Instalacje fotowoltaiczne – wybrane aspekty prawidłowego montażu

Panele fotowoltaiczne muszą mieć dostęp do jak największej ilości światła, co wiąże się z ich orientacją względem stron świata, kątem nachylenia oraz brakiem zacienienia. Najwyższą wydajność (moc rzeczywistą) uzyskują panele zorientowane na południe. Ze względu na wydłużenie czasu produkcji energii warto uwzględnić także orientację południowo-wschodnią i południowo-zachodnią. Inna niż południowa orientacja paneli PV wymaga większej powierzchni instalacji, aby można było uzyskać taką samą wydajność jak w przypadku paneli skierowanych na po­łudnie. 

Wartość kąta nachylenia wpływa nie tylko na uzyskanie dużej mocy rzeczywistej (wydajności) paneli, ale też na zdolność do samooczyszczania, co znacznie ogranicza zaleganie śniegu i zabrudzeń (a więc zapobiega zacienieniu).

Minimalny kąt nachylenia wynosi 15°, a orientacyjna wartość optymalna dla warunków nasłonecznienia panujących w Polsce to 35–38° (w przypadku paneli skierowanych na południe). Inne nachylenie dachu (w granicach 20–60°), powoduje spadek rzeczywistej mocy o kilka (3–8) procent rocznie [1, 2].

Na dachach płaskich instalowane są specjalne konstrukcje umożliwiające nachylenie montowanych paneli pod kątem 30° – zwiększając kąt nachylenia, trzeba zachować odpowiednią odległość między kolejnymi rzędami paneli, inaczej będą one rzucać cień na siebie nawzajem, co może znacznie zmniejszyć ich powierzchnię użytkową i rzeczywistą moc. Do montażu należy stosować systemy pochodzące od jednego dostawcy i stanowiące całość – wszystkie części są wówczas precyzyjnie do siebie dopasowane (w innym przypadku mogą mieć niewystarczającą wytrzymałość i nieodpowiednie wymiary), wokół paneli zapewniona jest cyrkulacja powietrza niezbędna do ich prawidłowego działania, a odpowiednie rozwiązania zabezpieczają membranę dachową przed uszkodzeniem. 

Na rynku dostępne są też konstrukcje, które automatycznie regulują kąt nachylenia paneli PV względem słońca, a ich zastosowanie może zwiększyć produkcję energii o kilka procent w skali roku. Są one jednak wyraźnie droższe pod względem zakupu i montażu, wymagają cyklicznej konserwacji i są bardziej narażone na awarię czy przestój (zawierają części ruchome, które ulegają zużyciu). Lepszym rozwiązaniem jest zatem precyzyjne wyliczenie najlepszego kąta nachylenia dla danej lokalizacji. Przykładowo w 2019 roku w Katowicach przeprowadzono badania, w wyniku których stwierdzono, że dla paneli PV z krzemu amorficznego w okresie 1 grudnia–28 lutego optymalny kąt wynosi 73°, dla okresów 1 marca–30 kwietnia oraz 11 sierpnia–30 listopada kąt ten to 48°, a między 1 maja i 10 września maksymalna moc rzeczywista osiągana jest dla kąta 19° [3].

Panele nie powinny wystawać poza obrys dachu, gdyż mogą zostać zerwane. Haki do ich mocowania powinny być dobrane w odpowiedniej liczbie i dostosowane do rodzaju pokrycia dachu – jeśli nieprawidłowo dobrany hak opiera się na dachówce, może ją zdeformować, a nawet spowodować pęknięcie. Zbyt mała liczba haków może się wiązać z ich nadmiernym odkształceniem, co może grozić zniszczeniem instalacji w rejonach o zwiększonych opadach śniegu lub z silnymi wiatrami.

Należy również unikać długotrwałego zacienienia powierzchni paneli, które wpływa na obniżenie uzysków energii (mocy rzeczywistej), a także zagraża trwałości samej instalacji. Zacienienie może pochodzić nie tylko od drzew czy kominów oraz od nieprawidłowo rozmieszczonych innych paneli i ich konstrukcji, ale także od rys i uszkodzeń (nawet w skali mikro) na powierzchni panelu.

