V súčasnom  období,  keď  veľké  množstvo  vlastníkov / majiteľov  objektov  využíva solárnu  energiu  napr. fotovoltické panely, by sa nemalo zabúdať na ich bezpečnosť z hľadiska ich prevádzkovania. Ich konštrukcia a montáž musí byť realizovaná tak, aby bola zabezpečená ochrana pred zásahom elektrickým prúdom a ochrana pred zničením majetku (protipožiarna ochrana). Problematika možnosti vypnutia fotovoltických zariadení napr. pri údržbe, oprave, alebo pri vzniknutom požiari je známa a doteraz aplikované spôsoby prinášajú len čiastkové riešenia.

Hlavným problémom je, že bežný spôsob zapojenia umožňuje iba čiastkové vypnutie celkového systému napájania / zdroja elektrickej energie. Na jednotlivých fotovoltických vetvách môže napätie prekročiť hodnotu až 1000  VDC a za striedačom hodnoty vyššie, ako 400  VAC.  Takto bežne prevádzkovaný  systém  pri  čiastočnej  poruche,  alebo  pri  náhodnom  dotyku  človeka  v nepredvídaných poruchách (napr. dotykové napätie ≥ 50 AC, alebo ≥ 120 DC) môže spôsobiť úraz elektrickým prúdom, alebo požiar.

Fotovoltaický princíp

Teória fotovoltického javu je známa už viac ako 100 rokov a za posledných 50 rokov došlo za  prispenia výskumu  pre  vesmírny  program  k významnému  rozvoju  tohto  vedného  odboru.  Súčasné  technológie umožňujú  "jednoduché"  využitie  v občianskom  sektore. V  solárnom  článku dochádza  na princípe fotovoltického javu k premene elektromagnetického žiarenia s krátkou vlnovou dĺžkou (najmä slnečné žiarenie)  priamo  na  elektrickú  energiu. Ak  vystavíme  fotovoltický  panel svetlu,  začne  tento vyrábať a následne odovzdávať elektrickú energiu na ďalšie spracovanie napr. do systému napájania objektu. Je potrebné mať na pamäti, že elektrická energia sa začne vyrábať vždy, keď na neho dopadá svetlo, či už sa jedná  o prírodné,  alebo  umelé.

Pre lepšie pochopenie funkcie a následnej ochrany uvediem jednoduchý návrh fotovoltického napájacieho zdroja / inštalácie realizovaného na rodinnom dome s výkonom 3 kWp.Vprvom rade je potrebné si uvedomiť, aký veľký výkon nám postačuje pre vlastnú potrebu / spotrebu. Je potrebné vziať do úvahy, že súčasný stav spotreby elektrickej  energie  rodinného  domu  je vypočítaný za  24hodín, teda aj za čas keď slnko nesvieti na miesto inštalácie.  Ak uvažujeme, že v priemere je možné z 3kW inštalácie získať za rok 3000kWh elektrickej energie a spotreba domu je podľa faktúr od dodávateľa el. energie 3000kWh určite to neznamená, že táto inštalácia nám pokryje 100%  spotreby.  Bez  akýchkoľvek zmien v riadení spotreby domu sa dá využiť iba 40% získanej solárnej energie. Fotovoltická  inštalácia s výkonm 3kW pozostáva  z 12ks fotovoltických  panelov svýkonom 245W a fotovoltického striedača / generátora s výkonom 2,5kW. Základ celej fotovoltickej inštalácie tvoria fotovoltické panely, ktoré sa sériovým radením spájajú do tzv. stringov. Tu máme k dispozícii niekoľko technológií vytvorenia fotovoltického (PV) panela. Momentálne najviac používané PV panely sú na báze polykryštalického kremíka, ktoré v pomere plocha / orientácia a výkon najviac vyhovujú bežným domovým / priemyselným inštaláciám. Pre samotný  výber panelov  je  vhodné  využiť  dostupné  programy od  výrobcov  fotovoltických striedačov / generátorov. 

Tieto programy už zvyčajne obsahujú databázu existujúcich výrobcov fotovoltických panelov a tým vedia optimálne navrhnúť počet panelov v stringu alebo stringoch. Pri návrhu je potrebné zvážiť či fotovoltická inštalácia bude dodávať elektrickú energiu do siete cez jedno alebo trojfázový striedač / generátor. Podľa toho je potrebné navrhnúť optimálne pracovné napätie DC časti.

