Instalacja fotowoltaiczna produkuje energię elektryczną z energii słonecznej. Przesył energii elektrycznej odbywa się przewodami. Przy montażu instalacji fotowoltaicznej nie bez znaczenia jest dobranie prawidłowego przekroju przewodów łączących poszczególne szeregi paneli fotowoltaicznych (dla przypomnienia – tzw. stringi) z inwerterem oraz inwerter z instalacją elektryczną.

Wraz ze wzrostem długości przewodów oraz przewodzonej mocy rosną straty mocy na przewodzie. Zwiększanie napięcia prądu płynącego przewodem przyczynia się do zmniejszania strat mocy na przewodzie. Niestety w instalacji fotowoltaicznej, jak pamiętamy z poprzednich części cyklu, napięcie po stronie prądu stałego, czyli przed inwerterem, zależy od konfiguracji (sposobu połączenia paneli fotowoltaicznych), od parametrów wejściowych inwertera oraz temperatur roboczych panelu fotowoltaicznego. W instalacjach o mocy rzędu 3-5 kW napięcia wejściowe inwertera sięgają również powyżej 500 V, a natężenia prądu są rzędu 8-16 A. Ponieważ nie można zmienić tych parametrów przed inwerterem, ograniczenie spadku mocy na przewodach uzyskuje się poprzez dobór odpowiedniej średnicy przewodu.

Dobór przewodu

Spotykane w handlu przewody elektryczne wykonuje się z miedzi lub aluminium. Miedź jest droższym materiałem, ale charakteryzuje się większą przewodnością właściwą niż aluminium, toteż przekroje kabli miedzianych będą mniejsze niż aluminiowych przy tym samy spadku mocy. Ze względu na oczywistą chęć maksymalizowania uzysków energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznych przyjmuje się maksymalnie stratę mocy rzędu 1%. Straty mocy na przewodzie oddawane są w postaci ciepła.

Starta mocy = (P * l)/(U2 * k * A) * 100%,

gdzie:

P – moc obwodu w [W]

l – sumaryczna długość obwodu w [m]

U – napięcie obwodu [V]

k – przewodność właściwa dla miedzi 56 [m/(W * mm²)] dla aluminium 34 [m/(W * mm²)]

A – przekrój przewodu w mm².

Aby wyznaczyć pole przekroju przewodu, tak aby strata mocy nie przekraczała 1%, należy wzór przekształcić do postaci:

A = (P * l)/(U2 * k * 0,01).

Wpisana w mianowniku wartość 0,01 oznacza założoną dopuszczalną stratę mocy 1%.

Straty na przewodach powodują spadek napięcia obwodu, który będzie uzależniony od natężenia płynącego prądu, przekroju przewodu, oporu właściwego przewodów, długości przewodów. Spadek napięcia można wyliczyć ze wzoru:

spadek napięcia = I * R = (I * r * l)/A

gdzie:

l – sumaryczna długość obwodu w [m]

I – natężenie prądu [A]

ρ – opór właściwy – odwrotność przewodności właściwej: dla miedzi 0,017857, dla aluminium 0,029412 [(W * mm2)/m]

A – przekrój przewodu w mm².

Załóżmy, że chcielibyśmy sprawdzić, jakiej średnicy powinny być przewody łączące instalację fotowoltaiczną składająca się z 13 paneli połączonych w jeden string. Wg danych z poprzedniej części napięcie na końcówkach trzynastopłytowego stringu mogłoby wynosić: 13 * 43,23 V = 562 V przy mocy maksymalnej ok. 13 * 260 Wp = 3380 Wp.

Do obliczeń brakuje jeszcze informacji o długości przewodów. W przypadku rzeczywistej instalacji na pewno pomocny byłby rysunek sytuacyjny z planem rozmieszczenia poszczególnych paneli oraz rozplanowaniem przewodów. Istotne jest, aby prowadząc przewody łączące, unikać otaczania przewodami powierzchni, gdyż może to prowadzić do wytwarzania napięć indukcyjnych (rys. 1 [1]).

