Nr 167 21 Katarzyna JARZYŃSKA ABB Sp. z oo PRODUKTY

Nr 167 21 Katarzyna JARZYŃSKA ABB Sp. z oo PRODUKTY

Instalacje fotowoltaiczne
Katarzyna JARZYŃSKA
ABB Sp. z o.o.
PRODUKTY NISKONAPIĘCIOWE
W INSTALACJI PV
Streszczenie: W normalnych warunkach pracy każdy moduł generuje prąd o wartości zbliżonej
do prądu zwarciowego Isc, który powiększa się o 25% ze względu na ryzyko wzrostu promieniowania. Dla maksymalnego ograniczenia strat mocy przyjmuje się, że spadek napięcia na kablach instalacji PV powinien wynosić 1 do 2%. „Zasłonięty” string absorbuje i rozprasza energię
elektryczną wytwarzaną przez inne stringi połączone równolegle i współpracujące z tym samym
przemiennikiem częstotliwości, a płynący przez niego prąd rewersyjny może uszkodzić moduły.
Jeżeli do zabezpieczenia stringów stosujemy wyłączniki lub wkładki bezpiecznikowe, to ich prąd
znamionowy In , powinien być nie mniejszy niż 1,25 Isc i nie większy od wartości podanej przez
producenta, a przy braku określonych zaleceń nie większy od 2,0 Isc .
1. Wprowadzenie
Instalacja ogniw fotowoltaicznych musi być zaprojektowana i wykonana zgodnie
ze wszystkimi obowiązującymi normami i rozwiązaniami technologicznymi gwarantującymi możliwie najbezpieczniejsze działanie oraz najpewniejszą ochronę ludzi, którzy będą pracować przy obsłudze systemu. Aby można było uznać system fotowoltaiczny za dobrą inwestycją, musi on sprawnie funkcjonować, przez co najmniej
20 lat, w różnych warunkach pogodowych. Działanie każdego urządzenia powinno
pozostać niezmienione w ciągu całego cyklu życia systemu. Sprzęt elektryczny do
ochrony, sterowania, rozłączania i izolacji urządzeń oraz okablowanie ma zapewnić
odpowiedni poziom produkcji energii w ciągu roku oraz ochronę ludzi i budynków.
W normalnych warunkach pracy każdy moduł generuje prąd o wartości zbliżonej
do prądu zwarciowego, dlatego zakłada się, że prąd obwodu pojedynczego stringu
wynosi:
I b = 1,25 ⋅ I sc
(1)
gdzie Isc jest prądem zwarciowym w warunkach normalnych, a mnożnik 1,25 bierze
pod uwagę ryzyko 25% wzrostu promieniowania powyżej 1 kW/m 2 .
1.1. Kable łączące moduły PV
Kable łączące moduły mocowane są do elementów, których temperatury mogą
osiągać wartości 70 °C do 80 °C. Najczęściej stosuje się kable jednożyłowe na napięcie 0,6/1 kV o maksymalnej temperaturze pracy nie niższej niż 90 °C i wysokiej
odporności na promieniowanie UV. Producenci podają obciążalność kabli Io np.
w temperaturze 30 °C w powietrzu. Ze względu na temperaturę pracy i sposób instalacji obciążalność kabli używanych do łączenia modułów wymaga stosowania
Nr 167
21
Instalacje fotowoltaiczne
współczynników korekcyjnych (wynoszących nawet 0,52). Przekrój kabla instalacji
fotowoltaicznej powinien spełniać dwa warunki:
• jego obciążalność prądowa Iz nie powinna być mniejsza od projektowanego prądu
Ib i jeżeli warunek ten jest spełniony, to nie jest wymagane zabezpieczenie kabla
przed przeciążeniem,
• spadek napięcia powinien mieścić się w określonym przedziale.
