Wysokie napięcie stałe to duże niebezpieczeństwo

Instalacje fotowoltaiczne są w dużej części instalacjami stałoprądowymi. Oznacza to, że ich zabezpieczenie nadprądowe, zwarciowe i przepięciowe jest trudniejsze, niż wymagają tego równoważne mocą obwody prądu przemiennego. Powodem jest trudność w gaszeniu łuku elektrycznego powstającego na stykach, bo nie ma tutaj zjawiska jego samoczynnego wyłączenia przy przejściu sinusoidy przez zero. W efekcie styczniki, bezpieczniki i przekaźniki muszą mieć specjalną konstrukcję, np. z magnesami wydmuchującymi zjonizowaną plazmę do komór gaszeniowych i inne sprytne rozwiązania, które mają wpływ na ich cenę. Duże znaczenie zabezpieczeń przepięciowych dla instalacji PV to z kolei wynik tego, że panele są elementami półprzewodnikowymi, a więc z natury elementami podatnymi na przebicie napięciowe.

Najważniejszy potencjał techniczny poszczególnych rozwiązań

 

Najważniejszy potencjał biznesowy kryje się dzisiaj w instalacjach fotowoltaicznych przeznaczonych dla odbiorców indywidualnych. Jest to wynik istnienia wydzielonych funduszy wsparcia dla klienta indywidualnego i zapewniania szybszej weryfikacji wniosków w urzędach. O tym, że ta pomoc ma kolosalne znaczenie, można się przekonać po tym, że drugie najważniejsze źródło energii odnawialnej – instalacje wiatrowe dużej mocy, na skutek polityki, przestały być wspierane i spadły na sam dół wykresu. Środek zestawienia zajęły rozwiązania przemysłowe i instalacje specjalistyczne.

Można zgrubnie przyjąć, że jeden typowy panel wykonany z krzemu polikrystalicznego zapewnia ok. 240 watów mocy wyjściowej przy pełnym oświetleniu słonecznym, tj. ma napięcie robocze 30 V i dostarcza prąd rzędu 8 A. Taką wydajność zapewnia 60 zawartych w nim ogniw połączonych szeregowo. Typowa wartość wygenerowanego napięcia przez ogniwa krystaliczne wynosi 0,5–0,6 V (złącze p-n), zatem 60 ogniw zapewnia mniej więcej podane wcześniej 30 V napięcia wyjściowego. Bez obciążenia napięcie jest trochę wyższe i wynosi ok. 40 V, ale w praktyce napięcie wyjściowe panelu niewiele się zmienia w funkcji oświetlenia. Wynika to z charakterystyki prądowo-napięciowej złącza p-n.

Panele łączy się szeregowo, tworząc sekcje instalacji, a dalej te sekcje równolegle po to, aby zapewnić odpowiednią moc. Dzięki temu napięcie robocze na wejściu falownika jest wysokie, co jak wiadomo, ma korzystny wpływ na straty mocy w połączeniach miedzianych, ale jednocześnie wymaga użycia wysokiej jakości kabli i złączy, aby uniknąć upływności do ziemi, przebić i porażenia obsługi prądem.

Ważne i poszukiwane produkty

 

Listę najbardziej istotnych z punktu widzenia dystrybutorów produktów z obszaru PV otwierają oczywiście panele fotowoltaiczne, ale trzeba dostrzec, że drugim istotnym produktem w obszarze energii odnawialnej są kable połączeniowe, złącza oraz sprzęt elektroinstalacyjny, głównie zabezpieczenia. Falowniki, akumulatory i kontrolery instalacji uplasowały się wyraźnie niżej, zapewne z powodu silniejszej konkurencji, mniejszej marży handlowej oraz także ograniczonej dostępności. Panele i falownik tworzą sztywny rdzeń projektu, nierzadko narzucony ekonomicznie, w reszcie jest większa elastyczność wyboru.

Konkretne wartości, ile paneli ma być połączone w szereg, zależą od użytego falownika, a dokładniej od zakresu napięć wejściowych, które on akceptuje. Dla orientacji można powiedzieć, że zakres wahań tego napięcia to ok. 200–1000 V, a średnia to ok. 500 VDC. Wartości te uzmysławiają, że są to poziomy niebezpieczne pod wieloma względami: obsługi i eksploatacji, bo istnieje możliwość porażenia oraz w aspekcie przeciwpożarowym, gdyż wyładowanie łukowe jest tutaj bardzo destrukcyjne. Podstawowym zadaniem inwertera jest konwersja napięcia stałego otrzymywanego z modułów fotowoltaicznych na napięcie przemienne oraz znalezienie i praca instalacji w MPP (punkcie maksymalnej wydajności).

W przypadku dużych instalacji fotowoltaicznych z inwerterem centralnym stosuje się podział farmy na sekcje załączane/ odłączane stycznikami. Umożliwia to niezależne odłączenie serwisowanej sekcji paneli PV od wytwarzającego energię układu. Takie rozwiązanie pozwala na efektywną pracę instalacji PV bez kosztownych przestojów. Z kolei przy małych układach PV stosuje się w układzie zasilania stycznika tradycyjny wyłącznik bezpieczeństwa, pełni on też funkcję ochrony przeciwpożarowej.

Sprawia znacznie się komplikuje, gdy instalacja nie jest oświetlona równomiernie. Jeżeli choć jedno ogniwo modułu zostanie zacienione, to napięcie na tym ogniwie zmienia kierunek polaryzacji i zostaje one spolaryzowane zaporowo. Złącze przy polaryzacji wstecznej może ulec przebiciu już przy kilku woltach (5÷25 V). W celu uniknięcia tych zagrożeń, panele zawierają diody bocznikujące chroniące ogniwa przed taką sytuacją, ale całe sekcje też wymagają zabezpieczenia, realizacji możliwości ich odłączenia oraz oczywiście zapewnienia komponentów do monitorowania warunków działania poszczególnych sekcji.

Monitorowanie instalacji odbywa się dzisiaj oczywiście przez Internet za pośrednictwem smartfonu, lub tabletu. Zależnie od modelu inwertery podają informację o łącznej sumie energii oddanej do sieci, historii błędów, parametrach sieci zasilającej, czasach dla poszczególnych trybów pracy i wiele innych danych.