Panele fotowoltaiczne badania i ocena zgodności

Transkrypt

1 Panele fotowoltaiczne badania i ocena zgodności Streszczenie: Artykuł analizuje wymagania dotyczące badań i oceny zgodności wobec paneli fotowoltaicznych opierając się na dwóch normach: PN-EN 61215w zakresie funkcjonalności i PN-EN w stosunku do bezpieczeństwa uŝytkowania. Abstract: The paper analyses the test and conformity assessment requirements for photovoltaic modules on the basis of two standards: EN in the scope of the functionality and EN for the safety of use. 1. Wstęp Stwierdzenie, iŝ ogniwo fotowoltaiczne jest najnowocześniejszym źródłem energii równieŝ spośród źródeł odnawialnych, nie będzie zapewne wielkim naduŝyciem, poniewaŝ wiatrak, siłownia wodna są znane od wieków, a źródłami nowoczesnymi stały się na przełomie XIX i XX wieku, kiedy to wynaleziono i rozpoczęto produkcję prądnic elektrycznych. Ogniwa fotowoltaiczne, podobnie jak kaŝdy wyrób zaawansowany, wymagają szczegółowych badań. ZłoŜone z ogniw panele fotowoltaiczne, w przeciwieństwie do prądnic elektrycznych, mogą być instalowane w miejscach ogólnodostępnych i ich bezpieczeństwo jest obiektem badań na zgodność z dyrektywą 2006/95/WE 1. Natomiast funkcjonalność i sprawność paneli fotowoltaicznych podlegają badaniom wg normy PN-EN 61215, a badania te mają duŝe znaczenie, poniewaŝ inwestycje z udziałem paneli fotowoltaicznych są najczęściej współfinansowane z kredytów bankowych i w większości krajów, szczególnie europejskich, mogą być dotowane przez państwo. 2. Budowa Prosty, nieskomplikowany, na pierwszy rzut oka, moduł solarnego panelu fotowoltaicznego w rzeczywistości jest wyrobem złoŝonym. Jego podstawą, rdzeniem, jest arkusz o określonej ilości (ok. kilkadziesiąt sztuk) półprzewodnikowych ogniw słonecznych, otoczony z obu stron specjalnymi foliami, przednią i tylną, o wielkiej przezroczystości i duŝej odporności na oddziaływanie warunków atmosferycznych, w tym zmiennych temperatur, wilgoci, promieniowania słonecznego, itp. Od strony zewnętrznej moduł przykrywa płyta wysokogatunkowego, doskonale przezroczystego szkła. Moduły ujęte są w ramy zapewniające im, w połączeniu ze szkłem i foliami, odpowiednią szczelność, gwarantującą brak dostępu wilgoci do ogniw solarnych i ich połączeń elektrycznych. Całość uzupełnia duŝa ilość drobnych elementów, takich jak przewody, skrzynki łączeniowe, zapewniające połączenia pomiędzy poszczególnymi modułami i dające moŝliwość tworzenia farm, elektrowni solarnych. str. 1

