Instalacja PV na budynkach jest dużym wyzwaniem szczególnie na rynku polskim, który nie ma doświadczeń w tym zakresie.
W wyniku realizacji nieprawidłowego projektu instalacji układów fotowoltaicznych powstanie instalacja, która działając nieoptymalnie lub wręcz nieprawidłowo, może narazić inwestora na spore straty finansowe. W artykule przybliżono podstawowe zagadnienia dotyczące wymagań technicznych związanych z projektowaniem i budową elektrowni słonecznych instalowanych na nowoczesnych budynkach.
Przepisy i normy
Aby móc poprawnie wykonać instalację fotowoltaiczną, należy przede wszystkim posiadać uprawnienia do wykonywania pracy w zakresie obsługi, konserwacji, remontów i montażu urządzeń, instalacji i sieci elektroenergetycznych wytwarzających,
przetwarzających, przesyłających i zużywających energię elektryczną. Potrzebna jest również podstawowa wiedza z zakresu mechaniki, konstrukcji, astronomii i fizyki. Dostępna literatura pozwala uzupełnić brakującą wiedzę niezbędną przy projektowaniu i wykonywaniu instalacji fotowoltaicznych. Polecić można również szkolenia oferowane przez profesjonalne firmy – producentów sprzętu i komponentów do instalacji PV Szkolenia takie poświęcone są z reguły wybranym, wąskim zagadnieniom, np.: podkonstrukcjom, falownikom, ochronie przeciwprzepięciowej. Z drugiej strony przeświadczenie, że można nadgonić braki w wiedzy w trakcie dwudniowego ogólnego kursu, często bywa zgubne zarówno dla montażysty, jak i dla inwestora.
Podstawą dobrych praktyk jest niewątpliwie stosowanie przepisów prawa budowlanego oraz prawa energetycznego, a także wybór takich rozwiązań technicznych, które gwarantują pełne zastosowanie obecnie obowiązujących norm bezpieczeństwa. Najważniejsze z nich to zestaw norm PN-HD 60364 Instalacje elektryczne niskiego napięcia, które szeroko określają reguły dotyczące projektowania, wykonywania i sprawdzania instalacji elektrycznych w sposób zapewniający bezpieczeństwo ich użytkowania i prawidłowego działania.
Polecane szczególnej uwadze
– PN-EN 61173:2002 wersja polska: Ochrona przepięciowa fotowoltaicznych (PV) systemów wytwarzania mocy elektrycznej – Przewodnik.
– PN-EN 61724:2002 wersja polska: Monitorowanie własności systemu fotowoltaicznego – Wytyczne pomiaru, wymiany danych i analizy.
– PN-EN 61730-1:2007 wersja angielska: Ocena bezpieczeństwa modułu fotowoltaicznego (PV) – Część 1: Wymagania dotyczące konstrukcji.
– PN-EN 62446:2010 wersja angielska: Systemy fotowoltaiczne przyłączone do sieci elektrycznej – Minimalne wymagania dotyczące dokumentacji systemu, badania rozruchowe i wymagania kontrolne.
– PN-HD 60364-7-712:2007 wersja polska: Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych – Część 7-712: Wymagania dotyczące specjalnych instalacji lub lokalizacji – Fotowoltaiczne (PV) układy zasilania.
– PN-EN 62109-1:2010 wersja angielska: Bezpieczeństwo konwerterów mocy stosowanych w fotowoltaicznych systemach energetycznych – Część 1: Wymagania ogólne.
– PN-EN 62109-2:2011 wersja angielska: Bezpieczeństwo konwerterów mocy stosowanych w fotowoltaicznych systemach energetycznych – Część 2: Wymagania szczegółowe dotyczące falowników.
– Ustawa z dnia 26 lipca 2013 r. o zmianie ustawy – Prawo energetyczne oraz niektórych innych ustaw (Dz.U. z 2013 r. poz. 984).
– Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (Dz.U. z 2015 r. poz. 478).
