Zagrożenia i rozwiązania bezpieczeństwa w domowych systemach fotowoltaicznych

Systemy fotowoltaiczne oferują szereg korzyści, począwszy od oszczędności finansowych po korzyści dla środowiska naturalnego i niezależność energetyczną. Podczas gdy korzyści te stymulują instalowanie systemów fotowoltaicznych na całym świecie, przemysł zdobywa coraz lepszą wiedzę na temat potrzeby zapewnienia ich bezpieczeństwa.

Ryzyko porażenia prądem

Zasadniczo systemy fotowoltaiczne są bezpieczne, niezawodne i nie stanowią zagrożenia dla osób czy mienia. Jednakże nie należy zapominać, że dopóki świeci słońce, panele fotowoltaiczne i przewody znajdują się pod napięciem prądu DC. Bez zachowania odpowiedniej ostrożności takie wysokie napięcie DC stwarza ryzyko porażenia prądem dla instalatorów, konserwatorów i strażaków. Dlatego też bezpieczeństwo jest niezwykle ważne podczas instalacji, konserwacji czy w przypadku pożaru, zapewnia bowiem ochronę długoterminowej inwestycji, jaką jest system fotowoltaiczny.

Podczas instalacji instalatorzy podłączają moduły fotowoltaiczne, które zwykle posiadają napięcie wyjściowe rzędu 30-60 V. Napięcie z pojedynczego panelu może być bezpieczne, jednak seryjne połączenie modułów w łańcuch powoduje powstanie wysokiego napięcia, które może zagrażać instalatorom dokonującym instalacji.

Po połączeniu modułów w łańcuch napięcie może osiągnąć nawet do 1000 Vdc. Po podłączeniu łańcucha do falownika system fotowoltaiczny pracuje pod maksymalnym napięciem. Oznacza to, że podczas wykonywania standardowych operacji i funkcji związanych z utrzymaniem, takich jak testowanie napięcia DC i AC czy krzywej IV, konserwatorzy mogą być narażeni na działanie tego wysokiego napięcia. Podczas wyłączania systemu wyłącznik ochronny odłącza tradycyjne falowniki łańcuchowe, nie odłącza jednak napięcia DC, które pozostanie wysokie, dopóki system będzie wystawiony na działanie promieni słonecznych.

Pożary instalacji fotowoltaicznych zdarzają się rzadko

Inną sytuacją, w której bezpieczeństwo ma również kluczowe znaczenie, jest pożar. Dotychczas odnotowano niewiele pożarów instalacji fotowoltaicznych, a w większości z nich to nie sama instalacja była przyczyną pożaru.

Przystępując do gaszenia pożaru instalacji fotowoltaicznej strażacy obawiają się, że system znajduje się pod wysokim napięciem DC, dopóki panele są wystawione na działanie promieni słonecznych, i podejmują działania mające na celu ograniczenie wszelkiego ryzyka. Zwykle prewencyjnie odcinają oni dostawę prądu z sieci, a następnie przystępują do gaszenia pożaru wodą. Potrzebne mogą być też inne działania.

Coraz większa świadomość bezpieczeństwa

W związku z rosnącą świadomością dotyczącą bezpieczeństwa oraz ewoluującym rynkiem fotowoltaicznym i rozpowszechnieniem energii słonecznej, jednostki straży pożarnej, towarzystwa ubezpieczeniowe i przedsiębiorstwa energetyczne na całym świecie apelują o zaostrzenie regulacji bezpieczeństwa. Eksperci z dziedziny bezpieczeństwa elektrycznego, systemów fotowoltaicznych, bezpieczeństwa pożarowego i ubezpieczeń opracowują wspólnie kody bezpieczeństwa dla systemów fotowoltaicznych. I tak np. Niemcy, lider w dziedzinie wymogów bezpieczeństwa dla instalacji fotowoltaicznych, implementowały normę VDE 2100-712, określającą wymogi bezpieczeństwa w przypadkach gaszenia pożarów lub konserwacji w celu ochrony przeciwko porażeniu prądem. Wytyczne zawierają rekomendacje dotyczące planowania i konstrukcji systemów fotowoltaicznych na budynkach w celu zapobiegania zagrożeniu napięciem dotykowym w razie niepowodzenia mechanizmu ochronnego „podwójna lub wzmocniona izolacja” (np. w razie pożaru). W Austrii regulacje te są nawet jeszcze bardziej obostrzone. Zgodnie z OVE R11-1: 2013, w zależności od sytuacji wymagana jest możliwość odłączenia blisko źródła (modułu). Falowniki SolarEdge posiadają zintegrowaną ochronę umożliwiającą złagodzenie niektórych awarii łuku grożących pożarem, zgodnie ze standardem detekcji łuku UL1699B. Ten standard amerykański wszedł w życie jako część normy NEC2011 i zawiera wymogi dotyczące wykrywania serii łuków (tj. łuków w obrębie łańcucha) oraz manualnego ponownego uruchomienia instalacji po wykryciu przypadku zwarcia łukowego.