Kowalski213-1

Obydwa przewody (dodatni i ujemny) powinny być ułożone możliwie blisko siebie, bez niepotrzebnego krzyżowania się. Należy unikać krzyżowania się przewodów napięcia stałego z przewodami z napięciem przemiennym lub z instalacją odgromową. Zalecane ułożenie przewodów w wielu instalacjach wymusza kupno większej ilości kabla, niż wynikałoby to z prowadzenia przewodów możliwie najkrótszymi drogami do inwertera. Ponadto długość przewodów musi być tak dobrana, aby nie były one naprężone, ale nie mogą być zbyt długie. Nie powinno się przewodów zwijać w pętle, które z kolei działają jak cewka. Przewody przyłączeniowe paneli fotowoltaicznych są z założenia dobrane tak, aby można było panele łączyć w pozycji poziomej, oczywiście w przypadku łączenia paneli pionowo przewody będą za długie…

Obliczenia na przykładzie

Na potrzeby obliczeń przyjmijmy, że analizowana instalacja składa się z następujących odcinków przewodów:

* każdy zastosowany moduł posiada dwa przewody przyłączeniowe długości 1 m

* łączna długość przewodów łączących string: 13 * 2 m = 26 m

* przewody powrotne ok. 20 m

* odległość instalacja – inwerter ok. 15 m.

Łączna długość przewodów DC w stringu: 2 * 15 m + 26 + 20 = 76 m

Moc stringu: 13 * 260 Wp = 3380 W

Napięcie stringu 13 * 43,23V = 562 V.

Wymagana grubość przewodu zgodnie ze wzorem omówionym wcześniej: A = (3380 * 76)/ (5622 * 56 * 0,01) = 1,45 mm2.

Ponieważ dostępne przewody mają pola przekrojów 1 mm2, 2,5 mm2, 4 mm2, 6 mm2, 10 mm2 itd., przyjęto przewody o przekroju 2,5 mm2. Sprawdźmy, jaka będzie strata mocy, jeśli zastosujemy przewody o polu przekroju 2,5 mm2. Otóż wyniesie ona: (3380 * 76)/(5622 * 56 * 2,5) *100% = 0,58%. W warunkach STC strata mocy instalacji wynosić będzie na pojedynczym stringu: 3380 W * 0,58% = 19,6W. Stosując zatem przewody o przekroju 2,5 mm2, możemy tracić ok. 20 W mocy na całej instalacji. W praktyce prawdopodobnie zastosujemy przewody o przekroju 4 mm2, gdyż te najczęściej dołączane są do pakietów fotowoltaicznych, straty mocy będą więc jeszcze mniejsze.

Wyznaczmy jeszcze spadek napięcia obwodu: (8,43 * 1/56 * 76)/2,5 = 4,57 V. Przypomnijmy, że natężenie na stringu w warunkach pracy w punkcie mocy maksymalnej wynosi 8,43 A. Zatem notowany spadek napięcia wyniesie ok. 4,6 V.

Średnica przewodów po stronie napięcia przemiennego

Pozostaje jeszcze określenie średnicy przewodów po stronie napięcia przemiennego. Przyjmijmy, że długość przewodów AC pomiędzy inwerterem a rozdzielnią, gdzie przewody włączone są do sieci, wynosi 10 m, czyli łącznie przewód L i N mają długość 20 m. Całkowita moc instalacji: 3380 Wp, a napięcie wyjściowe instalacji 230 V. Wymagana grubość przewodu miedzianego (3380 * 20)/(2302 * 56 * 0,01) = 2,28 mm2. Przyjęto przewody o przekroju 2,5 mm2. Zatem strata mocy na przewodach AC wyniesie: (3380 * 20)/(2302 * 56 * 2,5) * 100% = 0,91%, a strata mocy po stronie napięcia przemiennego: 3380 W * 0,91% = 30,85 W. Łączne straty mocy na analizowanej instalacji fotowoltaicznej mogą wynieść ok. 20 W po stronie DC i ok. 31 W po stronie AC – razem ok. 51 W.

Podsumowując

Przyjęliśmy przewody DC o przekroju 2,5 mm2 oraz przewody AC o polu przekroju 2,5 mm2.

Nie bez znaczenia jest również materiał izolacji, z której wykonano przewody. Odcinki wystawione na działanie światła słonecznego powinny posiadać izolację z materiałów odpornych na działanie promieniowania ultrafioletowego. Odcinki przewodów układanych bezpośrednio pod panelami fotowoltaicznymi z oczywistych względów narażone są na pracę w wysokich temperaturach, toteż izolacja powinna być odporna na wysokie temperatury. Ze względu na fakt, że przewody pracują w sposób ciągły pod napięciem stałym dochodzącym nawet do 1000 V, nie warto oszczędzać na „kablach”. Udział kosztowy dobrej jakości przewodów w kosztach całej instalacji zawsze będzie stosunkowo mały.