© ruemue – Fotolia.com
Wybór i ocena lokalizacji przyszłej instalacji
Pierwszym zadaniem instalatora jest ocena realnego zapotrzebowania na energię w budynku inwestora, a następnie dobór właściwej wielkości instalacji fotowoltaicznej. Przy szacowaniu możliwej do zainstalowania mocy modułów PV należy uwzględnić:
– lokalizację – szerokość geograficzną, która określa kąt padania promieni słonecznych;
– nachylenie powierzchni, na której instaluje się elektrownię fotowoltaiczną (kąt nachylenia dachu);
– azymut – ustawienie przyszłej instalacji względem kierunku południowego;
– przeszkody terenowe (np.: instalacje antenowe, świetliki i okna dachowe, instalacje dachowe) i zacienianie instalacji pobliskimi elementami (komin, sąsiednie budynki, dach, drzewa, anteny satelitarne i TV, słupy energetyczne itp.);
– wymagania projektowe, np. drogi technologiczne i pożarowe, dobór falowników i linii energetycznych,
instalacje odgromowe i przeciw- przepięciowe;
– wymagania technologiczne, np. dopuszczalne obciążenia dachu z instalacją przez wiatr, śnieg itp. Podstawowym i najważniejszym celem projektu instalacji jest unikanie zacieniania modułów fotowoltaicznych. Cień padający na moduł powoduje nie tylko znaczne ograniczenie ilości produkowanej energii elektrycznej, lecz także nagrzewanie się takiego miejsca (ogniwo zacienione działa jak opornik), co w skrajnym przypadku powoduje nieodwracalne uszkodzenie modułu. Niemniej jednak ważna jest ocena wytrzymałości istniejącej konstrukcji dachu, do której zostanie dołożone dodatkowe obciążenie w postaci instalacji PV
Konstrukcje wsporcze pod moduły fotowoltaiczne
Konstrukcje wsporcze dla instalacji fotowoltaicznych spełniają dwa podstawowe zadania: ustawiają moduły pod odpowiednim kątem względem Ziemi i azymutem względem kierunku południowego oraz przenoszą siły pochodzące od:
– ciężaru modułów,
– obciążenia śniegiem,
– sił dociskających oraz odrywających pochodzących od wiatru.
Można wyróżnić następujące rodzaje montażu instalacji PV związanych z budynkami:
– moduły fotowoltaiczne stanowiące zintegrowany z budynkiem element, np. fasadę lub dach, określane skrótem BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaics),
– montaż na dachu skośnym budynku równolegle do połaci dachu,
– montaż na dachu płaskim budynku na dedykowanej podkonstrukcji,
– montaż na elewacji budynku oraz
– montaż wolno stojący – obok budynku,
– wiaty i stanowiska parkingowe.
Dla każdego z wymienionych rozwiązań wymagane jest przeprowadzenie obliczeń obciążenia: modułu, podkonstrukcji oraz sił przenoszonych na konstrukcję dachu lub elewacji. Jeśli system konstrukcyjny przewiduje stosowanie balastu dociążającego (najczęściej w konstrukcjach wolno stojących na dachach płaskich), należy wyliczyć jego rozkład dla całej powierzchni instalacji, nie jest on bowiem równomierny. Dlatego w projektowaniu i budowie instalacji fotowoltaicznej powinien uczestniczyć projektant o specjalności konstrukcyjno-budowlanej lub rzeczoznawca budowlany, który może przygotować ekspertyzę w zakresie stanu technicznego budynku oraz na jej podstawie wydać opinię techniczną dotyczącą możliwości posadowienia konstrukcji wsporczej oraz modułów fotowoltaicznych na danym obiekcie. Podstawowym grzechem firm projektujących i montujących instalacje PV jest ocena obecnego stanu konstrukcji dachu oraz wpływu dodatkowego obciążenia pochodzącego od instalacji fotowoltaicznej przez osoby niemające do tego ani odpowiednich uprawnień, ani tym bardziej właściwej wiedzy. Zgodnie z obowiązującym stanem prawnym (ustawa z dnia 26 lipca 2013 r. o zmianie ustawy – Prawo energetyczne oraz niektórych innych ustaw, Dz.U. z 2013 r. poz. 984, która weszła w życie z dniem 12 września 2013 r.) w art. 29 w ust. 2 pkt 16 ustawy – Prawo budowlane: montaż pomp ciepła, urządzeń fotowoltaicznych o zainstalowanej mocy elektrycznej do 40 kW oraz wełno stojących kolektorów słonecznych (wyróżnienie autora) nie wymaga pozwolenia na budowę ani zgłoszenia zamiaru budowy. Niestety, zapis ten mający na celu wyeliminowanie zbędnej biurokracji często traktowany jest jako zwolnienie z obowiązku dokonania stosownych (a wręcz jakichkolwiek!) obliczeń projektowych.
