Na co uważać przy montażu fotowoltaiki: detale techniczne projektu i instalacji

Jest wiele aspektów technologicznych, które można przeoczyć podczas projektowania czy montażu instalacji technologiczne. Mówią, że „diabeł tkwi w detalach” i nie jest to dalekie od prawdy w przypadku systemów solarnych.
W poniższym artykule zwrócimy uwagę na szereg detali, których przeoczenie może być poważnym problemem dla instalacji PV. Część z nich jest problemem, który stanie na drodze do maksymalizacji sprawności systemu, ale znaczna większość to poważne kwestie, które mogą zakończyć się awarią, uszkodzeniem systemu czy nawet poważną katastrofą, taką jak pożar.

Uziemienie instalacji

Zawsze, gdy mamy do czynienia z elektrycznością, konieczna jest ogromna dbałość o bezpieczeństwo. W przypadku instalacji fotowoltaicznej nie jest inaczej i konieczne jest stosowanie szeregu różnych zabezpieczeń. Jednym z nich jest konieczność odpowiedniego uziemienia całego systemu fotowoltaicznego.

Podczas instalowania systemu PV niezwykle ważne jest prawidłowe uziemienie całego osprzętu. Brak uziemienia całego systemu tak, aby obejmował on wszystkie pojedyncze elementy, może być katastrofalny, szczególnie w obszarze, w którym regularnie pojawiają się pioruny. Nawet, jeśli rzadko zdarzają się burze z wyładowaniami elektrycznymi, wystarczy jedno uderzenie pioruna lub jeden luźny przewód i cały sprzęt może zostać zniszczony. Co gorsza, może wywołać to pożar i spowodować jeszcze większe szkody w naszym domu.

Prąd podąża ścieżką najmniejszego oporu i chociaż prawie niemożliwe jest poznanie jego dokładnej ścieżki, można podjąć pewne kroki, aby spróbować skierować energię elektryczną w bezpieczne miejsce, gdy nastąpi wyładowanie takie jak właśnie piorun. Robi się to właśnie z pomocą uziemienia. Jak sama nazwa wskazuj, sprowadza ona nadmiarowy ładunek do ziemi.

Każde gniazdko elektryczne, gniazdko oświetleniowe, urządzenie elektryczne, przewód gazowy, rura miedziana czy metalowa obudowa np. skrzynki elektrycznej w domu powinna być podłączona do tzw. przewodu ochronnego, potocznie zwanego uziemieniem. Gdzieś, zazwyczaj przy przyłączu elektrycznym do naszego domu, uziemienie to podłączone jest z ziemią – za pomoc kawałka rury czy specjalnego pręta, który zagłębiony jest odpowiednio głęboko w ziemi. To właśnie tam kierowany będzie ładunek elektryczny w przypadku uderzenia pioruna czy też zwarcia, które spowoduje, że na uziemionych, metalowych elementach naszych urządzeń pojawi się prąd. Zabezpiecza to użytkownika przed porażeniem prądem elektrycznym.

Tak samo należy postąpić z systemem fotowoltaicznym, łącząc ze sobą wszystkie urządzenia, w tym panele słoneczne, uchwyty paneli, skrzynkę połączeniową, falownik, kontroler ładowania i dowolne inne urządzenie, które składają się na system fotowoltaiczny. Nie spełnienie tego warunku, lub niedokładne podłączenie elementów do uziemienia to poważny błąd przy budowie instalacji fotowoltaicznej.

Aby instalacja uziemiająca w pełni zabezpieczała system fotowoltaiczny należy zadbać o szereg jej elementów. Po pierwsze, należy pamiętać, że do uziemienia podłączyć należy wszystkie metalowe elementy instalacji solarnej, to jest:

• Panele fotowoltaiczne
• Wieszaki / montaże paneli PV
• Inwertery, optymalizatory fotowoltaiczne i inne elementy aktywne instalacji
• Akumulatory (wraz z ładowarkami etc.), jeśli nasz system korzysta z magazynu energii.

