Bezpieczeństwo techniczne w fotowoltaice

Transkrypt

1 SŁAWIŃSKI Kazimierz 1 Bezpieczeństwo techniczne w fotowoltaice WSTĘP Systemy fotowoltaiczne są układami elektrycznymi, umożliwiającymi praktyczne wykorzystanie energii promieniowania słonecznego. Moc tych systemów może zawierać się w przedziale od kilku Wp do kilkuset MWp [3]. Fotowoltaika jest już obecnie ważnym elementem gospodarki światowej, a jej postęp będzie w niedalekiej przyszłości motorem napędowym dalszego wzrostu ekonomicznego i poziomu socjalnego, a przede wszystkim bezpieczeństwa energetycznego społeczeństw XXI wieku [4, 5, 6]. Dynamiczny rozwój fotowoltaiki oraz coraz powszechniejsza dostępność tych systemów musi wiązać się z ich bezpieczeństwem technicznym. Mając to na uwadze w pracy przedstawiono podstawowe aspekty bezpieczeństwa technicznego systemów fotowoltaicznych, szczególnie akcentując elektrownie fotowoltaiczne o mocy przyłączeniowej do 100kW, które według założeń projektu ustawy Odnawialne Źródła Energii, nie będą wymagały uzyskania koncesji na wytwarzanie energii elektrycznej a wyprodukowana w nich energia elektryczna będzie zwolniona z podatku akcyzowego [13]. 1. BEZPIECZEŃSTWO TECHNICZNE INSTALACJI PV Projektowanie i budowa instalacji fotowoltaicznych, musi być oparte na dokładnym rozpoznaniu rozkładu promieniowania słonecznego na danym terenie, z równoczesną oceną wydajności instalowanych modułów fotowoltaicznych. Musi uwzględniać również szereg aspektów mających wpływ na bezpieczne funkcjonowanie wybudowanej już elektrowni. Składają się na to takie elementy jak stabilność podłoża pod instalacją fotowoltaiczną i wytrzymałość jej konstrukcji nośnej, zabezpieczenia odgromowe i przeciwprzepięciowe Stabilność konstrukcji Systemy montażowe konstrukcji wolnostojących dla farm fotowoltaicznych dzieli się na dwie zasadnicze grupy: wbijane do ziemi i mocowane do betonu. Muszą one zapewnić statykę przy naporze wiatru i obciążeniu śniegiem, umożliwiać prosty i szybki montaż pojedynczych komponentów oraz zapewnić możliwość regulacji kąta nachylenia 20/25/30 stopni. W praktyce preferowane jest połączenie konstrukcji nośnej z gruntem za pomocą palowania lub przykręcenia do betonowych bloków, unikamy wówczas trwałego połączenia z nim co nie wymaga pozwolenia na budowę. W analizie bezpieczeństwa konstrukcji niezmiernie ważnym zagadnieniem jest właściwa identyfikacja prognozowanych jej obciążeń i sposób osadzenia konstrukcji, poza nośnością gruntu, powinien uwzględniać strefy oddziaływania wiatru i obciążenia śniegiem [11, 12]. Przy instalacji na dachu, co ma powszechne zastosowanie przy małych systemach PV, w pierwszej kolejności musi być określona jego nośność. Trzeba również pamiętać, że oddziaływanie wiatru jest nierównomierne na całym obszarze dachu. Największe siły działają w jego narożach i na krawędziach. Mają one również duży wpływ na bezpieczeństwo podczas montażu paneli fotowoltaicznych. Montując panele PV na dachu należy również uwzględnić, w konstrukcji stołu i przy kotwieniu, lokalną strefę obciążenia wiatrem wg PN-77/B [12]. 1 Politechnika Koszalińska, Wydział Mechaniczny, Racławicka 15-17, Koszalin, kazimierz.slawinski@tu.koszalin.pl 1384

