Bezpieczeństwo systemów fotowoltaicznych – wprowadzenie

Fotowoltaika (PV) notuje ogromne tempo wzrostu na całym świecie. W większości są to systemy dachowe instalowane na domach, szkołach, gospodarstwach i budynkach firmowych, ale coraz częściej pojawiają się również systemy montowane na otwartej przestrzeni – systemy wolnostojące. Również w Polsce wytwarzanie energii elektrycznej pochodzącej z promieniowania słonecznego cieszy się coraz większym zainteresowaniem, a liczba nowych systemów fotowoltaicznych instalowanych każdego roku rośnie. Pod koniec 2022 r. na polskich dachach zainstalowanych było 1 200 000 systemów fotowoltaicznych o łącznej mocy 8,7 GW (gigawata). Polskie Stowarzyszenie Rozwoju Fotowoltaiki przewiduje, że tempo przyrostu instalacji będzie utrzymane w kolejnych latach m. in. ze względu na państwowe dotacje na energię słoneczną wynikające z konieczności spełnienia wymogów UE w zakresie procentowego udziału energii OZE w tzw. miksie energetycznym.

AUTOR TEKSTU: BERNHARD KOSSAK

Dlatego temat bezpieczeństwa systemów fotowoltaicznych staje się coraz bardziej „palący”. Ten artykuł jest pierwszym z czteroczęściowej serii, która obejmuje następujące kluczowe zagadnienia:

• wymagania ochrony przeciwpożarowej w planowaniu i instalacji systemu,
• techniczne środki bezpieczeństwa i ich wpływ na warunki ochrony przeciwpożarowej,
• gaszenie pożarów w obszarze systemów fotowoltaicznych,
• bezpieczeństwo służb ratunkowych.

Zebrane wyniki badań i praktyczne doświadczenia powinny pomóc zainteresowanym czytelnikom w pozyskaniu rzetelnej i usystematyzowanej wiedzy na temat bezpieczeństwa instalacji PV, ale również w wyeliminowaniu wielu nieprawidłowych opinii i bezpodstawnych mitów na ten ważny temat.

Sprawdź nasze pozostałe teksty z serii “Bezpieczeństwo systemów fotowoltaicznych”:

• Profesjonalny projekt systemu i jakość montażu
• Wszystko zależy od połączeń wtykowych DC
• Szkolenie służb ratowniczych i bezpieczne gaszenie pożarów

Fotowoltaika – bezpieczna technologia

Przez kilka dziesięcioleci fotowoltaika sprawdziła się jako zrównoważona, elastyczna i skuteczna technologia wytwarzania energii. Wiele aktualnych analiz przeprowadzonych przez TÜV Rheinland i Fraunhofer ISE (Sepanski i in. 2015), BRE National Solar Center (BRE 2017b) i Międzynarodową Agencję Energii (IEA PVPS, 2017) wykazało, że komponenty systemów PV podczas procesu produkcyjnego przechodzą bardzo rygorystyczne testy bezpieczeństwa i niezawodności. Spełniając wymagania bezpieczeństwa elektrycznego norm krajowych i międzynarodowych, są one również niezawodne zarówno w zakresie ochrony przeciwpożarowej, jak i bezpieczeństwa pracy na wypadek pożaru.

W latach 2000-2013 w Niemczech zainstalowano 1,3 mln systemów fotowoltaicznych, a Frauenhofer ISE ustalił, że zaledwie 0,016% z nich spowodowało incydent pożarowy. Badania pokazują, że przy prawidłowej instalacji i w normalnych warunkach eksploatacji instalacje fotowoltaiczne nie powodują zagrożenia dla zdrowia, bezpieczeństwa ani środowiska naturalnego. Właściwie dobrane zabezpieczenia przeciwpożarowe w systemie PV chronią natomiast służby ratownicze i mieszkańców przed obrażeniami, a mienie przed możliwymi uszkodzeniami.

Ze względu na rosnącą liczbę zainstalowanych systemów fotowoltaicznych wzrasta również liczba interwencji straży pożarnej. Dlatego podczas walki z pożarem w budynku z istniejącym systemem fotowoltaicznym niezwykle ważna dla służb ratowniczych jest prawidłowa wiedza na temat bezpiecznego i efektywnego gaszenia pożarów”. Wspomniane badania dowodzą, że systemy fotowoltaiczne nie stanowią zagrożenia dla strażaków, jeżeli są zgodne z obowiązującymi przepisami bezpieczeństwa. Właściwe planowanie, prawidłowy montaż i uruchomienie gwarantują wysoką niezawodność działania.