Wszystkie te elementy łączone są z główną szyną uziemiającą instalacji, która to dołączana jest do punktu uziemienia (np. wbitego w ziemię uziemienia szpilkowego). Projektując instalacje uziemiającą trzeba pamiętać o szeregu aspektów:

1. Należy odpowiednio dobrać przekroje poszczególnych przewodów uziemiających oraz głównej szyny uziemiającej, aby w razie potrzeby system mógł odprowadzić pożądany prąd, bez ryzyka np. pożaru.
2. Przewody, szyny zbiorcze i inne elementy instalacji uziemiającej wykonane muszą być z materiałów odpornych na działanie warunków atmosferycznych. System ten instalowany jest na dachu, w związku, z czym musi być odporny na wilgoć, tak, aby korozja nie spowodowała pogorszenia parametrów uziemienia lub jego uszkodzenia.
3. Podłączając metalowe elementy do systemu uziemiającego należy pamiętać o zadbaniu o dobry kontakt ich z złączami. Obecnie do wyboru są dwa rozwiązanie – wykorzystanie dedykowanych punktów uziemiających paneli PV czy też wieszaków modułów lub wykorzystanie trochę droższych, ale o wiele wygodniejszych klem, które wyposażone są w specjalne piny, łamiące anodowanie elementów, aby zapewnić dobry kontakt elektryczny klemy z uziemianym elementem.

Lokalizacja modułów na dachu

Rozmieszczenie paneli fotowoltaicznych na dachu domu jednorodzinnego jest kluczowym aspektem całego projektu przydomowego systemu PV. W pierwszej kolejności należy wybrać odpowiednią połać dachu, która zapewni odpowiednią ekspozycję modułów na światło słoneczne. Przyjmuje się, że najlepsza jest południowa ekspozycja paneli, dlatego trzeba wybrać tę połać dachowa, która jest do tego kierunki świata najbardziej zbliżona. To jednakże nie wszystko.

Paneli nie można montować w dowolnym miejscu dachu. Projektując instalacje trzeba określić strefę bezpiecznego mocowania paneli słonecznych, lub strefy wykluczenia, w których nie są dozwolone panele słoneczne. Jest kilka powodów, dla których nie można instalować paneli np. przy samej krawędzi dachu.

Po pierwsze strefy te istnieją, ponieważ wiatry są najsilniejsze przy krawędziach dachów. Montaż z dala od krawędzi dachu zmniejsza obciążenie paneli wiatrem i zmniejsza prawdopodobieństwo ich uszkodzenia lub nawet oderwania podczas burzy.

Dodatkowo, montaż przy samej krawędzi dachu doprowadzić może do sytuacji, w której śnieg, który normalnie zsuwa się z paneli PV zatrzymywać będzie się na np. rynnie dachowej. Spowoduje to nie tylko zmniejszenie ilości produkowanej energii elektrycznej – śnieg nie przepuszcza zbyt wiele światła słonecznego, ale także może doprowadzić do uszkodzenia ogniwa. Po pierwsze, zwiększony nacisk śniegu na panel i konstrukcję wsporczą może doprowadzić do ich mechanicznego uszkodzenia, a po drugie, przedłużające się zaleganie śniegu, szczególnie w cieplejszych momentach dnia, doprowadzić może do zawilgocenia modułu i dostania się wilgoci do jego wnętrza.

Nie wszyscy producenci modułów fotowoltaicznych udostępniają tego rodzaju wytyczne do instalacji. Większość firm rekomenduje, aby zachować strefę wyłączenia o szerokości nie mniej niż 20 centymetrów od krawędzi dachu. Porządni instalatorzy są zobowiązani do przestrzegania zaleceń producenta w celu zachowania zgodności z normami i instrukcja instalacji. Dodatkowo, posiadają oni także swoją własną wiedzę i doświadczenie, które pozwala im na projektowanie bezpiecznych systemów.

Strefy wyłączenia ograniczają maksymalną powierzchnię ogniw, jakie można zainstalować na swoim dachu, jednakże nie jest to pozbawione sensu. Tylko w ten sposób można zagwarantować sobie bezpieczną i niezawodną instalację. Jeśli strefa bezpiecznego montażu jest zbyt mała, dla uzyskania zakładanej przez nas mocy systemu, możemy zawsze zwiększyć powierzchnię pokrytą modułami PV stawiając na przykład wiatę fotowoltaiczną obok domu. Nie tylko zwiększy ona powierzchnię zainstalowanych paneli, ale może także służyć, jako wiata np. do parkowania samochodu czy trzymania narzędzi ogrodowych.

