Сонячна енергетика: основи основ

З моменту створення галузь сонячної енергетики зазнала бурхливого розвитку в останні роки. Правильне уявлення і зростаючі знання щодо кінцевої природи викопного палива і джерел ядерної енергії, а також наслідків їх впливу на навколишнє середовище, пробудили інтерес до геліотехнологіі.

Дослідження показують, що сучасне використання технології сонячної енергетики тільки почалося і буде широко розвиватися завдяки постійному зростанню. Закон про відновлювані джерела енергії підтримує автономне виробництво екологічно чистої енергії.

На практиці часто існує невизначеність щодо того, яких нормативних вимог необхідно дотримуватися при установці і усуненні несправностей фотоелектричних (ФЕ) систем. Інформаційний покажчик ФЕ системи пропонує допомогу в рутинній повсякденній роботі.

Фотоелектричний пристрій - це засіб генерації електричної напруги з використанням фотонної енергії сонця.

Малюнок 1: Схематичне зображення ФЕ системи	Малюнок 2: Ідентифікація будівель з ФЕ системами

Розпізнавальний знак повинен бути встановлений в безпосередній близькості від розподільної шафи або вводів електроживлення (розмір не менше 148 х 105 мм).

Фотоелектричний ефект

Фотоелектричний ефект - це пряме перетворення світла в електричну енергію за допомогою сонячних елементів, тобто сонячна енергія перетворюється в електричну.

Температура / Опромінення

Електричні величини і характеристичні криві модулів залежать від температури і опромінення. Струм модуля безпосередньо залежить від опромінення, а на напругу модуля в основному впливає його температура.

Характеристики ФЕ генератора

• MPP - точка максимальної потужності;
• I_SC - струм короткого замикання;
• I_MPP - короткочасний максимальний струм;
• U_OC - напруга розімкнутого ланцюга;
• U_MPP - короткочасна максимальна напруга.

Малюнок 3: Фотоелектричний ефект, графіки залежності

Важлива термінологія

Крива вольтамперних характеристик (крива IU) - крива залежності струму-напруги, що зображає продуктивність ФЕ генератора в різних умовах навантаження у вигляді діаграми. Ця крива залежить від величини миттєвої опромінення E і температури сонячного елемента.

Напруга розімкненого ланцюга, U_OC - вихідна напруга сонячного елемента або сонячного модуля в стані з нульовим навантаженням, тобто при відсутності струму.

Струм короткого замикання, I_SC - струм в короткозамкненому сонячному елементі або сонячному модулі, тобто з вихідною напругою 0 В.

Коефіцієнт корисної дії модуля, ККД - показує співвідношення вихідної потужності сонячного модуля і його вхідної потужності випромінювання щодо площі поверхні модуля.

кВт_пік - кіловат пік, проте «пік» означає не пікову, а скоріше номінальну потужність при стандартних тестових умовах (СТУ).

P_mpp - максимальна вихідна потужність сонячного елемента або модуля із заданою величиною опромінення і температурою конкретного сонячного елемента, тобто в точці максимальної потужності (mpp).

Еталонний елемент - калібрований сонячний елемент для вимірювання щільності потоку сумарного сонячного випромінювання G на плоскій поверхні (стандартний спектр AM 1,5, де G = 1 кВт / м2 при 25 °C).

Детальний огляд термінології:

• DIN EN 50521 - З'єднувачі для фотоелектричних систем. Вимоги безпеки і випробувань;
• IEC 60050-826 - Низьковольтні установки. Визначення;
• DIN EN ISO 13943 - Словник пожежної безпеки.

СТУ - стандартні тестові умови

Для того, щоб можна було порівнювати різні ФЕ модулі та елементи між собою, у всьому світі були прийняті стандартні тестові умови, за допомогою яких визначаються характеристичні криві сонячних елементів. СТУ посилаються на стандарти IEC 60904 і DIN EN 60904. По суті, характеристична крива визначається значенням MPP, струмом короткого замикання і напругою розімкнутого ланцюга.

• Опромінення E, коли світло падає на поверхню модуля перпендикулярно, 1000 Вт / м2;
• Температура елемента T=25 °C ±2 °С;
• Певний спектр світла з атмосферною масою (AM) 1,5 (одиниця виміру AM визначена в частині III стандарту IEC 904-3 і кількісно визначає додаткову відстань, пройдену сонячним світлом через атмосферу в разі похилого кута падіння замість перпендикулярного - в разі AM 1,5 відстань буде на 50% більше, ніж при перпендикулярному падінні). На екваторі атмосферна маса дорівнює 1, а в Європі приблизно 1,5.

