Bezpieczne instalacje fotowoltaiczne

Instalacja fotowoltaiczna jak każde urządzenie elektryczne może stanowić zagrożenie dla życia i zdrowia człowieka oraz być źródłem wystąpienia pożaru. Bez wątpienia jest to prawdą i nie można tego lekceważyć. Jednak jak pokazują statystyki, pożary spowodowane przez instalacje fotowoltaiczne stanowią zaledwie ułamek wszystkich pożarów wywołanych przez inne czynniki.

Fotowoltaika a ryzyko pożarowe

W Polsce nie przeprowadzono  jeszcze oficjalnych badań stwierdzających wpływ fotowoltaiki na powstanie pożaru. W innych europejskich krajach, gdzie instalacji jest znacznie więcej, takie statystyki były prowadzone. W 2015 r. w Niemczech badacze TÜV Rheinland i Instytutu Systemów Energetyki Słonecznej przygotowali raport, zbadawszy ok. 1,3 mln domów z instalacją PV. Pożary fotowoltaiki wystąpiły tylko w 210 przypadkach, co odpowiada 0,016%. W Wielkiej Brytanii z kolei w ciągu 7 lat na milion domów odnotowano 58 pożarów budynków z instalacją fotowoltaiczną. Daje to 0,0058% wszystkich przypadków. Tu pod uwagę należy również wziąć czynniki, które wywołały pożar. 56% pożarów jest skutkiem wpływu czynników zewnętrznych, np. burz i wyładowań atmosferycznych. Druga, mniejsza część to błędy ludzkie i awarie komponentów. Według wspomnianych już badań z 2015 r. pożary są powodowane przez nieprawidłowy montaż (18%), awarie urządzeń (17%) i błędy w projekcie (9%) [1].

>>> Odnawialne źródła energii w systemach grzewczych w budynku jednorodzinnym

>>> Photovoltaics

>>> Magazyny energii w systemie elektroenergetycznym

Bezpieczne instalacje fotowoltaiczne – normy i zalecenia

Na montaż instalacji fotowoltaicznej o mocy do 50 kW nie jest wymagane pozwolenie zakładu energetycznego lub pozwolenie na budowę. Jednak od września 2020 r. nastąpiła nowelizacja ustawy – Prawo budowlane, która mówi, że do urządzeń fotowoltaicznych o mocy zainstalowanej elektrycznej większej niż 6,5 kW stosuje się obowiązek uzgodnienia z rzeczoznawcą do spraw zabezpieczeń przeciwpożarowych pod względem zgodności z wymaganiami ochrony przeciwpożarowej. Oznacza to konieczność potwierdzenia przez rzeczoznawcę spełnienia wymagań ochrony przeciwpożarowej. Dodatkowo o montażu instalacji trzeba powiadomić organ Państwowej Straży Pożarnej.

Fot. stock.adobe/pridannikov

Przy montażu generatora PV należy pamiętać, żeby moduły oraz pozostałe składowe instalacji spełniały podstawowe normy. W odniesieniu do modułów krzemowych i instalacji on-grid należą do nich głównie:

• certyfikat IEC 61215-1:2021 – powinny go mieć moduły wykonane z ogniw krzemowych;
• PN-EN IEC 61215:2017 Moduły fotowoltaiczne (PV) z krzemu krystalicznego do zastosowań naziemnych – Kwalifikacja konstrukcji i aprobata typu;
• PN-EN 50618:2015-03 Kable i przewody elektryczne do systemów fotowoltaicznych;
• PN-HD 60364-7-712:2016-05 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji – Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania;
• PN-EN 62446-1:2016-08 Systemy fotowoltaiczne (PV) – Wymagania dotyczące badań, dokumentacji i utrzymania – Część 1: Systemy podłączone do sieci – Dokumentacja, odbiory i nadzór;
• PN-EN IEC 61730-1:2018 Ocena bezpieczeństwa modułu fotowoltaicznego (PV) – Część 1: Wymagania dotyczące konstrukcji;
• PN-EN IEC 61730-2:2018 Ocena bezpieczeństwa modułu fotowoltaicznego (PV) – Część 2: Wymagania dotyczące badań.