2 3. Badania konstrukcji i uznanie funkcjonalności wg PN-EN Jedna z podstawowych norm dotyczących paneli fotowoltaicznych - PN-EN Moduły fotowoltaiczne (PV) z krzemu krystalicznego do zastosowań naziemnych - Kwalifikacja konstrukcji i aprobata typu określa wymagania dotyczące kwalifikowania konstrukcji oraz aprobaty typu modułów fotowoltaicznych odpowiednich dla długotrwałego działania w otwartym środowisku. Stosuje się ją wyłącznie do modułów wykonanych z krzemowych ogniw krystalicznych. W zakresie badań norma określa charakterystyki elektryczne i termiczne modułu by wykazać, Ŝe moduły są zdolne wytrzymać wydłuŝone naraŝenia klimatyczne. MoŜna powiedzieć Ŝe przypuszczalny, rzeczywisty czas pracy modułu zaleŝeć będzie od jego projektu, środowiska i warunków, w których pracuje. By tego dowieść moduł poddaje się sekwencjom badań, jak w tabeli poniŝej. Pierwszych 5 badań (poz. 1-5 w tabeli poniŝej) wykonuje się na wszystkich pobranych próbkach, natomiast badania wymienione w poz. 6 są prowadzone na poszczególnych modułach (6a/6b), lub parach modułów (6c-6e). Po zakończeniu badań w poszczególnych sekwencjach wszystkie 8 modułów jest poddawanych sprawdzającej próbie upływności prądowej w warunkach wilgoci (poz. 7 tabeli). W celu ustalenia, Ŝe projekt modułu przeszedł badania i moŝe otrzymać aprobatę typu norma PN-EN określa kilka kryteriów, między innymi to, Ŝe w wyniku badań nie stwierdzono Ŝadnych powaŝnych, widocznych uszkodzeń, deficyt maksymalnej mocy wyjściowej nie przekroczył 8% a wszystkie pojedyncze badania dały wynik pozytywny. JeŜeli dwa lub więcej modułów nie spełnia powyŝszych kryteriów badań, naleŝy uznać Ŝe projekt nie spełnił wymagań kwalifikacyjnych. W przypadku gdy jeden z modułów nie przejdzie jednej z prób, inne dwa wybrane moduły powinny być poddane badaniom, a jeŝeli jeden lub oba moduły takŝe wykaŝą usterki, projekt powinien być uznany za niespełniający wymagań. Badanych 8 próbek modułów w sekwencjach: 1. Kondycjonowanie wstępne 5 kwh m Oględziny [10.1] 3. Wyznaczenie mocy maksymalnej [10.2] 4. Próba wytrzymałości dielektrycznej [10.3] 5. Próba upływności prądowej w warunkach wilgoci [10.15] 6a. 1 moduł kontrolny nie objęty innymi 6b. 1 moduł objęty funkcjonalnymi [ , 10.18] 6c. 2 moduły objęte klimatycznymi naraŝeniowo wytrzymałościowymi [ , 10.14] 6d. 2 moduły objęte badaniem 200 cykli termicznych -45 C do +85 C [10.11] 7. Próba powtórzeniowa: Próba upływności prądowej w warunkach wilgoci [10.15] 6e. 2 moduły objęte wytrzymałościowymi klimatyczno mechanicznymi [10.13, ] NaleŜy jeszcze dodać, Ŝe do badań pobiera się 8 próbek modułów w sposób przypadkowy, z partii lub serii produkcyjnej wg procedury określonej normą IEC str. 2

3 4. Badania bezpieczeństwa uŝytkowania wg PN-EN , 4 Norma PN-EN składa się z dwu części: PN-EN Ocena bezpieczeństwa modułu fotowoltaicznego (PV) Część 1: Wymagania dotyczące konstrukcji PN-EN Ocena bezpieczeństwa modułu fotowoltaicznego (PV) Część 2: Wymagania dotyczące badań Celem obu części normy, jak wskazuje sama ich nazwa, jest ocena bezpieczeństwa modułów. O ile większość wymagań konstrukcyjnych z zakresu części pierwszej normy moŝna w łatwy sposób ocenić w trakcie oględzin lub badań, to wymagania badawcze będące przedmiotem części drugiej potrzebują juŝ znaczniejszych nakładów środków w postaci wyposaŝenia i czasu, więc warto tej części normy poświęcić więcej uwagi. Część druga normy PN-EN opisuje wymagania badawcze wobec modułów fotowoltaicznych (PV) w celu zapewnienia bezpiecznego działania pod kątem elektrycznym i mechanicznym podczas spodziewanego okresu ich pracy. Poszczególne tematy mają zapewnić ocenę zapobiegania poraŝeniom elektrycznym, zagroŝeniom poŝarowym i obraŝeniom osobistym w wyniku naraŝeń mechanicznych i środowiskowych. Sekwencje badań zostały ustalone tak, by jako badania kondycjonowania wstępnego moŝna zastosować badania wg PN-EN lub PN-EN Kryteria przejścia sekwencji badań dają pewność wykrycia ewentualnych uszkodzeń składników wewnętrznych i zewnętrznych modułów PV, które mogłyby wywołać wspomniane naraŝenia: poŝar, poraŝenie prądem elektrycznym albo obraŝenia osobiste. Obie części normy definiują wymagania w stosunku do róŝnych klas zastosowania modułów fotowoltaicznych, jednakŝe nie powinny być uwaŝane jako pełny zbiór wszystkich krajowych czy teŝ regionalnych przepisów budowlanych. Natomiast w niektórych regionach, np. z uwagi na lokalne warunki atmosferyczne, wiatr, wilgotność, mróz, gradobicie, itp., norma zaleca konieczność rozwaŝenia potrzeby opracowania miejscowych, lokalnych przepisów, zapewniających bezpieczną instalację i eksploatację modułów. Tymczasem norma definiuje trzy klasy zastosowania i jakość konstrukcji wymaganych wobec kaŝdej z klas w sposób następujący: Klasa Dostępność Napięcie układu Moc układu Klasa ochrony A Nieograniczona > 50 V DC > 240 W II B Ograniczona > 50 V DC > 240 W 0 C Nieograniczona 50V DC 240 W III W wyniku określenia zagroŝeń posiadających wpływ na Ŝywotność i bezpieczeństwo modułów PV w normie ustalono kategorie wymaganych badań: - próby kondycjonowania wstępnego; - oględziny; - badania zagroŝenia poraŝeniem elektrycznym; - badania zagroŝenia poŝarowego; - próby naraŝeń mechanicznych; str. 3