Montaż przewodów

Przewody łączące poszczególne panele fotowoltaiczne z falownikiem są krytycznym elementem instalacji, a jednocześnie elementem, który jest chyba najbardziej narażony na uszkodzenie, dlatego też trzeba w szczególności o niego zadbać podczas projektowania i instalowania systemu PV.

Ze względów estetycznych coraz więcej klientów i instalatorów decyduje się na płasko montowane systemy solarne na dachach spadzistych. Dzięki temu systemy są montowane bardzo płasko na dachu, co zapewnia bardzo estetyczny system fotowoltaiczny. Podczas projektowania jak najatrakcyjniejszego systemu czasami pomija się kwestię, takie jak zarządzanie wszystkimi przewodami pod spodem paneli. W takich projektach często nie ma ogólnej metody prawidłowego zarządzania okablowaniem. Sposób mocowania kabli w systemie fotowoltaicznym zależy od systemu wieszaków paneli, modułów i rodzaju pokrycia dachu. Dodatkowo, to wszystko na ogół zainstalować należy na pochyłym, nagrzanym słońcem dachu. „Istnieje cała masa czynników, które tworzą środowisko, w którym łatwo jest iść na skróty i bardzo łatwo zrobić to źle lub zrobić to taniej” powiedział Nick Korth, kierownik ds. Marketingu produktów w HellermannTyton.

Prawidłowe zabezpieczenie kabli za pierwszym razem oszczędza czas i pieniądze. Ogranicza późniejsze awarie, a co za tym idzie konieczność napraw, serwisów gwarancyjnych etc. Poza tym, tak zbudowana instalacja to gwarancja długiej i niezawodnej pracy, co bezpośrednio przekłada się na zarobki z jej eksploatacji.

Większość producentów montaży modułów PV oferuje produkty przeznaczone do zarządzania przewodami, oferując szereg różnego rodzaju klipsów i opasek do zabezpieczania kabli. Ale ten specjalistyczny sprzęt jest często pomijany w czasie zakupów, jako że są tańsze alternatywy, takie jak najtańsze opaski zaciskowe albo rolka taśmy izolacyjnej.

Instalatorzy często tworzą własne rozwiązania przewodowe, dopasowane do dachu itp. Zależnie od ich dbałości o szczegóły i doświadczeniu w projektowaniu, mogą one być w pełni poprawne, jak i błędne i zawodne.

Powszechnym rozwiązaniem do zabezpieczania kabli na dachu przyczepiając je za pomocą opasek zaciskowych do elementów na dachu – wieszaków paneli PV, ale także rynien, elementów dachu, czy (o zgrozo!) elementów instalacji odgromowej. Opaski są niedrogie i łatwodostępne, jednakże te kupowane w dowolnym sklepie z artykułami budowlanymi wykonane są z tworzyw, który nie są ani odporny na promieniowanie słoneczne, ani certyfikowany przez UL, aby wytrzymać ogromne zmiany temperatury pod systemem PV przez cały okres jego eksploatacji.

Przy zastosowaniu normalnych opasek zaciskowych technicy przy przeglądzie już po roku zastać mogą zerwane opaski i przewody zwisające luźno i dotykające dachu, stwarzając potencjalne zagrożenia elektryczne i pożarowe. Tutaj widoczne jest jeszcze jedno zagrożenie – prowadzenie nieosłoniętych przewodów w systemie. Rozwiązanie tego jest bardzo proste – trzeba prowadzić kable w trasach kablowych, dedykowanych do tego celu tunelach czy też po prostu w peszlach.

Na rynku dostępnych jest szereg systemów tras kablowych, dedykowanych do instalacji fotowoltaicznych. Zastosowanie takiego systemu eliminuje wszystkie problemy z prowadzeniem okablowania. Szyny systemu montuje się do dachu lub do wieszaków paneli PV i instaluje się do nich trasy kablowe. Wykonane są one z odpornych na temperaturę, wytrzymałych tworzyw sztucznych lub metalu, co gwarantuje ich długą żywotność. Z drugiej strony, metalowe systemy mogą mieć ostrzejsze krawędzie, które wcinają się w elementy dachu i kable, jeśli nie są prawidłowo zamocowane.

