Systemy fotowoltaiczne PV (ang. Photovoltaic) przetwarzają bezpośrednio promieniowanie słoneczne na energię elektryczną bez zanieczyszczeń, hałasu i innych zmian w środowisku naturalnym. Fakt ten, w połączeniu ze spadkiem kosztów systemów PV, powoduje szybki rozwój tego rodzaju źródeł zasilania. Pomijając proste za stosowania (np. zasilanie zegarków, kalkulatorów, telewizorów), w każdym z systemów PV wymagane jest umieszczenie kolektorów fotowoltaicznych w miejscach bezpośredniego działania promieni słonecznych. Spełnienie tego warunku, w połączeniu z wzrastającą powierzchnią kolektorów, może spowodować wzrost zagrożenia piorunowego systemów PV. Stwarza to konieczność rozważenia środków ochrony kolektorów przed bezpośrednim wyładowaniem piorunowym oraz przed przepięciami atmosferycznymi w instalacji elektrycznej oraz sterującej pracą systemów (jeśli takie systemy sterowania są stosowane). Ochrona przed przepięciami jest szczególnie istotna w systemach PV dołączonych do sieci elektrycznej i te systemy będą szczegółowo analizowane.

Rys. 1 Kolektory fotowoltaiczne umieszczone na dachu obiektu budowlanego Rys. 1 Kolektory fotowoltaiczne umieszczone na dachu obiektu budowlanego

Ochrona przed bezpośrednim działaniem prądu piorunowego

Ograniczanie zagrożeń piorunowych fotowoltaicznych systemów generowania mocy PVPGS (ang. Photovoltaic Power Generating Systems) wymaga przeanalizowania sposobów ochrony przed bezpośrednim wyładowaniem piorunowym w kolektory fotowoltaiczne. Dotyczy to szczególnie ochrony kolektorów umieszczonych na dachach obiektów budowlanych (rys. 1.)
Podstawowe zasady ochrony przed bezpośrednim oddziaływaniem prądu piorunowego zawarto w normach ochrony odgromowej [2, 3, 4], w których stwierdzono, że „wszystkie urządzenia dachowe z materiałów izolacyjnych lub przewodzących, które zawierają wyposażenie elektryczne i/lub służące przetwarzaniu informacji, powinny znajdować się w przestrzeni ochronnej układu zwodów”.
Jeśli powyższe zalecenia nie będą spełnione to bezpośrednie wyładowanie piorunowe w elementy systemu PV może doprowadzić do zniszczenia samego systemy fotowoltaicznego oraz instalacji elektrycznej i urządzeń zainstalowanych wewnątrz obiektu budowlanego.
Ochronę przed bezpośrednim wyładowaniem piorunowym można zapewnić umieszczając elementy systemu fotowoltaicznego w przestrzeni chronionej. Taką przestrzeń można stworzyć stosując odpowiednio dobrane układy zwodów pionowych lub poziomych. Należy również zachować odpowiednie odstępy izolacyjne pomiędzy urządzeniami systemu a zwodami lub przewodami odprowadzającymi.

Rys. 2 Zależność kąta osłonowego od wysokości zwodu oraz wybranego poziomu ochrony Rys. 2 Zależność kąta osłonowego od wysokości zwodu oraz wybranego poziomu ochrony

Określając obszar przestrzeni chronionej tworzony przez pojedynczy zwód lub kilka zwodów należy uwzględnić wymagania dotyczące kątów ochronnych oraz odstępów izolacyjnych uniemożliwiających powstawanie przeskoków iskrowych.
Zalecenia norm ochrony odgromowej [2] uzależniają wartości kątów ochronnych od poziomów ochrony wymaganych dla rozważanego obiektu oraz wysokości zwodów (rys. 2).

Rys. 3 Zasada określania stref ochronnych przy pomocy toczącej się po dachu kuli Rys. 3 Zasada określania stref ochronnych przy pomocy toczącej się po dachu kuli

Strefę ochronną tworzoną przez zwody można wyznaczyć przy pomocy kąta ochronnego lub wykorzystując zasadę toczącej się po dachu kuli. W tych miejscach na powierzchni dachu, które nie są dotykane przez kulę, nie istnieje zagrożenie bezpośrednim uderzeniem pioruna (rys. 3).
Zasadę „toczącej się kuli” można również wykorzystać do wyznaczania miejsc zagrożonych bezpośrednim wyładowaniem piorunowym w przypadku pojedynczych obiektów lub grupy obiektów. Wartości promienia kuli wynoszą 20 m, 30 m, 45 m i 60 m odpowiednio dla I, II, III i IV poziomu ochrony odgromowej.
W przypadku kolektorów instalowanych na dachach jedno- lub dwu-spadowych ochronę odgromową mogą zapewnić typowe zwody niskie ułożone nad kalenicą (rys.4a).
Do ochrony odgromowej kolektorów instalowanych na dachach płaskich można zastosować zwody pionowe lub poziome (rys. 4b).