Примітка: СТУ є теоретичними величинами і практично не досягаються в зазначеній якості. Параметр NOCT (нормальна робоча температура фотоелемента) був створений для кращого уявлення цих умов. (Параметр NOCT: сила випромінювання 800 Вт / м2, температура навколишнього середовища 20 °C, швидкість вітру 1 м / с, ФЕ система повинна працювати на холостому ходу - EN 61215).

Стандарти та директиви для будівництва ФЕ систем

Законодавство про суспільне будівництво (державні будівельні норми)

Формальні юридичні вимоги

• Дозвіл на будівництво (державні будівельні норми): як правило, в Європі дозвіл не потрібен. Винятки: наприклад, системи на фасадах будівель, комерційні ФЕ системи на сільськогосподарських спорудах;
• Матеріали для будівництва та типи будівель, дозвільна документація і протоколи випробувань.

Предметні юридичні вимоги

• Закон про планування будівництва;
• Будівельні норми по ізоляції, протипожежній безпеці і захисту від ударів блискавок;
• Суміжні будівельні норми, що стосуються охорони історичних будівель і пам'ятників.

Технічні правила проектування будівель з використанням скла

DIN 18008 - Скло в будівлях. Правила проектування та будівництва TRLV, TRAV, TRGS (наприклад, азбест)

• VDE-AR-N100 - Стандарт VDE AR N100 лежить в основі дотримання технічних норм VDE з планування, монтажу, виготовлення, експлуатації, випробування і технічного обслуговування систем, обладнання та виробів для електропостачання, включаючи вимоги до кваліфікації і організації компаній, які займаються експлуатацією мереж електроживлення. Технічні норми VDE служать основою для безпечного і надійного електропостачання
• E VDE-AR-N 4105 - Системи генерації електроенергії, які підключаються до розподільчої мережі низької напруги. Мінімальні технічні вимоги по підключенню і паралельній роботі з низьковольтними розподільчими мережами

Технічні правила підключення для енергопостачальника розподільної мережі

Технічних правил підключення повинні дотримуватися для систем, які знову підключаються до розподільної мережі, а також при розширенні або модифікації систем клієнтів. Зокрема, технічні правила підключення визначають обов'язки енергопостачальника мережі, монтажної організації і проектувальника, а також замовника і споживача електроенергії.

• IEC 60364-1 - Електроустановки низьковольтні. Частина 1. Основні положення, оцінка загальних характеристик, терміни та визначення
• IEC 60364-6 - Електроустановки низьковольтні. Частина 6. Випробування
• EN 50110-1 - Експлуатація електроустановок. Загальні вимоги
• IEC 60364-7-712 - Вимоги до спеціальних електроустановок або місць їх розташування. Фотоелектричні (ФЕ) системи живлення
• IEC 60904-2 - Прилади фотоелектричні. Частина 2. Вимоги до еталонних сонячних приладів
• VDE 0126-21 (проект) - Фотоелектричні пристрої в будівлях
• IEC 62446 - Системи фотоелектричні. Системи, що підключаються до мереж електропостачання загального призначення. Вимоги до документації, прийняття та обстеження
• DIN EN 61730-1, DIN EN 61730-2 - Визначення безпеки фотоелектричних (ФЕ) модулів. Частина 1. Вимоги до конструкції
• IEC 61215 - Модулі фотоелектричні із кристалічного кремнію наземні. Оцінка конструкції і затвердження типу
• IEC 61646 - Модулі фотоелектричні тонкоплівкові наземні. Оцінка конструкції і затвердження типу
• IEC 82 / 571 (проект) - Вимірювання коефіцієнта потужності фотоелектричних (ФЕ) модулів і енергії. Частина 1. Вимірювання потужності щодо опромінення і температури, а також оцінка продуктивності
• DIN EN 62108 - Концентраторні фотоелектричні модулі і вузли. Оцінка конструкції і затвердження типу

Вимоги до випробувань за IEC 62446

Системи змінного струму

• Тестування всіх ланцюгів змінного струму на відповідність вимогам стандарту EN / IEC 60364-6.

