伏电缆的不当布线[19]。
3.1概述
剧烈对流天气(例如雷暴)会产生具有破坏性的冰雹、强烈的风暴阵风和龙卷风，可能导致重大的财产损失[46]。近年来，虽然冰雹相对不频繁，但已成为光伏发电系统保险损失的主要原因，因此是太阳能行业的主要关注点[47。本章强调冰雹风险识别、量化和管理，以符合已发布的保险损失数据，但这里提出的通用分析科学原理以及基于工程的风险评估方法适用于所有对流天气灾害，包括龙卷风和直线风。
3.1.1定义
美国国家气象服务局(NWS)术语表[48]，由国家海洋和大气管理局(NOAA)维护，提供了气象定义，包括以下总结的定义，这些定义是理解强对流风暴风险的基础:
强晨。产生龙卷风，风速至少为26米/秒(=93千米/小时)，和/或直径超过25毫米的冰雹。
你好。阵雨以不规则的冰粒或直径超过5毫米的冰球形式降下重冰霉直径。S，根据NWS的定义，其直径超过25毫米。
施风。一个猛烈旋转的空气柱，其环流达到地面;在局部尺度上，龙卷风是最具破坏性的大气现象。
3.1.2地理分布
此外，气候[51]模型通常预测未来几十年有利于雷暴的气象条件将加剧，从而导致风暴频率和严重程度[ 51]的增加。然而，关于这种预期增长在区域和全球尺度上如何展开的细节，仍然是科学研究的主题[49] 。尽管科学界对强对流风暴气候和趋势的认识仍在进行中[49],[51]，但保险行业已经积累了大量关于小 规模强对流天气事件（例如冰雹、龙卷风和风暴）财务影响的数据，表明威胁环境正在扩大。例如，一 家由慕尼黑再保险公司资助的2019年研究记录了37年间南欧冰雹事件显著增加[52]。最近，GCube保险 公司报告称，（2018-2023年）五年内，由强对流风暴引起的冰雹占受保太阳能行业总损失的54%[53] 。
3.2案例研究、故障模式和事件严重程度
以下案例研究描述了冰雹或风暴特有的频率、严重程度和技术考量，包括损害。
3.2.1冰雹损失事件
冰雹通过凝结形成，当对流风暴的上升气流将水滴带到大气中极寒区域时，它们会冻结、生长并增加质量。当向下的重力超过雷暴上升气流的力量时，冰雹会落下[54)。为了满足IEC61215-2产品资格标准中最低的弹道冲击要求，光伏组件设计必须承受11次25毫米冰球的终端速度冲击。随着全球太阳能市场的普及，与直径超过25毫米的自然冰雹一致的灾难性损坏报告也越来越多。以下案例研究说明了冰雹对全球光伏系统可能产生的影响范围。
3.2.2风暴损失事件
对流风暴引起的风害通常是由直线性风而不是龙卷风造成的。尽管龙卷风的风速可能达到160至480公里/小时(约44至133米/秒)，并会摧毁其路径上的任何光伏系统，但龙卷风通常是规模小、持续时间短发生频率低的事件。相比之下，80至100公里/小时(22至28米/秒)范围内的直线性风明显低于典型项目设计风速-已对多个固定倾角和单轴跟踪系统造成了损害。事实上，早在2015年，一份工程报告就指出，虽然在大规模应用中结构风害很少见，但在符合规范的结构中已观察到损坏[621:这一发现已得到轶事证据的加强。根据现场系统中螺旋扭曲的报告，风工程师推测，单轴跟踪器的扭转不稳定性，加上设计不当或扭紧的硬件，可能是观察到的损坏的根本原因[63]。澳大利亚和美国的案例研究说明了风害对光伏造成的损害。
3.3对流风暴造成的经济影响
冰雹是太阳能行业全球经济损失的主要原因。尽管与冰雹相关的保险索赔相对较少，但冰雹造成的损失远比其他类型的索赔相关的高昂。例如，GCube2018-2023年的太阳能损失数据显示，冰雹占索赔数量(即索赔总数)的1.4%，但占索赔价值(即总发生成本)的54.2%[53]。在此数据集中，四起最大的索赔，合计损失超过2.24亿美元，被归因于冰雹。相比之下，由于所有其他类型的恶劣天气事件(包括雷暴、洪水、飓风、风事件和闪电)造成的综合损失占GCube总发生损失不到10%[53]。
直接经济影响，其中包括但不限于能源生产损失、库存和法医调查成本、确定根本原因的咨询成本、解决与替换硬件兼容性问题的工程成本、重新供电的时间和物料成本、进出口运输成本、回收和处置成本、项目利益相关者之间争议产生的法律成本、保险费成本增加等等。虽然冰雹损失事件不频繁，但由此造成的损害程度可能会增加保险费率，侵蚀投资者信心并引起消费者担忧。