Rys 4. Umieszczanie kolektorów fotowoltaicznych w strefach osłonowych a) zwodu poziomego, b) zwodów pionowych na dachu obiektu budowlanego Rys 4. Umieszczanie kolektorów fotowoltaicznych w strefach osłonowych a) zwodu poziomego, b) zwodów pionowych na dachu obiektu budowlanego

Tworząc system zwodów na dachach obiektów budowlanych należy uwzględnić wymiary strefy osłonowej oraz, zachowując odpowied nie odstępy izolacyjne, uniemożliwić wystąpie nie przeskoków iskrowych pomiędzy zwodami i przewodami instalacji piorunochronnej a chronionymi urządzeniami.
Dokładne wyznaczenie odstępów izolacyjnych jest zadaniem bardzo trudnym i w normach ochrony odgromowej przyjęto określać minimalne wartości odstępów izolacyjnych przy pomocy następującej zależności:

Minimalne wartości odstępów izolacyjnych

Wartości zastosowanych współczynników zestawiono w tabeli 1
W urządzeniach piorunochronnych, w których nie następuje rozpływ prądu piorunowego, współczynnik kc = 1. Zwiększenie liczby przewodów odprowadzających powoduje zmniejszenie wartości tego współczynnika.

Tabela 1. Wartości współczynników występujących w zależności określającej wartość odstępu izolacyjnego
Współczynnik Wartość
ki - uzależniony od klasy LPS 0,08 - I klasa LPS
0,06 - II klasa LPS
0,04 - III i IV klasa LPS
km- uzależniony od materiału odstępu izolacyjnego 1 - powietrze
0,5 – beton, cegła
kc- uzależniony od rozpływu prądu w przewodach LPS 1 – dla 1 przewodu odprowadzającego,
1…0,5 – dla 2 przewodów odprowadzających,
1 …1/4 – dla 4 i więcej przewodów
l - długość w metrach Długość mierzona wzdłuż przewodu odpro wadzającego od punktu rozpatrywanego zbliżenia do punktu najbliższego połączenia wyrównawczego (rys. 6.14).

W tabeli 2 zebrano podstawowe dane dotyczące wartości współczynników kc w przypadku zastosowania uziomów typu A lub B [2, 3].

Tabela 2. Wartości współczynników kc w zależności od liczby przewodów odprowadzających oraz typu uziomów.
Ogólny charakter instalacji System uziomowy typu A System uziomowy typu B
1 1
0,66
0,44
n – liczba przewodów odprowadzających
0,44

Przykładowe wartości tych współczynników dla prostych urządzeń piorunochronnych zestawiono również w tabeli 3.

Tabela 3. Wartości współczynników kc w zależności od liczy przewodów odprowadzających oraz wymiarów obiektu (uziemienie typu B) [3 ]
Układ przestrzenny (uziom typu A) 0,33 0,50 1,00 2,00
kC0,570,600,660,75
kC0,470,520,620,73
kC0,310,330,370,41
kC0,280,330,370,41
kC0,270,330,370,41
kC0,400,430,500,60
kC0,230,250,300,35

Jeżeli zachowanie powyższych odstępów nie jest możliwe należy zastosować w miejscach zbliżenia połączenia wyrównawcze bezpośrednie lub wykorzystujące ograniczniki przepięć.
Przykładowe rozwiązanie ochrony kolektorów przed bezpośrednim wyładowaniem piorunowym przedstawiono na rys. 5.
Ochroną przed bezpośrednim uderzeniem piorunu należy objąć również kolektory montowane na ścianach obiektów budowlanych.

Rys. 5 Przykłady ochrony od gromowej kolektorów słonecznych na dachach różnorodnych obiektów budowlanych Rys. 5 Przykłady ochrony od gromowej kolektorów słonecznych na dachach różnorodnych obiektów budowlanych