Dużo prostszą i tańszą alternatywą jest prowadzenie okablowania w peszlach. Oczywiście, trzeba tutaj zastosować peszle, które spełniają odpowiednie wymagania, pozwalające im przetrwać warunki pracy w instalacji PV. Peszle zapewniają okablowaniu systemu fotowoltaicznego wymagane minimum ochrony przed promieniowaniem UV, nadmiernym ciepłem i uszkodzeniami mechanicznymi. Zagwarantuje to niezawodność systemu i długi czas jego eksploatacji.

Punkt instalacji falownika

Falownik to element układu fotowoltaicznego, który służy do przekształcania prądu stałego, wytwarzanego przez panele słoneczne na prąd przemienny, który jest używany przez domowy system elektryczny i urządzenia do niego podłączone. Może to być mikroinwerter, optymalizator mocy lub inwerter łańcuchowy. Mikroinwertery i optymalizatory mocy są instalowane przy samych panelach słonecznych, podczas gdy falownik łańcuchowy lub może być instalowany wewnątrz domu lub na zewnątrz zgodnie z zaleceniami instalatora lub wymaganiami inwestora.

Optymalizatory mocy są sprzężone z falownikami łańcuchowymi i optymalizują moc w punkcie jego produkcji – przy panelu PV. Zapewnia on idealną równowagę pomiędzy mikroinwerterem a klasycznym falownikiem centralnym.

Ponieważ moc wyjściowa każdego z paneli słonecznych jest inna, istnieją różne sposoby łączenia ich z falownikami. A co za tym idzie różne są wymagania, co do miejsca ich instalacji. Mikroinwertery lub optymalizatory są instalowane pod każdym z poszczególnych paneli słonecznych i bezpośrednio przekształcają prąd stały na prąd przemienny (w przypadku mikroinwertera) lub stały (optymalizator). Z kolei falownik łańcuchowy, czy klasyczny, centralny inwerter instalacji, montowany jest centralnie, na ogół w punkcie podłączenia wyjścia prądu zmiennego systemu PV do sieci energetycznej domu – przy skrzynce elektrycznej itp. Może być on montowany wewnątrz lub na zewnątrz budynku w dogodnym dla właściciela miejscu takim jak garaż czy piwnica.

Ogólną zasadą jest znalezienie miejsca, z którego można łatwo podłączyć się do istniejącej sieciowej aparatury elektrycznej. Nie jest to jednakże jedyna zasada. Aby instalacja była bezpieczna należy wybrać miejsce z dala od bezpośredniego światła słonecznego i z odpowiednią wentylacją. Miejsce powinno być łatwo dostępne (w celach konserwacyjnych czy w przypadku naprawy); miejsce montażu powinno być również odporne na wilgoć i, w przypadku ryzyka zalania, ulokowane powyżej lustra wody.

Niezależnie od tego, czy proponowane miejsce dla falownika jest wewnątrz, czy na zewnątrz, powinno mieć minimalny odstęp, co najmniej 15 centymetrów z każdej strony – także ponad falownikiem, aby umożliwić odpowiednią cyrkulację powietrza. Falownik jest urządzeniem wysokiej mocy, który produkuje sporo ciepła – typowy inwerter ma sprawność równą około 97% (w optymalnych warunkach), oznacza to, że 3% mocy jest tracone i zamienianie w ciepło, które musi być „wydmuchane” z falownika. Dla typowej przydomowej instalacji o mocy 5 kW jest to aż, 150 W – dlatego też trzeba pozostawić wolną przestrzeń dla działania systemu chłodzenia w inwerterze.

Osoby planujące instalacje fotowoltaiczne w swoim domu powinny poważnie zastanowić się nad preferowanymi lokalizacjami inwertera systemu PV. Selekcja takiego miejsca nie jest trudna, wystarczy pod uwagę wziąć kilka kluczowych zasad, opisanych we wcześniejszej części tego artykułu. Dla powtórzenia:

1. Inwerter powinien znajdować się w łatwo dostępnym miejscu z uwagi na rutynowe przeglądy.
2. Ma, co najmniej 15 cm wolnej przestrzeni ze wszystkich stron i nad sobą.
3. W pobliżu nie ma żadnego źródła wilgoci.
4. Na urządzenie nie pada bezpośrednie światło słoneczne.
5. Przestrzeń instalacji jest dobrze wentylowana.
6. Inwerter znajduje się, co najmniej metr nad ziemią (na wypadek zalania).
7. Jeśli inwerter montowany ma być na zewnątrz, to zadbajmy o jego ochronę przed warunkami atmosferycznymi.