Zapobieganie pożarom od w każdej fazie inwestycji

Podstawą długoterminowej bezpiecznej pracy systemu PV jest jego konstrukcja. Prawidłowy wybór modułów fotowoltaicznych, komponentów montażowych, kabli, złączy, ochrony DC i AC oraz ochrony przeciwprzepięciowej jest bardzo ważny, dlatego fazę tę należy powierzyć doświadczonemu projektantowi systemu z odpowiednią wiedzą i certyfikatami. Żywotność systemów fotowoltaicznych wynosi 20-25 lat, a jakość i trwałość przy wyborze wszystkich komponentów powinny znajdować się na pierwszym planie. Pogoda, wahania temperatury i korozja mają wpływ na system. Gorsze komponenty lub brak urządzeń ochronnych zaburzają jego prawidłowe funkcjonowanie w dłuższym okresie.

Prawidłowo zainstalowany system PV ze wszystkimi jego elementami jest bezpieczny. Podczas jego instalacji należy przestrzegać norm budowlanych i konstrukcyjnych, wytycznych technicznych i instrukcji producentów części składowych.

Międzynarodowe badania [1] przyczyn pożaru pokazują, że po czynnikach zewnętrznych, takich jak piorun, główną przyczyną incydentów pożarowych były błędy instalacji systemu fotowoltaicznego po stronie prądu stałego. Nieprawidłowe ułożenie kabli, narażanie na przetarcia izolacji lub powstawanie obciążeń rozciągających na połączeniach przewodów prowadzi do poważnych usterek. Uszkodzone lub niekompatybilne połączenia wtykowe i wadliwa izolacja mogą prowadzić do iskrzenia i powstania łuku elektrycznego. W przypadku złączy prądu stałego łuki są spowodowane niedopasowaniem między gniazdem a wtyczką, np. gdy połączone są ze sobą elementy pochodzące od różnych producentów. Źródłem usterki prowadzącej do pojawienia się łuku może być: korozja spowodowana niekompatybilnością chemiczną złącz, inne parametry rozszerzalności cieplnej lub utrata szczelności wynikającą z różnic konstrukcyjnych.

Czynnik ludzki, dbałość o instalację i know-how w doborze pasujących elementów odgrywają kluczową rolę w bezpieczeństwie instalacji. Regularna konserwacja, bieżące monitorowanie instalacji i zintegrowane systemy monitorowania okazały się zaś przydatnymi środkami do wykrywania usterek podczas jej pracy. Umożliwia to identyfikację i eliminację potencjalnych zagrożeń we właściwym czasie.

---

[1] TÜV Rheinland i Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE, 2017), ECN TNO (2019), Corpo Nazionale the Vigili del Fuoco, 2015.

Zalecenia dotyczące zwiększenia bezpieczeństwa
·        profesjonalne planowanie, instalacja i uruchomienie systemu
·        prosta konstrukcja systemu z minimalną liczbą połączeń wtykowych DC
·        postępowanie zgodnie z instrukcjami producentów
·        wybór falownika z codziennym automatycznym monitorowaniem izolacji
·        ciągłe monitorowanie działania instalacji za pomocą odpowiednich narzędzi
·        zapewnienie regularnych kontroli systemu fotowoltaicznego

Zabezpieczenia wbudowane w falowniki

Falowniki są technologicznym centrum systemu fotowoltaicznego i przetwarzają prąd stały (DC) na prąd przemienny (AC). Te zaawansowane technologicznie urządzenia zawierają różne funkcje w celu zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa. W przypadku falowników szeregowych – najbardziej popularnych – bardzo wrażliwa elektronika mocy (np. płytki drukowane z elementami) jest instalowana w sposób chroniony w obudowie falownika. Falowniki są zaś instalowane w odpowiednich miejscach wewnątrz budynku, co oznacza, że wysoce rozwinięta i bardzo wrażliwa część systemu PV nie jest narażona na zmienne warunki atmosferyczne, korozję lub inne uszkodzenia. Zintegrowane elementy i funkcje, takie jak monitorowanie prądu upływu (funkcja zaawansowanego układu różnicowo-prądowego), automatyczny pomiar rezystancji izolacji lub rozłączniki prądu stałego zintegrowane z falownikiem zapewniają dodatkowe zabezpieczenie. W przypadku wykrycia jakichkolwiek odchyleń od normalnej pracy narzędzie monitorujące wysyła komunikat o błędzie do operatora systemu.

