Warto wiedzieć

  • 1473

Dobór właściwego falownika

Dobór falowników należy rozpocząć od określenia typu instalacji PV i sposobu jej pracy: on-grid, off-grid, hybrydowa. Każdy z wymienionych systemów ma inny dedykowany falownik  (zob. falowniki). Kolejnym elementem jest moc generatora PV i miejsce jego montażu. Przy mocach >5kWp stosowane są obowiązkowo falowniki trójfazowe, jednofazowe tylko w małych instalacjach. Miejsce montażu wymaga natomiast określonego stopnia zabezpieczenia IP. Falowniki produkowane są np. do montażu tylko wewnętrznego, jak i uniwersalne (montaż wewnętrzny i zewnętrzny). Bardzo ważnym czynnikiem przy projektowaniu falowniku jest niedopasowanie prądowe paneli PV związane z:

  • montażem wybranych paneli pod innym kątem,
  • montażem paneli na różnych dachach w budynku o odmiennej orientacji względem południa
  • problemem okresowego (w ciągu dnia) zacienienia paneli.

Wszystkie te czynniki wymagają decyzji o wyborze konkretnego modelu (np. falownika z dwoma MPP trackerami) lub kilku osobnych falowników w instalacji.

 

Wymagana moc falownika

Każdy falownik posiada w karcie charakterystyki dwie moce użytkowe:

  • moc generatora PV
  • moc nominalna prądu zmiennego

Moc generatora PV określa maksymalną dopuszczalną wartość mocy modułów fotowoltaicznych podłączonych do falownika. Moc nominalna po stronie AC (prądu zmiennego) jest zawsze trochę niższa (związana między innymi ze sprawnością falownika) i określa maksymalną moc odbiorników jakie można podłączyć do falownika, lub maksymalną ilość energii jaką można odprowadzić do sieci.

Moc generatora PV podawana jest zawsze dla warunków STC, które w praktyce są rzadko osiągane. W ciągu całego roku energia rzędu 1000W/m2 występuje tylko przez okres kilku do kilkunastu godzin, co stanowi zaledwie 1-2% całkowitego czasu nasłonecznienia paneli. W pozostałym czasie nasłonecznienie nie przekracza wartości 800-900W/m2. Oznacza to, ze przez 98% czasu panele pracują na maksymalnie 80-90% swojej mocy.

Pamiętajmy też, że moc paneli PV spada już po pierwszym ich uruchomieniu i związana jest z efektem starzenia się ogniw. Proces ten jest dość powolny, ale już w pierwszym roku pracy powoduje spadek mocy średnio o kilka procent. Wynika stąd, że generator PV nigdy nie osiąga mocy projektowej podawanej przez producenta. Z kolei falownik dla optymalnej sprawności powinien pracować możliwie blisko swojej mocy maksymalnej znamionowej. Sprawność falownika jest wtedy najwyższa i wynosi w zależności od modelu do 97%. Przy spadku mocy generatora <20% mocy nominalnej falownika (np. przy pochmurnym dniu i nasłonecznieniu 200 W/m2), sprawność falownika gwałtownie spada.

Wynika stąd, że korzystniej jest zawsze projektować falownik o nieco większej mocy niż moc generatora PV. Jak duża powinna być ta różnica? Według wytycznych producentów falowników zakres ich mocy powinien mieścić się w przedziale 0,8-1,2 mocy generatora PV.

Charakterystyka falownika

Zakres pracy falownika mieści się pomiędzy napięciem Ustart a napięciem Umax .Gdy napięcie po stronie DC uzyska wartość Vstart, falownik załącza się i rozpoczyna poszukiwanie punktu mocy maksymalnej. Jeżeli punkt ten znajduje się pomiędzy Vmin a Vstart, falownik załączy się i rozpocznie pracę. Dopóki napięcie nie przekroczy minimalnej wartości zakresu MPPT, pracuje z niepełną mocą. Najwyższą sprawność falownik uzyskuje przy napięciu Vnom, przez co konfiguracja łańcuchów paneli PV powinna dawać napięcie bliskie Vnom falownika.