2 1.2. Ochrona odgromowa Systemy PV (fotowoltaiczne) odpowiadają zwykłym wymaganiom III poziomu ochrony odgromowej zgodnie z normą PN-EN [10]. Norma ta określa strefy, sposoby oraz elementy stosowane do ich ochrony. Dodatkowo poziom ochrony odgromowej instalacji fotowoltaicznej można obliczyć według normy PN-EN [9]. Systemy PV są obarczone wysokim ryzykiem wystąpienia szkód piorunowych wynikających i z bezpośredniego przepływu prądu pioruna jak również będących wynikiem przepięć wywołanych wyładowaniami mającymi miejsce w okolicy instalacji PV. System ochrony instalacji fotowoltaicznej przed działaniem piorunowego impulsu elektromagnetycznego powinien się składać z urządzeń piorunochronnych: zewnętrznego (zwody, przewody odprowadzające i uziomy) oraz wewnętrznego (połączenia wyrównawcze, odstępy izolacyjne). Systemy PV umieszczone na dachu powinny w całości być objęte strefą ochrony przed bezpośrednim uderzeniem piorunu. Jako system ochrony odgromowej dla urządzeń PV należy stosować izolowane zwody pionowe umieszczone w odległości zapewniającej odstęp izolacyjny chroniący przed wystąpieniem przeskoków iskrowych [2]. Zgodnie z normą PN-EN [10] instalację odgromową należy wykonać w odstępie izolacyjnym od elementów instalacji PV, który z reguły zawiera się między 0,5m a 1 m. Jeżeli system PV zostanie zainstalowany na dachu ze spadkiem jego ochronę przed bezpośrednim uderzeniem pioruna mogą zapewnić zwody poziome, ułożone na kalenicy i krawędziach dachu, ewentualnie uzupełnione zwodami pionowymi. Jeżeli budynek nie posiada instalacji odgromowej należy połączyć konstrukcję wsporczą panelu PV przewodem wyrównawczym bezpośrednim z główną szyną wyrównawczą potencjału w budynku [1]. Elektrownie fotowoltaiczne, budowane na otwartej przestrzeni również muszą być w całości objęte ochroną przed bezpośrednim wyładowanie piorunowym. Zwody pionowe mogą tu być montowane bezpośrednio do metalowej konstrukcji nośnej modułów PV. Konstrukcje nośne muszą być co 10m połączone z uziomem siatkowym o oku siatki od 20 do 40 m, umieszczonym poniżej poziomu zamarzania gruntu, czyli na głębokości ok. 0,8m. Pomiędzy elementami konstrukcji nośnej modułów powinny znajdować się połączenia wyrównawcze, obniżające niebezpieczeństwo przepięcia w instalacji. Połączenia elektryczne poszczególnych elementów systemów PV wykonuje się z izolowanych poliuretanem przewodów o średnicy 2,5-45 mm, w zależności od konfiguracji prądowej systemu. Miejsca połączeń muszą być chronione przed deszczem i wilgocią, co najczęściej jest realizowane poprzez dodatkowe wypełnianie silikonem wnętrza hermetycznych puszek połączeniowych. Ciasne i równoległe układanie przewodów minimalizuje sprzężenia a ekranowanie przewodów powoduje rozdział prądu udarowego, jeżeli taki wystąpi. 1385

3 1.3. Ochrona przeciwprzepięciowa Systemy PV muszą być zabezpieczone przed przepięciami i sprzężeniami, niezależnie od tego czy są objęte ochroną odgromową, czy nie. Wyładowania atmosferyczne wywołują skutki w promieniu ok. 1 km, których następstwem mogą być sprzężenia i przepięcia w instalacji elektrycznej. Ogólne zasady stosowania ochrony przeciwprzepięciowej dla systemów fotowoltaicznych zawiera norma PN- EN 61173:2002 [7]. Systemy PV oraz podłączone do nich urządzenia elektroniczne zabezpiecza się przed przepięciami i sprężeniami ogranicznikami przepięcia (SPD) zarówno po stronie prądu stałego (DC) jak i prądu zmiennego (AC). Dobór ochrony przeciwprzepięciowej systemów fotowoltaicznych zależy od stosowanej ochrony odgromowej. Obecnie coraz częściej na dachach domów energooszczędnych, nie posiadających własnej instalacji odgromowej, instaluje się moduły PV. W celu ochrony ich przed przepięciami po stronie DC należy zastosować dedykowany dla instalacji fotowoltaicznych ogranicznik przepięcia typu 2 (klasa C). Jeżeli moduły PV znajdują się w odległości większej niż 10 m od falownika, należy zastosować dwa ograniczniki przepięcia, przy modułach i przy falowniku. Za falownikiem (AC) instaluje się ogranicznik przepięć dedykowany dla sieci 230/400VAC (rysunek 1). Rys. 1. Ogólny schemat ochrony przeciwprzepięciowej w systemie PV Jeżeli moduły PV instalowane są na dachu posiadającym instalację odgromową, np. budynki użyteczności publicznej, należy zachować odstępy izolacyjne, o czym już wcześniej wspomniano przy ochronie odgromowej. Jeżeli jest to niemożliwe ze względu na rodzaj pokrycia dachu (np. blacho dachówka), należy wykonać połączenia wyrównawcze między konstrukcją nośną modułów a układem zwodów. Ze względu na możliwość oddziaływania na instalację wewnątrz budynku części prądu piorunowego, po stronie DC należy zastosować SPD typu 1 dedykowane dla instalacji fotowoltaicznych. Po stronie AC należy stosować wyłącznie SPD typu 1 dedykowane dla sieci 230/400VAC. 1386