Odporúčam:

• Pre jednofázový striedač / generátor minimálne 400VDC
• Pre trojfázový striedač / generátor minimálne 600 VDC

Princíp zapojenia / inštalácia základných prvkov fotovoltického zdroja napätia.

Tieto hodnoty zabezpečia správnu prevádzku počas horúcich dní a v prípade kolísania napätia elektrickej siete.  Odporúčame  navrhnúť  výkon  panelov  o 10až 20%  vyšší  ako  je  nominálny  výkon striedača / generátora. Je to z dôvodu teplotnej závislosti PV buniek. V lete, keď  je slnko najvyššie na našej oblohe, sú panely prevádzkované na vyššej teplote DC  napätie  stringu nižšie, PV  panely budú dodávať menej elektrickej energie. V zimnom období, keď sú panely intenzívne ochladzované nízkou teplotou  okolia, máme  napätie na paneloch vyššie, ale slnko je nižšie  na  oblohe, a tým nám klesá aj výkon panelov. Ďalšou časťou fotovoltickej inštalácie je striedač  /generátor, ktorý mení jednosmerné napätie na striedavé podľa elektrickej siete. Keďže už pri návrhu typu a počtu PV panelov sa uvažuje s konkrétnym typom, je táto časť jednoduchšia. Tu treba povedať, že tak ako pri PV  paneloch je možné nájsť na trhu množstvo dodávateľov striedačov s rôznou výbavou samotných striedačov.

Inštalovaný striedač musí byť certifikovaný a musí obsahovať aj prepäťové prvky ochrany na DC a AC strane, komunikačný panel pre nastavenie, signalizáciu stavu a informácie o prevádzke. Odporúčam aj DC vypínač, ktorý je výhodný zhľadiska v prípade bezpečného odpojenia.V prípade použitia PV panelov, ktoré požadujú uzemniť jeden zpólov jednosmernej časti je nutné použiť striedač s galvanickým oddelením DC a AC časti. Kvalitné PV striedače majú implementované mnohé ochranné funkcie ako napríklad nadprúd, skrat  v DC časti, zemné spojenie DC obvodu, obmedzenie premeny elektrickej energie v prípade kolísania frekvencie  a napätia elektrickej siete. Ochrana striedača na AC strane inštalácie je zvyčajne zabezpečená ističom a chráničom. Hodnota  istiacich prvkov je definovaná výrobcom. Kvalitný striedač by nemal mať problém pracovať do siete cez 30mA prúdový chránič.

PV striedače / generátory nepotrebujú pre svoju funkciu žiadne špeciálne riadiace obvody. Sú konštruované tak, aby v stave keď panely generujú dostatočné napätie automaticky začali dodávať elektrickú energiu do siete. Či sa táto elektrická energia presunie do distribučnej siete, alebo bude spotrebovaná v rámci elektrickej inštalácie objektu, záleží na energetickom riadení objektu. V prípade rodinného domu je možné nastaviť domáce spotrebiče (napr. práčka, sušička a umývačka riadu) s odloženým štartom na čas keď bude z PV inštalácie dostatočný výkon pre pokrytie časti spotreby energie uvedenými zariadeniami. Optimálnym riešením využitia PV inštalácie sú administratívne budovy. Tu je práve počas dňa maximum spotreby elektrickej energie pre počítače, servery, klimatizácie, ohrev TUV atď. Pre prípady kde nie je elektrická sieť existujú striedače, ktoré dovoľujú pracovať v ostrovnej prevádzke. Tento systém funguje na princípe podobnom  ako  UPS,  kde  batérie  sú  nahradené PV  panelmi.  Prirodzene  je  tu  aj  možnosť  ukladania elektrickej energie do batérií. Toto riešenie je možné navrhnúť s využitím dostupných batérií na báze olova alebo lítia. Každý druh má svoje výhody a nevýhody je treba pristúpiť k výberu hlavne ekonomicky. Navrhovať systém s batériami pre rodinný dom s pripojením do elektrickej siete, kde PV inštalácia spolu s batériami pokryjú 100% spotreby domu sa vráti možno za 20 rokov. Pre komerčné budovy to nemá absolútne zmysel, ak uvážime početnosť a dĺžku výpadkov dodávky elektrickej energie v priebehu roka.