Falowniki szeregowe umożliwiają prostą strukturę systemu PV, minimalizują liczbę niezbędnych elementów i łączą całą elektronikę mocy w jednym kompaktowym urządzeniu. Liczne elementy bezpieczeństwa są zawarte w samym falowniku.

Zabezpieczenia na poziomie modułu

Przykładem zintegrowanej ochrony przeciwpożarowej są optymalizatory prądu stałego lub tzw. „wyłączniki strażaka”, które mają ułatwić gaszenie pożarów. Po podłączeniu optymalizatorów prądu stałego do każdego modułu fotowoltaicznego na dachu w przypadku pożaru powinno być możliwe zmniejszenie napięcia każdego z modułów do wartości bliskiej 0 V (woltów). Z kolei „wyłącznik strażaka” realizuje zwarcie przewodów dodatniego i ujemnego do uziemienia, dlatego potencjał każdego modułu w stosunku do ziemi wyniesie 0 V. Obie technologie przedstawiają się obiecująco, ale ich skuteczność w sytuacji awaryjnej w warunkach pożaru nie jest obecnie zagwarantowana przez aktualne standardy tych produktów.

Patrząc szczegółowo: montaż optymalizatorów DC przenosi komponenty elektroniki energetycznej na dach. Tam podlegają ekstremalnym warunkom atmosferycznym, obciążeniom mechanicznym lub korozji i mogą być bezpośrednio narażone na działanie ognia, co zakłóca prawidłowe funkcjonowanie w sytuacji awaryjnej. Między połączenia modułów wstawiane są elementy zewnętrzne, co niesie ryzyko niedopasowania złączy DC. Liczba punktów kontaktowych po stronie prądu stałego może wzrosnąć nawet trzykrotnie w porównaniu do konwencjonalnego systemu. Także możliwość wystąpienia błędów montażowych rośnie wprost proporcjonalnie. Według badań przeprowadzonych przez TÜV Rheinland i Fraunhofer ISE zakłada się, że instalacja przełącznika w okablowaniu prądu stałego może stanowić dodatkowy element podlegający uszkodzeniu i że musi być prawidłowo zaprojektowana dla maksymalnych prądów i napięć stałych w systemie fotowoltaicznym.

BRE National Solar Center (2017) nadal uważa rozłączniki prądu stałego w obwodzie prądu stałego systemów PV za niesprawdzoną technologię w swoich badaniach. Nie udowodniły jeszcze swojej niezawodności przez cały okres eksploatacji systemu fotowoltaicznego. Zainstalowanie „wyłączników strażaka” lub urządzeń wyłączających na poziomie modułu może dać służbom ratunkowym fałszywe poczucie bezpieczeństwa. Służby ratownicze polegają na odcięciu lub redukcji napięcia, chociaż system fotowoltaiczny może być nadal zasilany. Ryzyko poważnych wypadków i obrażeń wzrasta.

Dowódca plutonu Krystian Altinger (Austria):

“Po ponad 100 latach doświadczeń w domach z instalacjami elektrycznymi i ponad 30 latach stosowania fotowoltaiki każdy profesjonalny strażak jest dobrze wyszkolony. W sytuacjach awaryjnych systemy fotowoltaiczne są traktowane jak każde inne urządzenie elektryczne. Nie rozróżniamy marek ani metod budowy – pomagamy!”

Bezpieczeństwo służb ratowniczych

Ogólnie rzecz biorąc, jeśli na budynku znajduje się system fotowoltaiczny, gaszenie pożaru jest zawsze możliwe. Z punktu widzenia straży pożarnej instalację tę traktuje się jak każdy inny system elektryczny pod napięciem. Służby ratownicze nie wprowadzają rozróżnienia między markami i typami, a dla własnego bezpieczeństwa zawsze zakładają, że w instalacji występuje napięcie.