Natomiast zagadnienia, które należy uwzględnić przy projektowaniu i budowie konstrukcji wsporczej pod moduły fotowoltaiczne, są bardzo obszerne:
1. W zależności od rodzaju podkonstrukcji i jej sposobu montażu należy uwzględnić dodatkowe obciążenie konstrukcji dachu lub elewacji (np. wpływ sił statycznych i dynamicznych działających na konstrukcję dachu). Montaż musi zapewniać bezpieczeństwo zarówno istniejącej konstrukcji budynku, jak i instalacji fotowoltaicznej. Mocowanie modułów fotowoltaicznych do elewacji budynku lub dachu wymaga zachowania zasad bezpiecznego montażu i stosowania odpowiednich elementów konstrukcyjnych:
– wysokiej jakości użytych materiałów: profili, połączeń śrubowych, klem mocujących itp.;
– przekroi profili odpowiednich do wyliczonego obciążenia;
– elementów mocujących do konstrukcji dachu, które nie będą źródłem ognisk korozji (np. połączenie stal-aluminium);
– które zapewnią szczelność dachu.
2. Podkonstrukcja instalowana na dachu nie może utrudniać odprowadzania wody deszczowej, a w przypadku dachów wymagających odśnieżania – usuwania śniegu. Konstrukcja, moduły i wszystkie pozostałe elementy montowane na powierzchni dachu muszą mieć zapewnioną odporność na warunki atmosferyczne.
3. Podkonstrukcja nie może stwarzać dodatkowego zagrożenia pożarowego (przykłady: „komin” w instalacji fotowoltaicznej montowanej na elewacji, wiaty parkingowe lub konstrukcje wolno stojące utrudniające dojazd jednostek straży pożarnej). W przypadku instalacji nadachowych należy przewidzieć drogi pożarowe. Wzorem niemieckich wymagań przeciwpożarowych pojedyncze pole modułów nie powinno mieć wymiarów większych niż 10 x 10 m.
4. Podkonstrukcja nie może utrudniać dostępu do istniejącej infrastruktury nadachowej (urządzenia HVAC, kominy, anteny itp.). Należy przewidzieć odpowiednie ciągi komunikacyjne.
5. Zaleca się zachowanie odpowiednich odstępów pola modułów fotowoltaicznych od krawędzi dachu. Nie ma tu jasno sprecyzowanych wymagań, niemniej jednak odległość 50 cm wydaje się być minimalna.
6. Należy dokonać integracji instalacji PV z istniejącą ochroną odgromową lub przewidzieć konieczność wykonania instalacji odgromowej chroniącej elementy elektrowni fotowoltaicznej:
– postawienie podkonstrukcji na dachu z urządzeniem piorunochronnym nie może wpłynąć na pogorszenie warunków ochrony odgromowej;
– trzeba zaprojektować wyrównanie potencjałów, w tym odpowiednie zaciski i przekroje przewodów;
– w przypadku istniejącej instalacji odgromowej należy zachować wyliczone dla obiektu odstępy izolacyjne lub wykorzystać pod- konstrukcję jako element mogący przewodzić prądy piorunowe, pod warunkiem uwzględnienia skoordynowanej ochrony przeciwprzepięciowej.
