Солнечная энергетика: основы основ

С момента создания отрасль солнечной энергетики потерпела бурного развития в последние годы. Правильное представление и возрастающие знания касательно конечной природы ископаемого топлива и источников ядерной энергии, а также последствий их влияния на окружающую среду, пробудили интерес к гелиотехнологии.

Исследования показывают, что современное использование технологии солнечной энергетики только началось и будет широко развиваться благодаря постоянному росту. Закон о возобновляемых источниках энергии поддерживает автономное производство экологически чистой энергии.

На практике часто существует неопределенность относительно того, какие нормативные требования необходимо соблюдать при установке и устранении неисправностей фотоэлектрических (ФЭ) систем. Информационный указатель ФЭ системы предлагает помощь в рутинной повседневной работе.

Фотоэлектрическое устройство - это средство генерации электрического напряжения с использованием фотонной энергии солнца.

Рисунок 1: Схематическое изображение ФЭ системы	Рисунок 2: Идентификация зданий с ФЭ системами

Опознавательный знак должен быть установлен в непосредственной близости от распределительного шкафа или вводов электропитания (размер не менее 148 х 105 мм).

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект - это прямое преобразование света в электрическую энергию с помощью солнечных элементов, то есть солнечная энергия превращается в электрическую.

Температура / Облученность

Электрические величины и характеристические кривые модулей зависят от температуры и облученности. Ток модуля напрямую зависит от облученности, а на напряжение модуля в основном влияет его температура.

Характеристики ФЭ генератора

• MPP - точка максимальной мощности;
• I_SC - ток короткого замыкания;
• I_MPP - кратковременный максимальный ток;
• U_OC - напряжение разомкнутой цепи;
• U_MPP - кратковременное максимальное напряжение.

Рисунок 3: Фотоэлектрический эффект, графики зависимости

Важная терминология

Кривая вольт-амперных характеристик (кривая IU) - кривая зависимости тока-напряжения, изображающая производительность ФЭ генератора в различных условиях нагрузки в виде диаграммы. Эта кривая зависит от величины мгновенной облученности E и температуры солнечного элемента.

Напряжение разомкнутой цепи, U_OC - выходное напряжение солнечного элемента или солнечного модуля в состоянии с нулевой нагрузкой, то есть при отсутствии тока.

Ток короткого замыкания, I_SC - ток в короткозамкнутом солнечном элементе или солнечном модуле, то есть с выходным напряжением 0 В.

Коэффициент полезного действия модуля, КПД - показывает соотношение выходной мощности солнечного модуля и его входной мощности излучения относительно площади поверхности модуля.

кВт_пик - киловатт пик, однако «пик» означает не пиковую, а скорее номинальную мощность при стандартных тестовых условиях (СТУ).

P_mpp - максимальная выходная мощность солнечного элемента или модуля с заданной величиной облученности и температурой конкретного солнечного элемента, то есть в точке максимальной мощности (mpp).

Эталонный элемент - калиброванный солнечный элемент для измерения плотности потока суммарного солнечного излучения G на плоской поверхности (стандартный спектр AM 1,5, где G = 1 кВт / м2 при 25 °C).

Детальный обзор терминологии:

• DIN EN 50521 - Соединители для фотоэлектрических систем. Требования безопасности и испытаний;
• IEC 60050-826 - Низковольтные установки. Определения;
• DIN EN ISO 13943 - Словарь пожарной безопасности.

СТУ - стандартные тестовые условия

Для того, чтобы можно было сравнивать различные ФЭ модули и элементы между собой, во всем мире были приняты стандартные тестовые условия, с помощью которых определяются характеристические кривые солнечных элементов. СТУ ссылаются на стандарты IEC 60904 и DIN EN 60904. По сути, характеристическая кривая определяется значением MPP, током короткого замыкания и напряжением разомкнутой цепи.

• Облученность E, когда свет падает на поверхность модуля перпендикулярно, 1000 Вт / м2;
• Температура элемента T = 25 °C ±2 °С;
• Определенный спектр света с атмосферной массой (AM) 1,5 (единица измерения AM определена в части III стандарта IEC 904-3 и количественно определяет дополнительное расстояние, пройденное солнечным светом через атмосферу в случае наклонного угла падения вместо перпендикулярного - в случае AM 1,5 расстояние будет на 50% больше, чем при перпендикулярном падении). На экваторе атмосферная масса равна 1, а в Европе примерно 1,5.

