Burza z piorunami. Czy to groźne dla fotowoltaiki?

Pioruny (wyładowania atmosferyczne) to jedne ze zjawisk, które wzbudzają w ludziach fascynację, ale przede wszystkim obawy o swoje życie i mienie. Bezpośrednie lub bliskie (kilkadziesiąt do kilkuset metrów) uderzenia pioruna powoduje ogromne szkody. Często przypadek, ale przede wszystkim roztropność i zapobiegliwość może uchronić nas od uszczerbku na zdrowiu i majątku.

Musimy zdawać sobie sprawę, że skutki bezpośredniego wyładowania atmosferycznego w budynek są bardzo dotkliwe. Chodzi tu najczęściej o pożar, który jest następstwem wyzwolenia ogromnej ilości ciepła podczas przepływu udaru pioruna, ale także zniszczenie wszelkich urządzeń elektrycznych i elektronicznych ze względu na pojawienie się dużego impulsu elektromagnetycznego i tym samym zaindukowanie się na wszystkich elementach przewodzących bardzo dużych napięć i prądów.

Skutki szkodliwej energii pioruna możemy częściowo złagodzić, jeżeli na budynku jest instalacja odgromowa (piorunochron). Niestety piorunochron nie chroni sprzętu i urządzeń przed pojawianiem się przepięć. Z jakimi wielkościami mamy do czynienia podczas uderzenia piorunu? Napięcie, jakie może się pojawić między miejscem wyładowania np. dachem budynku, a powierzchnią ziemi to nawet kilkadziesiąt milionów woltów, a przepływający prąd osiągać natężenie nawet 100 000 amperów. Na szczęście prawdopodobieństwo uderzenia piorunu bezpośrednio w budynek jest stosunkowo niewielkie i dlatego większość domów jednorodzinnych nie jest wyposażona w zewnętrzną instalację odgromową (regulują tę kwestie odpowiednie normy budowlane).

Znacznie większe prawdopodobieństwo jest takie, że udar piorunu nastąpi w pobliskie drzewa, linie lub stacje wysokiego napięcia, wysokie budowle itp. Dla instalacji elektrycznej i urządzeń elektronicznych groźne są uderzenia piorunu, powodujące fale przepięciowe, nawet w odległości do 1,5 kilometra. Istotne ograniczenie ryzyka uszkodzeń zapewniają wtedy ochronniki przepięć (odgromniki), w które każdy budynek powinien być wyposażony. W tym miejscu należy przypomnieć, że domowa instalacja fotowoltaiczna (on-grid) jest przyłączona do instalacji zasilania elektrycznego budynku, stanowi jej integralną część i podlega tym samym wspólnym zasadom zabezpieczeń przeciwprzepięciowych. Ochronniki przepięć są umieszczone na tablicy głównej budynku albo w oddzielnych skrzynkach elektrycznych. Zasadą jest, aby zabezpieczały przed przepięciem przewody zasilające budynek ( L1, L2, L3 – tzw. fazowe) oraz przewód N-neutralny.

W przypadku systemu fotowoltaicznego, ochronniki zabezpieczają przewody napięcia stałego biegnące od modułów do falownika (obwód DC) oraz przewody napięcia przemiennego od falownika do naszego przyłącza tablicy (sieci) elektrycznej. Jeżeli długość, któregoś z wyżej wymienionych przewodów (kabli) jest dłuższa niż 10 metrów powinny być zainstalowane następne, dodatkowe ochronniki.

Na czym polega zasada działania ochronników? Te najczęściej, powszechnie stosowane to iskierniki lub warystory, półprzewodniki, które przewodzą po przyłożeniu do nich odpowiednio dużego napięcia. W przypadku ochronników, po pojawieniu się przepięcia na przewodzie uaktywniają się (zmniejszają swoją rezystancje do zera) i zwierają zabezpieczany przewód do ziemi. W ten sposób tłumią (rozładowują) niebezpieczne napięcie, nie pozwalając mu na pojawienie się w dalszych częściach instalacji np. na gniazdach zasilających urządzenia domowe lub w przypadku fotowoltaiki, na wejściach falownika lub na modułach.

Jak wynika z powyższego opisu, aby podczas przepięcia ochronnik zadziałał, na jego zaciski, oprócz zabezpieczanego przewodu musi być przyłączony przewód z potencjałem ziemi. Funkcję tę pełni uziemiony przewód ochronny PE (żółto-zielony), który z kolei przyłączony jest do uziomu budynku (fundamentowy, otokowy lub szpilkowy). Zaleca się łączyć ze sobą konstrukcję wsporczą fotowoltaiki (profile i ramy modułów) i je również przyłączać do wspólnego uziomu. Brak dostępnego, uziemionego punktu (musi być o niskiej rezystancji w stosunku do ziemi, która powinna być potwierdzona pomiarami) nie daje możliwości zastosowania ochronników i w sumie pozbawia nas możliwości zabezpieczenia całości domowego sprzętu elektrycznego i elektronicznego przed skutkami wyładowań atmosferycznych.

W przypadku użytkowania instalacji fotowoltaicznej, jej zgodna z normami elektrycznymi ochrona przed uszkodzeniem nabiera szczególnego znaczenia ze względu na stosunkowo większą wartość tych urządzeń (moduły, falownik) oraz w wypełnieniu wymogów gwaranta i ubezpieczyciela.

Czy panele słoneczne mogą być niebezpieczne?

