szerelés
n
kivitelezés
Ahol fény van, ott árnyék is van Fotovillamos rendszerek túlfeszültség-védelme A tető a rendelkezésre álló felületen keresztül korlátozza a fotovillamos rendszer teljesítményét. Naponta ismétlődő kihívás a fotovillamos rendszerek tervezésénél a villámvédelem és a lehető legnagyobb teljesítményű fotovillamos installáció összhangba hozása.
Napjainkban már több mint 500 000 hálózatra kötött fotovillamos szolárberendezés üzemel Németországban. Ennek a sikernek az alapja a németországi Megújuló Energia Törvény (Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG), amely koncepciójában határozottan kihat a fotovillamos rendszerek komponenseinek kiválasztására. Így az EEG nem a fotovillamos berendezés beszerzését honorálja, hanem a több mint 20 év alatt elérhető energianyereséget. Ez a támogatás a tetőre szerelt berendezések esetében a legnagyobb. Épületek esetében villámvédelem telepítését Németországban többnyire a biztosítók iránymutatása [1] vagy középületek esetében a tartományi építési előírások (Landesbauordnungen = LBO) követelik meg. Fotovillamos komponensek kiválasztása Csak annak a tervezőnek van esélye, hogy gazdaságos üzemet valósítson meg, aki a fotovillamos berendezés tervezésé-
nek korai szakaszában figyelembe veszi a helyi adottságokat a részegységek kiválasztásánál. Hiszen leginkább a nagy energianyereség a legjobb reklám a létesítő számára. Az árnyékmentes kialakítás, a megbízható, magas hatásfokkal rendelkező váltóirányító is fontos, de a kárkockázati tényezőket is részletesen figyelembe kell venni. Ez utóbbihoz tartozik a villám becsapásának veszélye is, ami az energiatermelő berendezés teljes megsemmisülése mellett kiterjedt károk létrejöttével fenyeget az egész épületben. A fotovillamos berendezés exponált elhelyezkedése kedvelt becsapási pontot kínál fel a villámkisülések számára. Ezenkívül azokban a régiókban, ahol magas a beeső napsugárzási energia, ott a villám becsapási kockázata is nagyobb. A villám- és túlfeszültség-védelmi rendszer kialakításába befektetett pénz hozzájárul ahhoz, hogy a fotovillamos berendezés hosszú éveken keresztül megbízhatóan és biztonságosan
szolgáltasson energiát. Nem szakszerű kialakítás esetében azonban nem megengedhető árnyékképződést okoz. Árnyékképződés fotovillamos moduloknál Ha valaki a forró nyári napokon a nap járását is figyelembe veszi a parkolóhely kiválasztásánál, az autójához történő visszatéréskor gépjárművét hűvös árnyékban találja. Ebben a kontexusban a rossz becslés következménye csupán a magas utastérhőmérséklet. A fotovillamos rendszereknél ez egészen másként alakul. A tetőn elhelyezett egyéb felépítmények, továbbá a közelben elhelyezkedő fák növekedése következtében kialakuló árnyékok százalékos értékben két számjegyű csökkenést okozhatnak az energiatermelésben, és ezen keresztül gazdasági veszteséget eredményeznek. Az árnyékképződés a mindenkori installáció helyén sok tényezőtől függ: n az árnyékképző elem és ennek távolsága a fotovillamos modultól, n a Nap éves járásának menete az égbolton az installáció helyén, n éves átlagos közvetlen napsütéses órák száma, n a modul típusa (szilícium vagy vékonyréteg), n a modulok villamos kapcsolása és a váltóirányító típusa. Ezek a helyi feltételek és a fotovillamos berendezés kialakításától függő változók nem teszik lehetővé, hogy fix átalányértéket határozzanak meg az energiatermelés csökkenésére. Azokon a területeken, ahol kisebb a közvetlen napsütéses órák száma, kisebb az árnyékos órák száma is. A szélességi fok meghatározza a Nap állását. Míg Garmisch-Partenkirchenben (Dél-Németországban) a téli napforduló napján, a legmagasabb napálláskor a nap-
1
2
Garmisch-Partenkirchen és Flensburg, napállás december 22-én
12 ä
Távolság a felfogó berendezés és a következő modulsor között, valamint az „s” veszélyes megközelítési távolság betartása
2011/1 ä elektroinstallateur
Elektro_2011_01_09-17.indd 12
2011.01.31. 18:23:44
szerelés
3
n
kivitelezés
4
A napállás és a felfogórúd által okozott árnyék napi változása télen
A napállás és a felfogórúd által okozott árnyék napi változása nyáron
5
6
A felfogórúd hosszának és túllógásának számítása a gördülő gömb módszerével MSZ-EN 62305 3. rész
