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颱風對太陽光電系統的影響 - 基礎與支架

不知道算幸運還是不幸,台灣太陽光電市場從2011年起飛至今,剛好都沒有遇到比較強烈的颱風。幸運的是大部分太陽光電系統沒有遭遇什麼挑戰而平穩的拿到這兩三年的發電收益;不幸的是沒有經過風災考驗導致很多人掉以輕心,在成本壓力下把結構越做越弱,導致颱風造成巨大損失。成本壓力是政策與產業結構的問題,牽涉廣泛三天三夜也講不完,在此就不討論那個層面。筆者的碩博士專長正好是結構力學與材料力學分析,我們可以來探討一下颱風的外力對太陽光電系統的影響。
太陽光電系統通常先把支架固定在屋頂(或地面基礎結構)上,再把太陽光電模組鎖固到支架上,這其中每個環節都環環相扣,只要其中一個環節斷了,都會造成系統嚴重損失。就算你選用了最好的支架、最強壯的模組,如果螺絲太脆弱而斷裂,結果還是一樣模組滿天飛。因此,每個階段的強度都很重要,不可以因為它小而忽略它。以下我們就來看看各個主要結構的強度問題。
屋頂/基礎結構
很多人安裝太陽光電系統時,假設屋頂是沒問題的,那真的會是大問題。專業一點的系統商則會考慮屋頂承重,可惜重量不是關鍵,風力才是屋頂強度的關鍵。模組的認證標準IEC61215中,幫大家計算12級風(風速130 km/hr)時模組承受的風壓為800 Pa,以三倍安全係數要求模組要承受2400 Pa均佈壓力(約245 kg/m2)。如果以17級風計算,風壓達到2344 Pa,同樣以三倍安全係數計算的話,模組要承受7032 Pa均佈壓力(約718 kg/m2)。
目前太陽光電系統的重量大約20-30 kg/m2,相對於12級風需要的245 kg/m2或17級風需要的718 kg/m2,顯然微不足道。所以考量屋頂承重時,風力比重量更重要,而且不能只考慮正面壓力,還要考慮負向的拉拔力。尤其當模組不是平貼屋頂安裝時(例如北面屋頂架高使模組面南),風由模組背面灌入會對屋頂造成非常大的側向力以及翻轉力矩(如下圖)。
架高安裝對屋頂的外力示意圖(灰色為太陽光電模組)
所以這種架高安裝的系統最好在背面加上導流板(如下圖),可以大幅降低風阻,減少屋頂承受的外力。特別注意側面也要有導流板,才能達到最好的效果。
模組背面導流板
側面導流板

 

系統支架與固定方式

支架固定常見的問題是固定強度不足,不管是用鎖的、壓重式或水泥樁都可能有強度不足的問題(如下三張照片)。照規定結構應該經過技師簽證,假設風力在設計範圍內,且結構技師真的有好好確認結構設計(不可否認也真的有閉著眼睛簽的),那問題很可能出在安裝品質。例如螺絲鎖固強度是否達到設計所需要的強度?水泥樁內鋼筋鋪設方式與數量是否足夠?這些問題完工後檢測不易,多半還是要靠監工努力盯。
支架與屋頂固定強度不足
支架壓重不足
基樁與支架強度不足

支架強度不足也是一個大問題。有些支架設計直接copy歐洲系統支架,但是歐洲沒有颱風,支架強度不需要很強,因此同樣的設計強度在台灣可能無法承受颱風的巨大外力。另外一方面由於降低成本的壓力,支架用料越來越薄,遇到大颱風就過不了關。這次有很多系統發生如下圖的問題,支架結構沒有問題,但是肉厚不足導致螺絲整個被拔出,留下支架上一個洞。

支架太薄螺絲被拔出
另外有些問題出在固定模組的夾具強度不足(如下圖),模組一樣被吹走。
夾具強度不足
因此,在支架方面首先要確認強度設計沒有問題,特別提醒風壓造成的外力一定要特別考慮。其次要注意材料強度與厚度,必須確認其強度符合結構設計所需的強度,尤其是螺絲槽抵抗螺絲拉拔的力量要特別注意。有些支架廠商可以提供測試報告,但是量大的話建議考慮每批來料抽樣送實驗室測試,以免生產穩定度不良導致問題。
系統支架與固定方式不夠強壯的話,會有大量模組被吹落。業主常面臨一個問題,如果模組已經被吹落了,玻璃沒破且外觀正常,還能不能用?被風吹落的模組大部分有嚴重內傷,但是外觀看不出電池片破裂,確實無法用肉眼判斷是否能使用。有投保的電站,保險公司通常可以賠償損壞模組,但是外觀正常看不出損壞的,保險公司無法賠償。為解決這個問題,我們使用可攜式EL到案場幫業主做檢測,提供鑑定報告給保險公司或公證公司作為賠償依據。
以下是兩片外觀正常模組的EL拍攝結果,上圖有嚴重內傷必須立即更換,下圖則只有輕微內傷仍可繼續使用。根據目前經驗,被颱風吹落的模組有95 %以上都是嚴重內傷必須更換。不過要看落地的地點與角度,如果剛好落在濕軟的田裡,存活的機會比較大一些。
模組外觀正常,EL影像顯示嚴重內傷
模組外觀正常,EL影像顯示輕微內傷

※本文轉載自 太陽能五四三

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