Odgromienie i uziemienie instalacji fotowoltaicznej - co musisz wiedzieć?

Odgromienie i uziemienie instalacji fotowoltaicznej - dlaczego jest konieczne?

Jak wynika z badania przeprowadzonego przez Sunday Polska, dla co czwartej osoby inwestującej w fotowoltaikę, główną motywacją jest ekologia. I słusznie, bo jak alarmują naukowcy, zmiany klimatyczne postępują coraz szybciej. To właśnie one są odpowiedzialne za intensywne zjawiska pogodowe, które możemy obserwować - dotkliwe upały i związane z nimi burze. Te ostatnie, jak ustalili naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, będą pojawiać się coraz częściej, a ich skutki będą coraz dotkliwsze.

Jeśli chodzi o kwestię “fotowoltaika a burza” największe zagrożenie stanowi wyładowanie elektrostatyczne, znane powszechnie jako piorun. Wyładowanie to niesie ze sobą ogromną moc - natężenie 30-50 kA oraz napięcie rzędu nawet kilkudziesięciu milionów wolt. Bezpośrednie uderzenie pioruna może skutkować wybuchem pożaru fotowoltaiki i budynku, porażeniem osób czy zniszczeniem całej instalacji oraz urządzeń elektrycznych w budynku. Bardzo niebezpieczna jest również tzw. fala elektromagnetyczna, która pojawia się po wyładowaniu, które nastąpiło w otoczeniu budynku i instalacji. Może ona zniszczyć sprzęty elektryczne, w tym m.in. AGD, RTV, ale też falownik.

Czy jest coś, co możemy zrobić, by chronić siebie, fotowoltaikę i nasz dom? Owszem! Odpowiedzią jest uziemienie instalacji PV, czyli wykonanie połączenia wyrównawczego, które odprowadzi ładunki do ziemi w bezpieczny dla otoczenia sposób.

Zasady wykonania odgromienia w instalacji fotowoltaicznej

Wytyczne co do prawidłowego wykonania uziemienia instalacji PV określa m.in. zbiór norm PN EN 62305, określający zasady ochrony odgromowej.

Instalacja odgromowa, zwana też często LPS (ang. Lightning Protection System), składa się z dwóch części:

• zewnętrznej instalacji uziemiającej (zewnętrzny LPS) - który służy do bezpośredniego odebrania energii pochodzącej z wyładowania. Do jej wykonania służą tzw. zwody, przewody odprowadzające oraz uziom;
• wewnętrznej instalacji uziemiającej (wewnętrzny LPS), która ma uniemożliwić występowanie iskrzenia w obiekcie. Wewnętrzny LPS może składać się z połączeń wyrównawczych lub odstępu izolacyjnego między częściami LPS, a innymi przedmiotami wewnątrz budynku, które przewodzą prąd.

Uziom fotowoltaiki - czy zawsze jest potrzebny?

Zgodnie z normą, przede wszystkim, należy dokonać oceny potrzeby stosowania instalacji odgromowej. Decyzję o jej zamontowaniu podejmuje się na podstawie oceny ryzyka strat (utraty życia, usług publicznych, dziedzictwa kulturowego i strat materialnych). Dodatkowo bierze się pod uwagę m.in. potencjalną ilość bezpośrednich wyładowań uderzających w obiekt oraz średnią częstotliwość spodziewanych wyładowań, które mogą trafić w obiekt. Na podstawie obliczeń określa się, czy ryzyka są większe od przyjętego tolerowanego poziomu ryzyka. Jeśli tak, konieczna jest instalacja uziemiająca.

Jeśli budynek kwalifikuje się jako wymagający ochrony odgromowej, wówczas należy jeszcze ustalić poziom ochrony (od I do IV). Budynki i instalacje fotowoltaiczne chroni się przed uderzeniem pioruna za pomocą systemu zwodów (elementów instalacji odgromowej) pionowych i poziomych, tak aby całość instalacji znajdowała się wewnątrz strefy ochronnej. Sam układ zwodów uzależniony jest od konstrukcji budynku.

Odgromienie instalacji fotowoltaicznej - jak wykonać?

Do ustalenia rozmieszczenia elementów instalacji odgromowej stosuje się kilka metod, które pozwalają wyznaczyć bezpieczne obszary. Wybór metody oraz zasady prowadzenia części instalacji odgromowej uzależniony jest od kilku czynników: m.in. od specyfiki i powierzchni miejsca, które chcemy objąć ochroną czy od wymaganej klasy LPS.