Każdy falownik ma podany w karcie charakterystyki zakres napięcia MPPT. Jest to parametr który określa, przy jakiej wartości napięcia na wejściu DC falownika zostanie wykryty punkt mocy maksymalnej przez MPP tracker. Kolejnym ważnym parametrem decydującym o pracy, jest minimalne napięcie załączenia falownika. Jest to wartość napięcia ze strony modułów PV przy którym falownik w ogóle się uruchomi i zacznie generować energię. W naszym przypadku (tabela powyżej) zakres MPPT wynosi 200-800V, a napięcie minimalne 150V. Jak to się ma do doboru falownika?

Obie powyższe wartości decydują o budowie stringu paneli, ich ilości i sposobie połączenia (szeregowe, równoległe, równoległo-szeregowe). Każdy panel w stringu generuje określone napięcie i natężenie prądu zależne od chwilowego oświetlenia i zgodne z jego charakterystyką I-V. Połączone ze sobą panele w zależności od sposobu łączenia (szeregowe, równoległe) sumują napięcia lub natężenia prądu. W każdym przypadku suma ta nie może przekroczyć dopuszczalnych wartości dla danego modelu falownika po stronie DC. Spróbujmy prześledzi jak dobiera się ilość paneli w stringu. Dla poprawności obliczeń przyjmijmy panele o mocy 270Wp, firmy LG monokrytaliczne o charakterystyce poniżej.

 

Wśród parametrów tych dla nas najważniejsze będą:

  • moc maksymalna – PMPP [Wp],
  • tolerancja mocy – ±DPMPP [%] (coraz częściej tylko dodatnia),
  • napięcie obwodu otwartego – UOC [V],
  • prąd zwarcia – ISC [A],
  • napięcie przy mocy maksymalnej – UMPP [V],
  • prąd przy mocy maksymalnej – IMPP [A],
  • temperatura pracy modułu w warunkach nominalnych – NOCT [°C] (zwykle ok. 43÷48°C, mniejsze wartości wskazują na wyższą jakość modułu),
  •  współczynniki temperaturowe odpowiednio dla: ISC, UOC, PMPP, – αT, βT, γT [%×°K-1 lub %×°C-1].\

Maksymalna moc falownika z uwagi na sieć EE

Jak duży może być  falownik podłączony do sieci? Według wytycznych operatorów (np. INSTRUKCJA RUCHU I EKSPLOATACJI SIECI DYSTRYBUCYJNEJ WARUNKI KORZYSTANIA, PROWADZENIA RUCHU, EKSPLOATACJI I PLANOWANIA ROZWOJU SIECI Załącznik nr 2 SZCZEGÓŁOWE WYMAGANIA TECHNICZNE DLA JEDNOSTEK WYTWÓRCZYCH PRZYŁĄCZANYCH DO SIECI DYSTRYBU-CYJNEJ), Mikroźródło przyłączane do sieci dystrybucyjnej w określonym punkcie (PCC) powinno spełniać następujące kryterium, że moc zwarciowa w punkcie przyłączenia (PCC) powinna być przynajmniej 20 razy większa od sumy mocy znamionowych mikroźródeł przyłączonych do tego samego obwodu sieci nN zasilanego ze stacji SN/nN. Ze względu na koordynację zabezpieczeń minimalna moc przyłączeniowa odbiorcy (obiektu przyłączonego), do którego wewnętrznej instalacji elektrycznej ma zostać przyłączone mikroźródło, powinna być nie mniejsza niż 4,5 kW dla instalacji 1-fazowej oraz 12,5 kW dla instalacji 3-fazowej.

 

 

Zabezpieczenie instalacji PV przed skutkami wyładowań

Jeżeli wykonujemy instalację fotowoltaiczną na dachu, to zgodnie z wymogami aktualnych przepisów każdy obiekt budowlany, w tym również obiekty z systemami PV umieszczonymi na dachu, należy chronić przed skutkami wyładowań atmosferycznych bezpośrednich i pobliskich, jeżeli ryzyko wystąpienia szkód piorunowych, wyznaczone zgodnie z zaleceniami normy PN-EN 62305-2 (arkusz 2 dotyczący zarządzania ryzykiem przy ochronie odgromowej) jest większe niż ryzyko tolerowane. W takim przypadku zagrożony obiekt budowlany, a więc i zainstalowane na nim systemy PV, chroni się przed bezpośrednim uderzeniem pioruna za pomocą układu zwodów (LPS) tworzących strefę ochronną o takich rozmiarach, aby całość urządzeń zamontowanych na dachu mieściła się wewnątrz tej strefy (wytyczne w normie PN-EN 62305-1). Zgodnie ze specyfikacją techniczną CLC/TS 50539-12 zwody pionowe powinny mieć przekrój minimum 50 mm 2 (Cu) lub ekwiwalent tej wartości, przewody mogące odprowadzać prąd udarowy od ogranicznika przepięć typu 1 do szyny uziemiającej minimum 16 mm 2 )Cu) lub ekwiwalent, natomiast przewody pomocnicze stosowane do ekwipotencjalizacji oraz odprowadzania prądów wyładowczych od ogranicznika przepięć typu 2 do szyny uziemiającej muszą mieć minimum 6 mm 2 (Cu) lub odpowiedni ekwiwalent.

Układając przewody instalacji fotowoltaicznej, zarówno wewnątrz w domu jak i na zewnątrz, należy unikać tworzenia pętli indukcyjnych, gdyż w przeciwnym razie mogą się zaindukować znaczne przepięcia. Norma PN-EN 62305-4 zaleca prowadzenie kabli możliwie jak najbliżej elementów metalowych sieci połączeń wyrównawczych oraz ograniczania powstawania pętli indukcyjnych. W zakresie krzyżowania się instalacji fotowoltaicznych i odgromowych należy zastosować odpowiednie odległości – zwykle minimalna odległość to 50 do 90 cm. Zachowanie odległości między tymi instalacjami oznacza praktycznie, że nie mogą się one bezpośrednio krzyżować— jeżeli jest to konieczne, to należy np. przeprowadzić instalację odgromową na wspornikach. W takim przypadku można zastosować ograniczniki przepięć PVtypu 2 zgodnie ze specyfikacją techniczną CLC/TS 50539-12 pkt. 6.3 oraz ogranicznik przepięć AC typu 1+2 w rozdzielnicy głównej ze względu na istnienie instalacji odgromowej.

Ograniczniki przepięć

Ograniczniki przepięć niskiego napięcia, zwane też zgodnie z normami SPD (Surge Protection Device), to urządzenia do ochrony przed skutkami przepięć. Budowane są i testowane zgodnie
z ogólną normą PN-EN 61643-11 oraz specyficzną normą dotyczącą ograniczników przepięć dla fotowoltaiki PN-EN 50539-11. Zbudowane są tak, aby wielokrotnie odprowadzać przepięcia powstające w instalacjach i jeżeli nie ulegną awarii lub nie pojawi się prąd udarowy czy wyładowczy przekraczający możliwości danego aparatu, mogą działać skutecznie wiele lat. Ogranicznik przepięć po zadziałaniu ma powrócić do swojego stanu pierwotnego.

Przykładowo podczas badania ograniczników przepięć typu 2 wg normy PN-EN 61643-11, jednym z testów (pkt. 7.6.4 — Wstępne kondycjonowanie w próbach klasy Il) jest poddanie ogranicznika 15 udarom prądowym o kształcie fali 8/20gs, o biegunowości dodatniej (3 serie po 5, czas między udarami to 50-60 sekund, a między seriami 25-30 minut). Ten parametr nazywany jest znamionowym prądem wyładowczym, jest oznaczany In. Drugim bardzo ważnym badaniem klasy Il jest jednorazowe poddanie SPD wyładowaniu jak największym prądem o kształcie fali 8/20ps — wartość tego prądu jest podawana dla ograniczników przepięć jako Imax Dla ograniczników typu 1 przeznaczonych do odprowadzania prądów piorunowych najważniejszym badaniem są udary prądowe o kształcie fali 10/350 vs i ten wytrzymany podczas badań w laboratorium zgodnie z normą prąd nazywamy udarowym i zapisujemy jak Iimp•

