Branża fotowoltaiczna w naszym kraju od trzech lat przeżywa „boom”. Technologia pozwalająca na przetwarzanie energii z promieniowania 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 one 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.

Montaż systemu PV jest kosztowną inwestycją o prostej stopie zwrotu, szacowanej na kilka lub kilkanaście lat. W związku z tym 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.

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 wyłącznie z tym zakresem. Budniok Technika jest firmą zajmującą się ochroną elektryczną obiektów.

Najważniejsze elementy dobrze zaprojektowanej ochrony instalacji PV obejmują:

• instalację 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 informacje 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. Następnie 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 tzw. „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 zastosowaniem 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 tzw. „przeskokiem iskry”. Każdorazowo obliczenie wymaganego odstępu separacyjnego wykonuje się w oparciu o zapisy punktu 6.3. i załącznik C normy PN-EN 62305-3.

Należy pamiętać, że nawet gdy nie ma możliwości zachowania odstępu separacyjnego, jest rozwiązanie w postaci elementów izolowanych (maszty, przewody niskoimpedancyjne pełniące funkcję separatora itp).

Poniżej przedstawiono szkic obrazujący zastosowanie metody kąta ochronnego i zachowanie odstępu separacyjnego (S).

Uziemienie i połączenia wyrównawcze stanowią ważny element bezpieczeństwa instalacji fotowoltaicznej. Ich zadaniem jest bezpieczne rozproszenie prądu piorunowego w gruncie i wyrównanie różnic potencjałów między elementami podłączonymi. Konieczność podłączenia modułu do systemu uziemiającego regulują wytyczne producentów. Natomiast system mocowania paneli należy uziemić zawsze. 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:

Dobór odpowiedniego typu ogranicznika można sprowadzić 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 odległości między panelami (skrzynką przyłączeniową),

a inwerterem dodatkowy ogranicznik instaluje się także przed falownikiem.

Ostatnim z podstawowych sposobów ochrony instalacji PV jest minimalizacja pętli indukcyjnej. W celu zminimalizowania wyindukowanych napięć podczas uderzenia pioruna, należy poprowadzić trasy przewodów modułów PV w taki sposób, aby tworzyły jak najmniejsze pole powierzchni.

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.

 

Podsumowując…

Podsumowując możemy przedstawić następujące wnioski:

• Przyrost nowych instalacji PV jest dynamiczny.
• Ochrona instalacji PV to ochrona podjętej inwestycji.
• 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: realizacja dostaw, konsultacje i doradztwo, projektowanie i wykonawstwo. Wszystkie działania wyłącznie z zakresu bezpieczeństwa elektrycznego obiektów.

 

AUTOR:

Kamil Błażyca – pracuje w charakterze Inżyniera Produktu w przedsiębiorstwie zajmującym się szeroko pojętym bezpieczeństwem elektrycznym obiektów. Współpracuje z Inwestorami na każdym etapie inwestycji – od decyzji, poprzez projekt, aż po realizację. Swoją wiedzę od kilku lat gruntuje licznymi rozmowami z klientami indywidualnymi i przemysłowymi rozwiązując codzienne problemy placu budowy.
Jako firma, Budniok Technika, doradzamy i projektujemy, dostarczamy i wykonujemy zgodnie z dewizą:

„NASZE TECHNOLOGIE – TWOJE BEZPIECZEŃSTWO”.