Problemy związane z zacienieniem i mikrouszkodzeniami paneli

Jednym z najczęstszych problemów związanych z pracą instalacji PV są tzw. hot spoty (gorące miejsca), czyli punkty nagrzewające się mocniej niż pozostałe (nawet do ponad 200°C) w wyniku wzrostu rezystancji. Mogą one prowadzić do skrócenia żywotności modułu PV oraz samozapłonu i pożaru. Powstają w miejscach długotrwałego miejscowego zacienienia (zachowując się jak odbiorniki energii) oraz w miejscach uszkodzeń, wynikających np. z niedoróbek produkcyjnych lub mikropęknięć.

Problem powstawania hot spotów w wyniku długotrwałego zacienienia paneli rozwiązano w ostatnich latach, dzieląc panele na stringi (szeregi) oraz stosując diody bocznikujące (bypassy, obejściowe). Dzięki diodom bocznikującym w przypadku częściowego zasłonięcia modułu odłączana jest tylko jego część, co zmniejsza wpływ zacienienia na spadek wydajności całej instalacji. Diody takie muszą być rozwiązaniami dobrej jakości, trzeba je także prawidłowo zamontować. W innym przypadku mogą się przegrzewać, co stanowi jeden z powodów występowania łuku elektrycznego, będącego główną przyczyną pożaru [4].

Mikropęknięcia – wciąż będące poważnym problemem instalacji PV – powstają wskutek stosowania rozwiązań niskiej jakości, a najczęściej w wyniku niewłaściwego traktowania paneli. Można tu wymienić nieuważny transport, stawanie na panelach czy chodzenie po nich, a także nieostrożny montaż – głównie zbyt mocne dokręcanie, czyli stosowanie nieodpowiednich (niezgodnych z zaleceniem producenta) momentów dokręcenia śrub mocujących – oraz niedbałą eksploatację, np. zbyt inwazyjne mycie lub odśnieżanie [4].

Mikropęknięć zwykle nie widać – ich wykrycie jest możliwe za pomocą badań kamerą termowizyjną, choć widocznym objawem są tzw. ślimacze ścieżki na panelach PV, czyli ciemne przebarwienia pojawiające się w ciągu 3–12 miesięcy w instalacji o niższej jakości, np. wykonanej z tańszych paneli, lub niestarannie zamontowanej [4]. Widocznym uszkodzeniem jest porysowanie paneli. Może ono spowodować niewielkie (miejscowe) zacienienie ogniw, a w przypadku większych rys – zniszczenie powłoki antyrefleksyjnej oraz przenikanie wilgoci i zanieczyszczeń do wnętrza modułu.

W panelach gorszej jakości może dojść także do delaminacji, czyli odklejania się folii EVA zabezpieczającej ogniwa przed wilgocią w okolicach busbarów (szynoprzewodów odpowiedzialnych za przewodzenie prądu fotoelektrycznego). Powoduje to zmniejszenie przezroczystości modułu i jego zdolności do absorpcji światła słonecznego. Odklejona folia może łatwo ulec przedziurawieniu, co naraża ogniwo na wilgoć i korozję [4].

Zasady montażu falownika

Truizmem jest stwierdzenie, że dobry, wysokiej jakości falownik (inwerter prądu stałego DC na prąd zmienny AC) to serce instalacji PV. Odpowiada on nie tylko za przetwarzanie prądu DC/AC, ale też zabezpiecza przed nadmiernym wzrostem napięcia w sieci oraz sygnalizuje szereg nieprawidłowości (np. awarię sieci AC czy upływ prądu do uziemienia), chroniąc przed ich skutkami dzięki wyłączeniu instalacji. Te wszystkie kluczowe zadania będą realizowane tylko w przypadku prawidłowego montażu – w przeciwnym wypadku nawet najlepsze urządzenie może się okazać nieskuteczne.

Falownik powinien się znajdować w odległości nie większej niż 10 m od paneli fotowoltaicznych. Wiąże się to przede wszystkim z wymaganiem zachowania spadku napięcia nieprzekraczającego 1%. Należy także ograniczyć wszelkie połączenia między modułami a falownikiem – im mniej miejsc zarabiania złączy, tym mniejsze ryzyko ich nieprawidłowego połączenia. Łączenie należy wykonywać za pomocą złączy pochodzących od jednego producenta o odpowiedniej renomie – mieszanie złączek od różnych producentów może spowodować niedopasowanie i nieprawidłowy styk, co skutkuje przepaleniem złączki, a nawet powstaniem łuku elektrycznego, który może być przyczyną pożaru.