• Metoda kąta ochronnego - rozwiązanie to jest stosowane m.in. w przypadku gruntu czy budynków o nieskomplikowanych kształtach. W tym przypadku chroniony obszar ma kształt stożka, wyznaczany jest przez wysokość zwodu pionowego oraz tzw. kąt ochronny. Miejsce ochrony można rozszerzać stosując np. zwód poziomy zawieszony na zwodach pionowych.
  

  Źródło: Źródło: Boczkowski A., Ochrona odgromowa budynków, 2013, s. 13

   

• Metodę toczącej się kuli - jest to najbardziej uniwersalna opcja, która sprawdzi się w każdym przypadku. Tu zwody rozmieszcza się tak, by hipotetyczna kula o pewnym promieniu (uzależnionym od klasy ochrony) toczona w różnych kierunkach, nie stykała się z żadnym punktem chronionego budynku.
  

  Źródło: Boczkowski A., Ochrona odgromowa budynków, 2013, s. 13

W obu przypadkach konieczne jest zastosowanie tzw. odstępów izolacyjnych (s), które chronią instalację przed przebiciem łukowym. Jeśli ich zachowanie nie jest możliwe bądź poszycie dachu jest metalowe, konieczne jest zatem wykonanie tzw. połączeń wyrównujących.

Jak mogą wyglądać przykładowe zewnętrzne instalacje odgromowe dla fotowoltaiki?

Odgromienie instalacji PV na dachu skośnym

W przypadku instalacji PV na dachu skośnym można zastosować zwody poziome, umieszczone na kalenicy (wzdłuż górnej krawędzi dachu) oraz na krawędziach bocznych. Układ można uzupełnić o zwody pionowe. Uproszczony schemat takiego systemu znajdziecie poniżej.

Odgromienie instalacji fotowoltaicznej na gruncie

W przypadku konstrukcji wolnostojących, stosuje się zwody pionowe, których wysokość determinuje tzw. kąt osłonowy alfa wynikający z przyjętego poziomu ochrony budynku.

Warto pamiętać, że wybór grubości, wysokości i materiału wykonania, a także sposób prowadzenia zwodów oraz przewodów odprowadzających musi zostać dopasowany do klas ochrony LPS oraz wytycznych określonych w normie PN EN 62305.

Odgromienie paneli PV to nie wszystko, czyli ograniczniki przepięć

Ryzyko bezpośredniego uderzenia pioruna w instalację fotowoltaiczną to jednak tylko jedna strona medalu. Istnieje bowiem również niebezpieczeństwo związane z wystąpieniem LEMP (ang. Lightning ElectroMagnetic Pulse), czyli impulsem elektromagnetycznym, który pojawia się gdy w okolicy nastąpiło wyładowanie elektrostatyczne. By uniknąć skutków impulsu w postaci przepięć, stosuje się tzw. ochronę przeciwprzepięciową.

Rodzaj ochrony przeciwprzepięciowej zależy od tego, czy i z jaką instalacją odgromową mamy do czynienia. Przy doborze ograniczników przepięć należy uwzględnić dwie podstawowe kwestie - napięcie pracy, a także klasę ochrony dla inwertera i paneli PV.

Jeśli:

• Przypadek 1: Budynek posiada odgromienie, ale nie zachowano w nim odstępu izolacyjnego, stosuje się tzw. ograniczniki typu T-1/T-2.
• Przypadek 2: Dom posiada odgromienie i właściwe odstępy izolacyjne, stosuje się ograniczniki T-2.
• Przypadek 3: Brak odgromienia, stosuje się ograniczniki typu T-2.

We wszystkich powyższych przypadkach obowiązuje zasada, że jeśli odległość między panelami i inwerterem jest mniejsza niż 10 m, ogranicznik montuje się przy falowniku. Jeśli jest większy, należy umieścić go zarówno przy falowniku, jak i poszczególnych modułach.

Po stronie AC, ochronę stanowi wyłącznik nadprądowy wraz z ogranicznikami przepięć stosowanymi na podobnych zasadach.