Detekcja łuku

W UE nie obowiązują porównywalne standardy dotyczące detekcji łuku, dlatego też falowniki SolarEdge sprzedawane poza rynkiem amerykańskim wykrywają i przerywają łuk zgodnie z wymogami normy UL1699B, jednak dodatkowo do manualnego zrestartowania, aktywowany jest mechanizm automatycznego rozłączania. Tymczasem w Stanach Zjednoczonych wprowadzono również ścisłe wymogi bezpieczeństwa, takie jak norma NEC 2014 Rapid Shutdown (szybkie wyłączanie), która wymaga, aby wszystkie przewodniki fotowoltaiczne były umieszczone maksymalnie 5 stóp (tj. 1,524 m) wewnątrz budynku lub ponad 10 stóp (3,048 m) od szeregu i osiągały napięcie 30 V lub mniej (oraz 240 VA energii) w ciągu 10 sekund wyłączania (np. strażak odczytuje licznik domowy). Zmiana ta ma na celu stworzenie bezpiecznej strefy w instalacjach dachowych, tak aby pierwsze jednostki mogły dotrzeć na dach i utworzyć otwory wentylacyjne, które pomogłyby w uwolnieniu nagromadzonych gazów. Jest to niezbędny krok przy gaszeniu pożaru, który pomaga w zmniejszeniu zniszczeń budynku spowodowanych pożarem.

Rozwiązanie dla bezpieczeństwa – optymalizatory mocy

Spełnienie tych podwyższonych standardów bezpieczeństwa może być trudne i kosztowne w przypadku tradycyjnych falowników łańcuchowych, ponieważ nie są one w stanie redukować napięcia DC, nawet gdy są wyłączone. Skuteczne rozwiązanie stanowią systemy elektroniczne działające na poziomie modułu, takie jak optymalizatory mocy. Głównym zadaniem optymalizatorów mocy jest zwiększenie energii na wyjściu instalacji fotowoltaicznej poprzez stałe śledzenie maksymalnego punktu mocy (MPPT) na poziomie modułu. Przyczyniają się one zatem do zwiększenia bezpieczeństwa. Zintegrowane funkcje bezpieczeństwa SolarEdge spełniają np. wymagania standardów bezpieczeństwa pożarowego VDE oraz OVE R11-1: 2013 bez potrzeby dokonywania zmian strukturalnych czy montowania jakichkolwiek dodatkowych i kosztownych komponentów, takich jak przewody ognioodporne, kanały czy przełączniki dla straży pożarnej, co również upraszcza instalację.

Jak zwiększyć bezpieczeństwo przeciwpożarowe?

Zatem już na etapie planowania systemy fotowoltaiczne można zaprojektować tak, aby ograniczały pewne zagrożenia mogące wywołać pożar. Np. w systemach SolarEdge zwarcie do uziemienia wywoła uszkodzenie izolacji, w wyniku którego zostanie zainicjowane wyłączenie systemu. Nie tylko falownik zostanie odłączony, lecz również optymalizatory mocy zostaną wyłączone i przejdą w tryb bezpieczeństwa, redukując prąd w łańcuchu do 0 amperów. W przypadku drugiego zwarcia system  ma za zadanie zminimalizować odwrócenie przepływu prądu, co z kolei zmniejszy ryzyko pożaru.