Falownik należy łączyć z instalacją DC z jednej strony i AC z drugiej poprzez przewody solarne, których przekrój zależy od mocy instalacji – przyjmuje się, że w przypadku falownika o mocy od 3 do 7,5 kW należy zastosować kabel solarny o średnicy wewnętrznej 4 mm, natomiast w przypadku mocy falownika od 7,5 do 11 kW sprawdzi się kabel 6 mm. Falownik należy umieścić w pomieszczeniu chłodnym i suchym, a jednocześnie dobrze wentylowanym (zatem nie należy go zamykać np. w szafie) – można go więc montować w domu lub w piwnicy na niepalnej powierzchni ściany (nie na stropie!), zachowując odległość co najmniej 1 m od podłogi oraz przynajmniej 15–30 cm wolnej przestrzeni z każdej strony. Jeśli falowników jest więcej, powinny być one oddalone od siebie o co najmniej 0,5 m.

Jakość kabli solarnych

Moc rzeczywista mikroinstalacji PV uzależniona jest także od rodzaju, jakości i działania przewodów fotowoltaicznych (solarnych) zastosowanych do wykonania połączeń. Wszystkie kable solarne – użyte do połączenia modułów, połączenia instalacja–falownik oraz podłączeń po stronie prądu stałego – powinny spełniać wymagania określone w normie PN-EN 50618:2015-03 [5] oraz w normie branżowej ­N-SEP-E-004 [6]. Dobre kable solarne mają zwykle gwarancję na taki sam okres jak instalacja PV, czyli od 15 do 25 lat.

Kabel solarny ma większą średnicę niż typowy kabel elektryczny, żyła miedziana jest pokryta cyną, jego giętkość jest większa (zwykle używa się kabli o klasie giętkości 5 lub 6). Ma także podwójną izolację. Materiałem głównej warstwy izolacyjnej jest polietylen usieciowany (PE-x), a warstwy zewnętrznej – różne tworzywa sztuczne, jednak godne polecenia są tworzywa bezhalogenowe (niezawierające halogenów, czyli chloru, fluoru, bromu i jodu), z których w przypadku pożaru nie są emitowane toksyczne gazy – np. poliolefiny. Izolacja powinna także zapewniać odporność na oddziaływanie zmiennych warunków atmosferycznych (deszcz, śnieg, grad, upały) oraz promieniowanie UV.

Kable solarne mogą mieć zewnętrzną średnicę od 4,5 do ponad 28 mm i dobiera się je zawsze do konkretnej instalacji PV. Należy je układać odpowiednio napięte (z uwzględnieniem rozszerzalności temperaturowej wynikającej z nagrzewania się podczas przepływu prądu), tak by nie były zanurzone w wodzie lub narażone na długotrwałe oddziaływanie wilgoci. Kable solarne można prowadzić w ziemi.

Ochrona odgromowa instalacji PV

Instalacja fotowoltaiczna powinna być połączona z instalacją odgromową (LPS – ang. Lightning Protection System) – połączenie wyrównawcze ma połączyć moduł PV oraz falownik z ziemią o zerowym napięciu. Instalacja odgromowa (uziemienie) chroni instalację PV przed skutkami bezpośredniego uderzenia pioruna (m.in. wybuchem pożaru, porażeniem prądem, zniszczeniem instalacji i urządzeń elektrycznych). Urządzenia wchodzące w skład instalacji fotowoltaicznej od strony prądu stałego (falownik, rozdzielnica) są obowiązkowo wyposażane we własne zabezpieczenia przeciwprzepięciowe.

Prawidłowe uziemienie instalacji PV rozwiązuje także problem prądów błądzących, które jeszcze na początku lat 2000 powodowały istotne straty mocy paneli – nawet do 70%. Prądy błądzące (wywoływane przez różnicę potencjałów między uziemioną ramą a stringami modułów PV) powodowały zjawisko PID (Potential Induced Degradation), czyli degradację wywołaną napięciem. Obecnie na rynku dostępne są panele PV oznaczone jako „PID Free”, w przypadku których straty wynikające z prądów błądzących nie przekraczają 1%.