Zabezpieczenia

Instalacja fotowoltaiczna ze względu na usytuowanie na dachu lub na otwartej przestrzeni jest szczególnie narażona na ewentualne uderzenia pioruna. Ze względu na delikatny charakter elektroniki falownika oraz ryzyko uszkodzenia paneli przez uderzenie piorunem zaleca się montować podzespoły zabezpieczające tzw. ograniczniki przepięć dedykowane fotowoltaice. Są one dostosowane do pracy pod napięciami spotykanymi po stronie napięcia stałego instalacji PV, czyli nawet do napięcia rzędu 1000-1500 V DC. Oczywiście dostępne są także ograniczniki przepięć dedykowane niższym napięciom roboczym. W skrócie ogranicznik przepięć ma za zadanie przejąć prąd powstały w wyniku np. uderzenia pioruna i nie dopuścić do „przejścia” tego prądu przez np. falownik, ale skierować go do instalacji uziemiającej.

Uderzenia pioruna generują ogromne natężenia prądu, nawet do 200 000 A, a średnio ok. 25 000-30 000 A. Tak duże prądy z łatwością uszkodzą każdą elektronikę. Ograniczniki przepięć powinny być montowane po stronie napięcia stałego oraz po stronie napięcie przemiennego. O ile lokalizacja ogranicznika przepięć po stronie napięcia przemiennego jest oczywista, urządzenia mają za zadanie zabezpieczyć wrażliwą elektronikę falownika od strony instalacji elektrycznej w budynku. Jest to szczególnie istotne wszędzie tam, gdzie gospodarstwa domowe przyłączone są do naziemnej sieci rozprowadzającej energię elektryczną. Ograniczniki montowane są więc w pobliżu falownika. Po stronie napięcia stałego zabezpieczyć należy falownik, ale również panele fotowoltaiczne. Ograniczniki montujemy przed falownikiem, ale jeśli odległość między panelami a falownikiem przekracza 10 m, zaleca się zdublować zabezpieczenia i zamontować ograniczniki przed falownikiem oraz podobny zestaw tuż za panelami fotowoltaicznymi (rys. 2 [1]).

Kowalski213-2

Dobierając napięcie pracy ogranicznika, musimy znać maksymalne napięcie mogące pojawić się na zaciskach przyłączeniowych stringu. Będzie to iloczyn liczby paneli z maksymalnym napięciem na pojedynczym panelu, zwiększone o 20% współczynnik korekcyjny. Dla naszego przykładowego stringu składającego się w 13 paneli byłoby to:

* napięcie stringu 13 * 43,23 V = 562 V

* zwiększenie o 20% współczynnik korekcyjny: 562 V *120% = 674 V

* przykładowy ogranicznik byłby dobrany na 700 V.

Ograniczniki stosujemy na każdym z przewodów, czyli po stronie napięcia stałego byłyby to dwie sztuki oraz dwie sztuki po stronie napięcia przemiennego (na przewód neutralny i fazowy), a w przypadku inwertera trójfazowego byłyby to 4 ograniczniki lub ogranicznik na zasilanie trójfazowe. Zgodnie ze schematami połączeniowymi ograniczniki montowane są równolegle do instalacji elektrycznej, a ich wyjścia są uziemione.

Dla wygody ewentualnych prac przy instalacji elektrycznej zaleca się montowanie w każdej skrzynce elektrycznej oprócz ograniczników przepięć także rozłączników. Panele fotowoltaiczne pracują cały czas, jeśli pada na nie promieniowanie słoneczne, nie można więc „wyłączyć” panelu fotowoltaicznego bez fizycznego zasłonięcia go np. plandeką. W instalacji dachowej raczej nie będzie to możliwe, toteż rozłącznik jest najlepszym i najtańszym sposobem na rozwarcie obwodu w celu dokonania jakichkolwiek prac przy instalacji elektrycznej.

Paweł Kowalski

Bibliografia

[1] Ochrona instalacji fotowoltaicznych – Jean Mueller Polska.

[2] http://www.stiebel-eltron.pl/produkty/fotowoltaika/tegreon-260p.

