Bezawaryjne działanie systemu ogniw i paneli na budynku wymaga ich ochrony przed oddziaływaniem pioruna.
Zagrożenia dla systemów fotowoltaicznych spowodowane przez wyładowania piorunowe
Jednym z zadań stojących przed nowoczesnym budownictwem jest dążenie do ograniczenia ilości zużywanej w domu energii. Budynki energooszczędne stają się coraz bardziej powszechne. Dzieje się tak nie tylko ze względu na ochronę środowiska, ale również ze względu na rosnący brak poczucia bezpieczeństwa energetycznego. Energia promieni słonecznych nic nie kosztuje, jest niewyczerpalnym i ekologicznie czystym źródłem energii na Ziemi, a w okresie ocieplenia klimatu ilość promieniowania słonecznego będzie rosnąć. Obecnie bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej możliwe jest na różne sposoby. Do najpopularniejszych technologii słonecznych zaliczamy kolektory słoneczne i ogniwa fotowoltaiczne. Ogniwo fotowoltaiczne jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. W Polsce systemy zasilania z ogniwami fotowoltaicznymi często można spotkać w miejscach oddalonych od sieci energetycznej.
Fot. 1 Przykład paneli zamocowanych na dachu budynku
Profesjonalne systemy wolno stojące wykorzystywane są do zasilania automatycznych urządzeń, takich jak oświetlenie i telefony awaryjne na autostradach, boje nawigacyjne, latarnie morskie, przekaźnikowe stacje telekomunikacyjne i stacje meteorologiczne. Wolno stojące systemy fotowoltaiczne są niezawodne, opłacalne i nie wymagają obsługi, dlatego spisują się znakomicie jako źródło energii dla sygnalizacji drogowej, słupków ostrzegawczych czy też znaków informujących o przejściach dla pieszych.
Bezawaryjne funkcjonowanie systemu ogniw i paneli na budynku przez okres wielu lat wymaga jednak zapewnienia im ochrony przed oddziaływaniem pioruna. Dotyczy to zarówno ochrony przed uszkodzeniem mechanicznym lub termicznym spowodowanym bezpośrednim uderzeniem pioruna, jak też ochrony systemów sterowania przez oddziaływaniem LEMP (Lightning ElectroMagnetic Pulse).
W Polsce, gdzie systemy fotowoltaiczne dopiero zaczynają się pojawiać jako źródła energii elektrycznej większej mocy, problem uszkodzeń spowodowanych przez uderzenie pioruna jest praktycznie niezauważalny. W Niemczech, gdzie już w końcu 2010 r. pracowało ponad 800 tys. instalacji fotowoltaicznych, problem uszkodzeń systemów PV jest regularnie odnotowywany przez statystyki ubezpieczycieli. Jak pokazują statystyki niemieckich towarzystw ubezpieczeniowych, wyładowania piorunowe i przepięcia stanowią ok. 26% wszystkich odnotowanych strat w zakresie instalacji PV.
Rys. 1 Statystyka uszkodzeń instalacji PV w Niemczech wg liczby zdarzeń (dane z 2010 r.)
Zagrożeniem dla systemów PV mogą być nie tylko bezpośrednie uderzenia piorunów w instalacje elektrowni fotowoltaicznych. Również uderzenie w sąsiedztwie obiektu lub przepływ prądu wyładowczego przez urządzenie piorunochronne może stanowić zagrożenie dla elementów elektronicznych i instalacji przyłączonych do paneli. Amplituda indukowanego prądu udarowego w przewodach instalacji PV, jak pokazują badania laboratoryjne, może wynosić od kilkuset A nawet do ok. 1 kA. Błędnie zaprojektowana i wykonana ochrona odgromowa i przepięciowa może spowodować wzrost zagrożenia wystąpienia szkody w urządzeniu. W takim przypadku należy liczyć się z dodatkowymi kosztami wynikającymi nie tylko z wymianą urządzeń, ale również kosztami bankowymi (przy braku produkcji energii), kosztami ekspertyz (w spornych sprawach), kosztami utylizacji paneli.
Rys. 2 Ochrona odgromowa paneli fotowoltaicznych na dachu budynku – wykorzystanie zwodu pionowego zamontowanego w podstawie betonowej
Ochrona odgromowa dane z 2010 r.