Villámvédelmi rendszer tervezése a gördülő gömb módszerével
sugárzás beesési szöge 19° 04’, ugyanebben az időben Flensburgban (a német– dán határ közelében) ez az érték csak 11° 47’ (1. ábra). Budapest nagyjából egy szélességi fokon helyezkedik el GarmischPartenkirchennel. Az árnyék vízszintes hossza a napsugárzás beesési szögétől függ (2. ábra). Az árnyékképződés által okozott energiatermelés-csökkenést vizsgáló, hosszú időn át folytatott kísérletek eredményei új projektekre sajnos nem vihetők át. A helyi adottságoknak túlságosan nagy befolyásoló hatása van az eredményekre. A várható hasznosítható energianyereség meghatározására széles körű hardver- és szoftverkínálat áll rendelkezésre a tervezők és a kivitelezők számára. Ezen eszközök használatakor figyelembe lehet venni a helyi adottságokat és a befolyásoló tényezőket. Az 1 cm-nél kisebb átmérőjű tárgyak – mint például a felfogórudak lineáris ár-
nyékképződésének – hatása azonban nem vehető figyelembe a fenti eszközökben. Túl kicsi a felfogórudak befolyásoló hatása. A 3. ábra mutatja, hogy az árnyékképződés a déli órákban a folyamatosan növekvő beesési szög következtében csökken, illetve az árnyék már nem is éri el a fotovillamos modult. A folyamat sokkal erősebben jelentkezik a nyári hónapokban, amikor a hasznosítható energiamennyiség sokkal nagyobb. Az a sematikus felület, amelyet a felfogórúd által okozott árnyék súrol, egy nap során a nyári hónapokban egyre messzebb kerül az ellipszistől. A déli órákban az árnyék közvetlenül a felfogórúd mögött található, és igen rövid (4. ábra). A 3. és 4. ábrákat összehasonlítva jól látható, hogy az árnyékképződés a téli hónapokban sokkal meghatározóbb. Ez jól felismerhető a magárnyékú terület nagyságán. Az árnyékot vető tárgy mögötti árnyék két részterületre osztható. A félárnyé-
kú terület az árnyék külső szélén található, ahová – mivel a Nap, mint fényforrás nem pontszerű – fénysugarak jutnak el. Az árnyék belseje, magja a teljes árnyékú terület, ahová a közvetlen napsugárzás egyáltalán nem ér el. A fenti eredmény az árnyékképződés által okozott energianyereség-csökkenés szempontjából pozitívan értékelhető, hiszen a novembertől januárig terjedő hónapokban a teljes éves energianyereség kevesebb mint 10%-a realizálódik. Az éves energianyereség szempontjából fontos nyári hónapokban az árnyékképződés sokkal kevésbé meghatározó. A hotspotok veszélyeztetik a fotovillamos modulokat A fotovillamos modulok különlegessége a pontszerű magárnyék jelentős befolyásoló hatása a modul teljes teljesítményleadására [2]. A feszültség növelése érdekében kialakított egyes elemi cellák, valamint modultáblák soros villamos kapcsolása következtében a helyileg kialakuló árnyék teljesítménycsökkenést eredményez. A teljesítménycsökkenés oka az ä ún. „visszirányú feszültség”, ami a részelektroinstallateur ä 2011/1 ä 13
Elektro_2011_01_09-17.indd 13
2011.01.31. 18:23:45
szerelés
n
kivitelezés
leges vagy magárnyék miatt alakul ki egy elemi cellán. Ez a visszirányú feszültség (max. 7 V) és a cellán keresztülfolyó áram szorzata veszteségi teljesítményt eredményez. Ez a veszteségi teljesítmény a cellában hővé alakul. A napsugárzás energiájához hozzáadódva, magas környezeti hőmérséklet mellett ez helyi hotspotok kialakulásához vezet. A pontszerűen kialakuló túl magas hőmérséklet a modul visszafordíthatatlan károsodását eredményezi. A modulgyártók ezt a hatást úgy igyekeznek kivédeni – elsősorban kristályos szilíciumtechnika esetén –, hogy az elemi cellákba bypass-diódákat építenek be. Ezek a bypass-diódák a visszirányú feszültséget pl. 0,7 V feszültségre korlátozzák, és ezzel megakadályozzák a hotspotok kialakulását. A német villámvédelmi szabvány, DIN EN 62305 3. részének 5. melléklete [3] A villámvédelmi szabvány német kiadásában (DIN EN 62305 3. rész) az 5. melléklet 2009 szeptemberében jelent meg. Ebben a mellékletben amelynek címe: Villám- és túlfeszültség-védelem fotovillamos áramellátó rendszereknél (Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssysteme) részletes információk találhatók a címben olvasható témában. A melléklet tartalmazza többek között a galvanikus, mágneses és villamos csatolás hatásait, a szabványos módszereket a külső villámvédelem tervezése során, mint például a háló-, védőszög, valamint a gördülő gömb eljárást (5. és 6. ábra). A melléklet továbbá tartalmazza a túlfeszültség-védelmi készülékek kiválasztásának szempontjait, a túlfeszültség-védelmi berendezések energetikai koordinációját, a kábel- és vezetékfektetés és árnyékolás kérdéseit, valamint a funkcionális földelés és a villámvédelmi potenciálkiegyenlítés kérdéseit. Függetlenül attól, hogy az „s” veszélyes megközelítési távolság betartható vagy nem, a felfogórendszer elsődleges feladata annak megakadályozása, hogy a fotovil-
7
Felfogórudak modulsorok közvetlen villámcsapás elleni védelmére
lamos berendezés bármely részén közvetlen villámbecsapási talppont alakuljon ki. Ez érvényes a modulokra, a tetőn futó kábelezésre, a tetőn elhelyezett inverterre és generátorcsatlakozó szekrényre (GAK). A felfogórudak csúcsainak a védendő berendezéseknél magasabban kell lenniük, hogy ennek a feladatnak meg tudjanak felelni. A nap folyamán változó árnyékképződés különösen nagyobb, tetőn elhelyezett berendezések esetén okoz problémákat. A 7. ábra egy nagyobb berendezést mutat. Ha az MSZ EN 62305-2 [3] szabvány alapján vagy más előírások alapján elvégzett kockázatelemzés után a villámvédelmi osztály fokozatára III. érték adódik, a korábban említett gördülő gömb módszer során 45 m-es sugarú gömböt kell alkalmazni. Annak érdekében, hogy a közvetlen becsapás a fotovillamos berendezésbe
Táblázat. Átlagos havi energianyereség 10 éves üzemi tapasztalatok alapján és évszaktól függő, magárnyék nélküli, minimális vízszintes távolság a felfogórúd és a fotovillamos modul között
Regensburg Havi 3 havi K 12° 5’ É 49° 0’ energianyereség Október November December Január Február
14
5 havi Besugárzási Magárnyékmentes szög α, a hónap 21. min. vízszintes napján távolság ∅10 mm rúd mögött
6,6 % 3,3 % 2,4 % 8,7 % 20,8 % 3,3 % 5,6 %
30° 21° 18° 21° 30°
94 cm 101 cm 102 cm 101 cm 94 cm
10
Havi energianyereség alakulás kWh-ban
elkerülhető legyen, a felfogórudak között 10 m-es vízszintes átlós távolságot feltételezve a gördülő gömb belógása 28 cmre adódik. Ez azt jelenti, hogy legalább 28 cm-rel kell a felfogórudaknak magasabbnak lenniük, mint a fotovillamos berendezés legmagasabb pontja. Gyakran igyekeznek a korlátozott felületű tetőre lehetőség szerint sok fotovillamos modulsort elhelyezni, annak érdekében, hogy nagy egységteljesítményt érjenek el. Ennek következményeként az egyes sorok között kis távolság adódik. A sorok között állítják fel a villámvédelmi felfogókat. A veszélyes megközelítési távolság betartása, valamint a felfogók árnyékvetülési problémája a felfogó mögötti modulsornál a tel-
ä 2011/1 ä elektroinstallateur
Elektro_2011_01_09-17.indd 14
2011.01.31. 18:23:46
szerelés
8
Flensburg, napállás: december 21., modulsorok közötti távolság 2,16 m
9
Garmisch-Partenkirchen, december 21., modulsorok közötti távolság: 1,33 m
jesítménynöveléssel szemben ellentétes szempontokat jelentenek. A német villámvédelmi szabvány korábban említett 5. mellékletének „A” függeléke számítási képletet és táblázatot tartalmaz a magárnyék számítására. A teljes árnyékkal fedett területen belül a magárnyék részaránya egyenesen arányosan csökken az árnyékképző tárgy és az árnyékot adó felület közötti távolság növelésével. Más szavakkal a felfogórúd és a fotovillamos modul közötti távolság növelésével a felfogórúd már nem képes határozott kontúrral rendelkező magárnyékot létrehozni. A távolság növelésével a magárnyék megszűnik és csak részárnyék alakul ki. A távolságot tovább növelve a részárnyékkal fedett terület is teljesen megszűnik. A számítások szerint egy 10 mm átmérőjű felfogórúd mögött kb. 1 m távolságban már megszűnik a magárnyék kialakulásának lehetősége. Ezt a távolságot természetesen a vízszintessel szöget bezáró fénysugár irányában kell figyelembe venni. A vízszintesen mért távolság, azaz a felfogórúd és a modul közötti távolság ezért 1 m-nél kisebb. Ezt a helyi besugárzási szög alapján – amit a telepítés helyén a szélességi fok és az évszaknak megfelelő napállás befolyásol – lehet meghatározni. A felfogórúd és a modul közötti „kritikus” távolság egy, az évszaktól függő, változó érték.
FV modulsorok optimális távolsága és a berendezés védelme felfogókkal Nincs minden tetőn felülvilágító ablak vagy más hasonló felépítmény, ami elegendő teret ad a felfogórudak árnyékmentes elhelyezésére a fotovillamos modulsorok között. A villámvédelmi berendezések elhelyezésének teljes elutasítása a lehetséges maximális energianyereség csökkenése miatt szembeállítható a komoly károk lehetőségével, amely a fotovillamos berendezésben, az épületben keletkezhet, sőt személyi sérülések lehetősége is fennáll. Nem is beszélve a műszaki követelményeknek való megfelelőség hiányáról, abban az esetben, ha a villámvédelem kialakítását az előírások megkövetelik. A 8. ábrán látható, hogy Németország északi részén a modulsorok közötti nagyobb távolság következtében elegendő hely van a felfogórudak olyan elhelyezésére, ami az „s” veszélyes megközelítési távolság betartását lehetővé teszi. Dél-Németországban a modulsorok közötti kisebb távolság az egész éves magasabb napállásnak köszönhető (9. ábra). Ezen kívül figyelembe lehet venni azt is, hogy a november és január hónapok között kialakuló árnyékképződés az éves energianyereségre milyen hatással van. A táblázat és a 10. ábra egy
n
kivitelezés
Regensburgban elhelyezett fotovillamos berendezés 10 éves átlagos mért energianyereségének téli hónapokra eső százalékos értékét mutatja. A téli hónapokban még akár kétszámjegyű energianyereség-csökkenés is csak kis hatással van az éves energianyereségre. Összefoglalva: a téli hónapokban a lineáris és a vándorló magárnyék – amit felfogórudak keltenek fotovillamos modulokban – nem jelent veszélyeztetési potenciált a hotspotok kialakulása szempontjából. A téli hónapokban az ebben az időszakban alacsony besugárzási energia, a kis külső hőmérséklet és a modulokban folyó kis áramerősségek is csökkentik a hotspotok kialakulásának veszélyét. Villámvédelmi felfogó berendezések esetében az energianyereség-csökkenés okozására irányuló fenntartások nem megalapozottak. A sokrétű szempontok részletes figyelembevétele a helyi adottságokkal összefüggésben azonban alapvetően fontos. A sokéves energianyereség garantálásának javítása érdekében – mint ahogy az egy optimálisan kialakított villámvédelemmel lehetséges – a villámvédelem létrehozásának előnyt kell biztosítani. Olyan épületek esetében, ahol villámvédelem kialakítása követelmény, a fotovillamos és villámvédelmi berendezés egyidejű alkalmazásának szakszerű tervezése és kivitelezése megoldható feladatot jelent. Dipl. Ing. Klaus-Peter Müller és Wolfgang Wegemann cikke alapján összeállította dr. Kovács Károly
IRODALOM: [1] Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz, Richtlinien zur Schadenverhütung: VdS 2010, Ausgabe: 2005-07, Hrsg: VdS-Verlag [2] Prof. Dr. Quanschning, Volker: Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen Systemen/Volker Quaschning – 1. Auf. – Berlin: Verlag Dr. Köster, 1996 [3] MSZ EN 62305-1:2006 Villámvédelem 1. rész: Általános alapelvek, MSZ EN 623052:2006 Villámvédelem 2. rész: Kockázatkezelés, MSZ EN 62305-3:2006 Villámvédelem 3. rész: Építmények fizikai károsodása és életveszély, MSZ EN 62305-4:2006 Villámvédelem 4. rész: Villamos és elektronikus rendszerek építményekben [4] Beiblatt 5 VDE 0185-305-3 2009 DIN EN 62305-3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen – Beiblatt 5: Blitz- und Überspannungsschutz für PV Stromversorgungsysteme VDE VERLAG Berlin elektroinstallateur ä 2011/1 ä 15
Elektro_2011_01_09-17.indd 15
2011.01.31. 18:23:48
