Pożary instalacji fotowoltaicznych budzą duże emocje, choć w rzeczywistości należą do rzadkich zdarzeń. Statystycznie dochodzi do nich bardzo rzadko – w zależności od opracowania podaje się wartości rzędu pojedynczych przypadków na kilka lub kilkanaście tysięcy instalacji, co oznacza, że ryzyko jest wyraźnie niższe niż w przypadku wielu innych elementów instalacji elektrycznych w budynkach. Mimo to każdy incydent warto przeanalizować bardzo dokładnie. Zwrócenie uwagi na pojedyncze przypadki pokazuje, gdzie tak właściwie system jest najbardziej wrażliwy i co w praktyce decyduje o bezpieczeństwie. Zamiast więc pytać „czy fotowoltaika jest niebezpieczna”, lepiej zadać pytanie: co faktycznie prowadzi do pożaru i czy można to wyeliminować?

Gdzie naprawdę powstaje problem?

Analiza przyczyn wszelkich incydentów pożarowych pozwala na zidentyfikowanie krytycznych punktów instalacji. Badania wskazują, że dominująca część problemów jest związana z sekcją prądu stałego (DC), obejmującą moduły, okablowanie oraz złącza. Główne czynniki sprawcze można podzielić na błędy montażowe, wady komponentów oraz czynniki zewnętrzne.

Błędy montażowe i ludzkie są dominującym czynnikiem ryzyka!

Niewłaściwa instalacja jest odpowiedzialna za znaczną część pożarów PV. Wśród najpoważniejszych uchybień wymienia się stosowanie niekompatybilnych złączy typu MC4. Problem ten, określany mianem „cross-mating”, polega na łączeniu wtyczek i gniazd pochodzących od różnych producentów. Mimo pozornej zgodności, różnice w tolerancjach wykonania, użytych materiałach styków oraz siłach docisku prowadzą do zwiększonej rezystancji przejścia. W warunkach wysokiego natężenia prądu taka rezystancja generuje lokalne przegrzewanie i w dalszym etapie może zainicjować łuk elektryczny. 

Kolejnym błędem jest nieprawidłowe „zarabianie” końcówek kablowych bez użycia dedykowanych zaciskarek, co w późniejszym czasie przekłada się na luzy w połączeniach o zmiennej rezystancji. Niezabezpieczone przewody, swobodnie zwisające na dachu, są narażone na uszkodzenia mechaniczne wynikające z silnego wiatru lub obecności zwierząt (np. kun czy gryzoni), co może doprowadzić do przerwania ciągłości izolacji i zwarcia. Szczególnie niebezpieczne jest prowadzenie kabli przez ostre krawędzie konstrukcji montażowej bez odpowiednich osłon, co przy ruchach termicznych paneli może prowadzić do przecierania izolacji.

Wady komponentów i starzenie się materiałów

Awarie samych urządzeń stanowią istotną część przyczyn pożarów. Znaczącym zagrożeniem w obrębie modułów fotowoltaicznych są tzw. "hot-spoty". Powstają one w wyniku zacienienia części ogniwa, jego mikrouszkodzenia (np. pęknięcie pod wpływem uderzenia podczas transportu lub montażu) lub wady fabrycznej ogniwa. W takiej sytuacji ogniwo zaczyna pobierać energię od pozostałych ogniw w stringu, działając jako odbiornik. Temperatura w takim punkcie może w skrajnych przypadkach osiągnąć bardzo wysokie wartości, co może prowadzić do wytopienia folii EVA, uszkodzenia warstwy tylnej (backsheet) i ostatecznie zapłonu materiałów palnych znajdujących się w bezpośrednim sąsiedztwie samego ogniwa. 

Również same inwertery posiadają krytyczne elementy, takie jak kondensatory oraz tranzystory mocy, które podczas pracy generują ciepło. Brak zapewnienia odpowiedniej wentylacji lub montaż na podłożach palnych (np. drewnianych ścianach w budynkach gospodarczych) zwiększa ryzyko rozprzestrzenienia się ognia w przypadku awarii wewnętrznej urządzenia. Zastosowanie falowników o niskiej jakości, pozbawionych odpowiednich certyfikatów i systemów monitoringu rezystancji izolacji, dodatkowo potęguje to ryzyko, zwłaszcza w przypadku urządzeń niewiadomego pochodzenia lub niespełniających wymaganych norm.