Системи постійного струму

• Перевірте цілісність функціонального заземлення електрода і провідника вирівнювання потенціалів (корпус ФЕ генератора), включаючи з'єднання з головною клемою заземлення - випробування на низький опір;
• Перевірте полярність всіх провідників постійного струму і їх з'єднань і правильність ідентифікації;
• Перевірте / виміряйте напругу розімкнутого ланцюга кожного ланцюжка при стабільних умовах опромінення (<5%), порівняйте однакові ланцюжки;
• Перевірте / виміряйте струм короткого замикання кожного ланцюжка при стабільних умовах опромінення (<5%), порівняйте однакові ланцюжки;

Примітка: переконайтеся, що всі ФЕ ланцюжки ізольовані між собою - роз'єднувачі підстанції й розподільні пристрої повинні бути розімкнуті!

• Функціональна перевірка правильності установки і підключення, перевірка відмови мережі;
• Опір ізоляції для ланцюгів постійного струму - 2 процедури випробування відповідно до VDE:
  «Випробування 1 між негативним електродом ФЕ генератора і землею з наступним випробуванням між позитивним електродом ФЕ генератора і землею »;
  «Випробування 2 між землею і негативним і позитивним електродами ФЕ генератора, коли електроди короткозамкнуті».

Примітка: перш ніж проводити вимірювання, від'єднайте розрядник для захисту від перенапруги!

Мінімальні значення опору ізоляції

Вимоги до документації

Після установки або періодичної перевірки підключених до електромережі ФЕ систем для замовника, інспектора або інженерів з технічного обслуговування повинна бути підготовлена документація з основними системними даними.

Основні системні дані

• Номінальна потужність системи (кВт пост. струму або кВА змінного струму);
• ФЕ модулі та інвертор (модель, виробник і кількість);
• Дата установки і початковий запуск;
• Найменування замовника;
• Адреса місця установки.

Інформація про розробника системи

• Назва компанії, контактна особа, адреса, номер телефону та адреса електронної пошти.

Інформація про монтажну організацію, яка встановлювала систему

• Назва компанії, контактна особа, адреса, номер телефону та адреса електронної пошти.

Вимоги до протипожежної безпеки ФЕ систем

Пожежний вимикач (EATON)

Пожежний вимикач рекомендується використовувати як додатковий пристрій виключення постійного струму для безпечного пожежогасіння. Пристрій включення повинен бути підключений паралельно роз'єднувачам мережі.

• VDE-AR-E 2100-712 - Вимоги до включення секції постійного струму ФЕ систем
• VDS 2033 - Електричні системи на місцях розміщення установки, які становлять загрозу пожежі і несуть інші аналогічні ризики, серед інших, прокладки кабелів постійного струму
• VDS 2216 - Заходи протипожежного захисту дахів, рекомендації для планування і виконання
• VDE-AR-E 2283-4 - Вимоги до кабелів ФЕ систем (тип PV1-F)

Стандарти використання ПЗВ в ФЕ системах

• DIN VDE 0100-482 - Захист від пожежі, якщо існують особливі ризики або небезпеки
• DIN VDE 0100-705 - Сільськогосподарські і садівничі споруди
• DIN VDE 0100-712 - Частина 7. Вимоги до спеціальних електроустановок або місць їх розташування. Сонячні фотоелектричні (ФЕ) системи живлення

Перший запуск

Сторона, відповідальна за налаштування ФЕ системи, повинна написати звіт про кожну процедуру запуску. Важлива частина змісту звіту включає вимірювані значення і системні дані.

Документальне оформлення вимірюваних значень

• Опір ізоляції на стороні постійного струму;
• Опір заземлення системи;
• Напруга розімкненого ланцюга генератора;
• Напруга розімкненого ланцюга ланцюжка;
• Струм короткого замикання ланцюжка;
• Падіння напруги на діоді і запобіжнику для систем з діодами / запобіжниками (клемні коробки генератора);
• Додаткове вимірювання характеристичних кривих окремих ланцюжків;
• Підготовка термограмм ФЕ генератора, а також розподільного пристрою і запобіжників.