Zaleceniami do wykonania instalacji odgromowej są: dach z pokryciem metalowym, ryzyko wysokich strat materialnych i utraty życia, konieczność ochrony zabytku lub budynku/budowli ważnej dla kultury i sztuki oraz wysokie ryzyko wyładowań atmosferycznych w obiekt. Zmiany klimatyczne sprawiają, że przybywa anomalii pogodowych, w tym gwałtownych i częstych burz, dlatego dzisiejsze szacowanie częstotliwości wyładowań atmosferycznych uderzających w obiekt może być niemiarodajne w horyzoncie kilku–kilkunastu lat.

Jeśli budynek ma już instalację odgromową, należy objąć nią także całą instalację PV, w przeciwnym wypadku zgodnie z normą PN-EN 62305 [7] instalację należy uziemić odrębnie. Otwory w aluminiowych ramach modułów fotowoltaicznych należy wykorzystać do połączenia modułów przewodami uziemiającymi. Zgodnie z normą, przekrój kabla uziemiającego powinien wynosić co najmniej 16 mm², a rezystancja uziemienia co do zasady nie powinna przekraczać wartości 10 Ω (chyba że zostały sprecyzowane inne, specjalne wytyczne). Uziemienie powinno się znajdować na głębokości co najmniej 3 m, przy czym o konkretnej wielkości decyduje tu rodzaj gruntu [6].

Ochrona przed przepięciami

Napięcie w sieci niskiego napięcia musi wynosić 230 V ± 10% (czyli od 207 do 253 V). Zbyt wysokie napięcie w sieci może być spowodowane za wysokim oporem (impedancją) związanym ze zbyt małym przekrojem przewodów łączących instalację fotowoltaiczną lub źle wykonanymi połączeniami tych przewodów albo ze zbyt wysoką mocą prądu przesyłaną do sieci z instalacji PV (ma to miejsce w przypadku za dużej instalacji u danego odbiorcy lub zbyt dużej liczby instalacji PV doprowadzających prąd do sieci w okolicy). Dlatego kluczowe jest zastosowanie wysokiej jakości ograniczników przepięć – rozwiązań chroniących instalację przed uszkodzeniem wynikającym z przekroczenia wartości maksymalnej napięcia, czy to z powodu nieprawidłowej pracy sieci, czy też wyładowań atmosferycznych.

Ochrona przed zagrożeniem pożarowym

Instalacje fotowoltaiczne wymagają stosowania urządzenia odłączającego – wyłącznika pożarowego, który umożliwia odłączenie zasilania w razie pożaru i bezpieczną pracę straży pożarnej. Wyłączniki pożarowe blokują przepływ prądu z modułów fotowoltaicznych zaraz po wyłączeniu głównej rozdzielnicy. Po przywróceniu zasilania wyłącznik pożarowy ponownie łączy stringi fotowoltaiczne. Należy zawsze stosować rozwiązania wysokiej jakości i nie oszczędzać na nich!

Ze statystyk zgromadzonych przez europejskie instytuty badawcze (niemieckie TÜV Rheinland i Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme oraz brytyjski BRE National Solar Centre) wynika, że choć pożary instalacji fotowoltaicznych stanowią znacznie poniżej 1% pożarów występujących w budynkach mieszkalnych [8, 9], w ponad połowie przypadków powodowane są przez czynniki zewnętrzne (burze i wyładowania atmosferyczne), a wśród pozostałych przyczyn główną rolę odgrywają: nieprawidłowy montaż, obejmujący również błędy w doborze podzespołów, np. przewodów (18%), awarie urządzeń (17%) i błędy w projekcie (9%) [8].

Najczęściej występujące źródło pożaru stanowi łuk elektryczny – przepływ prądu przez powietrze między dwoma przewodnikami, którego temperatura wynosi nawet do 5000°C; powstająca znaczna ilość ciepła może doprowadzić do zniszczenia materiałów i wystąpienia pożaru. Łuk elektryczny pojawia się w instalacji elektrycznej w wyniku przerwania obwodu. W instalacjach PV nieprawidłowości powodujących przerwanie obwodu może wystąpić wiele – np. uszkodzenia przewodów powstałe w wyniku niestarannego montażu lub złej eksploatacji; niedopasowane, źle zamocowane lub wadliwe wtyczki prądu stałego; niestarannie wykonane zaciski śrubowe w rozdzielnicy czy falowniku; nieprecyzyjnie wykonane lub starzejące się połączenia lutowane; przegrzewanie się diod bocznikujących; mikropęknięcia ogniw i inne czynniki powodujące uszkodzenie modułów; źle dobrane lub zamontowane bezpieczniki prądu stałego oraz dopuszczenie do wpływu czynników zewnętrznych, takich jak wilgoć czy kurz [8, 9].