Najważniejsze dla bezpieczeństwa służb ratunkowych jest regularne szkolenie i edukacja w celu poznania właściwych sposobów postępowania podczas gaszenia. Przykładowo w Niemczech pod względem elektrotechnicznym system fotowoltaiczny jest systemem niskonapięciowym, którego obsługa jest znormalizowana przez normę krajową DIN VDE 0132, określającą między innymi bezpieczne odległości gaszenia. Ponadto wyraźne i wyraźnie widoczne oznakowanie elementów fotowoltaicznych ułatwia ocenę sytuacji.

Mimo ugruntowanych w krajach zachodnich przepisów i wielu lat doświadczeń nadal pojawiają się nieuzasadnione plotki. Na przykład takie, że straż pożarna nie gasi pożaru, gdy na budynku jest system fotowoltaiczny. Mówi się również o zwiększonym przez instalację PV ryzyku uderzenia pioruna. Wszystkie te stwierdzenia zostały obalone przez fakty przywołane w ostatnich publikacjach znanych ekspertów z dziedziny badań PV i przemysłu, a raporty z działań gaśniczych dowodzą czegoś dokładnie przeciwnego.

Szkolenia dla instalatorów i służb ratowniczych

Najbardziej skutecznym środkiem zwiększającym bezpieczeństwo systemów PV jest dogłębne szkolenie techniczne dla instalatorów. Czynnik ludzki odgrywa już ważną rolę w planowaniu systemu, a przede wszystkim w profesjonalnej instalacji. Instalatorzy mogą brać udział w kursach szkoleniowych, ukończyć praktyczne szkolenia lub aktualizować swoją wiedzę za pośrednictwem webinarów i dostępnej literatury. Specjalne szkolenia i materiały informacyjne dostępne są również dla przedstawicieli straży pożarnej, aby ułatwić im radzenie sobie z pożarami obiektów wyposażonych w systemy fotowoltaiczne.

W kolejnych częściach pojawi się więcej informacji na temat prawidłowego planowania systemu i profesjonalnej instalacji systemów fotowoltaicznych, a także bezpieczeństwa na wypadek pożaru. Znajdą się w nich również wskazówki i dokumenty szkoleniowe dla służb ratowniczych.

Bernhard Kossak – Fronius International GmbH

Literatura:

• BRE National Solar Centre, 2017a, Fire and Solar PV Systems – Investigations and Evidence, https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/630639/fire-solar-pv-systems-investigations-evidence.pdf, Cornwall.
• BRE National Solar Centre, 2017b, Fire and Solar PV Systems – Literature Review, https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/630638/fire-solar-pv-systems-literature-review.pdf, Cornwall.
• BRE National Solar Centre, 2017c, Fire and Solar PV Systems – Recommendations for the Fire and Rescue Services, https://www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/630641/fire-solar-pv-systems-frs-recommendations.pdf, Cornwall.
• Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco, 2015, Relazione tecnica sugli incendi coinvolgenti impianti fotovoltaici 1a cura del Nucleo Investigativo Antincendi, Rome
• Recent Facts about Photovoltaics in Germany, Fraunhofer ISE, Division Photovoltaic Modules, Systems and Reliability, Freiburg 2017.
• IEA PVPS Task 12, 2017, Photovoltaics and Firefighters’ Operations: Best Practice in Selected Countries.
• Sepanski, A. et al., 2015, Assessment of the fire risk in PV-arrays and development of security concepts for risk minimization, TÜV Rheinland Energie und Umwelt GmbH, Köln.
• Stowarzyszenie Branży Fotowoltaicznej, Rynek mikroinstalacji fotowoltaiocznych w Polsce w roku 2019, Kraków, luty 2020.

Webinaria na temat bezpieczeństwa instalacji PV:

Białe księgi (pliki .pdf do pobrania):

• Bezpieczeństwo pożarowe instalacji PV – wytyczne z zakresu bezpieczeństwa pożarowego dla projektantów, instalatorów i inspektorów ppoż.
• Ograniczenie ryzyka wystąpienia pożaru w instalacjach PV. Instrukcje dla instalatorów, projektantów i inspektorów ochrony ppoż., które wskazują sposoby ograniczenia ryzyka wystąpienia pożaru w instalacjach PV
• Uzgadnianie projektów instalacji PV o mocy większej niż 6,5 kWp z rzeczoznawcą ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych