A napelemes erőművek gyakorlati problémái

2015-05-17 17:37
Amikor a napelemes erőművekről van szó, elsősorban a napelemmodulokra gondolunk, pedig lényegesen többről van szó. Egy ilyen erőmű összetett rendszer, amely a következő elemekből áll: napelemmodulok, DC-oldali védelem, inverter, AC-oldali mérő- és elosztószekrények, valamint a csatlakozási pontok az áramszolgáltató hálózatára
Koncentráljunk először a DC-oldalra. Egy laikus számára a naperőmű nagyon egyszerűnek tűnik: a tetőre fel vannak szerelve a napelemmodulok, valahol a padláson vannak az elosztószekrények, van egy mérőóra, és mindezek össze vannak kötve vezetékekkel.  Az 1. ábrán kékkel vannak jelölve az egyenáramú áramkörök az elosztószekrényekkel, amelyek ezen áramkörök teljes körű védelmét ellátják. Ez utóbbiak tipikusan a következő elemeket tartalmazzák: túláram-védelem, túlfeszültség-védelem és szakaszoló kapcsoló. Ezen védelmi készülékek feladata, hogy megvédjék a napelemmodulokat a visszáramoktól, a túlfeszültségektől, és megvalósítsák a szakaszolást a hibajavítás vagy karbantartás esetén.
1.	ábra a naperőmű felépítése  1. PV modulok 2. DC elosztószekrény  3. Inverterek 4. AC elosztószekrény 5. mérőszekrény 6. transzformátor
1. ábra a naperőmű felépítése 1. PV modulok 2. DC elosztószekrény 3. Inverterek 4. AC elosztószekrény 5. mérőszekrény 6. transzformátor
 
Egy napelem-erőmű megtervezése és paraméterezése nem olyan egyszerű feladat, mint ahogy az az első pillanatban tűnhet. Ahogy tüzetesebben megnézzük, azt láthatjuk, hogy egy komplex rendszerről van szó, amely nem tűri a hibákat sem a tervezés, sem a kivitelezés, sem a védelem kiválasztása során. Az egyik legfontosabb dolog, amit figyelembe kell vennünk, hogy egyenáramú áramkörökről van szó, igen magas feszültség mellett.   A mindennapi munkájuk során a tervezők és villanyszerelők nem találkoznak 1000 V-os egyenáramú áramkörökkel, ezért a legnagyobb hiba, hogy ugyanolyan védelmi eszközöket alkalmaznak, mint amiket a váltóáramnál megszoktak. Hihetetlennek hangzik, hogy az a védelmi berendezés, amely az egész rendszer biztonságát kellene, hogy szavatolja, jelenti a fő veszélyforrást, amennyiben nem tölti be megfelelően a feladatát. Sajnos a napelemes erőműveknél a hibák leggyakrabban tűzhöz vezetnek. A folytatásban megnézünk néhány példát a hibákra, és módszereket a megelőzésükre. Ezek a hibák mindennaposak, és bármelyik napelemes erőműnél előfordulhatnak.

Visszáram


Ha egy napelemmodul I/U jelleggörbéjét megnézzük, azt látjuk, hogy olyan, mint egy áramgenerátoré. Rövidzár esetén az áram értéke mindössze 20%-kal nagyobb, mint a munkaponton. Egy ilyen áramforrásnál igen nehéz megfelelő túláram-védelmet kialakítani. Például több sztring párhuzamos kötése esetén bekövetkező hibánál (pl. egy vagy több modul meghibásodása vagy túlfeszültség esetén) visszáramok jelennek meg az adott sztringen. Az IEC 61730-2 szabvány szerint a visszáram legnagyobb megengedett értéke 2…2,6 x Isc (zárlati áram). A visszáram a párhuzamosan kötött sztringek számától függ. A túláram-védelem elengedhetetlen, mert az melegíti a napelemmodulokat, amelyek ezáltal tönkremehetnek, és egy egyenáramú ív alakulhat ki. A visszáramok elleni védelemnél nagyon fontos a megfelelő olvadóbetét kiválasztása. Az pedig nem más, mint az IEC 60269-6 szabvány szerinti gPV karakterisztikájú betét. A karakterisztika mellett fontos a betét névleges feszültsége is, amely magasabb kell, hogy legyen a naperőműben előforduló legmagasabb feszültségnél. Az olvadóbetét áramértékének a kiválasztásánál a következő egyenletet kell figyelembe venni:
1,4 x lsc < In < 2,4 x lsc
ahol az lsc a napelem modul rövidzárlati árama, az In pedig a betét névleges árama. A naperőmű földfüggetlen DC-oldalán (általában) mind a + és a - ágra kell tenni egy olvadóbetétet. A nagy teljesítményű erőműveknél (1 MWp), ahol központi invertert használnak, a túláram-védelem kiválasztásánál több részletre is figyelni kell. Például a visszáramok, amelyek egy modul vagy vezeték meghibásodása esetén alakulnak ki, igen nagy értékűek is lehetnek, ezért NH betétek használata szükséges. Természetesen az NH és CH betétek között megfelelő szelektivitásnak kell lennie. Egy másik veszélyes-visszáram kialakulási lehetőség a transzformátor nélküli inverterek esetében áll fenn, amikor az inverterben lévő IGBT tranzisztor meghibásodik, és megjelenik az AC feszültség a DC-oldalon. A gPV CH betét ilyenkor is gond nélkül meg tudja szakítani az áramkört.
2  . ábra visszáram védelem  A visszáramok elleni védelemnél  nagyon fontos a megfelelő olvadó betét kiválasztása. Az pedig nem más,   mint az IEC 60269-6 szabvány szerinti gPV karakterisztikájú betét.
2 . ábra visszáram védelem A visszáramok elleni védelemnél nagyon fontos a megfelelő olvadó betét kiválasztása. Az pedig nem más, mint az IEC 60269-6 szabvány szerinti gPV karakterisztikájú betét.
A túláram-védelem kiválasztásának hibái
Gyakori és veszélyes hiba, hogy a napelem DC-oldalának védelmére alacsony névleges feszültségű, polaritásfüggő, egyenáramú kismegszakítókat használnak. Ezek egy állandó mágnest tartalmaznak, amely a megszakításkor kialakuló ívet segít kioltani. Amennyiben az áram iránya megfordul, a mágnes nem tudja segíteni a leoldás után kialakuló ív oltását, és előfordulhat, hogy a leoldás után az ív ottmarad a kismegszakító belsejében, ami beláthatatlan következményekkel járhat – végső soron tűzzel. Másik nagy hiba, hogy aR típusú olvadó- betétet használnak túláram-védelemre. Ezen betétek karakterisztikája tartalmaz ún. tiltott zónát, ami miatt napelemes rendszerekben tilos őket használni. A napelemek DC-oldalának túláram-védelmére egyetlen megfelelő megoldás a megfelelően méretezett gPV karakterisztikájú olvadóbetét.
Túlfeszültség-védelem
A napelemes rendszerben szintén megoldandó és lényeges kérdés a túlfeszültség-védelem mikéntje. Egy naperőműben a túlfeszültség a légköri elektromosság vagy a vezetékekben indukálódó áram hatására alakul ki, de másfelől a napelemmodulok hőmérséklet-függése is vezethet túlfeszültség kialakulásához. A túlfeszültség-védelem méretezésénél és kiválasztásánál néhány szabályt be kell tartanunk, ezeket tekintjük át a folytatásban.
3 . ábra A visszáramok kialakulása nagy központi inverter használata esetén.
3 . ábra A visszáramok kialakulása nagy központi inverter használata esetén.
Az Uc meghatározása és az esetleges hibák következményei
Ahogy a túláram-védelemnél, a túlfeszültség-védelem kialakításakor is van néhány megkerülhetetlen szabály, amit nem hagyhatunk figyelmen kívül. A névleges feszültség szint (Uc) meghatározására a hamarosan megjelenő EN 50539 szabvány szerint a következő képlet használatos: Uc > 1,2 x Uocstc. Az Uocstc a napelemsztring üresjárati feszültségét jelenti, szabványos feltételek mellett (Open Circuit voltage under Standard Test Conditions). A szabványos feltételek az EN 60904-3 szabványban vannak definiálva (1000 W/m2 besugárzásnál, 25 0C hőmérsékleten, AM 1,5 légtisztasági értéknél). Ezen adatok a napelemmodulok adatlapján megtalálhatók. Példa: a gyártó szerint egy napelemtábla esetén az Uocstc=36 V, és egy sztringben 24 tábla van, ez azt jelenti, hogy Uocstc szting=24 x Uocstc, tehát Uocstc szting = 864 V. Uc sztring > 1,2 x Uocstc szting, tehát Uc sztring > 1,2 x Uocstc szting > 1036,8 V. Ez azt jelenti, hogy az a túlfeszültség-levezető, amelynél Uc=1000 V, nem megfelelő, ezért a következőt kell választanunk, amelynél Uc=1200 V. De miért épp az 1,2-es szorzót használjuk? Azért mert az üresjárati feszültség 25 0C esetére van meghatározva, de amint az ismeretes, a hőmérséklet csökkenésének a hatására ez a feszültségszint növekszik, és télen a hidegben ez a növekedés akár a 20%-ot is elérheti.
4. ábra A megsemmisült DC elosztószekrény
4. ábra A megsemmisült DC elosztószekrényA 4. ábra szemlélteti, hogy mi is történhet nem megfelelő túlfeszültség-levezető használata esetén. Hasonló történhet a transzformátor nélküli inverter meghibásodása esetén is. Manapság egyre több az IGBT technológiára épülő, transzformátor nélküli inverter. Tudjuk, hogy ezek az inverterek hatékonyak, könnyebbek és olcsóbbak, de itt előfordulhat, hogy az IGBT meghibásodása esetén az AC feszültség átkerül a DC-oldalra. Ekkor a DC- oldalon a feszültség értéke UDC+UAC, amely elég könnyen elérheti az Uc szintet. De miért keletkezhet tűz a túlfeszültség-levezető túlterhelésekor? Maga a túlfeszültség-levezető egy nemlineáris elemet, varisztort (Metal Oxide Varistor) és egy termikus védelmet tartalmaz, amely túlterheléskor megszakítja a varisztoron átfolyó áramot.
A jelenlegi szabványok még nem vették figyelembe, hogy megszakítás esetén megfelelő távolság szükséges az ívoltáshoz. Tudjuk, hogy váltóáram esetében az ív 10 másodpercenként a szinuszjel nulla átmenetnél kialszik, de váltóáram esetében nincs ez így, ezért megfelelő távolság- tartással és egyéb technikákkal kell oltani az ívet. A mai napelemek esetében a magas feszültség és áramok miatt esetenként olyan nagy távolságra van szükség, amely nagyobb, mint az adott védelmi eszköz méretei. Ezért ezek a túlfeszültség-levezetők nem teljesítik ezeket a feltételeket, ami igen veszélyes lehet. Ha jön egy vihar, és villámlik, a túlfeszültség-levezető megfelelően fog működni, mivel nem süt a nap, és nem tud veszélyes ív kialakulni. A veszély az előbb említett inverterhiba és a rosszul kiválasztott Uc esetén áll fenn. Az új EN 50539 szabványban már figyelembe vették ezeket az eseteket is, de még nem rendelkezik mindegyik gyártó ilyen készülékekkel. forrás: villanyszaklap
Kérlek nyomj egy LIKE-ot facebook oldalunkra, hogy kövess minket: 
Köszönettel: Lipóczi Tamás
http://www.canadian.hu/
Forgalmazott márkák