Branża fotowoltaiczna w
naszym kraju od trzech lat przeżywa „boom”. Technologia pozwalająca na
przetwarzanie energii z promieniowana słonecznego na energię elektryczną do
zasilenia instalacji wewnętrznej dzięki możliwości wykorzystania przez osoby
prywatne i programowi dofinansowania cieszy się dużą popularnością. Wg danych, regularnie
udostępnianych przez Instytut Energetyki Odnawialnej w raporcie „Rynek
Fotowoltaiki w Polsce”, wzrost mocy zainstalowanej w roku 2020 wyniósł 200% w
stosunku do roku 2019. Największy udział w rynku mają właśnie mikroinstalacje (czyli
instalacje o łącznej mocy zainstalowanej nieprzekraczającej 50kW) – stanowiły
77% mocy zainstalowanej. Wyniki pierwszego kwartału tego roku w dalszym ciągu
wskazują na dynamiczny przyrost nowych instalacji PV (ang. photovoltaics). Skumulowaną
moc zainstalowaną w PV zależnie od wielkości instalacji przedstawiono poniżej.
Rysunek 1. Skumulowana
moc zainstalowana w PV zależnie od wielkości instalacji wg IEO.
Montaż systemu PV jest
kosztową inwestycją o prostej stopie zwrotu szacowanej na kilka lub kilkanaście
lat. Dlatego kluczowym aspektem pozostaje trwałość elementów instalacji
przynajmniej przez okres objęty zwrotem poniesionych nakładów. Każde
uszkodzenie, a następnie związane z nim i konieczne do poniesienia koszty opóźniają
moment osiągnięcia zysku. Ochrona instalacji PV to tak naprawdę ochrona podjętej
inwestycji.
Nikogo nie trzeba
przekonywać, że zjawisko wyładowania atmosferycznego może spowodować pożar,
uszkodzenie budynku lub spalenie instalacji elektrycznej oraz uszkodzenie
wszystkich włączonych do niej urządzeń, np. telewizora, komputera itp. Wyniki
badań z kilku ostatnich lat wskazują na większą liczbę wyładowań na km2
niż w danych normowych (średnia roczna gęstość wyładowań doziemnych wynosi
odpowiednio 1,8 i 2,5 km2/rok). Wg danych pozyskanych z sieci
komercyjnych np. PERUN wynika, że na terenie naszego kraju w roku 2019 r.
średnia liczba doziemnych wyładowań atmosferycznych na 1 km2 była
zdecydowanie wyższa niż zakładana przez normę i sięgała miejscowo nawet 50-ciu
uderzeń.
Z uwagi na fakt, że
instalacje PV w Polsce są montowane w tysiącach sztuk, ale od stosunkowo
niedawna to problem uszkodzeń spowodowanych wyładowaniem piorunowym jest prawie
niezauważalny. Natomiast nasi zachodni sąsiedzi, którzy regularnie zajmują
czołowe pozycje w Unii Europejskiej pod względem rocznego przyrostu nowych mocy
w PV, w 2010 opublikowali raport ze statystykami przyczyn uszkodzeń instalacji
PV. Wg danych niemieckich towarzystw ubezpieczeniowych najważniejszą przyczynę
(z 26%) stanowią wyładowania atmosferyczne oraz przepięcia. Poniżej
przedstawiono przyczyny wskazane w raporcie.
Rysunek 2. Najważniejsze
przyczyny uszkodzeń instalacji PV.
To stanowisko potwierdza
norma PN-EN 62305-2, która do przewidywanych zagrożeń zalicza wyładowanie
piorunowe – bezpośrednie i pośrednie (zjawisko przepięcia).
Poszukując wiarygodnych
informacji nt sposobu zabezpieczenia oraz wymagań stawianych elementom mającym
ochronić system PV przed skutkami wyładowań piorunowych i zjawiskiem przepięć warto
odwołać się do norm technicznych obowiązujących w kraju. Wśród nich wyróżniamy:
• PN-EN 62305 (wieloarkuszowa) Ochrona odgromowa,
• PN-EN 62561 (wieloarkuszowa) Elementy
urządzenia piorunochronnego (ang. lighting protecting system components - LPSC)
• PN-EN 50539-11 Wymagania i badania dla ograniczników
przepięć (ang. surge protection devices – SPD) w zastosowaniach
fotowoltaicznych
• PN-HD 60364-7-712 Wymagania dotyczące
specjalnych instalacji lub lokalizacji -- Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania
Norma PN-EN 62305-3
wyróżnia dwie funkcje: projektową - projektanta ochrony odgromowej jako „specjalistę
kompetentnego i wykwalifikowanego w zakresie projektowania LPS” i
wykonawczą – wykonawcę ochrony odgromowej jako „osobę kompetentną i
wykwalifikowaną w zakresie instalowania LPS”. Funkcje projektanta
ochrony odgromowej z uwagi na brak wydzielonego zakresu w ramach uprawnień
budowlanych przejęli projektanci-elektrycy. W charakterze wykonawcy ochrony
odgromowej występują głównie firmy elektryczne, ogólnobudowlane i dekarskie
po krótkim przeszkoleniu swoich pracowników. W wielu przypadkach podstawowe
przeszkolenie wystarczy dla prawidłowego wykonania urządzenia piorunochronnego
pod warunkiem, że dokumentacja projektowa będzie sporządzona z należytą
starannością. Osobiście polecam jednak konsultacje i skorzystanie z usług firm,
których działalność jest związana wyłączenie z tym zakresem. Budniok Technika
jest firmą zajmującą się ochroną elektryczną obiektów.
Najważniejsze elementy
dobrze zaprojektowanej ochrony instalacji PV obejmują:
• instalacje odgromową – ochronę zbudowaną o metodę np. kąta ochronnego
lub toczącej się kuli i zachowanie odstępu izolacyjnego,
• uziemienie i połączenie wyrównawcze,
• dobór odpowiednich SPD,
• minimalizację pętli indukcyjnej.
Poniżej krótko
przedstawiono najważniejsze informacji nt. każdego z elementów.
Na instalację odgromową
składa się zastosowanie zwodów pionowych zwanych potocznie franklinami, sztycami
czy iglicami i masztów lub wygiętego pod odpowiednim kątem zwodu niskiego, oraz
zwody poziome i przewody odprowadzające, aż do złącza kontrolnego. Zależnie od
lokalizacji elementów instalacji PV, klasy LPS i wybranej metody (kąta
ochronnego lub toczącej się kuli) dobieramy wysokość zwodu pionowego tak, aby
system PV znalazł się w tzn. „strefie ochrony” (strefa LPZ0B oznacza
brak wyładowania bezpośredniego, częściowy lub indukowany prąd pioruna). Od
strony materiałowej informacje na temat wymagań stawianych elementom instalacji
oraz ich trwałości znajdują się w normie PN-EN 62561.
Dodatkowym argumentem
przemawiającym za zastosowanie zwodów pionowych i zarazem lokalizacją paneli PV
w strefie chronionej jest zapis normy PN-EN 62305-3: „wszystkie urządzenia
dachowe z materiału izolacyjnego lub przewodzącego, które zawierają wyposażenie
elektryczne i/lub służące przetwarzaniu informacji, powinny się znajdować w
przestrzeni ochronnej układu zwodów”.
Niezwykle ważnym
zagadnieniem jest separacja elektryczna zewnętrznego LPS od instalacji PV. Ochroni
ona elementy metalowe przed tzn. „przeskokiem iskry”. Każdorazowo obliczenie
wymaganego odstępu separacyjnego wykonuje się w oparciu o zapisy punktu 6.3. i
załącznik C normy PN-EN 62305-3. Poniżej przedstawiono szkic obrazujący
zastosowanie metodę kąta ochronnego i zachowanie odstępu separacyjnego (S).
Należy pamiętać, że nawet gdy nie ma możliwości zachowania odstępu
separacyjnego jest rozwiązanie w postaci elementów izolowanych (maszty,
przewody niskoimpedancyjne pełniące funkcję separatora itp).
Rysunek 3. Ochrona
odgromowa paneli poprzez zastosowanie zwodu pionowego i zachowanie odstępu
separacyjnego
Uziemienie i połączenia
wyrównawcze stanowią ważny element bezpieczeństwa instalacji fotowoltaicznej. Ich
zadaniem jest bezpieczne rozproszenie prądy piorunowego w gruncie i wyrównanie
różnic potencjału między elementami podłączonymi. Konieczność podłączenia
modułu do systemu uziemiającego regulują wytyczne producentów. Natomiast zawsze
należy uziemić system mocowania paneli. Jednocześnie warto zaznaczyć, że nieuziemiony
moduł jest urządzeniem bezpiecznym elektrycznie w normalnych warunkach pracy. Uziemione
połączenie wyrównawcze poprawia bezpieczeństwo pracy instalacji fotowoltaicznej
w szczególnych sytuacjach, jak uszkodzenie modułu czy w trakcie wyładowań atmosferycznych
w pobliżu instalacji. Przy wykonywaniu połączenia wyrównawczego należy
pamiętać, że wszystkie uziemienia po stronie DC i AC powinny być wspólne. Od
strony materiałowej informacje na temat wymagań stawianych elementom instalacji
oraz ich trwałości znajdują się w normie PN-EN 62561.
Najważniejszym i
najdroższym elementem systemu PV jest falownik (inwerter). Dlatego też na jego
ochronę należy położyć największy nacisk. Dobór ogranicznika po stronie DC jest
uzależniony od wartości napięcia jałowego łańcucha PV w warunkach STC (ang.
standard test cell) zgodnie z poniższym wzorem
1,2 x UOC STC
≤ UCPV
gdzie:
UCPV – maksymalne
napięcie ciągłej pracy ogranicznika
UOC STC –
napięcie jałowe łańcucha PV w warunkach STC
Dobór odpowiedniego typu
ogranicznika można sprawdzić do dwóch przypadków:
1. jeżeli zachowany jest odstęp
separacyjny to:
a. instaluje się ogranicznik typu 2,
b. jeżeli odległość między panelami
(skrzynką przyłączeniową), a inwerterem jest większa niż 10 m – ogranicznik
instaluje się dodatkowo przed falownikiem.
2. jeżeli nie jest zachowany jest odstęp
separacyjny to:
a. instaluje się ogranicznik typu
1+2,
b. niezależnie od odległością między
panelami (skrzynką przyłączeniową), a inwerterem dodatkowy ogranicznik
instaluje się także przed falownikiem.
Ostatnim z podstawowych sposobów
ochrony instalacji PV jest minimalizacja pętli indukcyjnej. Aby
zminimalizować wyindukowane napięcie podczas uderzenia pioruna, należy
poprowadzić trasy przewodów modułów PV w taki sposób, aby tworzyły jak
najmniejsze pole powierzchni. Poniższy rysunek obrazuje to zagadnienie.
Rysunek 4. Ochrona
odgromowa paneli poprzez minimalizację pętli indukcyjnej
W praktyce elementy ochrony możemy
przedstawić w oparciu o dwie sytuacje:
a. gdy odstęp separacyjny między panelami, a
systemem LPS nie jest zachowany,
b. gdy odstęp separacyjny między panelami, a
systemem LPS jest zachowany lub też brak jest instalacji LPS. Obie sytuacje
przedstawiają dwa kolejne rysunki.
Rysunek 5. Elementy
ochrony paneli PV w sytuacji, gdy odstęp separacyjny między panelami,
a systemem LPS nie jest zachowany
Rysunek 6. Elementy
ochrony paneli PV w sytuacji, gdy odstęp separacyjny między panelami,
a systemem LPS jest zachowany lub w sytuacji, gdy brak instalacji LPS
Podsumowując możemy przedstawić następujące
wnioski:
1. Przyrost nowych instalacji PV jest
dynamiczny.
2. Ochrona instalacji PV to ochrona
podjętej inwestycji.
3. Istnieją na rynku rozwiązania i
produkty zwiększające bezpieczeństwo instalacji PV.
Budniok Technika jest
firmą zajmującą się ochroną elektryczną obiektów. Działamy na wszystkich
etapach realizacji inwestycji, a na naszą ofertę składają się realizacje
dostaw, konsultacje i doradztwo, projektowanie i wykonawstwo. Wszystkie
działania wyłączenie z zakresu bezpieczeństwa elektrycznego obiektów.
W razie pytań zapraszamy
do kontaktu:
e-mailowego: biuro@budniok.com.pl
telefonicznego:
Wojciech Szczepańczyk +48 507 010 945
(doradztwo handlowe)
Kamil
Błażyca +48 519 100 602
(doradztwo techniczne)
Istnieje możliwość doboru
niezbędnych elementów indywidualnie po przesłaniu dokumentacji projektowej.
LITERATURA:
1.Raport Instytutu
Energetyki Odnawialnej pt. „Rynek Fotowoltaiki w Polsce 2021”
2.http://www.inzynierbudownictwa.pl/technika,materialy_i_technologie,artykul,ochrona_odgromowa_i_przepieciowa_instalacji_fotowoltaicznej,7874
[dostęp 17.12.2019 r.]
3.Katalog SALTEK s.r.o.
pt. „Rozwiązanie. Systemy fotowoltaiczne. Ochrona przed przepięciami” 08/2018
ARTYKUŁ SPONSOROWANY
Autor:
Kamil Błażyca, Inżynier produktu w firmie Budniok Technika