3.4对流风暴损坏的响应策略
合适的响应策略根据受影响光伏系统的容量而变化。在住宅和商业应用中，财产所有者在损失事件发生后通常会启动保险索赔。为了处理索赔，保险核赔员需要来自光伏技术专家（如原始安装承包商或 运维专家）的损害评估。该人员检查现场 以识别可见（通常是玻璃破碎）和不可见 的损害。不可见损害（无玻 璃损坏时的电池片裂纹）最好通过EL成像[ 64]、[65]进行诊断，但该过程必须在黑暗 中执行，相对复杂且昂贵。因此，在分布 式应用中，技术人员通常会结合热红外（I R）成像、I-V曲线跟踪和目视检查来识别 受损电池片，但电池裂纹仅在IR图像和I几年老化后的V曲线。因此，雷击事件后，应密切监测可能存在未诊断出裂纹单元的模块。
理想情况下，屋顶系统应使用直接更换部件进行重新供电，但项目利益相关者可能会面临寻找与原部件 的物理形态和电气特性相匹配的模块的挑战。如果是这样，服务提供者通常有两个前进的路径。第一个 选项是重新设计系统，将新旧组件集成到并联电路或系统中；第二个选项是宣布全面损失，并将保险赔 付款项用于购买新系统。
3.5 对流风暴风险缓解策略
尽管在有些地方，剧烈对流风暴的风险是不可避免的，但通过提高技术素养、尽职调查和风险缓解实践，可以最大程度地减少大型项目损失[67]。具体的策略包括以下内容:
祝别并量化恶劣天气风险。在选址和设计阶段，所有潜在场地都应进行初步风暴风险评估[68].[69]。目标是根据具体位置确定冰雹和直线风风险(低、中等、高)。合格的技朧顾问应量化保险公司要求的(例如，百年一遇事件)和典型投资持有期(例如，十年、二十年和四十年持有)的事件复发间隔内的概率损失水平。这些损失研究的目标是提供基于场地特定气象特征(例如，通过严重程度和识别的历史冰雹事件)的比较可能的最大损失(PML)和年平均损失(AAL)值。
4.1概述
北半球基本上处处都有降雪，几乎无处不在，在某个高度和某个时间点都会发生。在典型的冬季，积雪至少覆盖了50%的总陆地面积，并且是主要的降水形式;暴风雪通常也是可预测的，也就是说，在那些地区在一个或多个冬季月份中会反复出现降雪。尽管美国国家气象局(NWS)没有对暴风雪的正式定义，但该机构将暴风雪定义为:1)持续时间为三个小时或更长时间;2)有持续的风或频繁的大风超过56公里/小时;3)造成能见度低于0.4公里低能见度条件。
虽然适用于多雪气候的设计参数在IEA子任务3.2报告<<光伏系统关键性能指标优化指南>>[78]中有描述，但本章的重点是极端暴雪和季节性重雪。尽管{在两种情况下，目标都是尽快从光伏板上清除积雪以最小化阴影和发电损失，在打破纪录的大雪期间，清除积雪的挑战加剧，这既通过积雪的累积厘米数定义，也通过受影响的地表面积定义。
根据气候变化模型，高纬度地区可能会在缩短的冬季经历比正常情况更重的降雪，这对光伏组件产生双重影响:1)极端降雪事件会威胁到组件和安装系统的结构完整性;2)它们会长时间阻挡辐照度到达太阳能电池。
4.2运营影响
4.2.1资源可用性
随着光伏在较高纬度地区的部署扩展，太阳能与积雪相交区域的资源可用性成为一个新兴挑战。在整个冬季，雪暴频繁发生，大量降雪覆盖了美国北部、加拿大、欧洲和亚洲。一场雪暴可能席卷数千公里，特别是在美国，许多风暴起源于落基山脉并向东移动。这些巨大的风暴可能影响数百吉瓦的光伏系统，积雪可能从少量尘埃到100厘米或更深的大雨，遮挡面板。此外，一场风暴可能紧随另一场之后，为已有的积雪增加更多。当积雪达到一定深度时该深度因温度、湿度、风速和积雪年龄而异发电停止，光伏电站实际上离线。因此，全球多个研究机构专注于1)开发经济高效且可靠的策略，以加速模块除雪;以及2)预测和减轻受风暴影响地区的太阳能发电损失。除雪策略在4.3节下讨论，量化由积雪引起的能量损失的模型也在此讨论。然而，能够使电网运营商在雪暴后管理发电损失和光伏电站突然的斜坡率(ramp-rate)的精确预测模型仍在开发中。无论如何，识别积雪遮挡及其推论除雪的基本参数，对于太阳能持续增长和在北部地区的电网滲透至关重要。
4.2.2功率损耗