Po stronie DC instalacji PV spadek napięcia na kablach jest powiązany jedynie
z ich rezystancją i odpowiada procentowej stracie mocy:
∆U % =
∆UIn
∆U
∆P
(2)
100% =
100
%=
100% = ∆P %
Un
Un I n
Pn
Ponieważ dążymy do maksymalnego ograniczenia strat mocy, przyjmuje się, że
spadek napięcia na kablach powinien wynosić 1 do 2% (a nie 4% jak to ma miejsce
w innych instalacjach). Małe instalacje PV składające się z jednego lub dwóch stringów nie wymagają zabezpieczenia kabli przed zwarciem. W instalacjach większych,
w których n stringów jest podłączonych do przemiennika częstotliwości, kabel powinien być zabezpieczony przed zwarciem jeżeli jego obciążalność Iz < (n-1) 1,25 Isc.
1.2. Prądy rewersyjne
Biorąc pod uwagę obszar zajmowany przez moduły fotowoltaiczne, część z nich
(jedno lub więcej ogniw) może znaleźć się w cieniu drzew, liści opadłych, kominów,
chmur, śniegu lub paneli fotowoltaicznych zainstalowanych w pobliżu. W przypadku zasłonięcia ogniwa fotowoltaiczne przestają produkować energię i stają się elementami biernymi. Zachowują się wtedy jak diody, które blokują przepływ prądu
wytwarzanego przez inne połączone szeregowo ogniwa, zagrażając całości produkcji
modułu. W teorii rozwiązaniem dla tej sytuacji byłoby wstawienie diody by-passu równolegle do każdego, pojedynczego ogniwa. Byłoby to jednak zbyt uciążliwe
i kosztowne. Dlatego zazwyczaj instalowane są 2÷4 diody obejściowe dla każdego
modułu. „Zasłonięty” string absorbuje i rozprasza energię elektryczną wytwarzaną
przez inne stringi połączone równolegle i współpracujące z tym samym przemiennikiem częstotliwości. Płynie przez niego prąd rewersyjny w kierunku przeciwnym do
standardowego. Prąd ten może uszkodzić moduły. Moduły fotowoltaiczne są w stanie wytrzymać prądy rewersyjne o wartości od 2,5 do 3 Isc. Jeżeli do jednego inwertera
podłączonych jest równolegle n stringów, to prąd rewersyjny wynosi Iinv = (n-1)1,25Isc.
Zabezpieczanie stringów nie jest konieczne, jeżeli Iinv ≤ 2,5Isc. W ten sposób otrzymujemy
zależność: (n-1)1,25Isc ≤ 2,5Isc, a z niej n ≤ 3. Nie ma więc potrzeby stosowania zabezpieczenia przed prądami rewersyjnymi, jeżeli ilość stringów nie jest większa od 3.
2. Dobór wkładek bezpiecznikowych i wyłączników
Do zabezpieczeń stringów projektanci instalacji solarnych najczęściej stosują
bezpieczniki, które w przeciwieństwie do diod w przypadki awarii, przerywają ob22
Instalacje fotowoltaiczne
wód elektryczny. Bezpieczniki są rozwiązaniem prostym w użytkowaniu, ale należy
zwrócić uwagę na ich właściwy dobór i uwzględnić pewne podstawowe wymagania:
• muszą posiadać charakterystykę wyzwalania gPV odpowiednią do ochrony fotowoltaicznych obwodów, zgodnie z normą IEC 60269-6,
• muszą być dobrane do wartości prądu, tj. nie mniej niż 1,25Isc i nie więcej od
wartości wskazanej przez ich producenta dla ochrony modułów. Przy braku określonych zaleceń należy dobrać wartość bezpiecznika na wartość prądu 2,0Isc lub
mniej,
• wkładki bezpiecznikowe należy zamontować w dedykowanych rozłącznikach
bezpiecznikowych, będących w stanie rozproszyć energię, która wytworzy się
w krańcowo złych warunkach roboczych.