7. Instalacja fotowoltaiczna nie może negatywnie wpływać na estetykę budynku (kryterium ocenne).
© bravajulia – Fotolia.com
Obwody prądu stałego (DC)
Największą często trudność stanowi zrozumienie pozornie oczywistego faktu, że zjawiska fizyczne występujące w obwodach prądu stałego różnią się od tych znanych z instalacji prądu przemiennego.
Trzeba pamiętać o:
– Stosowaniu elementów i materiałów przeznaczonych do prądu stałego (np. rozłączników, bezpieczników). Niedopuszczalne jest stosowanie elementów projektowanych dla prądów przemiennych w obwodach prądu stałego.
– Stosowaniu przewodów solarnych o odpowiedniej klasie izolacji napięciowej oraz przewidzianych do stosowania w warunkach zewnętrznych (odporność na warunki atmosferyczne i promieniowanie UV).
– Wykorzystaniu istniejących lub budowaniu nowych: przepustów kablowych, rur instalacyjnych, szybów instalacyjnych, koryt, duktów i kanałów instalacyjnych zapewniających odpowiednią klasę ognioodporności i zabezpieczających przewody solarne przed uszkodzeniem mechanicznym, a także przed dostępem osób.
– Skrzynki instalacyjne zlokalizowane w pobliżu modułów fotowoltaicznych oraz/lub w pobliżu falowników, służące w szczególności umieszczeniu doprowadzonych do nich zakończeń kabli i umieszczeniu urządzeń zabezpieczających, powinny posiadać odpowiednią klasę ochrony przed warunkami zewnętrznymi (klasa IP), właściwą klasę wytrzymałości izolacji napięciowej, a także spełniać odpowiednie wymagania jakościowe, np. wentylacja – zapobieganie kondensacji pary wodnej.
– Jeżeli wynika to z projektu, należy stosować zabezpieczenia bezpiecznikowe łańcuchów modułów, ochronę przetężeniową chroniącą przewody solarne, ochronę przeciwprzepięciową. Rozłączniki izolacyjne DC, wymagane przytoczonymi wyżej normami, często stanowią element budowy falownika. Ze względu na wysokie napięcia w instalacji DC (możliwe wartości nawet do 1000 V) wymagane jest bezwzględne stosowanie urządzeń zapewniających ochronę przed dotykiem bezpośrednim.
– Wyłączniki pożarowe stanowią skomplikowane zagadnienie. Pamiętać należy, że przerwa w obwodzie DC nie powoduje zaprzestania generacji napięcia na łańcuchu modułów – co może być niebezpieczne dla strażaków próbujących ugasić płonący budynek. Najlepszym rozwiązaniem byłoby stosowanie odpowiednich zabezpieczeń polegających na zwieraniu modułów (zerowe napięcie), jednakże koszt takiego zabezpieczenia może dorównać cenie modułów fotowoltaicznych. Kompromisem wydaje się być odpowiednie oznakowanie budynku wyposażonego w instalację fotowoltaiczną oraz konsultacje z lokalnym oddziałem Państwowej Straży Pożarnej.
– Spadki napięć (straty energii) na przewodach między modułami PV a falownikiem muszą mieć wartość poniżej 1%.
Obwody prądu przemiennego (AC), falowniki
Dla wielu aspektów w projektach przyłączenia instalacji fotowoltaicznej do istniejących obwodów sieci elektroenergetycznej w budynku obowiązują identyczne reguły jak dla instalacji odbierających energię. Na przykład obowiązują identyczne zapisy poświęcone doborowi przekroju przewodów ze względu na obciążalność prądową długotrwałą, dopuszczalny spadek napięcia, wytrzymałość mechaniczną oraz ze względu na zapewnienie skutecznej ochrony przeciwporażeniowej. Ponadto należy stosować zasady poprawnego doboru zabezpieczeń przewodów, tak aby spełnić warunki ochrony przed przeciążeniem czy też skutkami zwarć, łącznie z zasadą selektywności zabezpieczeń. Bardzo ważne jest również zagadnienie wyłączników różnicowoprądowych od strony konieczności ich stosowania w warunkach domowych.
– Falownik powinien być usytuowany w odrębnym pomieszczeniu technicznym, a w przypadku braku możliwości zapewnienia takiego pomieszczenia – w pobliżu rozdzielni głównej budynkowej wyposażonej w odpowiednią instalację i urządzenia elektryczne.
– Falownik może być instalowany na zewnątrz budynku, jeżeli producent urządzenia przewidział taką możliwość. Konieczne jest zapewnienie ochrony urządzenia przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych (ze względu na temperaturę).
– Niewskazane jest instalowanie falowników w pomieszczeniach o podwyższonej zawartości substancji żrących lub szkodliwych (przykład: NH3 – amoniak, występujący w oborach, kurnikach, stajniach, chlewach), o podwyższonej wilgotności (szklarnie, oranżerie), a także w miejscach narażających urządzenie na zabrudzenia lub utrudnioną wentylację.
– Falownik powinien być montowany na podłożu niepalnym, nieprzewodzącym i suchym. Należy zapewnić właściwą wentylację falownika.
– Nie można instalować falownika w pomieszczeniach, w których stale przebywają ludzie. Niedopuszczalne jest instalowanie falowników np. w sypialniach.
– Falownik powinien być łatwo dostępny dla obsługi technicznej, musi być oznakowany w sposób jednoznacznie określający niebezpieczeństwo zagrożenia zdrowia i życia i być niedostępny dla dzieci.
– Przy podłączaniu falownika należy stosować zabezpieczenia nadprądowe i przepięciowe. Stosowanie ochrony różnicowoprądowej zależne jest od zaleceń producenta falownika.
– Prowadzenie przewodów i wykonanie instalacji elektrycznej musi być zgodne z obowiązującymi przepisami.
– Przyłączenie urządzenia do sieci energetycznej wymaga wiedzy i zgody odpowiedniego operatora sieci dystrybucyjnej (OSD). Jednym z podstawowych zadań falownika jest ciągłe monitorowanie parametrów sieci, takich jak napięcie i częstotliwość, oraz odpowiednie reagowanie na ich zmiany, a w przypadku gdy wartości tych parametrów znajdą się poza dopuszczalnym zakresem – odłączenie falownika od sieci. Niedopuszczalna jest tzw. wyspowa praca falownika (ang. off-grid), ponieważ bez dodatkowych urządzeń separujących go od sieci mógłby on stanowić zagrożenie zdrowia i życia w przypadku awarii sieci.
– Instalowanie liczników energii elektrycznej musi być zgodne z wymaganiami OSD.
– Wyłącznik główny (rozłącznik bezpiecznikowy) falownika należy instalować, jeśli to możliwe, w rozdzielni głównej budynku. W widocznym miejscu należy umieścić tabliczkę informującą o instalacji PV w obiekcie.
– Spadki napięć (straty energii) na przewodach między falownikiem a miejscem przyłączenia do sieci elektroenergetycznej muszą być mniejsze niż 1%.
– Powinno się stosować falowniki o sprawności europejskiej (euro-ą):
– powyżej 95% dla urządzeń transformatorowych,
– powyżej 97% dla urządzeń bez- transformatorowych.
– W przypadku modułów fotowoltaicznych wymagających uziemienia jednego z biegunów (moduły cienkowarstwowe) należy stosować falowniki zapewniające izolację galwaniczną wejścia i wyjścia (falowniki z transformatorem).
– Należy przewidzieć możliwość dostępu falownika do instalacji teleinformatycznej (przewodowej lub bezprzewodowej).
– Wszystkie urządzenia aktywne i pasywne w instalacji fotowoltaicznej powinny być uziemione.
