Dobór ograniczników przepięć do instalacji PV ze względu na napięcie łańcucha

Prawidłowy dobór ograniczników przepięć (SPD) po stronie DC w instalacjach fotowoltaicznych ma kluczowe znaczenie dla bezpieczeństwa i niezawodności całego systemu. W artykule przedstawiono praktyczne wytyczne oraz obliczenia oparte na normie PN-HD 60364-7-712, które pomagają dobrać właściwy typ oraz napięcie pracy ogranicznika – z uwzględnieniem realnych warunków środowiskowych, takich jak minimalna temperatura.

Dobór SPD ze względu na napięcie

Bardzo istotną kwestią przy doborze ogranicznika przepięć jest uwzględnienie wartości maksymalnego napięcia, jakie może pojawić się na łańcuchach PV. Należy mieć świadomość, że właściwości modułów fotowoltaicznych, jako elementów bazujących na strukturze półprzewodnikowej, zależne są od temperatury otoczenia.

W normie zharmonizowanej zdefiniowano następujące wartości:

§ napięcie obodu otwartego w normatywnych warunkach probierczych UOC STC (712.3.14) - napięcie w normatywnych warunkach probierczych na nieobciążonym (otwartym) module PV, łańcuchu PV, panelu PV i podpanelu PV

§ maksymalne napięcie obwodu otwartego UOC MAX (712.3.15) - maksymalne napięcie na nieobciążonym (otwartym) module PV, łańcuchu PV, panelu PV, podpanelu PV

Wartość UOC STC łańcucha PV można uznać za wartość znamionową, zależną od parametrów modułów PV i ich ilości. Natomiast wartość maksymalna UOC MAX jest wartością zakładaną, jaka może pojawić się w skrajnych warunkach i to tę wartość należy uwzględniać tam, gdzie napięcie łańcucha może mieć wpływ na bezpieczeństwo instalacji. Zgodnie z punktem 712.534.102.3 normy zharmonizowanej PN-HD 60364-7-712 „wartość maksymalnego napięcia UCPV, akceptowalnego przez urządzenie do ograniczania przepięć należy dobrać zgodnie z maksymalnym napięciem UOC MAX w stanie jałowym panelu PV. Napięcie UCPV nie powinno być mniejsze niż maksymalne napięcie UOC MAX panelu PV”. Metodę określania wartości UOC MAX podano w załączniku B normy.

Zależność wartości napięcia modułu PV, a zatem i całego łańcucha PV, od temperatury otoczenia jest odwrotnie proporcjonalna: im wyższa temperatura, tym niższe napięcie. A zatem najwyższe napięcia UOC MAX występować będą przy ujemnych temperaturach. Taka sytuacja nie musi występować zimą, nawet w okresie wiosennym normalnym zjawiskiem jest występowanie przymrozków o wschodzie słońca.

Zgodnie z załącznikiem B normy PN-HD 60364-7-712 maksymalne napięcie modułu/łańcucha wyznacza się w oparciu o współczynnik korekcyjny KU z zależności:

UOC MAX = KU UOC STC KU = 1 + (αUOC / 100) (Tmin – 25)

przy czym:

KU  - współczynnik korekcyjny, uwzględniający wzrost napięcia w otwartym obwodzie modułów, w najniższej temperaturze Tmin

αUoc  - temperaturowy współczynnik zmiany modułu napięcia Uoc, w %/°C;

Tmin  - zakładana najniższa temperatura w miejscu instalacji PV, w °C;

Współczynnik temperaturowy αUoc powinien być podany przez producenta modułu PV w jego danych technicznych. Najczęściej podawany jest w %/°C, ale można spotkać także wartości podane w mV/°C, wtedy do przeliczenia na wartość względną %/°C należy zastosować następujący wzór:

αUoc (%/°C) = 0,1 αUoc (mV/°C) / UOC STC_Module (V)

Przykład obliczeń UOC MAX

Do przykładowych obliczeń przyjęto dane jednego z popularnych modułów PV wg karty katalogowej. Warto zwrócić uwagę, że producenci mogą stosować odmienne oznaczenia współczynników względem stosowanych w normach, np.: UOC STC jako VOC lub αUOC jako β_VOC. Niezbędne do obliczeń dane podane w karcie katalogowej wynoszą:

UOC STC_Module = 50,01 V

αUOC = – 0,272 %/°C

Aby obliczyć wartość UOC MAX projektant musi założyć, jaka najniższa temperatura może wystąpić w danym obszarze. Do przykładu obliczeniowego przyjęto:

Tmin = -15 °C

Wartość współczynnika korekcyjnego obliczona wg PN-HD 60364-7-712:

KU = 1 + (αUOC / 100) (Tmin – 25) = 1+(-0,272/100)(-15-25) = 1,1088

Wartość maksymalna napięcia rozpatrywanego modułu, przy zakładanej najniższej temperaturze (Tmin = -15 °C) wynosi:

UOC MAX = KU UOC STC = 1,1088 ∙ 50,01 = 55,45 V

Jeżeli łańcuch PV składa się przykładowo z 17 paneli, to w takim przypadku napięcie normatywne oraz maksymalne łańcucha mogą znacząco się różnić:

UOC STC_STRING = 850,17 V

UOC MAX_STRING = 942,65 V

Należy mieć świadomość, że spadek temperatury otoczenia powoduje wzrost napięcia modułów PV.

Przykład doboru ogranicznika ze względu na UCPV

Obecnie na rynku dostępne są ograniczniki przepięć o maksymalnych napięciach trwałej pracy UCPV rzędu 1000 V, 1200 V i 1500 V. W instalacjach przemysłowych oraz na gruncie coraz częściej stosowane są te o napięciu pracy powyżej 1000 V. Kontynuując analizę z powyższego przykładu obliczeniowego, należy stwierdzić, że dobór SPD uzależniony jest od liczby modułów PV w danym łańcuchu. Uwzględniając obliczoną wartość współczynnika korekcyjnego KU = 1,1088 normatywna i maksymalna wartość napięcia łańcucha składającego się z 17 modułów wynoszą:

UOC STC_STRING = 850,17 V

UOC MAX_STRING = 942,65 V

W takim przypadku można zastosować ogranicznik przepięć np.: RST Solar PV T1+T2 G 1000V DC, który spełnia warunek:

UCPV = 1000 V > 942,65 V - warunek UCPV spełniony

Rozszerzenie łańcucha o zaledwie dwa dodatkowe moduły, może prowadzić do konieczności zastosowania ogranicznika o wyższym napięciu pracy. Normatywna i maksymalna wartość napięcia łańcucha składającego się z 19 modułów wynoszą:

UOC STC_STRING = 950,19 V

UOC MAX_STRING = 1053,55 V

UCPV = 1000 V < 1053,55 V - za mała wartość UCPV

Opierając się wyłącznie na wartości UOC STC można byłoby błędnie dobrać SPD o napięciu UCPV = 1000 V. W takim przypadku przy spadku temperatury do zakładanej wartości Tmin  występowałoby ryzyko przeciążenia SPD. Dlatego zgodnie z wytycznymi normy zharmonizowanej w tym przypadku przy 19 modułach należy zastosować SPD o maksymalnym napięciu trwałej pracy UCPV = 1200 V (np.: RST Solar PV T1+T2 Y 1200V DC):

UCPV = 1200 V > 1053,55 V - warunek UCPV spełniony

Warto zdawać sobie sprawę, że ogranicznik przepięć chroni przed udarami trwającymi zazwyczaj znacznie poniżej 1 sekundy, nawet kilkusekundowe przeciążenie ogranicznika zbyt wysokim napięciem pracy może doprowadzić do jego uszkodzenia.

Wpływ doboru najniższej temperatury Tmin

Analizując powyższe przykłady należy postawić pytanie, jaką najniższą temperaturę Tmin przyjąć w projekcie. W różnych regionach świata może to być uwarunkowane lokalnymi warunkami klimatycznymi. Poniżej przedstawiono przykładowe obliczenia wartości współczynnika KU i napięcia UOC MAX dla różnych wartości Tmin. Jak widać, już od przyjętej wartości najniższej zakładanej temperatury może zależeć dobór SPD ze względu na UCPV.

Tmin = -5 °C KU = 1,0816 UOC MAX = 919,5 V

Tmin = -15 °C KU = 1,1088 UOC MAX = 942,7 V

Tmin = -25 °C KU = 1,1360 UOC MAX = 965,8 V

Tmin = -40 °C KU = 1,1768 UOC MAX = 1000,5 V

Jeżeli określenie wartości Tmin jest trudne, lub także przy braku informacji o współczynniku temperaturowym modułu PV, można pominąć obliczenia i zgodnie z załącznikiem B wartość UOC MAX należy przyjąć jako 1,2 UOC STC. Jak widać z powyższych obliczeń taki warunek jest wariantem bezpiecznym, który uwzględnia temperatury nawet poniżej -40 °C.

Metody doboru SPD ze względu na UCPV i UOC STC łańcucha PV:

§ Obliczenia KU wg załącznika B                    UCPV  > KU UOC STC

§ Brak obliczeń, założenie KU = 1,2              UCPV  > 1,2 UOC STC

Tablica 4.

 
Podsumowanie 

Dobór SPD w instalacjach PV sprowadza się do dwóch kluczowych parametrów: typu ogranicznika (1+2 lub 2) oraz jego napięcia pracy UCPV. Krytyczne jest uwzględnienie zmienności napięcia modułów PV w zależności od temperatury otoczenia – co przekłada się bezpośrednio na skuteczność ochrony przepięciowej. Stosowanie się do wytycznych normatywnych oraz wykonywanie dokładnych obliczeń pozwala uniknąć błędów i zwiększyć bezpieczeństwo instalacji.

📌 Masz pytania? Skontaktuj się z nami, aby omówić właściwy dobór ograniczników przepięć do Twojej instalacji PV lub dowiedzieć się więcej o najlepszych rozwiązaniach dla bezpieczeństwa systemów fotowoltaicznych.