Rys. 1. E 9F PV
Rys. 2. E90/32PV
Jeżeli do zabezpieczenia stringów stosujemy wyłączniki, to ich prąd znamionowy
In, tak jak dla wkładek bezpiecznikowych, powinien być nie mniejszy niż 1,25Isc i nie
większy od wartości podanej przez producenta, a przy braku określonych zaleceń
– nie większy od 2,0Isc. Wytrzymałość zwarciowa wyłączników zabezpieczających
stringi nie powinna być mniejsza od prądu zwarciowego z pozostałych n-1 stringów
podłączonych do tego samego przemiennika częstotliwości:
I cu ≥ (n − 1) ⋅ 1,25 I sc
(3)
Dla wyłączników wyposażonych tylko w zabezpieczenie magnetyczne jest konieczne, jeżeli to możliwe, nastawienie funkcji zabezpieczenia na wartość Iz w celu
ustalenia zadziałania urządzenia, jeżeli prąd przekroczy obciążalność zabezpieczanego kabla. Oprócz tego możliwe jest zastosowanie zabezpieczenia magnetycznego,
jeżeli ilość stringów nie przekracza 3. Przy większej liczbie należy stosować zabezpieczenia termomagnetyczne.
Nr 167
23
Instalacje fotowoltaiczne
3. Izolowanie i rozłączanie
W instalacji fotowoltaicznej ważną rolę odgrywa izolowanie i możliwość rozłączenia urządzeń po obu stronach przemiennika częstotliwości: w obwodach prądu
stałego oraz po stronie prądu przemiennego. Rozłączniki izolacyjne dedykowane do
zastosowań fotowoltaicznych są standardowo używane do izolacji paneli słonecznych
i baterii akumulatorów. Mogą być również stosowane jako rozłączniki główne całego
systemu fotowoltaicznego. Rozłączniki ABB mają kompaktowe wymiary, unikalne
funkcje bezpieczeństwa i mogą pracować przy wysokich wartościach napięcia stałego. Rozłączniki OTDC 16..40 dostępne są również w wersji w obudowie odpornej
na promieniowanie UV.
Rys. 3. Rozłączniki OTDC 16…40
Rys. 4. Rozłączniki OTDC 100…250
Rozłączniki OTDC 100...250 A to obecnie jedyne na rynku aparaty 2-biegunowe
na napięcie łączeniowe 1000 V DC. Skonstruowanie takich aparatów stało się możliwe dzięki starannej optymalizacji płyt łukowych i zastosowaniu dwuprzerwowego
rozłączania z wydmuchem magnetycznym. Do przerwania prądu w rozłącznikach
OTDC wykorzystywana jest elektromagnetyczna siła Lorentza powodująca wyciągnięcie i przerwanie łuku. W aparatach większych siła elektromagnetyczna ma wystarczającą wartość, by umożliwić przerwanie prądu. W rozłącznikach mniejszych
powiększa się siłę Lorentza wprowadzając dodatkowe pole magnetyczne wewnątrz
komór łukowych. Aparaty mają symetryczną konstrukcję, która umożliwia łączenie
niezależne od polaryzacji, więc rozłącznik działa jednakowo w obie strony. Rozłączniki OTDC 100...250 A DC są jedynymi tego typu aparatami na rynku z widoczną
przerwą zrealizowaną przez duże okna w obudowie, które pozwalają sprawdzić położenie styków głównych aparatu. Działanie rozłącznika nie jest wrażliwe na skoki
napięcia, a przełączanie odbywa się z prędkością niezależną od operatora (szybkie
załączenie i rozłączenie).
Funkcje izolowania i rozłączania w kategorii użytkowania DC22B możemy zrealizować stosując Tmaxy PV – pierwszą rodzinę kompaktowych rozłączników dedykowanych do segmentu PV na napięcie znamionowe łączeniowe Ue do 1100 V DC
i zakres prądowy od 160 do 1600 A. Stosując Tmaxy PV możemy zrealizować funkcję sterowania zdalnego przy użyciu napędu silnikowego.
