Fot. 1. W przypadku gdy dojdzie do zacienienia jednego z paneli to w tym panelu dochodzi do zwarcia, a co za tym idzie, przepływu prądu zwarciowego Isc. Stanowi on sumę prądów pochodzących z innych łańcuchów paneli PV.Jakie parametry określają moduły fotowoltaiczne? Przede wszystkim jest istotna moc w punkcie mocy maksymalnej podawana w Pmpp. Jest to moc jaką ogniwa są w stanie wygenerować w najoptymalniejszych dla siebie warunkach, czyli przy nasłonecznieniu 1000 W/m2, temperaturze ogniwa wynoszącej 25°C oraz przy widmie promieniowania o wartości AM 1,5. Istotnym parametrem jest także napięcie w punkcie mocy maksymalnej (Vmpp), czyli maksymalne napięcie jakie może osiągnąć moduł pod obciążeniem. Przy wyborze modułów fotowoltaicznych zwraca się uwagę na napięcie rozwarcia (Voc). Jest to maksymalne napięcie powstające na module, do którego nie jest podłączony odbiornik. Warto wspomnieć o prądzie w punkcie mocy maksymalnej (Impp). Parametr ten odpowiada za określanie maksymalnej wartości prądu, jaki może być wyprodukowany przez moduł w najoptymalniejszych warunkach pod obciążeniem. Zwraca się uwagę na prąd zwarciowy (Isc), będący maksymalnym prądem jaki może być wygenerowany przez moduł bez obciążenia. Maksymalne napięcie pracy jest z kolei wartością, która określa amplitudę napięcia modułów łączonych ze sobą szeregowo.
Fot. 2. W razie uszkodzenia wewnętrznego falownika niejednokrotnie dochodzi do przepływu prądu zwarciowego, pochodzącego zazwyczaj z głównej sieci zasilającej, do układu paneli PV.Dostępne na rynku ogniwa fotowoltaiczne najczęściej są produkowane z krzemu monolitycznego lub polikrystalicznego. Przy mocy jednego panelu, osiągającej do 150-180 W, uwzględnia się ogniwa monokrystaliczne. Ogniwa polikrystaliczne zastosowanie znajdują w panelach o mocy, która przekracza 200 W. Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne osiągają niewielką moc. Stąd też dla uzyskania większej wydajności prądowej i napięciowej ogniwa są łączone równolegle lub szeregowo w panele i moduły. Moc systemów fotowoltaicznych przekłada się na zajmowaną przez nie powierzchnię.
Interesujące rozwiązanie stanowią panele amorficzne. Ich budowa różni się od rozwiązań, które znajdują zastosowanie w panelach mono- i polikrystalicznych. W modułach amorficznych osadza się cienkie warstwy krzemu o wielkości 2 mikronów na powierzchni innego materiału. W takim rozwiązaniu nie ma możliwości wyodrębnienia pojedynczych ogniw.
W przypadku gdy dojdzie do zacienienia jednego z paneli to w tym panelu dochodzi do zwarcia, a co za tym idzie, przepływu prądu zwarciowego Isc. Stanowi on sumę prądów pochodzących z innych łańcuchów paneli PV. Z kolei w przypadku uszkodzenia wewnętrznego falownika niejednokrotnie dochodzi do przepływu prądu zwarciowego, pochodzącego zazwyczaj z głównej sieci zasilającej, do układu paneli PV.
Fot. 3. We wnętrzu ogranicznika zazwyczaj przewiduje się dwa warystory, a każdy z nich jest zabezpieczony elementem termicznym w postaci odłącznika.Napięcie na nieobciążonych zaciskach zestawu paneli ma wartość znamionową również podczas niewielkiego nasłonecznia. Jedynie prąd jest zależny w sposób liniowy od nasłonecznienia promieniami. Stąd też warto zwrócić uwagę na ryzyko porażenia elektrycznego.
Odrębne zabezpieczenie stanowi ochrona systemów fotowoltaicznych przed przepięciami, które pochodzą od wyładowań atmosferycznych zarówno pośrednich jak i pośrednich. Rozwiązania tego typu bazują na specjalnych ogranicznikach przepięć.