Примечание: СТУ являются теоретическими величинами и практически не достигаются в указанном качестве. Параметр NOCT (нормальная рабочая температура фотоэлемента) был создан для лучшего представления этих условий. (Параметр NOCT: сила излучения 800 Вт / м2, температура окружающей среды 20 °C, скорость ветра 1 м/с, ФЭ система должна работать на холостом ходу - EN 61215).

Стандарты и директивы для строительства ФЭ систем

Законодательство об общественном строительстве (государственные строительные нормы)

Формальные юридические требования

• Разрешение на строительство (государственные строительные нормы): как правило, в Европе разрешение не требуется. Исключения: например, системы на фасадах зданий, коммерческие ФЭ системы на сельскохозяйственных сооружениях;
• Материалы для строительства и типы зданий, разрешительная документация и протоколы испытаний.

Предметные юридические требования

• Закон о планировании строительства;
• Строительные нормы по изоляции, противопожарной безопасности и защите от ударов молний;
• Смежные строительные нормы, касающиеся охраны исторических зданий и памятников.

Технические правила проектирования зданий с использованием стекла

DIN 18008 - Стекло в зданиях. Правила проектирования и строительства TRLV, TRAV, TRGS (например, асбест)

• VDE-AR-N100 - Стандарт VDE AR N100 лежит в основе соблюдения технических норм VDE по планированию, монтажу, изготовлению, эксплуатации, испытанию и техническому обслуживанию систем, оборудования и изделий для электроснабжения, включая требования к квалификации и организации компаний, которые занимаются эксплуатацией сетей электропитания. Технические нормы VDE служат основой для безопасного и надежного электроснабжения
• E VDE-AR-N 4105 - Системы генерации электроэнергии, которые подключаются к распределительной сети низкого напряжения. Минимальные технические требования по подключению и параллельной работе с низковольтными распределительными сетями

Технические правила подключения для энергопоставщика распределительной сети

Технические правила подключения должны соблюдать для систем, которые снова подключаются к распределительной сети, а также при расширении или модификации систем клиентов. В частности, технические правила подключения определяют обязанности энергопоставщика сети, монтажной организации и проектировщика, а также заказчика и потребителя электроэнергии.

• IEC 60364-1 - Электроустановки низковольтные. Часть 1. Основные положения, оценка общих характеристик, термины и определения
• IEC 60364-6 - Электроустановки низковольтные. Часть 6. Испытания
• EN 50110-1 - Эксплуатация электроустановок. Общие требования
• IEC 60364-7-712 - Требования к специальным электроустановкам или местам их расположения. Фотоэлектрические (ФЭ) системы питания
• IEC 60904-2 - Приборы фотоэлектрические. Часть 2. Требования к эталонным солнечным приборам
• VDE 0126-21 (проект) - Фотоэлектрические устройства в зданиях
• IEC 62446 - Системы фотоэлектрические. Системы, подключаемые к сетям электроснабжения общего назначения. Требования к документации, принятию и обследованию
• DIN EN 61730-1, DIN EN 61730-2 - Определение безопасности фотоэлектрических (ФЭ) модулей. Часть 1. Требования к конструкции
• IEC 61215 - Модули фотоэлектрические из кристаллического кремния наземные. Оценка конструкции и утверждение типа
• IEC 61646 - Модули фотоэлектрические тонкопленочные наземные. Оценка конструкции и утверждение типа
• IEC 82 / 571 (проект) - Измерение коэффициента мощности фотоэлектрических (ФЭ) модулей и энергии. Часть 1. Измерение мощности относительно облучения и температуры, а также оценка производительности
• DIN EN 62108 - Концентраторные фотоэлектрические модули и узлы. Оценка конструкции и утверждение типа

Требования к испытаниям по IEC 62446

Системы переменного тока

• Тестирование всех цепей переменного тока на соответствие требованиям стандарта EN / IEC 60364-6.