24
Instalacje fotowoltaiczne
Rys. 5. Rozłącznik Tmax T1D160
4. Ochrona przepięciowa
Ze względu na miejsce montażu paneli słonecznych instalacje fotowoltaiczne są
narażone na bezpośrednie uderzenia pioruna lub na przepięcia związane z pośrednim
oddziaływaniem wyładowań atmosferycznych. Ochrona przepięciowa po stronie
napięcia przemiennego realizowana jest zgodnie ze standardowymi zasadami obowiązującymi dla instalacji AC. Ochrona po stronie DC wymaga zastosowania aparatów dedykowanych do instalacji PV. Ogniwa fotowoltaiczne są zwykle powiązane
z przemiennikami częstotliwości. W przypadku przepięcia elementy elektroniczne
i półprzewodnikowe są najbardziej narażone na uszkodzenie. Grupa ABB opracowała mocowane na szynie modułowej ograniczniki OVR PV_, które mogą realizować
ochronę przepięciową ogniw fotowoltaicznych z przemiennikami częstotliwości po
stronie DC. W proponowanym rozwiązaniu przepięcie zostaje ograniczone do wymaganego poziomu ochrony dzięki zastosowaniu połączenia Warystor – Warystor
(Warystor tlenkowy ZnO – MOVs – Metal Oxyde Varistor ) lub Iskiernik gazowy
– Warystor. Ograniczniki OVR PV_ mogą być stosowane w elektrowniach słonecznych i w aplikacjach domowych.
Nr 167
25
Instalacje fotowoltaiczne
Rys. 6. Przykład instalacji fotowoltaicznej
w domku jednorodzinnym. Oznaczenia:
Punkty A, B, C to miejsca montażu ograniczników przepięć w instalacji paneli fotowoltaicznych po stronie DC.
Proponowane typy ograniczników:
• OVR PV 40 600 P TS
dla Umax = 500...600 V,
• OVR PV 40 1000 P TS
dla Umax = 1000 V.
Każdy warystor ma odłącznik termiczny i w razie potrzeby instaluje się dodatkowe zabezpieczenie. Ograniczniki przepięć do instalacji fotowoltaicznych OVR PV nie
wymagają dobezpieczenia przy prądach zwarciowych do 100 A. Natomiast w przypadku wartości powyżej 100 A muszą być dobezpieczone bezpiecznikami 10 A typu
gPV lub 10 A wyłącznikiem S800 PV-S.
Gaszenie łuku elektrycznego przy prądzie stałym jest bardziej złożone, ponieważ
prąd stały nie przechodzi przez zero. Ogranicznik przepięć OVR PV jest w stanie
zgasić łuk dzięki szybkiemu rozłączeniu styków i odizolowaniu ich przez wprowadzenie specjalnej przegrody, która wsuwa się między styki przerywając łuk. Ograniczniki przepięć na prąd 20 kA mają średni czas
życia 20 lat (niektóre lat 30, inne 5). Są to wartości statystyczne dla Europy.
ABB opracowała całą gamę niezawodnych
produktów dedykowanych do zastosowań fotowoltaicznych, które są w stanie sprostać wymaganiom całej instalacji, od łańcuchów paneli fotowoltaicznych (stringów) po stronie prądu stałego
aż do połączenia z siecią energetyczną. Oferujemy
pojedyncze aparaty i gotowe rozwiązania – rodzinę wyposażonych w aparaty, okablowanych,
certyfikowanych szafek instalacyjnych do zabezpieczenia od 1 do 8 stringów do zastosowania
w małych instalacjach PV i w dużych farmach
słonecznych.
Rys. 7. Szafka instalacyjna zabezpieczajaca 1 string
5. Literatura
1. Technical Application Papers No. 10 Photovoltaic plants – 11/2011.
2. Low Voltage Products Solutions for solar energy 10/2010.
26