4 - badania składników panelu. Podobnie jak w przypadku prób funkcjonalnych wg PN-EN 61215, do badań bezpieczeństwa wg PN-EN pobiera się określoną liczbę próbek modułów, między innymi 7 paneli do badań bezpieczeństwa. Dodatkowe moduły mogą być wykorzystane do badań poŝarowych, podczas gdy folie i skrzynki łączeniowe pobierane są do badań podzespołów. Panele poddawane są następującym sekwencjom badań: Badanie 7 próbek modułów (lub laminat) w sekwencjach Oględziny MST 01 Próba działania [10.2 wg PN-EN / PN-EN 61646] 1 moduł kontrolny nie objęty innymi 1 moduł objęty łamliwości 4 moduły/3+1 laminat MST 16 4 moduły/3+1 laminat MST 13 4 moduły/3+1 laminat MST 11 4 moduły/3+1 laminat MST 17 1m. próba term. diody bocznik. MST 25 MST 32 1m. MST 54 1m. MST 53 1+MST 51a 1m. próba term. Oględziny MST 01 1 lub więcej modułów w zaleŝności od rozmiaru objęty poŝarowymi MST 23 Objaśnienia skrótów i badań w kolumnach 4, 5, 6: 1m. 1 moduł; 1l. 1 laminat; MST 11 Próba dostępności do części czynnych; MST 12 Próba podatności na cięcie; MST 13 Próba ciągłości obwodu ochronnego; MST 14 Próba napięciem impulsowym; MST 16 Próba wytrzymałości dielektrycznej; MST 17 Próba upływności prądowej w warunkach wilgoci; MST 22 Próba odporności na miejsca gorące (hot-spot); MST 34 Próba obciąŝalności mechanicznej; MST 42 Próba solidności połączeń zaciskowych; MST 51a 200 cykli próby gorąca cyklicznego; MST 51b 50 cykli próby gorąca cyklicznego; MST 52 Próba zamarzania wilgoci; MST 53 Próba gorąca wilgotnego; MST 54 Próba odporności na promieniowanie UV; 1m. MST 51b 1m. MST 17 1m. MST MST 21 1m. MST 52 1m. MST m./1l. 1m. próba MST 14 1m. MST 42 3 moduły MST 12 3 moduły MST 11 przeciąŝenia zw.- prądowego MST 26 Pozytywna ocena oględzin końcowych modułów i brak znaczących zmian konstrukcji w porównaniu z oględzinami początkowymi pozwalają uznać wynik badań bezpieczeństwa jako pozytywny. 5. Ocena zgodności z Dyrektywą 2006/95/WE Panele fotowoltaiczne podlegając dyrektywie unijnej nr 2006/95/WE, która odnosi się do sprzętu elektrycznego przewidzianego do stosowania w określonych granicach napięcia, muszą zostać poddane ocenie na zgodność z wymaganiami ww. dyrektywy. Ocena zgodności powinna uwzględniać kilka aspektów, miedzy innymi konstrukcję wyrobu, wyniki badań, cechowanie, powtarzalność produkcji. Zakładając, Ŝe wyprodukowane moduły są zgodne z dokumentacją techniczną konstrukcję wyrobu moŝna ocenić, podobnie jak powtarzalność str. 4