尽管寒冷的温度和雪的高反照率提高了光伏系统在冬季持续积雪地区的效率，但光伏系统的雪遮蔽引起的功率损失是显著的，并受多种设计参数的影响，包括倾角、组件架构、组件朝向、表面粗糙度和离地高度。例如，美国的一个30度固定倾角的大型太阳能电站，在持续积雪条件下，1月和2月的功率损失高达90%。随着太阳能发电规模的扩大，识别和验证加速雪融化和增加冬季光伏电站可用性的策略是一个重要的研究领域。
忽略积雪作为30年期性能保证的因素会导致高估发电量。因此，包含因积雪遮挡造成的能量损失对于精确的长期性能建模非常重要，以确保合理的财务评估和系统尺寸。正如下文所述，积雪损失可以用多种现有方法进行估算，但没有任何一种方法能完全捕捉所涉及的变量，包括组件朝向、形状因子、电气架构和非均匀脱落模式。
若能明确识别覆雪时段，并结合性能数据，同时若能将雪的影响与其他损耗机制(如逆变器停机或辐照度低)区分开来，那么就能估算由雪造成的损耗。此外，辐照度数据仅能用于实时计算损耗，而非预测性计算。此外，量化单场风暴的经济影响取决于阵列被覆盖的时间长度，而该时长又由多个变量决定，包括雪深、环境温度、风速、湿度等，以及电费成本。
4.2.3 物理损坏
除了能量输出减少外，大雪还可能对太阳能装置造成物理性损坏:组件会在重量下弯曲，导致玻璃和电池片开裂;部分融化的雪形成的冰坝会剪切组件的底部框架;而设计不当的支架会在大雪负载下倒塌。新雪和冰的密度范围为30-50kg/m3和800-900kg/m3分别地，但随着雪的变老和温度的升高，雪会压实，晶体将失去它们的树枝状结构，从而导致孔隙率降低和每垂直毫米的重量增加。雪的重量还是环境温度和湿度的函数。此外，如果新雪在旧雪脱落之前到达，模块上的负载可能会随着时间的推移而增加。此外，随着雪脱落，其分布和相关的负载应力在模块表面是非均匀的，并且通常集中在模块的下边缘，使模块受拉并使框架受力。另一个问题是，大量雪的脱落会在阵列下形成雪丘，高到足以阻挡模块的下部。
在极端暴风雪情况下，在现有积雪上堆积半米或更多的积雪可能会掩埋阵列的下部。雪obstruction对单轴跟踪系统尤其成问题。跟踪器无法在深雪中移动，它将同时经历发电损失和电机压力。
模块根据IEC61215-2进行静态机械载荷评级，其中模拟雪载荷通过气动方式施加，或通过重量以均匀和逐渐的方式施加到玻璃前后表面，排除模块框架或横梁。测试在室温下进行，并在每一侧保持5400帕斯卡的恒定载荷一小时。这些步骤重复三次，同时监控内部电路的电气连续性79]。对于不同的安装配置和安全系数，测试可能需要重复进行。模块也可以根据IEC62938承受非均匀载荷条件，该标准要求在指定倾斜角度下对模块进行阶梯分布的非均匀载荷。与静态载荷测试一样，非均匀载荷测试也在室温下进行。然而，现场条件却截然不同，因为雪是重复的，经常累积，并且总是伴随着低温以及温度波动。
4.3 缓解策略
缓解策略，主要集中于大型地面电站，并必须应对可靠性和可用性的双重挑战，可分为三类:主动切荷，被动切荷和设计优化。主动方法涉及机械或热干预:被动方法包括应用涂料改变盖玻片的拓扑结构以创造疏水或亲水表面;设计方法包括使用双面/无边框组件、固定倾角系统的更大倾角以及固定倾角和跟踪阵列的足够地面间隙。
4.3.1主动卸载方法
主动方法包括模块的内部加热、正面或背面的外部加热、使用耙或吹风机进行机械清除，以及增加单轴跟踪的倾斜角度系统。近年来，人们开始关注通过向模块注入受控的前向电流偏置来产生热量融化积雪[941。例如，挪威奥斯陆的Aarseth等人使用商用直流电力电子设备，向1兆瓦屋顶阵列的每个模块施加10安培的电流(45伏特的前向偏置)，得出结论认为偏置加热对于除雪是有效的，但能源和经济回收期取决于天气条件和电价[951。所需能量的大小取决于环境温度、风速和积雪量，以及系统设计，倾斜角度越高，所需能量越少，因为雪在较高的倾斜角度上比在较低的倾斜角度上更容易滑动。然而，电流注入的长期经济和可靠性效益仍不清楚，也未在工业规模上进行过测试。例如，前向偏置加热对模块老化和旁路二极管可靠性的影响尚未得到研究。而且，该策略如何影响模块保修也不明确。另一个挑战是，融化后的水必须从系统中运走，以避免在阵列或屋顶上重新结冰，尤其是对于带女儿墙的商用屋顶。