Profilaktykę łuku elektrycznego stanowi prawidłowy i staranny w detalach montaż oraz zastosowanie kompatybilnych materiałów wysokiej jakości, przystosowanych do pracy z wysokim napięciem oraz w trudnych i zmiennych warunkach zewnętrznych – problematyczne może być bowiem nawet łączenie w jednej realizacji złączek od różnych producentów [2, 8, 9]. Dodatkowym zabezpieczeniem przed powstawaniem łuku elektrycznego jest zastosowanie w falowniku odpowiedniego modułu – podstawową funkcjonalnością jest przerywacz łuku elektrycznego (AFCI – Arc-Fault Circuit Interrupter), w który standardowo lub opcjonalnie wyposażone są niektóre falowniki dostępne na rynku. Rozwiązanie to wykrywa i wygasza łuk elektryczny w czasie poniżej 1 s, a jednocześnie informuje użytkownika o pojawieniu się niebezpiecznej sytuacji, co umożliwia ustalenie źródła problemu i interwencję (np. wymianę wadliwej części instalacji PV).

Dodatkowym zaleceniem w przypadku instalacji fotowoltaicznej dla budynków nowych lub poddawanych gruntownemu remontowi jest odpowiednie wykonanie dachu pod względem odporności na ogień. MIWO – Stowarzyszenie Producentów Wełny Mineralnej: Szklanej i Skalnej – rekomenduje zastosowanie niepalnej bariery, która w przypadku pożaru instalacji zapobiegnie przedostawaniu się ognia do wnętrza budynku, i wskazuje, że w domach jednorodzinnych w wielu wypadkach taką barierą może być izolacja cieplna z wełny mineralnej (niepalna, czyli o klasie reakcji na ogień co najmniej A2-s3, d0). Natomiast samo pokrycie dachu powinno mieć klasę odporności ogniowej REI 30 [10]. MIWO rekomenduje, by wartości takie znalazły się w przepisach warunków technicznych [11] – być może wymóg ten zacznie obowiązywać w niedalekiej przyszłości, a dachy domów jednorodzinnych będą zgodnie z literą prawa realizowane z myślą o fotowoltaice. Znowelizowana dyrektywa EPBD przewiduje, że wszystkie nowe budynki będą musiały być „gotowe na energetykę słoneczną”, czyli przygotowane do zainstalowania dachowej instalacji PV lub kolektorów słonecznych [12].

Literatura

1. B. Szymański, Instalacje fotowoltaiczne, Globenergia 2023.
2. J. Wiatr, Podstawy projektowania przydomowych systemów fotowoltaicznych. Niezbędnik elektryka, Grupa MEDIUM, Warszawa 2023.
3. M. Pławecki, E. Rówiński, Ł. Płatkowski, B. Bzowski, Optymalizacja ustawień panelu fotowoltaicznego amorficznego w Katowicach, „Energetyka” 1/2019.
4. M. Köntges, S. Kurtz, C. Packard, U. Jahn, K.A. Berger, K. Kato, T. Friesen, H. Liu, M. van Iseghem, Review of Failures of Photovoltaic Modules. Report IEA-PVPS T13­ 01:2014, IEA – International Energy Agency, 2014.
5. PN-EN 50618:2015-03 Kable i przewody do systemów fotowoltaicznych
6. N-SEP-E-004 Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Projektowanie i budowa
7. PN-EN 62305 Ochrona odgromowa.
8. K. Prume, Viehweg Jochen, Assessing Fire Risks in Photovoltaic Systems and Developing Safety Concepts for Risk Minimization, Golden, 2018.
9. Pester Steve, Crowder David, Fire and Solar PV Systems – Recommendations for the Photovoltaic Industry, Report No. P100874-1006, Issue 2.5, Building Research Establishment Ltd, Cornwall 2017.
10. M. Hyjek, Panele fotowoltaiczne a bezpieczeństwo pożarowe budynków, „Rynek Instalacyjny” 10/2023, www.rynekinstalacyjny.pl.
11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU 2022, poz. 1225).
12. European Commission, Commission welcomes political agreement on new rules to boost energy performance of buildings across the EU, https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_23_6423 (dostęp: 20.02.2024).