Bezpieczne instalacje fotowoltaiczne – na co zwrócić uwagę przy montażu

Wiele osób przed zamontowaniem instalacji PV staje przed dylematem: czy wykonać ją na dachu budynku czy na gruncie. Każdy z tych sposobów ma swoje zalety i wady, jednak w kwestii bezpieczeństwa to ten drugi jest relatywnie lepszy. Instalacja na gruncie jest łatwiejsza do kontroli, a przede wszystkim w razie wystąpienia zwarcia lub pożaru nie wystawia budynku bezpośrednio na działanie ognia. Nie każdy może jednak pozwolić sobie na montaż wolno stojącego panelu fotowoltaicznego. Jest to droższe rozwiązanie, bardziej narażone na zacienienia i dodatkowo zabiera wolną przestrzeń działki. Decydując się natomiast na instalację dachową, należy pamiętać o spełnieniu kilku kluczowych wymagań dotyczących jej prawidłowego montażu.

Wybór odpowiednich szybkozłączek

Kluczową sprawą w przypadku montażu instalacji jest ograniczenie wszelkiego rodzaju połączeń występujących między modułami a falownikiem. Im mniej będzie miejsc przecięcia przewodu (a w konsekwencji zarabiania złączy), tym mniejsze będzie ryzyko niepoprawnego połączenia. Cięcia przewodów jednak nie unikniemy, dlatego należy pamiętać, aby wszelkiego rodzaju połączenia wykonywać za pomocą złączy tylko i wyłącznie renomowanych producentów oraz nie mieszać złączek pochodzących od różnych wytwórców. Na rynku jest wiele firm produkujących szybkozłączki, a najbardziej popularne mają oznaczenie MC4. Niestosowanie się do przywołanej zasady może powodować niedopasowanie i nieprawidłowy styk, co w konsekwencji może doprowadzić do przepalenia się szybkozłączki lub wywołania łuku elektrycznego w przewodach po stronie DC. W przypadku podłączania gotowych łańcuchów z modułami do falownika należy wykorzystać złączki dostarczone przez producenta tego falownika.

Prawidłowy dobór zabezpieczeń

Prawidłowo funkcjonująca instalacja fotowoltaiczna, podobnie jak każda domowa instalacja elektryczna, powinna mieć odpowiednio dobrane zabezpieczenia zarówno po stronie napięcia stałego DC, jak i AC. Taki zabieg pozwoli wyeliminować lub znacznie ograniczyć wszelkiego rodzaju stany mogące pojawić się przy wystąpieniu zwarcia.

Tab. 1. Rodzaje ograniczników przepięć stosowanych w instalacjach fotowoltaicznych

Selekcję zabezpieczeń powinniśmy rozpocząć od doboru ograniczników przepięć po stronie DC. Gdy instalacja ma więcej niż dwa stringi, należy zastosować bezpieczniki topikowe o charakterystyce gPV, czyli typowo przeznaczonej do użytku ze stroną DC (nie wolno wykorzystywać bezpieczników przystosowanych do prądu przemiennego AC). W przypadku generatora złożonego z jednego bądź dwóch łańcuchów stosowanie tego zabezpieczenia nie jest konieczne, ponieważ każdy moduł PV jest w stanie wytrzymać dwukrotność tzw. prądu wstecznego. Wstecznym określamy taki prąd, który może pojawić się w stanie zwarcia, np. przy uszkodzeniu, złym połączeniu instalacji bądź zacienieniu jej części. Powstaje, gdy napięcie obwodu otwartego jednego łańcucha różni się od napięcia obwodu otwartego równoległych łańcuchów podłączonych do tego samego falownika (prąd wsteczny przepływa wówczas od sprawnych łańcuchów nie do inwertera, a do tych uszkodzonych). Kierunek przepływu prądu wstecznego obrazuje rys. 1. W związku z tym istnieje zasada, że dopiero przy minimum trzech stringach należy zastosować zabezpieczenie nadmiarowo-prądowe. Dobór parametrów tego zabezpieczenia jest dość prosty – według normy PN-HD 60364-7-712 prąd znamionowy bezpiecznika powinien znajdować się w zakresie od 1,4 do 2,4 prądu zwarciowego całego łańcucha PV. Niezależnie od ilości rzędów modułów w instalacji fotowoltaicznej po stronie DC trzeba zastosować ochronniki przepięć (tzw. warystory). Wyróżnia się kilka rodzajów ochronników przepięć i stosuje w zależności od tego, czy dom wyposażony jest w instalację odgromową czy nie. Szczegóły doboru ochronników przepięć przedstawia tab. 1. W przypadku gdy budynek ma instalację odgromową, należy ją dostosować do projektowanej instalacji fotowoltaicznej. Jeżeli jest taka możliwość, przy projektowaniu instalacji PV powinno się dążyć do zachowania odstępów separacyjnych wyliczonych zgodnie z normą PN-EN 62305- 3:2011. W przypadku braku odstępów separacyjnych konieczne jest utworzenie połączeń wyrównawczych metalowych elementów konstrukcji wsporczej z instalacją odgromową przewodem miedzianym o przekroju poprzecznym min. 16 mm². Połączenia wyrównawcze funkcjonalne powinny być wykonane przewodem o przekroju min. 6 mm² [2].

W przypadku strony AC i prądu przemiennego stosujemy zabezpieczenia podobne do tych, które występują w klasycznych instalacjach elektrycznych: ograniczniki przepięć, bezpieczniki nadmiarowo-prądowe i bezpieczniki różnicowo-prądowe.

Rys. 1. Przepływ prądu wstecznego przy zacienionym module

Przewody i ich prowadzenie

Do prowadzenia tras kablowych powinno wybierać się przewody w podwójnej izolacji oraz o właściwościach pozwalających na ich zewnętrzny montaż (izolacja odporna na promieniowanie UV). Średnica przewodu musi być dobrana do jego długości i wartości przesyłanego prądu. Zbyt mały przekrój przewodu powoduje jego nagrzewanie, a w konsekwencji osłabianie izolacji. Montowane przewody powinny być ułożone luźno, bez naprężeń i obciążeń mechanicznych. Należy unikać kontaktu z ostrymi krawędziami lub porysowania przez szorstkie podłoże.

Optymalizatory mocy – wspomaganie bezpieczeństwa

Optymalizatory to urządzenia energoelektroniczne stworzone głównie z myślą o maksymalizowaniu uzysków z instalacji w niekorzystnych warunkach jej pracy. W przypadku wystąpienia np. częściowego zacienienia modułu potrafią jego charakterystykę prądowo-napięciową dostosować w taki sposób, że nie stanowi on najsłabszego ogniwa w serii i nie ogranicza parametrów pracy pozostałych modułów. Ważną sprawą w przypadku posiadania optymalizatorów jest również bezpieczeństwo. W razie wystąpienia awarii elektronika wykrywa problem z instalacją i obniża napięcie na każdym z modułów do np. 1 V. Sytuacja taka może się zdarzyć, gdy np. przewód jednego z modułów wypnie się lub zostanie przerwany. Ograniczenie napięcia jest również kluczowe w przypadku gaszenia pożaru instalacji PV.

Wytyczne montażowe i niezbędne pomiary

Montaż fotowoltaiki to inwestycja długoterminowa i zakłada się, że taki generator ma wytrzymać przynajmniej kilkanaście lat. Dlatego przy wyborze wykonawcy nie należy kierować się wyłącznie ceną, ale jego doświadczeniem przy innych realizacjach oraz proponowanymi materiałami (np. aparaty elektryczne renomowanych producentów). Po zakończonym montażu firma wykonawcza zobowiązana jest do przeprowadzenia podstawowych pomiarów elektrycznych. Należą do nich:

• sprawdzenie ciągłości przewodów,
• sprawdzenie polaryzacji,
• pomiar rezystancji izolacji przewodów,
• pomiar rezystancji uziemienia,
• pomiar impedancji pętli zwarcia,
• pomiar napięcia obwodu otwartego,
• pomiar prądu podczas normalnej pracy

Dodatkowo zaraz po montażu warto wykonać pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych i badanie kamerą termowizyjną. Wymagają one odpowiednich warunków atmosferycznych oraz specjalistycznego sprzętu, jednak ich przeprowadzenie daje szerszy obraz działania instalacji i pozwala wyeliminować błędy, które mogły powstać w czasie montażu [3].

>>> Polskie moduły fotowoltaiczne – co je wyróżnia?

>>> Rynek fotowoltaiki w Polsce 2022. RAPORT

>>> Pożary paneli fotowoltaicznych – przyczyny, zapobieganie

Bezpieczne instalacje fotowoltaiczne na etapie eksploatacji

Gdy już posiada się instalację fotowoltaiczną, nie należy zapominać o jej istnieniu – to poważny błąd, który popełnia wielu użytkowników. Dobrą praktyką jest codzienna jej kontrola chociażby poprzez sprawdzenie komunikatów wyświetlanych na falowniku bądź w aplikacji mobilnej. Wszelkiego rodzaju nieprawidłowości trzeba jak najszybciej zgłaszać wykonawcy. Pozwoli to na uniknięcie poważniejszych awarii, które mogą wystąpić. W przypadku paneli zamontowanych na gruncie co kilka miesięcy warto sprawdzić wszystkie połączenia, mocowania, wygląd kabli oraz stan konstrukcji wsporczej. Konstrukcje dachowe są w tym względzie w gorszej sytuacji – tu nie ma swobodnego dostępu do wszystkich elementów, jednak pomimo tego warto przynajmniej raz w roku wezwać serwis, który wykona przegląd i pomiary takiej instalacji (niektóre firmy ubezpieczeniowe wymagają przeprowadzania przeglądów).

W przypadku pomiarów warto zlecić badania termowizyjne. Pozwalają one na wykrycie elementów, które poprzez generowanie wyższej temperatury mogą sygnalizować nieprawidłową pracę. Do takich elementów należą na pewno wszystkie połączenia na szybkozłączkach, gdzie podwyższona temperatura może świadczyć o nieprawidłowym styku i w konsekwencji stopniowym zwiększaniu zagrożenia pożarowego. Wyższa temperatura poszczególnych ogniw na module również powinna wzbudzać podejrzenia, zwłaszcza gdy jest on niezacieniony (zacienienia mogą wpływać na niewielki wzrost temperatury).

Co 5 lat należy przeprowadzać szczegółowe pomiary instalacji elektrycznej, m.in. ciągłości przewodów, rezystancji izolacji i uziemienia czy impedancji pętli zwarcia. Diagnostyce podlegać powinny również wszystkie urządzenia zabezpieczające wraz z połączeniami śrubowymi. Pomiary te mogą równie dobrze być połączone ze sprawdzeniem domowej instalacji elektrycznej.

Ostatnim, ale równie ważnym aspektem jest kontrola falownika. Przynajmniej raz w roku warto wykonać czyszczenie radiatorów, sprawdzić stan zamocowania samego urządzenia oraz wchodzących przewodów (pamiętajmy, że przewody wchodzące ze strony DC mogą mieć napięcie nawet do 1 kV, co w przypadku wypięcia stanowi bardzo duże zagrożenie). Co 5 lat warto również zlecić szczegółową diagnostykę wykwalifikowanemu serwisowi [4].

Podsumowanie

Jak już wspomniano na początku artykułu, instalacje fotowoltaiczne powodują wprawdzie zwiększone ryzyko wystąpienia pożaru, jednak jest ono relatywnie niewielkie. Analizując oficjalne badania, to niecały 1% wszystkich pożarów. Statystyki te mogą jednak się zmienić, zwłaszcza w odniesieniu do naszego kraju. Powodem tego jest zmiana systemu rozliczeń. Wiele osób, chcąc skorzystać jeszcze z net-metering, decydowało się na instalacje w pośpiechu, nie patrząc na to, co oferuje firma. Często robiono je w bardzo szybkim tempie, na słabej jakości podzespołach. Sytuacja ta była całkowicie zrozumiała, jednak teraz, gdy rynek się uspokoił, warto przejrzeć swój generator i w razie konieczności wykonać odpowiednie pomiary. Prawidłowy dobór i montaż komponentów dobrej jakości oraz nadzór nad generatorem PV pozwoli czerpać korzyści z jego pracy przez wiele lat i uniknąć niespodziewanych awarii.

mgr inż. Kamil Parfianowicz
Politechnika Rzeszowska,
Wydział Elektroniki i Informatyki

Literatura

1. www.gramwzielone.pl/energia-sloneczna/105947/fotowoltaika-a-pozary-jak-to-naprawde-wyglada (dostęp: marzec 2023 r.).
2. Bezpieczeństwo przeciwpożarowe instalacji PV – wytyczne w zakresie projektowania i wykonania, Stowarzyszenie Branży Fotowoltaicznej Polska PV, 2020.
3. www.globenergia.pl/instalacja-pv-jakie-pomiary-elektryczne-powinna-wykonac-firma-wykonawcza/ (dostęp: marzec 2023 r.).
4. Fotowoltaiczny Dekalog Dobrych Praktyk, Stowarzyszenie Branży Fotowoltaicznej Polska PV,