Przy tej okazji warto wspomnieć, że IkA prądu udarowego o kształcie fali 10/350 vs ma energię ponad 20 razy większą niż IkA prądu wyładowczego 8/20 ps. Jest to o tyle ważne, że od 2007 roku prawidłowa nazwa popularnego typu ograniczników przepięć do odprowadzania prądu piorunowego to typ Tl+T2, nazywany też typem 1+2. Do roku 2006 normy nazywały te ograniczniki B+C, obecnie obowiązujące normy nie posługują się tymi oznaczeniami. Niestety są na rynku dostępne ograniczniki przepięć o nazwie handlowej B+C (to nie jest typ w rozumieniu normy), stosunkowo tanie, które wprowadzają w błąd odbiorców ze względu na nawiązanie do poprzednie typologii. Tak naprawdę są to najczęściej ograniczniki obecnego typu 2 przeznaczone do odprowadzania prądów wyładowczych In ponieważ słabo odprowadzają one prądy udarowe, to ich stosowanie zamiast typu 1+2 może spowodować uszkodzenie chronionej instalacji, poważne straty materialne i nawet pożary, co narazić może projektanta i instalatora na odpowiedzialność prawną.

 

Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej na dachu budynku

  1. Jeżeli budynek jest wyposażony w instalację odgromową (LPS), to jako zasadę przyjmujemy takie usytuowanie instalacji PV, aby z każdej jej strony odstęp między krawędzią metalowej konstrukcji wsporczej modułu a najbliższym zwodem był większy od odstępu izolacyjnego bezpiecznego s — wyznaczanego według zaleceń normy PN-EN 62305-3. W takim przypadku konstrukcję wsporczą modułu należy łączyć przewodem wyrównawczym bezpośrednim z główną szyną wyrównania potencjału w budynku. Taką instalację fotowoltaiczną chronimy przy pomocy ograniczników przepięć typu 2 czyli dobieramy ograniczniki z typoszeregu DS50… firmy CITEL.
  2. Jeżeli ze względów technicznych nie możemy zapewnić odpowiednio dużych odstępów pomiędzy instalacjami fotowoltaiczną i odgromową (np. na dachu krytym blacho-dachówką, w obiekcie budowlanym o konstrukcji stalowej lub gdy cały dach został całkowicie pokryty modułami PV), to w takim przypadku musimy połączyć konstrukcję wsporczą modułów PV z najbliższymi zwodami. Przy czym tutaj nadal obowiązuje zasada takiego zaprojektowania LPS, aby system modułów PV znajdował się w jego strefie ochronnej — czyli należy wykluczyć również i tutaj możliwość bezpośredniego wyładowania piorunowego w moduł PV. W takim przypadku dobieramy do ochrony instalacji fotowoltaicznej ograniczniki przepięć typu 1+2 z typoszeregu DS60VGPV… firmy Cl TEL.
  3. Ostatni możliwy przypadek instalowania modułów PV na dachu budynku, to obiekt, dla którego nie przewidujemy konieczności ochrony odgromowej, co jest uzasadnione wynikami odpowiedniej analizy ryzyka szkód piorunowych przeprowadzonych według normy PN-EN 62305-2. Należy w takim układzie dokonać ekwipotencjalizacji systemu PV, czyli połączyć przewodem wyrównawczym bezpośrednim konstrukcję wsporczą modułu PV z główną szyną wyrównania potencjału w budynku. Norma mówi, że w takim przypadku na leży zastosować minimum ogranicznik typu 2 czyli DS50…, ale trzeba mieć świadomość, że istnieje jednak pewne niebezpieczeństwo bezpośredniego uderzenia pioruna, dlatego wskazane byłoby jednak zastosowanie ograniczników typu 1+2, czyli DS60VGPV.
  4. Jeżeli odległość między modułami PV, a falownikiem PV przekracza 10 m, to ograniczniki wskazane pkt 1-3 należy zainstalować na każdym łańcuchu jak najbliżej modułów fotowoltaicznych, natomiast obok falownika po stronie DC należy zainstalować dodatkowo ogranicznik typu 1+2 czyli DS60VGPV lub typu 2 czyli DS50…, jak też po stronie AC powinien być zainstalowany ogranicznik typu 1+2 lub 2 na prąd przemienny. Jeżeli budynek ma instalację odgromową, to niezależnie od wskazanych powyżej ograniczników należy w rozdzielnicy głównej zgodnie z zasadami ochrony odgromowej mieć zainstalowany ogranicznik przepięć typu 1+2 (poziom ochrony poniżej 2,5kV), jak np. DS134VG lub DS134R.
  5. Jeżeli w instalacji nie mamy połączonych równolegle więcej niż 2 łańcuchów modułów PV, to nie musimy stosować zabezpieczeń przetężeniowych.
  6. Ze względu na charakter budynków i dużą eksponowaną powierzchnię dachu budynki takie powinny być wyposażone w instalację odgromową. Tutaj także należy pamiętać o takim usytuowaniu instalacji PV, aby z każdej jej strony odstęp między krawędzią metalowej konstrukcji wsporczej modułu, a najbliższym zwodem był większy od odstępu izolacyjnego bezpiecznego s — wyznaczanego według zaleceń normy PN-EN 62305-3. W takim przypadku konstrukcję wsporczą modułu należy łączyć przewodem wyrównawczym bezpośrednim z lokalną lub główną szyną wyrównania potencjału w budynku. Trzeba też pamiętać o unikaniu krzyżowania się oraz prowadzeniu równoległym w małej odległości instalacji odgromowej i fotowoltaicznej, co zostało omówione wcześniej w niniejszym opracowaniu. Taką instalację fotowoltaiczną chronimy przy pomocy ograniczników przepięć typu 2 czyli dobieramy ograniczniki z typoszeregu DS50… firmy Cl TEL.
  7. Jeżeli jednak ze względów technicznych nie możemy zapewnić odpowiednio dużych odstępów pomiędzy instalacjami fotowoltaiczną i odgromową (np. na dachu krytym blacho-dachówką, w obiekcie budowlanym o konstrukcji stalowej lub gdy cały dach został całkowicie pokryty modułami PV), to w takim przypadku musimy połączyć konstrukcję wsporczą modułów PV z najbliższymi zwodami. Przy czym tutaj nadal obowiązuje zasada takiego zaprojektowania LPS, aby system modułów PV znajdował się w jego strefie ochronnej — czyli należy wykluczyć również i tutaj możliwość bezpośredniego wyładowania piorunowego w moduł PV. W takim przypadku dobieramy do ochrony instalacji fotowoltaicznej ograniczniki przepięć typu 1+2 z typoszeregu DS60VGPV… firmy Cl TEL.