第二种方法涉及一个电阻元件，例如透明导电氧化物或图案化的导体，将其应用于任一模块表面。在Tanahashi等人[80]的一项研究中，在背板上应用了铜网;结果表明，熔化在模块上的雪和地面上的雪之间形成了一个空气间隙和不连续性。该间隙减少了作用在模块上的总载荷。当地面上的积雪和模块上的积雪连续时[801，地面上的积雪会对光伏阵列施加向下的力。Li等人通过将电阻加热与透明疏水铝纳米结构相结合应用于前端，结合主动和被动方法来增强雪的滑动[96]。然而，这种方法的实用性，包括成本和可靠性等方面的考虑，尚未得到证实。
一种三是人工清扫，但后者如果雪耙[97和其他设备撞击模块可能会造成模块损坏。该方法也是一种劳动密集型，并且在高辐照度天作为卸雪的发起者最有效。第四种方法是为单轴跟踪系统开发先进的收起策略。在合适的气象条件(如低温和低辐照度下，雪可以附着在光伏模块上，即使倾斜度为52也是如此。先进的跟踪器控制算法可以根据预期的雪、环境空气温度和盛行风向来规定收起策略。关键是时机:雪太少会导致发电损失;雪太多会对电机造成严重压力。密歇根理工大学正在进行的研究表明，高倾斜角度与将模块远离风向收起相结合是一种有前景的策略[98]。
4.3.2表面涂层
航空公司和航运业应用防雪和防冰涂层是一种普遍且常见的做法，但专门为太阳能电池板配制的涂层面临两个挑战:1)透光率必须长时间保持，涂层需经得起最小的UV诱导降解;2)涂层必须能在光伏板整个使用寿命中抵抗分层和表面磨损。迄今为止最著名的研究针对防雪涂层，主要关注透明聚合物基涂层，这些涂层可降低冰的脱附力，从而在零下温度下也能实现被动雪脱落[99]。在阿拉斯加对该新型涂层进行的实地试验表明，与未涂层的参考模块相比，涂覆模块的输出更高[100][101]，但缺乏耐久性数据。下一代技术的示范计划在密歇根州北部进行，以验证其性能和光伏应用的潜力。
4.3.3被动脱落方法、模块选择和设计考虑
与带框单面组件相比，双面和框外组件架构具有固有的融雪优势。框外组件设计，尽管对于大面积晶体硅组件不切实际，但其融雪速度比带框组件快50%[1021。虽然双面组件的融雪速度不如框外组件，但在多雪气候中仍然具有明显优势，因为它们在高反照率条件下(冬季典型情况)能产生更多能量;它们在正面被雪遮蔽时也能发电[1031,[104]。例如，Hayibo等人记录了在密歇根州Escanaba附近的双面420 kW系统与单面1.2MW系统相比的双面增益为19%[1051。Burham等人比较了单面组件与共位于双轴跟踪器上的带框和框外双面组件[106]。由于背面辐照，双面组件的融雪效果优于单面组件，这增加了组件温度。与带框组件相比，框外双面组件具有更大的融雪潜力。
除了模块的选择之外，固定倾角式货架的设计也会影响阵列在雪天条件下的表现。雪滑落通常在至少45的倾角下效果最好[107]。对于降雪严重的地区，建议采用更陡峭的角度。大于纬度的倾角可能会降低年发电量，但可以改善除雪效果，保护模块免受雪载荷的损害，并提高前后表面反射率。
然而，加速融雪的一个负面影响是，在大量降雪在显著融化或通过风或升华进行自然清除之前就脱落时，可能会导致系统边缘积聚成堆，从而阻碍进一步的融雪并对模块造成物理损坏。
4.4量化积雪损失
经验方法
对于这种方法，该方法基于历史数据，通过比较冬季产生的能量与无雪条件下应产生的能量来量化雪损失。加热的阵列平面(POA)辐射表可以提供比较测量值与模型雪损失所需的辐照度数据。挑战在于找到一种方法来精确识别阵列何时被雪覆盖以及被覆盖的程度。其他挑战包括监测面板上雪的深度和密度，这反过来又反映了环境气象条件、雪的透射率、每个面板上雪分布的均匀性或不均匀性以及面板的电气结构。总体而言，目标是通过确定阵列何时被雪覆盖以及被覆盖多少，并将这些时期测量的能量与模拟的无雪输出进行比较，来量化雪损失。
对于研究站点，时间序列POA数字图像，结合图像处理算法，可以量化组件级和串级雪被覆盖率[108],[105]。虽然这种方法是历史性的而非预测性的，但它能够比较不同系统设计的性能。为电网管理预测发电量是一项更复杂的任务，需要雪损失算法。
建模方法
大多数降雪损失模型根据环境温度/辐照度、倾斜角预测降雪脱落。几种建模方法使用基于从测试阵列收集的数据经验得出的因子，尽管这些结果不代表所有组件技术、安装配置、位置或气候。Pawuk等人[109]确定了11种降雪损失模型。其中一些在多个地点进行了验证[110]、[111]、[112]，而另一些则相对未经充分测试。在这些模型中,Marion等人[111]、[1131、[1141、Townsend和Powers[110]、SunPower[115]以及Andrews等人[116]的模型记录最为详尽。使用大型阵列数据对不同的降雪损失模型进行比较和验证将显著有助于将降雪损失建模整合到最佳实践程序中[117]。
5.1定义和频率
沙尘暴(DSSs)的特点是大气中悬浮着大量颗粒物，降低了到达地球表面的辐照强度。这些事件通常由雷暴或强气压梯度产生的强风吹过干旱和半干旱地区引发[118]，[119]。它们在光伏能源生产方面会带来重大的局部、全国和国际影响。
观测显示，悬浮沙尘的影响，用沙尘光学厚度表示，是光伏系统的一个显著问题，因为具有高太阳能潜力的地理区域(即晴天辐射高且总云量低)也是更容易经历沙尘暴的地区。沙尘暴主要影响干旱和半干旱地区，但它们产生的沙尘也能长途传输，从其发源地，例如中东[121]，[122]，到达欧洲和其他大陆。鉴于光伏系统的全球分布不断扩大，受影响的面积也很广，沙尘暴有可能造成显著的宏观尺度影响:由沙尘暴引起的光伏发电站发电量突然下降，有可能暂时使国家电网不稳定[120]。
5.2相关风险
粉尘和沙尘暴可以通过两种方式影响光伏系统。首先，由于悬浮颗粒对阳光的吸收、反射和散射，存在表面辐照强度降低的协同效应。具体而言，全球水平面辐照度(GHI)和法向直接辐照度(DNI)的下降幅度分别高达40-50%和80-90%[1231。其次，DSSs的潜在更持久的影响是光伏组件表面颗粒(即污渍)的累积增加。污渍会降低组件的能量输出，其影响在天空清朗后仍会持续，例如，在葡萄牙和沙特阿拉伯的DSS事件后，据报道的持续损失高达7%和20%[121],[124]。
以下部分介绍了来自不同气候地区(卡塔尔和伊比利亚半岛)的两个案例研究。这些地区值得关注，因为它们展示了沙尘暴对不同污染模式场址的影响:卡塔尔全年承受更高且更稳定的污染，而西班牙和葡萄牙等国家则经历季节性污染，大部分损失发生在夏季。
5.2.1卡尔/阿拉伯半岛
中东和北非(MENA)地区，包括卡塔尔国，全年辐照度水平高，因此对大型光伏发电具有经济吸引力。然而，频繁的分布式发电系统(DSS)是这一地区光伏发电的主要挑战。
在2015年4月发生的一次极端DSS事件后，卡塔尔多哈的一个系统的能量产出下降了超过50%。即使那次事件被认为是数十年来最严重的事件，但严重程度较低但仍相当大的DSS并不少见。Javed等人[125]估计，在2014年至2019年期间，多哈有10%的天数发生了DSS事件，夏季月份(6月至9月)的比例始终较高。最严重的七次DSS事件导致每次事件的PV性能损失超过5%，而55次强度较轻的DSS事件仍导致了高于2%的损失。
作者还报告说，在DSS天，直径10um及以下的平均每日空气悬浮颗粒物(PM10)范围在115至339 yg/m3.对平均1089 ugi/m3在晴朗的日子里[125]。他们测量到在DSSs期间，由于悬浮颗粒导致的太阳辐射衰减为8%。此外，他们还发现，与晴朗的日子(0.42%/天)相比，DSS天气期间(1.23%/天)的积污损失增长速度更快，导致卡塔尔的平均积污率为0.52%/天。尽管，由于风的作用，DSS事件后的积污损失立即下降,但Javed等人[125]仍然得出结论,DSSs使卡塔尔的积污损失增加超过20倍。
5.2.2伊比利亚半岛/欧洲
由于盛行风模式及其靠近撒哈拉，伊比利亚半岛经常受到沙尘入侵，其后果比欧洲其他地区更严重。2022年3月下旬发生了一次极端沙尘暴事件，影响了半岛大部分地区长达17天[1201。悬浮的粉尘和沙粒的高浓度以及同时发生的恶劣天气条件，使西班牙的太阳能光伏发电量在两周内减少了50%。在最糟糕的一天，全国太阳能光伏发电能力预期产量超过了80%。然而，由于降雨量异常大，这提供了"自然"的污渍清除，在那段时间内，污渍损失没有出现实质性增加。
6.1定义
热浪没有统一的定义。一些气候研究基于温度阈值或温度的百分位数和最短持续时间来定义，例如持续三个或更多consecutive热天和热夜。在1969-1998年的计算中，热天(夜)是指每日气温超过长期每日95"夏季季节(北半球6月-9月;南半球12月-3月)的百分位数。另一个定义是，热浪必须持续至少六天，最高气温超过当地90历史时期(1961-1990年)的百分位数。另一种定义二由STARDEX(欧洲地区极端事件的统计和区域动态降尺度)项目提出将热浪定义为至少连续六天的序列，其中每日最高气温至少高于气候值5C。气候值是针对参考模拟中每个日历日的5天窗口中心计算的[145]。
6.1.1预期变化
多个IPCC报告预测更强烈、持续时间更长的热浪，包括欧、地中海以及美国东南部和部地区的明显热浪，这是由于温室气体增加导致的环流变化所致。但这些情景或模型显示出非均匀变化，意味着极端模式难以缩放，导致热浪难以预测[146]。
6.2对光伏生产的影响
光伏发电受温度负面影响，当温度超过25C时，电池性能呈线性下降。对晶体硅电池的研究发现，温度每高于25C1C，电池效率在相对意义上降低0.2%-0.5%。光伏系统中的设备如控制系统、电缆和逆变器也受高温影响，导致能量输出降低和地下导线容量下降[149]。电缆也易受热应力影响，会伸缩，对光伏系统的电气连接施加机械应力，除非系统设计合理，否则连接可能受损。
热也会导致逆变器性能下降，大多数逆变器在环境温度超过阈值时(即40C或50C)会进行温度降额(即限制输出功率)，而温度降额的值(%/C)则因逆变器品牌和型号而异，阵列电压、逆变器MPPT工作窗口和电网连接电压在实际中会影响该值。一项针对德国约1300个光伏系统(共23000台逆变器)的研究显示，随着环境温度的升高，逆变器的过热警告有所增加，尽管实际故障率相对较低，但仍需要更多极端环境的数据来理解对逆变器效率的影响[150]。
6.2.1自然灾害的影响
野火是热浪的常见后果，在地面安装的太阳能电池板下干燥的植被着火并蔓延至太阳能农场的案例已有几起。两起此类事件发生在2022年欧洲的热浪期间，其中草地火灾可能是由连接器或逆变器的电弧故障引发，并在荷兰一个30兆瓦的太阳能农场和英国一个20兆瓦的太阳能农场中通过干燥的植被迅速蔓延[151]。有关野火的更多信息可在下一章找到。
6.3两种热浪
热浪要么是干的，相对湿度低于33%;要么是湿的，相对湿度高于66%。这两种类型都可能发生在同一地区，例如在东亚，其中干燥热浪在西北地区盛行，靠近主要沙漠地区，而湿润热浪通常发生在南部地区，靠近沿海地区[152]。
一个干热浪的例子来自以色列内盖夫沙漠的弗劳恩霍夫ISE监测站(位于30.8纬度)。该地点Sde Boger既有高辐照度和温度条件，但湿度较低。年平均辐照量约为2,276kWh/年/m2，环境温度为20.4C，有效组件温度为35.4C，风速为2.0m/s，在47C时相对湿度为13%。大约每两到四年就会在这里出现破纪录的热浪，包括2010年、2012年、2016年、2018年、2020年和2021年。
2020年5月14日至22日记录的热浪，温度达到40-43C，具体取决于地点。虽然没有打破绝对温度记录，但这一热浪因其持续时间长而引人注目[1531。
6.4热降解效应
卡亚等人提出一个考虑全球不同地区光伏组件气候负荷的模型[1541。结果证实高温是降解的主要加速因素;具体的降解机制映射可以在[155]中找到。研究人员指出，在欧洲最热地区(西班牙南部和葡萄牙)的降解率可高达0.8%/年，在全球赤道附近地区可高达1.4%/年。降解也表现为沙漠气候中常见的组件故障，包括封装褪色、背面板起霜和/或分层。有趣的是，尽管沙漠中紫外线水平和温度很高，但低湿度降低了光降解的影响。干旱气候的年降解率估计为0.74%/年，相当于运行21.4年后达到初始性能的80%。
7.1概述
气候变化导致全球大部分地区的洪水发生频率和严重程度均有所增加。洪水的严重程度在许多地区打破了历史记录，包括通常降雨量很少的干旱地区。此外，随着海平面上升，沿海地区的陆地面临着越来越大的危险洪水的风险，从/其他天气灾害，包括加剧的飓风，发生。尽管所有易受洪水影响的设施都容易受损[157][158][159]，但本章特指针对光伏电站的威胁，并通过案例研究加以说明。本章还包含了基于印度案例研究[160]的减轻光伏相关洪水风险的最佳实践。
7.2现行做法及其局限性
目前，减少光伏电站洪水风险分为两类:1)将电站选址在低风险区域;2)制定完善的雨水管理计划，该计划包括管道将水从光伏组件、逆变器和其他重要结构引导至雨水池。
然而，这两种方法都有局限性，因为它们基于的历史洪水模式可能不再能代表全球气候模式预测的转变，包括极端降水量的增加。历史上洪水较少发生的地区出现的灾难性洪水表明，"易Flood"地区的洪水严重程度可能会加剧[161]。
保险，虽然对许多与天气相关的损害是一种保护策略，但对于洪水来说，通常并非一个简单的解决方案，原因有二。一是光伏相关的洪水保险很少见;二是当保险可用时，往往过于限制而不可行。例如，某些政策要求在预期洪水时"关闭"植物，仅在专家认为安全后方可启动。然而，并非所有光伏植物都具有"快速关闭"功能，该功能可切断交流电源以及各个组件之间的连接。对于大多数大型电站来说，模块数量实在太多，无法在预期洪水时断开单个模块。设计抗洪光伏植物需要前瞻性的方法，该方法应考虑实际预测，包括大多数气候模型所预测的极端洪水事件。
7.3光伏电站洪水损害
洪水对光伏电站造成的损害可归因于两种主要应力因素:1)对快速流动的洪水的水力阻力;2)设备(包括电气元件)的淹没，导致水浸。以下分别给出了这两种应力因素造成的损害详情(调查由印度理工学院孟买光伏研究中心和教育中心进行):
7.3.1抗急流洪水
当安装在结构上的光伏组件被快速流动的洪水淹没时，组件对水流阻力取决于其朝向。当组件处于高倾斜角度时，会产生高阻力，可能导致灾难性后果。印度南部的一个固定倾斜、朝南的电站 exemplifiestherisk。在这种情况下，流动水的力量如此之大，以至于增加
7.3.2潜水
所有地面光伏电站都易受洪水侵袭，因为商用光伏组件并非设计用来承受被淹没在水下的情况。BOS组件，如汇流箱(SCB)和逆变器，在水下更容易发生故障。考虑到淹没可能持续数天，并且在此期间水可能比光伏组件高出几英尺。此外，洪水waters含有大量泥沙，并含有污染物，这些污染物会渗入并污染设备。
8.1概述
野火几乎无处不在，发生在除南极洲以外的所有大陆。它们的频率和强度也在增加[162]，预计到2030年全球将增加14%，到本世纪末将增加50%[1631。在美国，气候-火灾模型预测，2021年至2050年，森林火灾面积将比2018-2020年季节翻一番[1641。其他大陆也预测会有类似的增长:未来十年，南欧的灾难性火灾可能增加十倍[165]。澳大利亚、土耳其、希腊、意大利、法国和西班牙也记录了大规模火灾。2023年，加拿大经历了迄今为止最严重的火灾季节，烧毁了1850万公顷土地。2002年至2018年期间，澳大利亚的平均烧毁面积增加了350%。趋势很明确;剩下的问题是，预计野火活动的增加将在多大程度上对光伏系统的性能和可靠性产生负面影响，无论是在地方层面还是区域层面。
火灾可能由人类活动引发，既可能是故意的，例如砍伐雨林，也可能是无意的，例如处理香烟或篝火不当。它们也可能由电力网络中的电弧故障引发，尤其是在周围植被干燥且管理不善的情况下。但是一总体而言野火的主要驱动力是环境气温的上升趋势，尤其是在高纬度地区，当气温升高伴随着降雨减少、大风和干燥植被时，这一趋势尤为显著。
然而，需要注意的是，大多数野火发生在有燃料的地方，即对光伏开发商缺乏吸引力的植被茂密的山区和偏远地区，这些地区也远离电力负荷。但人口数据显示，所谓的荒野和市郊之间的差距正在缩小，尤其是在美国西部，这增加了对包括光伏设施在内的关键基础设施的风险。同时，光伏电站引发火灾的风险也在增加，这是由故障逆变器和非正常光伏连接器引起的电弧故障以及植被管理不足的结合。
8.2太阳能光伏系统野火风险
关于野火破坏或损害光伏系统程度的可用数据很少;对于任何亚灾难性影响，例如烟雾暴露后组件和其他部件的加速降解，数据也同样缺乏。尽管如此，合理地可识别三种影响类别:
全部或部分破坏。野火吞噬了一个光伏电站并摧毁了全部或部分电站，需要全部或部分重新发电。.性能损失。遮挡阳光、充满颗粒物的烟雾羽流会减少发电量，并且在烟雾消散后，会沉积颗粒物到剩余的模块上。..亚灾难性损坏 野火颗粒物可能具有腐蚀性和导电性，但它们对光伏系统长期可靠性的影紧录。業驀弊且!孔論,缺乏证据。类似地，人们对现场火灾的热量如何影响定义半径内的模块知之甚少，可能性从裂纹电池和背片到封装材料损坏不等。
8.3经济影响
据GCube研究，光伏系统因野火损坏的保险索赔数量重大，尽管野火损失损坏仅占提交的冰雹损坏索赔的一小部分。关于相对成本(即每个极端天气类别的索赔总额比例)，野火造成的经济损失与飓风和洪水造成的经济损失相当，但远低于冰雹损坏。
8.4性能损耗
大量研究记录了遮挡辐照量的野火烟雾对光伏性能的影响，能源生产下降高达40%，在某些情况下持续数周。2014年，堪培拉发生的一场火灾事件导致一个光伏电站的峰值发电量下降了27%。加利福尼亚州是美国野火活动最活跃、但同时也安装了最高太阳能容量的州，其因野火烟雾造成的太阳能损失最为严重。当测量发电量与无烟雾条件下的模型发电量进行比较时，一个电站的烟雾损失范围为9.4-37.8%另一个电站的烟雾损失范围为9-49%[166]。受影响最严重的地点在中午12点至下午1点的峰值时段平均能源生产损失为15%[167。此外，这些影响往往不是局部的。例如，苏门答腊岛燃烧的森林减少了新加坡一个光伏系统的能源输出15-25%[168]。2023年，加拿大野火烟雾笼罩了美国东部大部分地区，大气颗粒物持续数月。
8.5缓解策略
现场产生的火灾(通常由电弧故障引发)有时被归类为野火。但它们与外部引发的野火在四个方面有所不同:它们1)可预测性较低;2)相对容易控制;3)持续时间较短;以及4)在物理上具有破坏性，但对遮蔽辐照度的影响很小。
要最小化现场火灾的可能性，需要对光伏电站的电力系统组件进行定期检查，包括光伏连接器、逆变器和布线。修剪或控制植被也同样非常重要，尤其是当植被的含水量较低时。一些场地部署了烟雾探测器，结合摄像头，可以向电网运营商发送警报，从而实现快速响应。
降低不受控制的外部野火风险更具挑战性，主要依赖于根据历史火灾模式和预测的降水变化做出良好的选址决策。但跟踪可能影响该设施的火灾活动也同样重要。在下降的烟羽情况下，操作员可以选择将该设施停机;如果前进的火焰威胁到该设施，则可以进行灭火活动，包括在设施周边使用阻燃剂。
FUEGO是由加州大学伯克利分校开发的高级软件，用于基于来自多个来源的数据(包括卫星、配备视觉和热成像摄像头的无人机、有人驾驶飞机和火塔)识别早期形成的火灾。此外，一些公司正在开发基于人工智能和机器学习的野火预报工具，包括在芬兰阿尔托大学开发的Fire CNN、慕尼黑的OroraTech、荷兰的Overstory和Edgybees。
本报告识别了极端天气事件频率和强度预计增加对光伏安装的潜在风险，并提供了缓解这些风险的一般指南。我们的目标是提供一个信息库和最佳实践，为尚未跟上其生命周期内暴风雨暴露的现实(从湿气侵入到光伏固定件和跟踪器接头的结构应力)的行业提供参考。
幸运的是，许多光伏电站经受住了极端天气事件的考验，包括高强度飓风，但其他电站-即使那些邻近未受损电站的却被摧毁了。大多数情况下，无论是来自冰雹、洪水还是飓风的威胁，差异在于设计和采购阶段所采取的注意事项，以确保建造一个设计精良的系统，从桩基深度到檩条抗拉强度，再到螺栓的组成和直径。虽然本报告不涉及材料疲劳和连接松动等具体挑战，但它确实提供了特定风暴事件对光伏系统影响的广泛概述，并提出了缓解策略和最佳实践。
极端天气事件分为两类:1)影响期相对较短的事件，例如热带气旋、对流风暴(包括冰雹)和洪水;以及2)影响期较长的事件，例如雪、沙尘暴、热浪和野火。
后者可能存在持续数年的慢性后果，例如对太阳能电池的重复压力，也可能更短暫，例如积雪或灰尘遮挡，这种情况可能持续数周，但最终在下雨时会消散。
从韧性(从负面影响中恢复的能力)和缓解(为减少潜在影响而采取的行动)的角度来看，适当的规划和设计是至关重要的，并且胜过所有其他回应。例如，对历史天气记录进行彻底的审查，以及为每个地点模拟极端天气事件的未来预测，应该是强制性的。此步骤涉及根据各种指标(如事件复发间隔、极端事件的大小和投资持有期)识别风险，以确保在设计阶段有效地考虑每个因素。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