Specjaliści zwracają uwagę na dwa poziomy zabezpieczeń uzyskane poprzez bezpieczniki topikowe. Stąd też poziom I ma za zadanie wyłączanie prądów zwarciowych DC w obszarze paneli w miejscu położonym możliwie najbliżej paneli fotowoltaicznych. W tym celu zastosować można chociażby specjalnie zaprojektowane i badane bezpieczniki topikowe cylindryczne (np. CH 10 DC z oferty firmy Eti Polam), które montowane są w rozłączniku. Co zatem zyskuje się stosując poziom I zabezpieczeń? Przede wszystkim istotne jest fizyczne i elektryczne odłączenie każdego pojedynczego panelu. Należy pamiętać aby rozłącznik był zainstalowany zarówno w biegunie „+”, jak i „-” obwodu łańcucha paneli.
Fot. 4. Napięcie na nieobciążonych zaciskach zestawu paneli ma wartość znamionową również podczas niewielkiego nasłonecznia. Jedynie prąd jest zależny w sposób liniowy od nasłonecznienia promieniami. Stąd też warto zwrócić uwagę na ryzyko porażenia elektrycznego.Nie mniej ważny jest poziom II zabezpieczeń uzyskany poprzez bezpieczniki topikowe. Poziom ten stanowi ochronę główną instalacji fotowoltaicznej a zabezpieczenia zazwyczaj instaluje się w pobliżu zacisków wejściowych przekształtnika. Istotną rolę odgrywa elektryczne połączenie z rozłącznikami pierwszego poziomu. Do montażu bezpieczników przeznaczone są podstawy bezpiecznikowe. Należy pamiętać aby bezpiecznik był zainstalowany zarówno na biegunie „+”, jak i „-” przekształtnika. Trzeba sprawdzić czy przekształtnik jest uziemiony. Jeżeli przewidziano uziemienie, bezpiecznik instaluje się wyłącznie na jednym biegunie.
Typowe wkładki topikowe oraz współpracujące z nimi rozłączniki, przeznaczone do ochrony ogniw fotowoltaicznych, projektowane są na napięcie 900 V i 1000 V DC. Istotną rolę odgrywa specjalna charakterystyka czasowo-prądowa t-I zbliżona do charakterystyki gR bezpieczników odpowiedzialnych za zabezpieczanie elementów półprzewodnikowych. Należy podkreślić, że ich znamionowe całki Joule’a przedłukowe i wyłączania cechują bardzo niskie wartości.
Fot. 5. Również i w przypadku rozłączników oferowane są wyzwalacze napięciowe i styki pomocnicze.Z kolei wkładki topikowe będące zabezpieczeniem głównym instalacji fotowoltaicznej cechuje napięcie znamionowe DC 750 V – 1100 V. Są one umieszczane w podstawach bezpiecznikowych lub rozłącznikach, dzięki czemu zyskuje się szybkie odłączenie przekształtnika od instalacji paneli fotowoltaicznych a więc całego obwodu prądu stałego. Odrębne zagadnienie stanowi dobór poszczególnych rodzajów bezpieczników.
Na rynku oferowane są wyłączniki kompaktowe (np. Ex9MD firmy Noark Electric) zaprojektowane z myślą o pracy w instalacjach fotowoltaicznych o prądach przekraczających 63 A. Najmniejsza seria aparatów jest dostępna na wartości prądu znamionowego od 16 do 125 A. Specjalną serię przewidziano dla zakresów prądowych mieszczących się pomiędzy 125 a 250 A. Odpowiednie wyłączniki znajdują również zastosowanie w przypadku prądów osiągających do 400 A.
Fot. 6. Również i w przypadku rozłączników oferowane są wyzwalacze napięciowe i styki pomocnicze.Do wszystkich wyłączników dostępne są akcesoria wewnętrzne takie jak wyzwalacze wzrostowe i podnapięciowe, styki pomocnicze oraz styki pomocnicze zadziałania. Warto również zwrócić uwagę na akcesoria zewnętrzne w postaci napędów obrotowych bezpośrednich oraz drzwiowych, a także napędów silnikowych, osłon końcówek zacisków zarówno w wykonaniu krótkim jak i długim. Oferowane są również elastyczne przegrody separujące.
Niejednokrotnie w instalacjach fotowoltaicznych uwzględnia się rozłączniki izolacyjne. Odpowiednie ich wersje znajdują zastosowanie jako główne rozłączniki całej instalacji i są montowane przed wejściem do inwertera. Stąd też zyskuje się możliwość rozłączania obwodu w czasie normalnej pracy oraz w momencie gdy wystąpi zakłócenie. Również i w przypadku rozłączników oferowane są wyzwalacze napięciowe i styki pomocnicze.
Fot. 7. Specjalne rozdzielnice niejednokrotnie z odpowiednimi zabezpieczeniami są produkowane z myślą o stosowaniu w fotowoltaice.Modułowe ograniczniki przepięć (np. OBV26PV firmy Fotton), które zaprojektowano z myślą o pracy w instalacjach fotowoltaicznych, zapewniają ochronę przed przepięciami łączeniowymi pochodzącymi od wyładowań atmosferycznych pośrednich lub bezpośrednich. Ograniczniki tego typu znajdują zastosowanie zarówno w obiektach wyposażonych w instalację odgromową, jak i funkcjonujących bez instalacji odgromowych. Typowy ogranicznik cechuje się klasą B+C tym samym spełnia wymogi klas I i II. Maksymalne napięcie pracy ciągłej wynosi 1060 V DC przy po ziomie napięcia ochrony nie przekraczającym 2,5 kV. Prąd próbny (10/350) Ipeak wynosi z kolei 8 kA, a prąd maksymalny (8/20) Imax osiąga 40 kA przy prądzie próbnym (8/20) In wynoszącym 20 kA. W zakresie parametrów istotną rolę odgrywa dobezpieczenie 125 AgL. Czas odpowiedzi nie przekracza 25 ns.
We wnętrzu ogranicznika zazwyczaj przewiduje się dwa warystory a każdy z nich jest zabezpieczony elementem termicznym w postaci odłącznika. W ogranicznikach można wymienić wkładkę warystorową bez konieczności odłączania podstawy urządzenia. Optyczny wskaźnik stanu wkładki informuje o zużyciu elementu. Przydatne rozwiązanie stanowi możliwość zastosowania opcjonalnego styku pomocniczego, a więc informacja o uszkodzeniu może być przekazana do systemu monitoringu.
Fot. 8. Niejednokrotnie w instalacjach fotowoltaicznych uwzględnia się rozłączniki izolacyjne. Odpowiednie ich wersje znajdują zastosowanie jako główne rozłączniki całej instalacji i są montowane przed wejściem do inwertera.Nowoczesne kontrolery ładowania bazują na technologii mikroprocesorowej. Urządzenia tego typu zapewniają kontrolę punktu maksymalnej mocy modułów. W niektórych regulatorach przewidziano trójpoziomowy algorytm ładowania z kompensacją temperaturową. Tym sposobem znacząco wydłuża się trwałość akumulatorów. W wielu rozwiązaniach zastosowano regulator typu master, który zarządza regulatorami slave. Zaletą takiego rozwiązania jest zwiększenie pojemności systemu fotowoltaicznego. Istotną rolę odgrywa zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją napięcia. Bezpieczeństwo montażu i użytkowania zapewni również zabezpieczenie nadprądowe, przeciwzwarciowe i temperaturowe. Regulatory pracują z dowolnym napięciem wejściowym.
Na rynku oferuje się kilka typów regulatorów ładowania. Stąd też zastosować można profesjonalne regulatory hybrydowe z amperomierzami, szeregowe i MPPT. Regulatory ładowania szeregowe i hybrydowe stosuje się w systemach 12 V z 36-ogniwowymi modułami fotowoltaicznymi. Z kolei w systemach 24 V i 48 V dwa 36-ogniwowe moduły (24 V) lub dwa 72-ogniwowe moduły (48 V) muszą być połączone szeregowo.
Szeregowe regulatory ładowania stosuje się w małych systemach wyspowych lub przydomowych. Regulatory z amperomierzami są przeznaczone do większych aplikacji i systemów hybrydowych ze względu na małe straty podczas ładowania.
Damian Żabicki
Źródło: materiały informacyjne firm ETI Polam, Centropol, NOARK Electric
Jesteś zainteresowany podobnymi produktami lub usługami?
Kliknij w wybraną wizytówkę, żeby dowiedzieć się więcej.