Jak każda instalacja elektryczna, tak i instalacja fotowoltaiczna, w wyniku niezgodnego z normami i niefachowego montażu może przyczynić się do powstania wielu problemów natury technicznej, ale także problemów z bezpieczeństwem przeciwporażeniowymi i przeciwpożarowym. Należy na początku wspomnieć, że jeden moduł fotowoltaiczny generuje napięcie stałe powyżej 24 V, a w instalacjach składających się z kilkunastu, kilkudziesięciu modułów powstają napięcia zbliżające się wielkością do 600-800V, a prądy sięgają 8A. Ten poziom napięcia i natężenia prądu jest groźny dla życia i zdrowia człowieka i zwierząt. Współczesne generatory składające się z modułów fotowoltaicznych mają tzw. separację od potencjału ziemi. To właściwie jedyny atut bezpieczeństwa. W przypadku przypadkowego dotknięcia jednego bieguna napięcia modułów (plus lub minus) nie zostaniemy porażeni prądem. Jednocześnie trzeba pamiętać, że moduły nie wytwarzają napięcia tylko w ciemności (w nocy) lub wtedy, jeżeli są dobrze zasłonięte. W ciągu dnia wszystkie czynności łączeniowe z modułami wymagają dużej ostrożności. Nawet odłączenie napięcia generatora wyłącznikiem głównym (są często montowane w lub przy falowniku) nie powoduje „zdjęcia” napięcia z poszczególnych modułów, czy z całych stringów. Lepszy poziom bezpieczeństwa zapewniają rozwiązania z mikroinwerterami, które są montowane bezpośrednio pod modułami i pracują na znacznie mniejszych jednostkowo napięciach.

O ile dotykowa wartość napięcia stałego jest mniej groźna od tej samej wartości skutecznej napięcia przemiennego, to występuje inna, istotna różnica. Prąd stały różni się od prądu przemiennego tym, że inaczej przebiega zjawisko gaszenia łuku elektrycznego, który powstaje podczas rozłączania (łączenia) lub zwarcia obwodów o napięciu rzędu kilkuset woltów i prądzie kilku amperów. Wyładowanie łukowe powstające z przepływu prądu przemiennego jest stosunkowo szybciej, samoistnie gaszone ze względu na naturę tego prądu (przebieg sinusoidalny). W przypadku rozłączania obwodów napięć stałych powstający łuk elektryczny jest trudniejszy do opanowania. Jeżeli w sposób szybki i na odpowiednią odległość nie odsuniemy rozłączanych styków, łuk będzie się rozwijał uzyskując coraz większą temperaturę (nawet do kilku tysięcy °C). Ten efekt może stopić izolację przewodów, łączników, ale co gorsza spowodować poparzenia osób lub pożar instalacji fotowoltaicznej. Oprócz tego, jeżeli zdarzenie to ma miejsce podczas prowadzenia robót na dachu, może w wyniku porażenia prądem lub poparzenia spowodować szok i upadek z dachu, który z kolei może przyczynić się do dodatkowych obrażeń.

Odrębny temat, to zapewnienie bezpieczeństwa instalacji fotowoltaicznej wynikające ze skutków przepięć z sieci zasilającej lub z wyładowań piorunowych. Nagłe zdarzenia fizyczne (uderzenie pioruna) lub wzrosty (spadki) napięć w sieci dystrybucyjnej powodują niebezpieczne zakłócenia w pracy urządzeń elektrycznych. W dużym stopniu ograniczamy ryzyko uszkodzenia modułów i falownika stosując ochronniki przeciwprzepięciowe.

Oprócz zagrożeń związanych z elektrycznością, nie sposób nie wspomnieć o tym, że moduły są mocowane przez różnych „fachowców” lepiej lub gorzej do połaci dachu czy gruntu. W gwarze monterów fotowoltaiki istnieje określenie, że instalacja „odleci”. Dlaczego? Bo niezgodny ze sztuką budowlaną montaż modułów np. niedbałe przytwierdzanie do konstrukcji dachu i przy tym ustawienie modułów pod zbyt dużym kątem tworzącym tzw. żagiel, może przyczynić się w przypadku silnych wiatrów do zerwania modułów i w konsekwencji poczynienia wielu szkód.

Wszystkim opisanym wyżej przypadkom można jednak skutecznie zapobiegać. Najlepszym wyjściem jest zlecenie prac montażowych i konserwacyjnych osobom z odpowiednio wysokimi kwalifikacjami związanymi z instalacjami elektrycznymi i jednocześnie przeszkolonymi w zakresie montażu fotowoltaiki.

błędy instalatorów instalacji fotowoltaicznej

Jeżeli zdecydujemy się na samodzielny montaż, czujemy się na siłach, mamy wykształcenie techniczne (najlepiej elektryczne), to warto jest jednak aby nadzór nad pracami sprawowały osoby z doświadczeniem w instalacjach elektrycznych i uprawnieniami elektrycznymi grupy G1 (E i D) lub UDT (Urzędu Dozoru Technicznego). Będą i tak te uprawnienia konieczne do sporządzenia wniosku o przyłączenie mikroinstalacji fotowoltaicznej do sieci dystrybucyjnej.

Elektrownia fotowoltaiczna wykonana zgodnie z normami elektrycznymi, zaleceniami producentów modułów i inwerterów, z odpowiednio zamontowaną konstrukcją jest instalacją praktycznie bezobsługową i bezpieczną.