Системы постоянного тока

• Проверьте целостность функционального заземляющего электрода и проводника выравнивания потенциалов (корпус ФЭ генератора), включая соединения с главной клеммой заземления - испытания на низкое сопротивление;
• Проверьте полярность всех проводников постоянного тока и их соединений и правильность идентификации;
• Проверьте / измерьте напряжение разомкнутой цепи каждой цепочки при стабильных условиях облучения (<5%), сравните одинаковые цепочки;
• Проверьте / измерьте ток короткого замыкания каждой цепочки при стабильных условиях облучения (<5%), сравните одинаковые цепочки;

Примечание: убедитесь, что все ФЭ цепочки изолированы между собой - разъединители и распределительные устройства должны быть разомкнуты!

• Функциональная проверка правильности установки и подключения, проверка отказа сети;
• Сопротивление изоляции для цепей постоянного тока - 2 процедуры испытания в соответствии с VDE:
  «Испытание 1 между отрицательным электродом ФЭ генератора и землей с последующим испытанием между положительным электродом ФЭ генератора и землей»;
  «Испытание 2 между землей и отрицательным и положительным электродами ФЭ генератора, когда электроды короткозамкнуты».

Примечание: прежде чем проводить измерения, отсоедините разрядник для защиты от перенапряжения!

Минимальные значения сопротивления изоляции

Требования к документации

После установки или периодической проверки подключенных к электросети ФЭ систем для заказчика, инспектора или инженеров по техническому обслуживанию должна быть подготовлена документация с основными системными данными.

Основные системные данные

• Номинальная мощность системы (кВт пост. тока или кВА переменного тока);
• ФЭ модули и инвертор (модель, производитель и количество);
• Дата установки и начальный запуск;
• Наименование заказчика;
• Адрес места установки.

Информация о разработчике системы

• Название компании, контактное лицо, адрес, номер телефона и адрес электронной почты.

Информация о монтажной организации, которая устанавливала систему

• Название компании, контактное лицо, адрес, номер телефона и адрес электронной почты.

Требования к противопожарной безопасности ФЭ систем

Пожарный выключатель (EATON)

Пожарный выключатель рекомендуется использовать как дополнительное устройство выключения постоянного тока для безопасного пожаротушения. Устройство включения должно быть подключено параллельно разъединителю сети.

• VDE-AR-E 2100-712 - Требования к включению секции постоянного тока ФЭ систем
• VDS 2033 - Электрические системы на местах размещения установки, которые представляют угрозу пожара и несут другие аналогичные риски, среди прочих, прокладки кабелей постоянного тока
• VDS 2216 - Мероприятия противопожарной защиты крыш, рекомендации для планирования и выполнения
• VDE-AR-E 2283-4 - Требования к кабелям ФЭ систем (тип PV1-F)

Стандарты использования УЗО в ФЭ системах

• DIN VDE 0100-482 - Защита от пожара, если существуют особые риски или опасности
• DIN VDE 0100-705 - Сельскохозяйственные и садоводческие сооружения
• DIN VDE 0100-712 - Часть 7. Требования к специальным электроустановкам или местам их расположения. Солнечные фотоэлектрические (ФЭ) системы питания

Первый запуск

Сторона, ответственная за настройку ФЭ системы, должна написать отчет о каждой процедуре запуска. Важная часть содержания отчета включает измеряемые значения и системные данные.

Документальное оформление измеряемых значений

• Сопротивление изоляции на стороне постоянного тока;
• Сопротивление заземления системы;
• Напряжение разомкнутой цепи генератора;
• Напряжение разомкнутой цепи цепочки;
• Ток короткого замыкания цепочки;
• Падение напряжения на диоде и предохранителе для систем с диодами / предохранителями (клеммные коробки генератора);
• Дополнительное измерение характеристических кривых отдельных цепочек;
• Подготовка термограмм ФЭ генератора, а также распределительного устройства и предохранителей.