Integracja z inteligentnym budynkiem
Jednym z podstawowych wymagań ze strony inwestora jest bieżące monitorowanie pracy instalacji fotowoltaicznej. Pojawia się oczekiwanie nie tylko raportowania bieżących i historycznych wartości wyprodukowanej energii, ale również – a może przede wszystkim – informowania o ewentualnych zakłóceniach w pracy instalacji. Wiodący producenci falowników oferują bezpłatną (lub za stosunkowo niewielką opłatą) możliwość zbierania, agregowania i prezentowania stosownych danych na atrakcyjnie wizualnych stronach internetowych. Dostęp do tej informacji użytkownik instalacji może mieć 24 godziny na dobę z dowolnego punktu na Ziemi. System taki potrafi również proaktywnie informować, np. wiadomością SMS, o wszelkich nieprawidłowościach.
Nieco bardziej zaawansowaną funkcjonalność oferują niektóre modele falowników potrafiące zarządzać zewnętrznymi urządzeniami – odbiornikami energii. Dzięki odpowiednim algorytmom można sterować np. pompą ciepła, klimatyzatorem lub innym energochłonnym urządzeniem w taki sposób, aby pracowały w czasie największej produkcji energii słonecznej. W ten sposób można zwiększyć stopień zużycia wyprodukowanej energii na potrzeby własne, stając się nie tylko producentem „zielonej” energii, ale również jej świadomym konsumentem. O krok dalej idą wytwórcy energii elektrycznej (prosumenci), który chcą zintegrować dane pochodzące ze źródła wytwórczego z instalacją inteligentnego budynku. Takie podejście pozwala nie tylko na wizualizację aktualnego bilansu energetycznego, ale przede wszystkim zaawansowane zarządzanie wytworzoną energią czy też sterowanie różnymi elementami budynku w zależności od dostępności takiej energii. Stąd już tylko krok do magazynowania energii w celu jej optymalnego wykorzystania.
Warunki odbioru, przeglądy i konserwacje
Przegląd instalacji fotowoltaicznej – mechaniczny oraz elektryczny – należy przeprowadzać przynajmniej raz w roku. Powinien on obejmować:
-kontrolę techniczną dachu, na którym zamontowano moduły fotowoltaiczne, w tym badania dotyczące wpływu konstrukcji wsporczej i modułów na konstrukcję dachu;
– mycie modułów fotowoltaicznych, pozwalające zachować uzyski na najwyższym poziomie i uniknąć termicznych uszkodzeń modułów (ang. hot-spots) pochodzących od stałych zabrudzeń;
– kontrolę pęknięć, uszkodzeń modułów i ogniw PV (badanie modułów fotowoltaicznych kamerą termowizyjną);
– przegląd stanu elementów mocujących – pęknięcia, uszkodzenia, korozja konstrukcji;
– przegląd stanu okablowania DC;
– przegląd stanu okablowania AC;
– czyszczenie i zabezpieczenie styków połączeń elektrycznych;
– sprawdzenie zabezpieczeń DC;
– sprawdzenie zabezpieczeń AC;
– przegląd stanu technicznego falowników, przegląd stanów awaryjnych falowników wraz z analizą;
– pomiar parametrów elektrycznych.
Artykuł nie wyczerpuje wszystkich zagadnień związanych z montażem modułów fotowoltaicznych na budynku, warto jednak zdawać sobie sprawę, jak ważne wyzwania przed projektantem i wykonawcą stawia ten z pozoru nieistotny element konstrukcji i instalacji budynku.
dr inż. Maciej Piliński
Fronius Polska Sp. z o.o.
członek Polskiego Towarzystwa Fotowoltaiki
niezależny ekspert Stowarzyszenia Nowoczesne Budynki
Uwaga: Artykuł ukazał się pod tytułem „Instalacje fotowoltaiczne na budynkach mieszkalnych – uwarunkowania techniczne budowy” w nr. 1 (12)/2016 czasopisma WARUNKI TECHNICZNE.PL