Uziemienie instalacji fotowoltaicznej

Uziemienie instalacji fotowoltaicznej to innymi słowy wykonanie połączenia wyrównawczego, które pozwoli na odprowadzenie ładunków np. z ramy modułu do ziemi, która posiada zerowy potencjał lub napięcie. To element ochrony przeciwporażeniowej, przeciwprzepięciowej, a także odgromowej. I pomimo, że panele fotowoltaiczne z zasady są urządzeniami bezpiecznymi elektrycznie, zalecane jest wykonanie uziemienia instalacji fotowoltaicznej. Dzięki temu, system nie będzie stwarzał ryzyka, w sytuacji uszkodzenia czy pobliskich wyładowań atmosferycznych.

Jak uziemić instalację fotowoltaiczną?

Metody uziemienia fotowoltaiki zależą od tego, czemu ma służyć połączenie wyrównacze oraz tego, w jaki sposób i gdzie umiejscowiona jest instalacja fotowoltaiczna.

Jeśli obiekt nie posiada instalacji odgromowej (lub są zachowane  odstępy izolacyjne między odgromieniem a fotowoltaiką) uziemienie instalacji fotowoltaicznej pełni rolę funkcjonalną. Grubość przewodów w takim przypadku nie powinna być mniejsza niż 6 mm kwadratowych. Uziemienie fotowoltaiki w tej sytuacji uwzględnia połączenie modułów i profili aluminiowych do głownej szyny wyrównawczej. Jako, że profile w naturalny sposób wyrównują potencjały między modułami, wystarczy, że połączy się profile ze sobą oraz z główną szyną wyrównawczą, za pomocą przewodu.

Jeśli obiek ma odgromienie i niemożliwe jest zachowanie odstępów izolacyjnych, uziemienie instalacji fotowoltaicznej będzie pełnić rolę ochronną. Oznacza to, że należy przyjąć, że w przypadku wyładowania przez połączenie będzie płynąć prąd. Konieczne jest zaterm zastosowanie przewodu o zwiększonym przekroju (16 mm kwadratowych).

Jak wykonać uziemienie? Większość konstrukcji mocujących dla fotowoltaiki posiada specjalne rozwiązania, dedykowane do rodzaju szyny. Najlepiej skorzystać z nich, łącząc szyny aluminiowym drutem.

Warto pamiętać, że wykonanie połączenia wyrównującego dla samej konstrukcji wsporczej nie wystarczy, gdyż między stelażem a ramą modułu nie występuje zjawisko przewodzenia. Ramy modułów są bowiem anodowane. By rozwiązać problem, można wykorzystać specjalne otwory uziemiające umieszczone w ramach. Alternatywnie można skorzystać ze specjalnych klem, które przebijają anodowanie.

Prawidłowe odgromienie i uziemienie paneli fotowoltaicznych - samodzielnie czy zlecić to specjalistom?

Choć Polacy coraz częściej zauważają sens zastosowania odgromienia, prawidłowe uziemienie paneli fotowoltaicznych bywa (zarówno przez inwestorów, jak i niekiedy przez firmy fotowoltaiczne) całkowicie pomijane. Zdarza się też, że uziemienie fotowoltaiki wykonuje się “byle jak”, na szybko, bez uwzględniania faktycznych potrzeb ochronnych budynku i zasad określonych w normach prawnych.

W takich przypadkach, część inwestorów może zastanawiać się jak uziemić instalację fotowoltaiczną na własną rękę. Czy to dobry pomysł?

Zaprojektowanie i wykonanie instalacji odgromowej, wbrew pozorom nie jest prostym zadaniem. Aby stanowiła zabezpieczenie dla naszej fotowoltaiki, koniecznie należy stosować się do obowiązujących norm - przeprowadzić stosowne obliczenia, właściwie dobrać elementy systemu oraz dokonać pomiarów. Ostateczny efekt ochronny jest uzależniony od staranności, ale też kompetencji i doświadczenia.

Skutki braku uziemienia instalacji PV czy też niewłaściwego jej wykonania są zbliżone - w przypadku wyładowania zarówno sam system solarny, a także urządzenia czy nawet osoby przebywające w domu nie są bezpieczne. W przypadku sprzętów może dojść do przepięcia i stałego ich uszkodzenia. Ludziom z kolei grozi porażenie prądem. Bezpośrednie wyładowanie może zaś doprowadzić do pożaru.

Uziemienie fotowoltaiki ma zapewnić bezpieczeństwo osobom i elementom systemu, dlatego nie warto go traktować po macoszemu. Stąd też najlepiej prace zlecić specjalistom.