Молниезащита и защита от перенапряжения

• DIN EN 62305-2 - Молниезащита. Часть 2. Управление рисками
• DIN EN 62305-3 (дополнение 5) - Часть 3. Защита от молнии и перенапряжения для ФЭ систем питания
• Листок-вкладыш с инструкцией для электромонтажников ФЭ систем - Молниезащита и перенапряжение в ФЭ системах на зданиях
• Директивы VDS 2010-09 - Рискоориентированная молниезащита и защита от перенапряжения
• DIN CLC/TS 50539-12 - Часть 12. Принципы выбора и применения - Устройства защиты от перенапряжения, подключенные к фотоэлектрическим установкам

В общем можно сказать, что ФЭ системы не увеличивают риск попадания молнии в здание, хотя если их не защитить, компоненты системы могут выйти из строя в результате воздействия тока молнии и / или перенапряжения. Последствия будут включать потерянные доходы и расходы на ремонт. По соображениям безопасности при установке ФЭ систем на общественных зданиях, таких как больницы или школы, соответствующие строительные нормы в разных регионах определяют систему молниезащиты (LPS) класса III.

Преимущества молниезащиты и защиты от перенапряжения:

• Противопожарная защита и защита от разрушения ФЭ системы и здания;
• Непрерывная работоспособность ФЭ системы;
• Надежная инвестиция без уменьшения дохода;
• Защита от травмирования людей внутри и вблизи системы.

Система защиты от молнии состоит из внешней и внутренней молниезащиты, а также защиты от перенапряжения (всплеска напряжения). Стандарт EN 62305-3 определяет степень защиты, предоставляемой зданиям, используя четыре уровня молниезащиты, а именно от I до IV.

Внешняя система молниезащиты

• С разрядниками для защиты от тока молнии, которые создают защитную зону на крыше с учетом зазоров;
• С молниеотводами, которые направляют молнии к системе заземления;
• Ток молнии направляется в землю через систему заземления.

Внутренняя система молниезащиты

• Грозовой разрядник 1-го типа для подачи переменного тока в дом;
• Грозовой разрядник 2-го типа для защиты инвертора для клемм переменного и постоянного тока;
• Импульсный разрядник постоянного тока 2-го типа в клеммных коробках генератора защиты модулей.

Рисунок 4: Система молниезащиты ФЭ модулей

Сертификация инвертора

• VDE V 0126-1-1 - Устройство автоматического отключения между генератором и общедоступной сетью низкого напряжения
• DIN EN 62109-1 - Безопасность силовых преобразователей, используемых в фотоэлектрических системах. Часть 1. Общие требования
• DIN EN 62109-2 - Безопасность силовых преобразователей, используемых в фотоэлектрических системах. Специальные требования к инверторам

Инфракрасная термография

Благодаря точному измерению температуры на поверхности солнечного модуля, тепловизионные камеры позволяют быстро и эффективно устранять самые разнообразные дефекты. К преимуществам можно отнести бесконтактный, неразрушающий контроль ФЭ системы с формированием изображения при нормальной работе и возможность сканирования больших поверхностей. С целью обеспечения качества, термографию также следует использовать для тестирования системы после завершения монтажа.

Среди прочего, с помощью термографии можно определять такие дефекты: короткие замыкания в солнечных элементах, загрязнения, проникновения влаги, трещины в элементах или солнцезащитном стекле, плохие контакты между соединительным печатным проводником и солнечными элементами, неисправные обратные диоды, модули без нагрузки и неподключенные модули, несоответствия, то есть потери электропитания из-за различной производительности отдельных модулей.

Стандарты и директивы

• DIN 54190 - Части 1-3. Неразрушающий контроль. Термографический контроль. Часть 1: Общие принципы, часть 2: Оборудование, часть 3: Термины и определения
• DIN EN 13187 - Тепловые характеристики зданий. Качественное обнаружение тепловых аномалий в ограждающих конструкциях зданий. Инфракрасный метод
• DIN EN 13829 - Тепловые характеристики зданий. Определение воздухопроницаемости зданий. Способ поддержания подпора воздуха вентилятором
• DIN 4108 - Части 1-3. Теплоизоляция
• DIN EN 473 - Неразрушающий контроль. Квалификация и сертификация персонала НК. Общие принципы

Рисунок 5: Виды повреждений, выявленные при помощи термографии