4 Zabezpieczając przed przepięciami elektrownie fotowoltaiczne zlokalizowane na otwartej przestrzeni po stronie DC stosuje się ograniczniki przepięć typu 2 instalując je w skrzynkach przyłączeniowych stringów oraz przy inwerterze. Montując zwody pionowe do konstrukcji systemu PV, należy zastosować ograniczniki typu 1 dedykowane dla systemów fotowoltaicznych. Ochrona przeciwprzepięciowej po stronie AC jest uzależniona od konfiguracji sieci przyłączeniowej i należy ją rozpatrywać indywidualnie, w oparciu o zasady określone w normach. WNIOSKI Systemy fotowoltaiczne są coraz powszechniej wykorzystywane w energetyce odnawialnej. Ich zakres wykorzystania jest szeroki, od pojedynczych modułów zasilających słupy oświetleniowe po duże elektrownie fotowoltaiczne. Instalacje te są jednak wrażliwe na czynniki zewnętrzne jak napór wiatru czy wyładowania atmosferyczne. Ze względu na bezpieczeństwo osób i mienia, systemy fotowoltaiczne wymagają indywidualnie dobranej konstrukcji nośnej, odgromowej i przeciwprzepięciowej. Streszczenie W pracy przedstawiono zagadnienia bezpieczeństwa technicznego w instalacjach fotowoltaicznych. Zwrócono uwagę na bezpieczeństwo techniczne instalowania zarówno pojedynczych modułów jak i dużych elektrowni fotowoltaicznych. Wskazano na czynniki atmosferyczne takie jak wiatr czy obciążenie śniegiem na wytrzymałość konstrukcji nośnej instalacji fotowoltaicznej jak również zagrożenia wynikające z bezpośredniego uderzenia piorunu lub przepięć będących następstwem wyładowań atmosferycznych. Wskazano na sposoby zabezpieczenia instalacji fotowoltaicznych montowanych na dachach budynków nie posiadających instalacji odgromowej, posiadających taką instalację oraz w elektrowniach fotowoltaicznych zlokalizowanych na przestrzeniach otwartych. W opracowaniu wskazano aktualnie obowiązujące normy z zakresu zarządzania ryzykiem w ochronie odgromowej, ochrony odgromowej oraz ochrony przeciwprzepięciowej w instalacjach fotowoltaicznych. Technical security in the photovoltaic Abstract This paper presents the technical security in photovoltaic and specific protection against lightning of solar module installed o the roof of a building, or used in solar power station. Pointed to weather conditions such as wind or snow load on the supporting structure photovoltaic installation as well as risks arising from direct lightning or surges resulting from lightning. The principles of protection direct lightning stroke of these devices and ways to reduce the effect of the overvoltages in the power installation, cooperating with PV panels are presented. The study identifies the current standards of risk management in lightning protection, lightning protection and surge protection for photovoltaic installations. BIBLIOGRAFIA 1. Boryń H., Ochrona odgromowa fotowoltaicznych źródeł energii elektrycznej, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej, 27, 21-26, DEHN chroni systemy fotowoltaiczne. DEHN POLSKA, Warszawa, Hausmann S., The Sun is Rising in the East, Sun&Wind Energy, 10, , Olchowik J., Analiza postępu we wdrażaniu fotowoltaiki na świecie i w Polsce, Autobusy : Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 12, , Panek P., Fotowoltaika Polska Elektronika, 6, 72-94, Sławiński K., Fotowoltaika jako potencjalne źródło energii dla pojazdów elektrycznych. Autobusy Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 10, , PN-EN 61173:2002. Ochrona przepięciowa fotowoltaicznych (PV) systemów wytwarzania mocy elektrycznej. Przewodnik. 8. PN-EN (IEC :2006): Ochrona odgromowa Część 1:Zasady ogólne 1387

5 9. PN-EN (IEC :2006): Ochrona odgromowa Część 2:Zarządzanie ryzykiem 10. PN-EN zał. 5(VDE zał. 5): Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia. załącznik 5: Ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa w systemach fotowoltaicznych (PV) 11. PN-EN Oddziaływanie na konstrukcje. Część 3: Obciążenie śniegiem. 12. PN-77/B Obciążenie wiatrem. 13. Odnawialne Źródła Energii. Projekt ustawy r. 1388