  8. Przy instalacjach PV na rozległych dachach mamy często również dodatkowe instalacje sygnałowe i telekomunikacyjne. W tych sieciach również mogą zaindukować się przepięcia w wyniku pobliskiego uderzenia pioruna. Sieci te są zwykle bardzo czułe na przepięcia, gdyż najczęściej działają one przy napięciu kilku lub kilkunastu woltów DC. W tym przypadku należy zastosować odpowiednie ograniczniki przepięć działające bardzo szybko np. typu DLA lub DLU firmy CI TEL. Do ochrony sieci komputerowej przed przepięciami zalecamy ograniczniki typu MJ8.
  9. Jeżeli odległość między modułami PV, a falownikiem PV przekracza 10 m, a przy rozległych instalacjach występuje to prawie zawsze, to ograniczniki wskazane pkt 1-3 należy zainstalować na każdym łańcuchu jak najbliżej modułów fotowoltaicznych, natomiast obok falownika po stronie DC należy zainstalować dodatkowo ogranicznik typu 1+2 czyli DS60VGPV lub typu 2 czyli DS50…, jak też po stronie AC powinien być zainstalowany ogranicznik typu 2 na prąd przemienny. Jeżeli budynek ma instalację odgromową, to niezależnie od wskazanych powyżej ograniczników należy w rozdzielnicy głównej zgodnie z zasadami ochrony odgromowej mieć zainstalowany ogranicznik przepięć typu 1+2, jak np. DS254, DS134VG lub DS134R.

Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej fotowoltaicznej na farmach PV

  1. Ze względu na duży obszar zajmowany przez instalacje PV (można przyjąć, że np. instalacja o mocy 1 MW zajmuje 1-2 hektary w zależności od ukształtowania terenu) są one bardzo narażone na bezpośrednie i pośrednie skutki uderzeń piorunów. W zależności od oceny ryzyka wg normy PN-EN 62305-2 oraz decyzji projektanta i inwestora buduje się instalację odgromową lub się z niej rezygnuje. Budując instalację odgromową trzeba pamiętać o unikaniu krzyżowania się oraz zachowaniu właściwych odległości pomiędzy instalacją odgromową i fotowoltaiczną, co zostało omówione wcześniej w niniejszym opracowaniu. Taką instalację fotowoltaiczną chronimy najlepiej przy pomocy ograniczników przepięć typu 1+2 czyli dobieramy ograniczniki z typoszeregu DS60 lub DS50VGPV-1000/10KT1 firmy Cl TEL do ochrony każdego łańcucha PV.
  2. Jeżeli nie przewidujemy konieczności ochrony odgromowej, co jest uzasadnione wynikami odpowiedniej analizy ryzyka szkód piorunowych przeprowadzonych według normy PN-EN 62305-2 lub podejmujemy taką decyzję w celu obniżenia kosztów, to wówczas musimy przemyśleć temat zabezpieczenia tej instalacji ogranicznikami przepięć. Norma mówi, że w przypadku braku konieczności ochrony odgromowej należy zastosować minimum ogranicznik typu 2 czyli np. DS50… firmy Cl TEL, ale trzeba mieć Świadomość, że istnieje jednak pewne niebezpieczeństwo bezpośredniego uderzenia pioruna, dlatego wskazane byłoby jednak zastosowanie ograniczników typu 1+2 czyli np. DS60VGPV. Takie inwestycje budowane są często na kredyt i trzeba uważać, gdyż niektóre towarzystwa ubezpieczeniowe wyłączają lub mocno ograniczają swoją odpowiedzialność za szkody wywołane przez uderzenia piorunów i przepięcia.
  3. Przy dużych instalacjach PV na rozległym terenie mamy często również dodatkowe instalacje sygnałowe i telekomunikacyjne. W tych sieciach również mogą się zaindukować przepięcia w wyniku pobliskiego uderzenia pioruna. Sieci te są zwykle bardzo czułe na przepięcia, gdyż najczęściej działają one przy napięciu kilku woltów DC. W tym przypadku należy zastosować odpowiednie ograniczniki przepięć działające bardzo szybko typu DLA lub DLU firmy Cl TEL. Do ochrony sieci komputerowej przed przepięciami zalecamy ograniczniki typu MJ8.
  4.  Farmy fotowoltaiczne są budowane często daleko od siedzib ludzkich i ponieważ istnieje ryzyko kradzieży modułów PV oraz innych urządzeń, dlatego stosuje się różnego typu
    zabezpieczenia, przede wszystkim kamery monitoringu. Kamery te są umieszczone na otwartej przestrzeni i dlatego są bardzo narażone na przepięcia indukowane. Firma Cl TEL oferuje szeroką gamę ograniczników prze pięć do ochrony takich kamer. Ograniczniki typu MSP-VM zabezpieczają zarówno zasilanie i sterowanie kamer, jak też sygnał zarówno analogowy jak i cyfrowy i są dostosowane do napięcia 12 i 24V DC oraz 230V AC. W ofercie znajdują się również ograniczniki przepięć do ochrony kamer działających w systemie Ethernet, POE (Power over Ethernet) np.: CMJ8-POE, jak też systemy RAK do zabezpieczania pulpitów dyspozytorskich, do których podłączonych jest wiele kamer.
  5. Ponieważ na farmach PV odległość między modułami PV, a falownikiem PV przekracza 10 m, to ograniczniki wskazane pkt 1-3 należy zainstalować na każdym łańcuchu jak najbliżej modułów fotowoltaicznych, natomiast obok falownika po stronie DC należy zainstalować dodatkowo ogranicznik typu 1+2 typu DS60VGPV lub typu 2 czyli DS50