A napelemes (PV) rendszer biztonságáról
2011/11. lapszám | Juhos Viktor | 13 539 |
Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Milyen olvadóbiztosító alkalmazható napelemes (PV) rendszerek túláram-védelmére? Szerencsére ma már a témával foglalkozó szakirodalom meglehetősen gazdagnak tekinthető a napelemes rendszerekhez kapcsolódó tanulmányokkal, cikkekkel. Foglalkoznak a tervezéssel, létesítéssel, inverterekkel, túlfeszültség-védelemmel, mindazonáltal nagyon kevés publikáció tárgyalja a túláram-védelem kérdéskörét.
Talán kevesen tudják, de a napelemes rendszerek gyártói sokáig nem rendelkeztek kiforrott technológiával a napelemes (PV) rendszerek túláram-védelmére. Noha a napelemekkel kapcsolatos fejlesztések több évtizedre tekintenek vissza, egészen a legutóbbi időkig kellett várni a megfelelően hatékony válaszok, berendezések, eszközök kidolgozására a rendszer egyenáramú oldalán.
Mit is kell pontosan védenünk? Magukat a napelemeket és az őket összekötő kábeleket a túlmelegedéstől, és ezáltal a potenciálisan fenyegetést jelentő tűztől. Napelemek esetében általában Tmax = 85 °C, míg a kábelek esetében Tmax = 90-100 °C.
Köztudott, hogy a napelemtáblákat sorba összekötve ún. sztringeket alakítanak ki, majd ezeket a sztringeket párhuzamosan kapcsolva alakítják ki a napelem-rendszert. A veszélyforrást az a helyzet hordozza magában, amikor az egyik sztringben valamilyen hiba keletkezik (pl. rövidzár), és a többi rendszerelem erre rátáplál. Ilyenkor az adott sztringre tervezett névleges áram többszöröse is megjelenhet, ami túlmelegedéshez és adott esetben akár tűzhöz is vezethet. Fontos megjegyezni, hogy védelemre csak abban az esetben van szükség, ha a sztringek száma meghaladja a kettőt.
A pozitív és a negatív ágba is kell védőbetétet helyezni. Hiba esetén az olvadóbetét leválasztja a hibás sztringet, és így a napelem-rendszer többi tagja zavartalanul tud továbbüzemelni.
| gPV | gR |
| ciklikus teszt – hőmérséklet és áram | |
| DC feszültség teszt | DC feszültség teszt |
| If = 1,45 × In | If = 1,60 × In |
| Inf=1,13 × In | Inf=1,10 × In |
Hogyan tudunk a hiba ellen védekezni?
A probléma vázlatosan a következőkben foglalható össze: a napelem egy áramgenerátorként is felfogható, azaz, ha rövidre is van zárva, akkor is alig nagyobb az árama, mint amikor terhelés alatt áll a rendszer.
Ez azt eredményezi, hogy olyan védelmi megoldás kidolgozására van szükség, ami a névleges áramérték másfélszeresénél működésbe lép úgy, hogy a rendes, üzemszerű körülményeknél előforduló eseményekbe biztosan nem avatkozik be. Azaz meglehetősen szűk határok között, ám nagy megbízhatósággal végzi el védelmi tevékenységét.
Azt sem szabad elfelejteni, hogy ezek az eszközök kültéren kerülnek elhelyezésre, ami azt jelenti, hogy igen nagy hőmérséklet-ingadozásnak vannak kitéve – télen-nyáron.
Ezt a feladatot műszakilag igen nehezen lehet csak megoldani: gyakran félvezető-védelemre alkalmazott olvadóbetéteket alkalmaztak/-nak a napelemes rendszereknél is.
Ez természetesen több a semminél, de sajnos számos esetben nem tudta a napelemeket és/vagy az egész létesítményt, házat megmenteni a tűztől. Nem szabad elfelejteni, hogy magas, 500-1000 V közötti egyenfeszültségről van szó, amit nem lehet csak úgy egyszerűen lekapcsolni, amíg süt a nap, és mivel nincs null-átmenet, az esetlegesen keletkező ív hosszú percekig képes fennmaradni, nem kis fejfájást okozva ezzel a tűzoltóknak. Tehát nem egyszerűen a műszaki installáció védelme a cél, hanem komolyabb sérülésekkel is fenyegető balesetek megelőzése a kívánalom.
A gyakorta alkalmazott, félvezetőt védő betétek valóban rendkívül gyorsak: arra szolgálnak, hogy félvezetőkkel ellátott áramkörökben (pl. vezérléseknél) a potenciális káreseménnyel fenyegető áramlökések előtt már leolvadjanak, azaz igen rövid idő alatt reagáljanak az áram paramétereinek megváltozására.
A probléma ott keletkezik, hogy ezek az olvadóbetétek csupán a névleges áramérték minimum 1,6-szorosánál olvadnak le: ez azonban azzal a kellemetlen következménnyel jár, hogy ténylegesen nem alkalmasak a napelemes rendszerek védelmének ellátására, mivel rövidzár esetén nem alakul ki ekkora áram. Konkrétan fogalmazva arról van szó, hogy mire ezek a félvezetők védelmére kifejlesztett olvadóbetétek működésbe lépnének, addigra ténylegesen már le is égett az egész napelemes rendszer.
Túláram esetén nagyon alattomosan, nagyon lassan melegszik a panel, a vezeték, és úgy keletkezik a tűz, hogy a nem szakszerűen kialakított védelem ebből nem „érzékel” semmit. Erre a problémára reflektál a 2010 szeptemberében megalkotott új szabvány, az IEC 60269 6. része (Supplementary requirements for fuse-links for the protection of solar photovoltaic energy systems). Ennek megfelelően a fentiekben körvonalazott célokra kizárólag gPV jelölésű olvadóbetétek alkalmazhatók.
Ezek az olvadóbetétek a névleges áramerősség 1,13-szorosáig nem olvadhatnak le, 1,45-szörösénél pedig mindenképpen le kell olvadniuk. Fontos kiemelni azt is, hogy az olvadóbetétek megfelelő működésének reflektálnia kell a napelem-rendszerekben uralkodó, esetenként igen szélsőséges áramérték-ingadozásokra is.
A napsütés intenzitásának függvényében előálló áramerősség-változásokat a vizsgálóintézetek a termékek ellenőrzésénél szimulálják: így például olyan vizsgálatokat végeznek el, amelyek keretében 3000 ciklusban 40%-os, 75%-os, illetve 100%-os áramértékeken tesztelik az eszközöket. Egy másik teszt során szimulálják a szélsőséges hőmérsékleteket, úgy, hogy –40 °C-ra lehűtik, majd 90 °C-ra felmelegítik a rendszert 50 alkalommal.
Ezt azért érdemes kiemelni, mert a gR jelzésű betétek ehhez hasonló környezeti hatások következében gyorsan tönkremennek és leolvadnak (1-2. ábra). A mellékelt táblázat összehasonlítja a szóban forgó két olvadóbetét-típust gPV gR ciklikus teszt – hőmérséklet és áram DC feszültség- DC feszültség- teszt teszt If = 1,45 × In If = 1,60xIn Inf=1,13 × In Inf=1,10x In
Hogyan válasszunk a napelemvédelemhez olvadóbetétet?
- Az olvadóbetétre az legyen rávezetve, hogy „gPV”.
- A termék valóban tudja a gPV-karakte- risztikát – ez természetesen bizalmi kérdés, tehát olyan gyártótól válasszunk, akiben megbízunk!