Ochrona przed przepięciami w instalacji elektrycznej

W przypadku dużych systemów współpracujących z siecią elektroenergetyczną należy, nie tylko zapewnić ochronę elementów systemu fotowoltaicznego przed bezpośrednim uderzeniem piorunu, ale również zastosować urządzenia ograniczające przepięcia SPD (Surge Protective Device) w układach kontrolno-pomiarowych oraz dochodzące do falowników. Bardzo ogólnikowy szkic koncepcji ochrony przed przepięciami w instalacji elektrycznej oraz informacje o sposobach jej realizacji zawiera norma PN-EN 61173 [1].
W systemach fotowoltaicznych należy rozważyć możliwość ochrony przed przepięciami:
• kontrolerów ładowania akumulatorów (systemy wolnostojące i hybrydowe),
• układów kontrolnych zapewniających efektywne wykorzystanie różnorodnych źródeł energii (generatory spalinowe, gazowe lub wiatrowe) w systemach hybrydowych,
• falowników w systemach dołączanych do sieci.
Poniżej przedstawiona zostanie koncepcja ochrony przed przepięciami systemów fotowoltaicznych współpracującym z siecią elektroenergetyczną. Są to najczęściej systemy najdroższe i zastosowanie układów ograniczników przepięć jest w pełni uzasadnione. W typowym PVPGS współpracującym z siecią elektroenergetyczną ochroną przed przepięciami należy objąć:
• kolektory fotowoltaiczne,
• falowniki od strony napięcia stałego i przemiennego.
W przypadku ochrony kolektorów, dobierając ograniczniki przepięć należy uwzględnić wartość napięcia stałego panującego na ich wyjściu i zastosować ograniczniki przepięć klasy II [7] w układzie połączeń przedstawionym na rys. 6.
W zależności od typu, ograniczniki mogą być stosowane w układach, w których występują napięcia stałe 100 V, 200 V, 350 V, 585 V i 600 V. Ograniczniki mogą być zamontowane w szafce obok kolektorów. Analogiczną ochroną należy objąć falownik od strony linii napięcia stałego (rys. 7.).

Rys. 6 Ograniczanie przepięć w przewodach dochodzących do kolektora Rys. 6 Ograniczanie przepięć w przewodach dochodzących do kolektora Rys. 7 Ograniczanie przepięć dochodzących do falownika Rys. 7 Ograniczanie przepięć dochodzących do falownika

W układach przedstawionych na rys.6 i 7 w celu ograniczania przepięć oraz wyrównywania potencjałów za stosowano kable ekranowane do połączenia falownika z kolektorem.
Falownik należy również chronić przed przepięciami dochodzącymi z sieci elektroenergetycznej stosując SPD typu 2 w typowych układach połączeń dla systemu sieci TN-S lub TT o napięciu 400/230V.
Układy SPD typu 2 mogą być umieszczone bezpośrednio przed falownikiem lub w najbliższej rozdzielnicy. Przykładowe rozwiązanie układów ograniczających przepięcia w systemie sterowania systemu oraz w przewodach dochodzących do falownika z kolektorów przedstawiono na rys. 8.

Rys. 8 Układy urządzeń ograniczających przepięcia w systemie fotowoltaicznym a) widok ogólny części falownika, b) SPD w systemie sterowania, c) ograniczania przepięć dochodzących od kolektorów [10] Rys. 8 Układy urządzeń ograniczających przepięcia w systemie fotowoltaicznym a) widok ogólny części falownika, b) SPD w systemie sterowania, c) ograniczania przepięć dochodzących od kolektorów [10]

Należy zauważyć, że przedstawione układy SPD w sieci elektroenergetycznej prądu przemiennego są, w obiektach z instalacją piorunochronną, drugim stopniem ochrony (rys. 9). Podstawową ochronę przed działaniem prądu piorunowego za pewniają SPD typu 1 instalowane w miejscu wprowadzania instalacji do obiektu.
Jeśli nie jest możliwe zachowanie bezpiecznego odstępu s należy:
• zastosować układy zwodów chroniące przed bezpośrednim wyładowaniem piorunowym (zgodnie z przedstawionymi zasadami),
• połączyć zwody z metalowymi elementami konstrukcyjnymi kolektorów,
• zastosować układy SPD typu 1 do ochrony falownika.
Stosując przedstawione zasady ochrony odgromowej zapewnimy bezpieczne i bezawaryjne działanie systemu fotowoltaicznego.

Rys. 9 Przykład kompleksowej ochrony odgromowej systemu fotowoltaicznego Rys. 9 Przykład kompleksowej ochrony odgromowej systemu fotowoltaicznego

Andrzej Sowa

Literatura
1. PN-EN 61173:2002. Ochrona przepięciowa fotowoltaicznych (PV) systemów wytwarzania mocy elektrycznej. Przewodnik.
2. PN-EN 62305-1:2008, Ochrona odgromowa - Część 1: Wymagania ogólne.
3. PN-EN 62305-3:2009, Ochrona odgromowa - Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów budowlanych i zagrożenie życia.
4. PN-EN 62305-4:2009, Ochrona odgromowa - Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach budowlanych.
5. PN-IEC 61643-1.Urządzenia ograniczające przepięcia dołączone do sieci rozdzielczych niskiego napięcia. Wymagania techniczne i metody badań.
6. PN-IEC 60364-4-443:1999, Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa. Ochrona przez przepięciami. Ochrona przed prze pięciami atmosferycznymi i łączeniowymi.
7. Pietruszko S.M.: Systemy fotowoltaiczne w zastosowaniach energetycznych.
8. Pigler F.: Blitzschutz von Photovoltaik- Anlagen. VDB-INFO1.
9. Pigler F.: Zusätzliche Informationen zum Blitzschutz von Photovoltaik-Anlagen. VDB-INFO 1A.