Блискавкозахист і захист від перенапруги

• DIN EN 62305-2 - Блискавкозахист. Частина 2. Управління ризиками
• DIN EN 62305-3 (доповнення 5) - Частина 3. Захист від блискавки і перенапруги для ФЕ систем живлення
• Листок-вкладинка з інструкцією для електромонтажників ФЕ систем - Блискавкозахист і перенапруження в ФЕ системах на будівлях
• Директиви VDS 2010-09 - Ризикоорієнтований блискавкозахист і захист від перенапруги
• DIN CLC/TS 50539-12 - Частина 12. Принципи вибору та застосування - Пристрої захисту від перенапруги, підключені до фотоелектричних установок

Загалом можна сказати, що ФЕ системи не збільшують ризик потрапляння блискавки в будинок, хоча якщо їх не захистити, компоненти системи можуть вийти з ладу в результаті впливу струму блискавки і / або перенапруження. Наслідки будуть включати втрачені доходи і витрати на ремонт. З міркувань безпеки при установці ФЕ систем на громадських будівлях, таких як лікарні або школи, відповідні будівельні норми в різних регіонах визначають систему блискавкозахисту (LPS) класу III.

Переваги блискавкозахисту і захисту від перенапруги:

• Протипожежний захист та захист від руйнування ФЕ системи і будівлі;
• Безперервна працездатність ФЕ системи;
• Надійна інвестиція без зменшення доходу;
• Захист від травмування людей всередині і поблизу системи.

Система захисту від блискавки складається з зовнішнього і внутрішнього блискавкозахисту, а також захисту від перенапруги (сплеску напруги). Стандарт EN 62305-3 визначає ступінь захисту, що надається будівлям, використовуючи чотири рівні блискавкозахисту, а саме від I до IV.

Зовнішня система блискавкозахисту

• З розрядниками для захисту від струму блискавки, які створюють захисну зону на даху з урахуванням зазорів;
• З блискавковідводами, які направляють блискавки до системи заземлення;
• Струм блискавки направляється в землю через систему заземлення.

Внутрішня система блискавкозахисту

• Грозовий розрядник 1-го типу для подачі змінного струму в будинок;
• Грозовий розрядник 2-го типу для захисту інвертора для клем змінного і постійного струму;
• Імпульсний розрядник постійного струму 2-го типу в клемних коробках генератора захисту модулів.

Малюнок 4: Система блискавкозахисту ФЕ модулів

Сертифікація інвертора

• VDE V 0126-1-1 - Пристрій автоматичного відключення між генератором і загальнодоступною мережею низької напруги
• DIN EN 62109-1 - Безпека силових перетворювачів, використовуваних в фотоелектричних системах. Частина 1. Загальні вимоги
• DIN EN 62109-2 - Безпека силових перетворювачів, використовуваних в фотоелектричних системах. Спеціальні вимоги до інверторів

Інфрачервона термографія

Завдяки точному вимірюванню температури на поверхні сонячного модуля, тепловізійні камери дозволяють швидко і ефективно усувати найрізноманітніші дефекти. До переваг можна віднести безконтактний, неруйнівний контроль ФЕ системи з формуванням зображення при нормальній роботі і можливість сканування великих поверхонь. З метою забезпечення якості, термографію також слід використовувати для тестування системи після завершення монтажу.

Серед іншого, за допомогою термографії можна визначати такі дефекти: короткі замикання в сонячних елементах, забруднення, проникнення вологи, тріщини в елементах або сонцезахисному склі, погані контакти між з'єднувальним друкованим провідником і сонячними елементами, несправні зворотні діоди, модулі без навантаження і непідключені модулі, невідповідності, тобто втрати електроживлення через різну продуктивність окремих модулів.

Стандарти та директиви

• DIN 54190 - Частини 1-3. Неруйнівний контроль. Термографічний контроль. Частина 1: Загальні принципи, частина 2: Обладнання, частина 3: Терміни та визначення
• DIN EN 13187 - Теплові характеристики будівель. Якісне виявлення теплових аномалій в конструкціях будівель. Інфрачервоний метод
• DIN EN 13829 - Теплові характеристики будівель. Визначення повітропроникності будівель. Спосіб підтримки підпору повітря вентилятором
• DIN 4108 - Частини 1-3. теплоізоляція
• DIN EN 473 - Неруйнівний контроль. Кваліфікація і сертифікація персоналу НК. Загальні принципи

Малюнок 5: Види пошкоджень, виявлені за допомогою термографії