Przy projektowaniu ochrony dla zamontowanych na dachu paneli należy zapewnić odstęp izolacyjny s (obliczony zgodnie z pkt 6.3 normy PN-EN 62305-3). Przykłady odstępów izolacyjnych wymagających wyliczenia dla dachu płaskiego oraz spadzistego pokazano na rys. 2.
Dobierając maszt, należy również zwrócić uwagę na obciążenie masztów parciem wiatru. W katalogach firm produkujących elementy do budowy urządzeń piorunochronnych można znaleźć tabele doboru odpowiedniej liczby betonowych podstaw w zależności od przewidywanej strefy wiatrowej i wysokości masztu.
Dla dachów pochyłych ochronę przed bezpośrednim trafieniem paneli można zrealizować za pomocą krótkich zwodów pionowych montowanych na kalenicy dachu (fot. 2).
Fot. 2 Ochrona paneli fotowoltaicznych na dachu spadzistym – wykorzystanie zwodu pionowego zamontowanego na kalenicy
W przypadku tego rozwiązania należy sprawdzić, czy wszystkie poddawane ochronie panele PV znajdują się w strefie osłonowej utworzonej przez zwody pionowe na kalenicy budynku.
W obiektach, dla których wymagany odstęp izolacyjny s nie może być zachowany lub panel zainstalowany jest na dachu z metalowym pokryciem (fot. 3), należy przewidzieć środki ochrony przed trafieniem bezpośrednim. Również i w tym przypadku – zgodnie z PN-EN 62305-3 – urządzanie PV powinno znaleźć się w przestrzeni ochronnej zwodów. Należy jednak wykonać dodatkowe połączenia wyrównawcze pomiędzy obudową paneli a układem zwodów. W przypadku tego typu układów – ze względu na możliwość oddziaływania na instalację wewnątrz budynku części prądu piorunowego – przewody biegnące od modułu PV do wnętrza powinny być zabezpieczone ogranicznikiem przepięć typ 1.
Fot. 3 Przykład ochrony paneli PV na dachu z metalowym pokryciem
Ochrona przed przepięciami
Najczęściej w warunkach, kiedy instalacja PV zabudowana jest na dachu obiektu i tym samym jest wyeksponowana, zastosowanie urządzeń ograniczających przepięcia (SPD – ang. Surge Protective Device) wydaje się jedynym sensownym rozwiązaniem technicznym, mającym na celu ochronę instalacji przed niebezpiecznymi przepięciami.
Odpowiedź na pytanie o wybór miejsca montażu i typu SPD nie jest łatwa bez dokładnej znajomości realnego stanu instalacji w obiekcie. Oprócz wielkości generatora PV (liczba stringów) oraz położenia falownika duże znaczenie mają też odpowiedzi na pytania:
– czy budynek wyposażony jest w urządzenie piorunochronne,
– czy w związku z montażem instalacji PV wykonane zostanie urządzenie piorunochronne.
Związane jest to z problem doboru odpowiedniego typu ograniczników przepięć (T1 lub T2) w instalacji AC i DC.
Przykładowe rozwiązania ochrony przepięciowej dla budynku z urządzeniem piorunochronnym, w którym udało się zachować bezpieczny odstęp izolacyjny między elementami LPS a instalacją fotowoltaiczną, pokazano na rys. 3.
Rys. 3 Przykładowe rozwiązanie ochrony przepięciowej dla budynku z urządzeniem piorunochronnym, odstęp bezpieczny s jest zachowany
Do ograniczania przepięć dochodzących do przekształtnika należy zastosować SPD typu 2 przeznaczony do instalacji stałoprądowej DC (oznaczony numerem 3). Analogicznie jak w przypadku rozwiązania dla obiektu bez LPS, SPD typu 2 w instalacji AC (oznaczony numerem 2) jest zalecany, jeżeli odległość między rozdzielnicą główną obiektu z układem SPD typu 1 (oznaczony numerem 1) a przekształtnikiem jest większa niż 10 m. Wymóg zainstalowania w układzie zasilania SPD typu 1 wynika z faktu wyposażenia obiektu w urządzenie piorunochronne (piorunowe połączenie wyrównawcze).
Ogranicznik przepięć typ 1, stosowany w rozdzielni głównej obiektu, powinien zapewniać niski poziom ochrony oraz być przystosowany do odprowadzenia części prądu pioruna przy bezpośrednim lub pobliskim wyładowaniu. Jednocześnie powinien być skoordynowany energetycznie z elektronicznymi urządzeniami zainstalowanymi w rozdzielnicy.