Mechanizm łuku elektrycznego DC

Najgroźniejszym zjawiskiem w samej instalacji PV jest łuk elektryczny w obwodzie prądu stałego. W przeciwieństwie do prądu przemiennego (AC), gdzie napięcie przechodzi przez zero 100 razy na sekundę (przy częstotliwości 50 Hz), sprzyjając samoistnemu wygasaniu łuku, prąd stały podtrzymuje łuk w sposób ciągły. Temperatura łuku elektrycznego może sięgać nawet kilku tysięcy stopni Celsjusza, powodując gwałtowne nagrzewanie i karbonizację otaczających materiałów oraz inicjację pożaru w czasie kilku sekund. Łuk może powstać jako szeregowy: przy przerwaniu obwodu, np. przez uszkodzone złącze, lub równoległy: przy uszkodzeniu izolacji między dwoma przewodami o różnym potencjale.

• Zobacz również: Elektrownie osmotyczne już działają. Jak z wody słonej i słodkiej powstaje prąd?

Praktyczne zasady eksploatacji

Aby zminimalizować ryzyko awarii, inwestorzy i użytkownicy powinni stosować się do zaleceń eksploatacyjnych. Bezpieczeństwo systemu PV nie kończy się na jego montażu, lecz wymaga  ciągłego nadzoru przez cały okres życia technicznego.

Konserwacja i przeglądy okresowe

Zaleca się przeprowadzanie pełnego przeglądu instalacji raz w roku, a zgodnie z ogólnymi wymaganiami dotyczącymi instalacji elektrycznych – nie rzadziej niż raz na 5 lat. Profesjonalny serwis powinien obejmować:

Badanie termowizyjne, które pozwala na wykrycie hot-spotów na modułach oraz przegrzewających się połączeń w rozdzielnicach i przy złączach MC4. Jest to jedna z najskuteczniejszych metod rozpoznania wczesnych stadiów awarii,

Pomiary elektryczne powinny obejmować kontrolę ciągłości przewodów ochronnych, rezystancji uziemienia oraz rezystancji izolacji przewodów DC (np. R_i ≥ 1 MΩ, zgodnie z wymaganiami norm, projektu i producenta urządzeń),

Inspekcja wizualna, czyli najprościej mówiąc: sprawdzenie stanu izolacji, czy nie kruszeje pod wpływem UV, szczelności dławnic w inwerterze oraz czy przewody nie są swobodnie zwieszone i narażone na ruchy wiatru.

Jakość komponentów i wybór wykonawcy

Kluczem do bezpieczeństwa jest unikanie "fotowoltaiki DIY" montowanej bez odpowiedniej wiedzy technicznej instalatora. Należy wybierać fachowców posiadających certyfikat UDT lub uprawnienia budowlane w zakresie instalacji elektrycznych. Warto też inwestować w komponenty o potwierdzonej jakości:

• Przewody PV: Powinny być bezhalogenowe, odporne na UV i posiadać przekrój dobrany do projektu instalacji, często nie mniejszy niż 4-6 mm²,
• Złącza: Należy stosować wyłącznie oryginalne złącza tego samego producenta na całej długości stringu, aby wyeliminować ryzyko niedopasowania mechanicznego,
• Falowniki: Powinny posiadać odpowiednie certyfikaty, system monitorowania prądów upływu oraz – tam, gdzie jest to uzasadnione projektem – funkcję AFCI.

Sytuacje ekstremalne 

Instalacje PV są projektowane tak, aby wytrzymać nacisk śniegu określony w paskalach, np. 5400 Pa, co odpowiada w przybliżeniu kilkuset kilogramom na metr kwadratowy, zależnie od sposobu przeliczenia, oraz uderzenia gradu o średnicy 25 mm przy prędkości ok. 23 m/s, czyli około 80–83 km/h. Jednak po gwałtownych wichurach lub gradobiciach zalecane jest wykonanie dodatkowej inspekcji wizualnej, aby wykluczyć mechaniczne pęknięcia szkła, które mogą prowadzić do wnikania wilgoci i korozji wewnątrz ogniwa, powodując powstawanie hot-spotów.

Źródło: FlexiPower Group, Gov.pl, Enerad, Aforenergy, Sunergo, Fraunhofer ISE, SFPE, Fronius.

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Piotr Wrona