Kolejnym przykładem tego, jak systemy MLPE mogą zwiększyć bezpieczeństwo,  jest podłączenie optymalizatorów mocy SolarEdge do modułów fotowoltaicznych; moduły pracują w „trybie eksploatacji” jedynie, dopóki sygnał z falownika jest stale ponawiany. W razie braku tego sygnału, optymalizatory mocy przełączają się na tryb bezpieczeństwa, wyłączając prąd DC oraz napięcie w przewodach modułu i łańcucha. W trybie bezpieczeństwa napięcie wyjściowe każdego z modułów wynosi 1 V. Np., jeżeli strażacy odetną system fotowoltaiczny od sieci elektrycznej w ciągu dnia, a system składa się z 9 modułów na każdy łańcuch, napięcie łańcucha zmniejszy się do 9 VDC.

Oznacza to, że nawet jeżeli strażacy nie będą świadomi istnienia instalacji fotowoltaicznej, z chwilą odcięcia prądu AC rozpocznie się wyłączanie na poziomie modułu. Funkcja SafeDC™, redukująca napięcie DC, może być aktywowana na różne sposoby: utrata mocy AC w falowniku w systemach bez możliwości magazynowania, ustawienie rozłącznika DC w położeniu wył., ustawienie przełącznika wył./wł. na falowniku w położeniu wył., sygnał wył. z przekaźnika, np. bramki przeciwpożarowej, sygnał wył. z platformy monitorowania, detekcja zwarcia uziemienia, odcięcie przewodów DC czy podwyższenie temperatury w falowniku.

Dzięki optymalizatorom mocy oraz falownikom SolarEdge w razie awarii systemu, takich jak zwarcie uziemienia, detekcja prądu szczątkowego czy różnego rodzaju łuki, zoptymalizowane falowniki DC SolarEdge niezwłocznie inicjują proces wyłączania. Funkcja SafeDC™ jest oferowana jako wyposażenie standardowe systemów SolarEdge. Dotychczas SolarEdge dostarczyła ponad 18,6 milionów optymalizatorów mocy oraz 766 tysięcy falowników do 120 krajów — wszystkie wyposażone w aktywną funkcję SafeDC™ zwiększającą bezpieczeństwo strażaków w trakcie czynności związanych z gaszeniem pożaru.

Zdalne rozwiązywanie problemów dzięki monitoringowi w chmurze

Inną dodatkową korzyścią dotyczącą bezpieczeństwa wynikającą z zastosowania systemów MLPE, takich jak optymalizatory mocy SolarEdge, jest również ograniczenie czasu, jaki instalator musi spędzić na dachu. Optymalizatory mocy są stale podłączone do modułów, monitorują wydajność każdego z modułów i przekazują dane dotyczące wydajności do opartej na chmurze platformy monitorowania SolarEdge, co umożliwia wydajną pod względem kosztowym konserwację systemu na poziomie modułu. Konserwatorzy monitorują system na poziomie modułu i mogą rozwiązać dany problem zdalnie, za pomocą komputera, tabletu czy smartfona,  bez konieczności dokonywania diagnozy na niebezpiecznych wysokościach.

Im więcej użytkowników będzie stosowało systemy fotowoltaiczne do zaspokojenia swojego zapotrzebowania na prąd, tym bardziej przemysł będzie koncentrował się na zwiększaniu bezpieczeństwa tych systemów. Dotychczas przemysł odpowiadał na wzmożone potrzeby bezpieczeństwa, opracowując coraz bardziej restrykcyjne wymogi bezpieczeństwa i opierając się na racjonalnej pod względem kosztów, innowacyjnej technologii. Wierzymy, że innowacje technologiczne pomogą w wyznaczaniu coraz wyższych standardów, takich jak np. detekcja łuku. I tak np. SolarEdge zaprezentowała ostatnio nową technologię służącą do ochrony przeciwpożarowej, umożliwiającą wykrycie nieprawidłowości temperatury oraz zareagowanie na nie przed wytworzeniem się łuku na poziomie złącza. Ponieważ technologia staje się coraz bardziej zaawansowana, ważne jest, aby zrozumieć lokalne standardy bezpieczeństwa, odpowiedzieć na potrzeby właścicieli systemów a planując budowę instalacji fotowoltaicznej zapoznać się z dostępnymi na rynku produktami, tak aby zapewnić maksymalne bezpieczeństwo.

 Lior Handelsman/Solar Edge