Prenumerata Magazynu Instalatora

2 myśli na temat “Ogniwa fotowoltaiczne (5)

  • 22 grudnia 2017 o 00:19
    Permalink

    Mógłbym prosić o rozszerzenie tematyki artykułu o cztery szczegóły?

    1) Czy przewymiarowanie kabli (dokładniej kabli DC) może mieć negatywne skutki? Rozmawiałem dziś z jakimś instalatorem, który twierdził, że tak, że za grube kable będą powodować jakieś niechciane efekty. Buduję dom i chcę poprowadzić kable do fotowoltaiki na etapie budowy. Samą instalację fotowoltaiczną planuję zrobić dopiero za lat kilka. Wolę przewymiarować nawet 3-krotnie kable, niż później rozbierać strop, czy kłuć ściany w wykończonym domu.

    2) Podany przykład opisuje w miarę typowy string. Planuję zrobić instalację około 12kWp trzeba w takim razie połączyć 46 takich fotoogniw. Jak to podzielić? Zrobić 4 stringi (czyli położyć 4 pary kabli), czy może jednak trzeba zrobić jeden string, w którym pojawi się napięcie rzędu 2kV (hm…fotoogniwa pozwalają chyba na około 1kV). Czym się kierować przy podziale instalacji na stringi, a co za tym idzie na liczbę i grubość przewodów?

    3) Czy ekranować takie kable? W moim domu, planuję poprowadzić kable w jednym z nieużywanych kanałów wentylacyjnych komina z dachu do poddasza (pionowy odcinek), potem w stropie przy jętkach doprowadzić nad garaż (poziomy odcinek) i na koniec do garażu (znowu pionowy odcinek). Na obu odcinkach pionowych kable nie krzyżują się, ani nie idą równolegle z innymi kablami. Niestety na odcinku poziomym krzyżują się głównie z kablami od oświetlenia, ale też ze skrętkami ethernetowymi. Mam obawy, czy tak duże napięcia i prądy nie będą źle oddziaływać na pozostałe instalacje.

    4) Jeśli ekranowanie to zły pomysł, to jakie odległości trzeba zachować, żeby instalacja fotowoltaiczna nie zakłócała innych instalacji?

    Z góry dzięki za odpowiedzi.

    Odpowiedz
    • 4 stycznia 2018 o 11:06
      Permalink

      Przewymiarowanie kabli poza większym uszczupleniem portfela nie szkodzi w niczym. Zgodnie z wzorem podanym w artykule – przy zastosowaniu przewodu większej średnicy będzie po prostu mniejsza strata mocy. Przy instalacji o mocy ok. 12 kWp zamiast najczęściej spotykanych przewodów o polu przekroju 4 mm2 można przyjąć przewody 6 mm2 i będzie to już dosyć duży zapas. O jakich „niechcianych efektach” mówił instalator? Może o trudniejszym ułożeniu przewodu – grubszy, sztywniejszy? Instalacja elektryczna domowa jest zwykle prowadzona przewodami 2,5 mm2, czy jeśli podłączy pan do gniazdka tylko lampkę nocną, dzieje się coś „niechcianego”?
      Jeśli chodzi o Pana drugie pytanie, to niestety nie udzielę jednoznacznej odpowiedzi. Aby zdecydować, jaki układ połączeń jest najlepszy, musiałby Pan wybrać najpierw inwerter, czyli najlepiej byłoby już teraz, na etapie budowy, dobrać wg aktualnej oferty rynkowej instalację fotowoltaiczną o mocy ok. 12 kWp wraz z inwerterem. Obecnie mógłby to być zestaw z inwerterem trójfazowym, do którego panele fotowoltaiczne byłyby podłączone z trzech pól. Musiałby Pan zatem przygotować instalację elektryczną na podłączenie trzech pól, czyli łącznie 6 przewodów, np. 4 mm2 w zupełności wystarczy. Program służący do doboru instalacji przy łącznej długości 40 m przewodów 4 mm2 dla pola 20 paneli obliczył stratę mocy poniżej 1%. Przy przekroju 6 mm2 byłby to spadek mocy ok. 0,57%. Podzielenie paneli na kilka pól jest korzystniejsze ze względu na opisywane w artykule ewentualne ryzyko zacienienia itd.
      Jeśli chodzi o pytania dotyczące ekranowania to nie mam wiedzy w tym zakresie.
      z poważaniem,
      dr inż. Paweł Kowalski

      Odpowiedz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij