Ahol fény van, ott árnyék is van

Átírás

1 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 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. 1 Fotovillamos komponensek kiválasztása Csak annak a tervezőnek van esélye, hogy gazdaságos üzemet valósítson meg, aki a fotovillamos berendezés tervezésének 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- 2 Garmisch-Partenkirchen és Flensburg, napállás december 22-én Távolság a felfogó berendezés és a következő modulsor között, valamint az s veszélyes megközelítési távolság betartása 12 ä 2011/1 ä elektroinstallateur

2 3 4 A napállás és a felfogórúd által okozott árnyék napi változása télen 5 A napállás és a felfogórúd által okozott árnyék napi változása nyáron 6 A felfogórúd hosszának és túllógásának számítása a gördülő gömb módszerével MSZ-EN 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 (1. ábra). Budapest nagyjából egy szélességi fokon helyezkedik el Garmisch- Partenkirchennel. 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 árnyékképződésének 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 félárnyékú 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 ún. visszirányú feszültség, ami a rész- ä elektroinstallateur ä 2011/1 ä 13

3 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. 7 Felfogórudak modulsorok közvetlen villámcsapás elleni védelmére A német villámvédelmi szabvány, DIN EN részének 5. melléklete [3] A villámvédelmi szabvány német kiadásában (DIN EN 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 fotovillamos 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 [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 5 havi Besugárzási Magárnyékmentes K 12 5 É 49 0 energianyereség szög α, a hónap 21. min. vízszintes napján távolság 10 mm rúd mögött Október 6,6 % cm November 3,3 % cm December 2,4 % 8,7 % 20,8 % cm Január 3,3 % cm Február 5,6 % 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- 14 ä 2011/1 ä elektroinstallateur

4 Flensburg, napállás: december 21., modulsorok közötti távolság 2,16 m 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 8 9 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: , 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 :2006 Villámvédelem 1. rész: Általános alapelvek, MSZ EN :2006 Villámvédelem 2. rész: Kockázatkezelés, MSZ EN :2006 Villámvédelem 3. rész: Építmények fizikai károsodása és életveszély, MSZ EN :2006 Villámvédelem 4. rész: Villamos és elektronikus rendszerek építményekben [4] Beiblatt 5 VDE DIN EN : Schutz von baulichen Anlagen und Personen Beiblatt 5: Blitz- und Überspannungsschutz für PV Stromversorgungsysteme VDE VERLAG Berlin elektroinstallateur ä 2011/1 ä 15