Rys. 4 Schemat wewnętrzny oraz wygląd ogranicznika przepięć typ 2 do instalacji fotowoltaicznej wyposażonego w wewnętrzny bezpiecznik – technologia SCI
Zgodnie z niemiecką normą dotyczącą ochrony odgromowej systemów fotowoltaicznych ograniczniki przepięć stosowane w instalacji DC powinny być tak dobierane, aby podczas zwarcia odłączały się od instalacji w sposób bezpieczny, bez stwarzania zagrożenia pożarowego wskutek przeciążenia lub powstania łuku elektrycznego.
Producent ogranicznika przepięć powinien wykazać, że wewnętrzny mechanizm łączeniowy ogranicznika wykazuje niezbędne możliwości łączeniowe wymagane w miejscu jego zainstalowania.
Przykładem takiego rozwiązania może być ogranicznik, którego schemat wewnętrzny pokazano na rys. 4. Ogranicznik zaprojektowany został specjalnie do ochrony wejść DC falowników łańcuchowych (stringowych) oraz modułów PV (nie wymaga dodatkowego dobezpieczenia). Użyta w nim technologia SCI (Short Circuit Interruption) ma kilka zalet: łączy skuteczną ochronę przepięciową, przeciwpożarową oraz zdrowia i życia ludzkiego w jednym urządzeniu. Zastosowanie w układzie zwierającym specjalnego bezpiecznika, przeznaczonego do instalacji PV, zapewnia bezpieczne przerwanie obwodu w przypadku przeciążenia i odizolowanie ogranicznika od instalacji.
Rys. 5 Montaż ograniczników przepięć w instalacji elektrycznej DC, w przypadku gdy odległość między miejscem podłączenia paneli PV a przekształtnikiem jest większa niż 10 m
W przypadku zwykłych modułów PV można zakładać, że odporność udarowa UW (PV_Mod) jest większa niż odporność udarowa przekształtnika UW (PV_INW). W takim przypadku zaleca się instalować ogranicznik przepięć typu 2 do linii DC w pobliżu przekształtnika, ale gdy długość przewodów łączących panele PV z przekształtnikiem przekracza 10 m, należy zainstalować dwa ograniczniki przepięć typu 2 (dedykowane do systemów PV).
W przypadku małego obiektu (np. domku jednorodzinnego), gdy przekształtnik zlokalizowany jest wewnątrz budynku, odległość między rozdzielnicą główną a przekształtnikiem może być mniejsza niż 10 m. Zastosowanie w rozdzielnicy głównej ogranicznika przepięć typu 1 o niskim napięciowym poziomie ochrony pozwala wówczas na rezygnację ze stosowania dodatkowego ogranicznika przepięć typu 2 w pobliżu przekształtnika (zabezpieczenie wejścia AC).
Rys. 6 Przykładowe rozwiązanie ochrony przepięciowej dla budynku z urządzeniem piorunochronnym, odstęp bezpieczny s nie został zachowany: 1 – SPD typu 1 w instalacji elektrycznej AC, 2 – SPD typu 2 w instalacji elektrycznej AC, 3 – SPD typu 1 przeznaczony do systemów PV
W niektórych obiektach wymagany odstęp izolacyjny s nie może być zachowany lub panel zainstalowany jest na dachu z metalowym pokryciem. Również i w tym przypadku – zgodnie z PN-EN 62305-3 – urządzanie PV powinno się znaleźć w przestrzeni ochronnej zwodów. Należy jednak wykonać dodatkowe połączenia wyrównawcze pomiędzy obudową paneli a układem zwodów. W takim przypadku – ze względu na możliwość oddziaływania na instalację wewnątrz budynku części prądu piorunowego – przewody biegnące od modułu PV do wnętrza obiektu powinny zostać zabezpieczone specjalnie do tego celu zaprojektowanymi SPD typu 1 (SPD jest oznaczony numerem 3 na rys. 3).
W przypadku gdy z autonomicznym systemem PV współpracują inne urządzenia elektroniczne usytuowane na zewnątrz obiektu, należy również im zapewnić ochronę przed wyładowaniem bezpośrednim oraz przepięciami. Wszystkie instalacje sygnałowe związane np. z procesem sterowania, kontroli lub monitoringu wchodzą do wnętrza budynku, a tym samym mogą stanowić drogę, którą przepięcia dostaną się do wnętrza obiektu. Dlatego obwody te powinny zostać zabezpieczone przed możliwością oddziaływania na nie prądu piorunowego oraz przepięć indukowanych spowodowanych np. pobliskimi wyładowaniami. Urządzenia PV powinny być chronione od bezpośredniego wyładowania piorunowego za pomocą systemu zwodów pionowych, ale wszystkie połączone z nimi obwody powinny posiadać odpowiednio dobrane ograniczniki przepięć.
Należy też pamiętać o odpowiednim ułożeniu przewodów łączących poszczególne panele fotowoltaiczne oraz przewodach sygnalizacyjnych łączących urządzenia sterujące i kontrolno-pomiarowe rozlokowane na terenie elektrowni. Jednym z ważnych sposobów pozwalających zredukować zagrożenie przepięciowe jest trasowanie linii w taki sposób, aby zminimalizować rozległe pętle indukcyjne, a tym samym zagrożenie przepięciami spowodowanymi pobliskimi wyładowania piorunowymi.
Na to zagrożenie zwracają uwagę dokumenty normalizacyjne krajów europejskich (np. Francji i Niemiec), pokazując błędne i prawidłowe sposoby wykonywania sieci przewodów dla elektrowni fotowoltaicznych. Zalecenia te pokazano na rys. 7.
Rys. 7 Przykład błędnego oraz poprawnego oprzewodowania paneli PV
Podsumowanie
Instalując system fotowoltaiczny na dachu budynku, należy zapewnić ochronę przed bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego (obiekty z LPS) oraz zwrócić szczególną uwagę na ograniczenia prądów i napięć udarowych w instalacji elektrycznej i obwodach stałoprądowych. Tylko takie kompleksowe potraktowanie zagadnienia ochrony odgromowej i przepięciowej może zapewnić ochronę i bezawaryjne działanie systemów fotowoltaicznych. Problem ochrony przepięciowej systemu PV dostrzegają nie tylko towarzystwa ubezpieczeniowe, ale również producenci przekształtników do systemów PV. Przy stosowaniu dla klientów korzystnych warunków wymiany przekształtnika w przypadku awarii producent nie uwzględnia uszkodzeń spowodowanych przez przepięcia – a tym samym praktycznie wymusza stosowanie ochrony przepięciowej w obwodach DC oraz AC przekształtnika.
Poprawne wykonanie systemu ochrony odgromowej i przepięciowej może przyczynić się do znacznej redukcji zagrożenia utraty sprawności produkcyjnej oraz minimalizacji ewentualnych kosztów poniesionych z tytułu wyładowań piorunowych lub przepięć łączeniowych, jak też zminimalizować zagrożenie pożarowe. Dlatego tak ważne jest, aby wykonując system ochrony dla instalacji, od samego początku zwracać uwagę na jakość stosowanych elementów oraz prawidłowe ich rozmieszczenie i właściwy montaż. Droga na skróty i szukanie oszczędności w systemie ochrony odgromowej i przepięciowej instalacji PV może się okazać ostatecznie bardzo kosztownym rozwiązaniem.
Problem uszkadzalności modułów PV stał się na tyle ważny, że zrzeszenie ubezpieczycieli w Niemczech zdecydowało się wydać własne zalecenia dotyczące systemów fotowoltaicznych (druk VdS 3145), opisujące wszystkie wymagania ubezpieczyciela względem instalacji PV, w tym też ochronę odgromową i przepięciową.
Krzysztof Wincencik
Krakowski Oddział SEP
Sekcja Instalacji i Urządzeń Elektrycznych
Bibliografia
1. DIN CLC/TS 50539-12 (VDE V 0675-39-12) Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung Überspannungsschutzgeräte für besondere Anwendungen einschließlich Gleichspannung – Teil 12: Auswahl und Anwendungsgrundsätze Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Photovoltaik-Installationen; Deutsche Fassung CLC/TS 50539-12:2010.
2. PN-HD 60364-7-712:2007 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Część 7-712: Wytyczne dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji. Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania.
3. PN-EN 62305-3:2009 Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia.
4. A. Sowa, Ochrona odgromowa systemów fotowoltaicznych na dachach dwuspadowych, „elektro.info” nr 4/2012.
5. A. Sowa, K. Wincencik, Ograniczanie przepięć w instalacjach niskonapięciowych systemów fotowoltaicznych, „elektro.info” nr 7–8/2012.