5 produkcji, na etapie rozpatrywania dokumentacji, odpowiednio technicznej lub jakościowej. Szczególnie waŝne dla oceny projektu wyniki badań zostaną uzyskane dzięki sekwencjom badawczym opisanym w poprzednich dwu częściach artykułu. PoniŜsza tabela przedstawia badania wymagane do oceny bezpieczeństwa modułów fotowoltaicznych i ich podzespołów, określa krótko przebieg badań oraz cechy aparatury badawczej. Procedura oceny cechowania obejmuje weryfikację jego zrozumiałości i trwałości w zakresie nazwy producenta, typu i numeru seryjnego wyrobu, oznaczenia biegunowości zacisków lub wyprowadzeń przewodów, maksymalnych napięć dopuszczalnych pracy oraz dat i miejsca produkcji. Test Klasa zastosowania /ochrony Badanie Opis badania Aparatura badawcza A/II B/0 C/III Skrót opisu A. Próby kondycjonowania MST 51 X X X Temperatura (-40 t 85)±2 C 200 (-40 t 85)±2 C cykliczna cyklix6h MST 52 X X X Zimno wilgotne (-40 t 85)±2 C -10 (-40 t 85)±2 C cyklix24h+rejestr MST 53 X X X Gorąco wilgotne C ± 2 C (85 % ± 5 85 C ± 2 C (85 ± 5 %) 1000h %) MST 54 X X X Odporność UV Temp. mod. (60±5) C 15kWhm -2 (280- UV 15kWhm )nm B. Oględziny ogólne MST 01 X X X Oględziny luks; noty i foto Ośw. 1000luks błędów, odchyłek C. Badanie zagroŝenia poraŝeniem elektrycznym MST 11 X X - Dostępność R>1MΩ Omomierz MST 12 X X - Kruchość F=(8,9±0,5)N ; Ostrze wg rys. 2 S=(150±30)mm/s MST 13 X X X Ciągłość ochrony I=(2,5±10%)xI max Woltomierz (zabezp.); 2min R<0,1 MST 14 X X - Napięcie ( )V; folia Cu Generator + impulsowe gr.(0,05-0,07)mm oscyloskop MST 16 X X - Wytrzymałość (2000+4xU N) V Źródło dielektryczna U>(2000+4xU N) V MST 17 X X - Upływność V; 2min; S>1m 2 Miernik R izolacji R 40MΩ MST 42 X X X Solidność IEC próba połączeń U D. Badanie zagroŝenia poŝarowego MST21 X X X Próba temperatur (20 t 55) C; Wm -2 MST 22 X X X Gorące miejsca Wm -2; 5h dla poł. S, Symulator 700Wm -2 SP, SPS MST 23 X (X) Próba poŝar ISO 834 (ANSI/UL 790) MST 25 X X X Próba term. diodą Pomiar temp. paneli Zasilacz DC + bocz. przy I zwarcia termometr MST 26 X X - PrzeciąŜenie Bibułka, gaza, 50 Zasilacz DC+ zwrotnoprądowe solarymetr E. Badanie napręŝeń mechanicznych MST 32 X - X Łamliwość Uderzenia z wys. 300, Młot skórzany o śr. modułów 450, 1220 mm 45,5; h>1,5m MST 34 X X X ObciąŜenia Pa/1h Prasa/cięŜar + mechaniczne omomierz F. Próby podzespołów MST 15 X - - Wyładowania próbek Miernik RFI IEC cząstkowe MST 33 X X - Giętkość kanał Siły od 220 do 490 N MST 44 X X X Odp. skrzynki ,5 N/1min.; po 1h zacisk. pomiar przemiesz. Uwagi str. 5

6 6. Podsumowanie Artykuł w sposób moŝliwie skrótowy, ale pozwalający na orientację w temacie, przedstawia złoŝoność i interdyscyplinarność badań i oceny krzemo-krystalicznych modułów fotowoltaicznych. Przyszłość w zakresie odnawialnych źródeł energii, nie przedstawione i przedstawione tu aspekty badań oraz oceny ich funkcjonalności i bezpieczeństwa, ilość juŝ opracowanych aktów normatywnych w tej dziedzinie, pozwalają myśleć o konieczności zaprezentowania kolejnych artykułów dotyczących odnawialnych źródeł energii, a w szczególności modułów fotowoltaicznych. Autor: Edward Szmit inŝ. elektryk, ekspert Biura Certyfikacji Wyrobów Polskiego Rejestru Statków S.A. w Gdańsku, wpisany na listę rzeczoznawców do spraw jakości produktów lub usług prowadzoną przez Pomorskiego Wojewódzkiego Inspektora Inspekcji Handlowej w Gdańsku 1 DYREKTYWA 2006/95/WE PARLAMENTU EUROPEJSKIEGO I RADY z dnia 12 grudnia 2006 r. w sprawie harmonizacji ustawodawstwa państw członkowskich odnoszących się do sprzętu elektrycznego przewidzianego do stosowania w określonych granicach napięcia, Dziennik Urzędowy Unii Europejskiej, , L374/10 2 PN-EN 61215:2005 Moduły fotowoltaiczne (PV) z krzemu krystalicznego do zastosowań naziemnych - Kwalifikacja konstrukcji i aprobata typu (oryg.), Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa PN-EN :2007 Ocena bezpieczeństwa modułu fotowoltaicznego (PV) - Część 1: Wymagania dotyczące konstrukcji (oryg.), Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa PN-EN :2007 Ocena bezpieczeństwa modułu fotowoltaicznego (PV) - Część 2: Wymagania dotyczące badań (oryg.), Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 2007 str. 6