Bezpečnosť fotovoltaického systému

Samostatnou kapitolou PV inštalácie je jej bezpečnosť. Z elektrického hľadiska by sa nemal používateľ dostať so styku s živými časťami. Na prepojenie PV panelov je potrebné používať špeciálne káble, nakoľko tieto sú namáhané UV žiarením zo slnečnej energie. Pri trasovaní káblov je nutné dať pozor na prechody cez oceľové konštrukcie a strechu zhľadiska poškodenia ich izolácie. Treba si uvedomiť, že aj pri vypnutom istení na AC strane DC časť vytvára pri dennom svetle napätie naprázdno čo môže byť podľa počtu zapojených panelov v stringu  aj  1000VDC. Podobne  vzmysle  platnej STN  920203:  2013  Požiarna bezpečnosť  stavieb  Trvalá  dodávka  elektrickej  energie  pri  požiarije  potrebné  dodržať  ustanovenia ohľadne vypnutia elektrických rozvodov pri požiari. Maximálne dovolené napätie pri vypnutom stave nesmie presiahnuť 120VDC. Toto je možné zabezpečiť len skratovaním jednotlivých alebo viacerých PV panelov tak, aby maximálne možné napätie bolo ≤120VDC.

Treba si tiež uvedomiť, že funkcia skratovania by  mala byť automatická v prípade výpadku striedavej elektrickej siete, keď hasiči odpoja elektrickú energiu pre objekt prípadne ľahko dostupné pre prípad ručného vypnutia.

Tak ako každé elektrické zariadenie aj PV inštalácia vyžaduje nevyhnutné činnosti pre zabezpečenie bezporuchovej  prevádzky.  Spolu s OP a OS / revíziou elektrickej inštalácie objektu je nutné vykonať aj prehliadku  a revíziu PV inštalácie celého fotovoltického zariadenia. PV panely by bolo dobré prehliadnuť aspoň raz za 5 rokov pomocou termovízie, ktorá odhalí prehrievajúce sa oblasti panela. Striedače sú zvyčajne navrhnuté pre inštaláciu vo vonkajšom prostredí a tým vyžadujú minimum údržby. Napriek tomu je potrebné skontrolovať raz za rok dotiahnutie spojov svoriek káblov, konektorov a uzemnenia.

Možnosti zapojenia PV panelov z hľadiska bezpečnej prevádzky systému napájania

Nevyhnutným zariadením je požiarny vypínač fotovoltaického zariadenia, ktorý by mal byť umiestnení v blízkosti hlavného vypínača, aby hasiči mohli vypnúť všetky zdroje elektrickej energie v objekte.

Požiarny vypínač

Klasický požiarny vypínač odpojí jednotlivé fotovoltaické slučky (string) od ostatnej sústavy. Vodiče pred panelmi zostanú bez napätia (napr. zvody zo strechy). V samotnej slučke jenapätie >120 V DC.

Vyskratovanie slučky pomocou požiarneho vypínača alebo stringboxu

Vyskratovanie vodičov slučky prinesie síce slučku bez napätia, ale  medzi jednotlivými modulmi / panelmi môže byť napätie > 120 V DC.

Bezpečný požiarny vypínač - vyskratovanie panelov a slučiek

Najspoľahlivejšou ochranou je vyskratovanie každého PV panela samostatne. V systéme sa nenachádza žiadne napätie. Tento najspoľahlivejší spôsob, ale je ekonomicky drahý.

Bezpečný požiarny vypínač - duálne skratové zapojenie systémom EP - BFA - Dual

Alternatívou k predchádzajúcemu spôsobu je vyskratovanie súčasne dvoch panelov. Náklady na tento spôsob ochrany sú úmerne nižšie. Zvyškové napätie môže byť cca 40 V DC.

Bezpečný požiarny vypínač  - skratové zapojenie troch PV panelov systém EP - BFA - Tripple

Obdobné zapojenie, ako v predchádzajúcom prípade, vyskratované sú tri PV panely. Uvedený spôsob riešenia je najlacnejší, ale napätie dosahuje hodnotu 120 V DC.

Autor článku : Ing. Mário PASTIEROVIČ