Archives

You Are Here: Home / Portfolio

Elektrownie dla firm i samorządów

 

STRONA W BUDOWIE

ZABEZPIECZENIE ODGROMOWE W INSTALACJI FOTOWOLTAICZNEJ

Ochrona przeciwprzepięciowa i odgromowa systemów PV

  • rys3_OBO_12_2012
Systemy fotowoltaiczne PV , służące do przetwarzania energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, należą obecnie do najpopularniejszych źródeł energii odnawialnej. Ze względu na konieczność bezpośredniego odbierania energii słonecznej instalacje te montowane są na otwartych powierzchniach, takich jak dachy budynków, tereny niezabudowane. W związku z niską wytrzymałością udarową oraz rozmiarem systemy fotowoltaiczne obarczone są znacznym ryzykiem uszkodzeń powstałych na skutek wyładowań atmosferycznych.W celu ochrony przed skutkami uderzeń pioruna instalacje solarne należy zabezpieczać przy wykorzystaniu rozwiązań ochrony odgromowej (z ang. LPS – Lightning Protection System) i przeciwprzepięciowej (z ang. SPD – Surge Protection Devices). Ponieważ istnieje prosty związek między właściwym działaniem instalacji a czasem jej amortyzacji, kwestia ochrony przepięciowej i odgromowej jest tutaj bardzo ważna.

Rys. 1. Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 1+2 firmy OBO Bettermann

Rys. 1. Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 1+2

Rys. 2. Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 2 firmy OBO Bettermann

Rys. 2. Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 2 firmy OBO

Ochrona przetwornika

Przetwornik jest sercem całej instalacji, przez co powinien być szczególnie chroniony przed oddziaływaniem impulsów przepięciowych. Zagrożenia te mogą zostać zminimalizowane za pomocą środków ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej, uziemień, systemem wyrównania potencjałów i ekranowania oraz przez odpowiednie poprowadzenie przewodów. Uszkodzenia systemów fotowoltaicznych mogą mieć następujące przyczyny:
• uszkodzenia w następstwie sprzężenia galwanicznego – część prądu piorunowego przepływając bezpośrednio przez elementy instalacji PV powoduje powstanie napięć o wartości nawet 100 kV,
• uszkodzenia wywołane sprzężeniami magnetycznymi – prądy piorunowe powodują przepięcia poprzez indukcję magnetyczną; odpowiedni odstęp powoduje redukcję tych sprzężeń,
• uszkodzenia wywołane sprzężeniami elektrycznymi – przepięcia powstałe na skutek działania pola elektrycznego przy przepływie prądu udarowego; zagrożenia te są jednak niewielkie w stosunku do oddziaływań pola magnetycznego.

Wyrównanie potencjałów i odstęp izolacyjny

W celu zapewnienia kompleksowej och
rony instalacji fotowoltaicznej należy również uwzględnić następujące aspekty:
• lokalne szyny wyrównawcze (LSW) muszą zostać połączone z główną szyną wyrównawczą (GSW),
• przewody wyrównawcze muszą zostać ułożone równolegle i możliwie blisko do przewodów zasilających DC,
• koncepcja zabezpieczeń musi uwzględniać również zabezpieczenie instalacji sygnałowej.
Dobór odpowiednich zabezpieczeń przeciwprzepięciowych w zależności od parametrów LPS przedstawia tabela 1. W przypadku, gdy długość linii jest większa niż 10 m, urządzenia ochrony przeciwprzepięciowej należy zainstalować po obu stronach.
obo_tab_1

Ograniczniki 

Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 1+2
Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 1+2 oferowany przez firmę OBO Bettermann (rys. 1) charakteryzuje się następującymi cechami:
• odporność na błędy przyłączeniowe – układ Y,
• zdolność odprowadzania prądu do 12,5 kA (10/350) i 50 kA (8/20) na biegun,
• niski napięciowy poziom ochrony DC UP < 2,6 kV (Umax DC = 600 V), UP < 3,0 kV (Umax DC = 1000 V),
• zamknięty, bezwydmuchowy ogranicznik warystorowy do zastosowania we wszystkich rodzajach obudów i rozdzielnic.

Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 2
Ogranicznik przepięć do systemów fotowoltaicznych Typ 2 firmy OBO Bettermann (rys. 2) posiada następujące cechy:
• odporność na błędy przyłączeniowe – układ Y,
• zdolność odprowadzania prądu do 40 kA (8/20) na biegun,
• niski napięciowy poziom ochrony DC UP < 2,6 kV (Umax DC = 600 V), UP < 4,0 kV (Umax DC = 1000 V),
• wymienne wkładki z optyczną sygnalizacją uszkodzenia,
• zamknięty, bezwydmuchowy ogranicznik warystorowy do zastosowania we wszystkich rodzajach obudów i rozdzielnic.

Odstęp izolacyjny

Zgodnie z normą PN-EN 62305 instalację odgromową należy wykonać w określonym odstępie izolacyjnym „s” od elementów instalacji PV. Z reguły wystarczający odstęp izolacyjny s = odstęp bezpieczny, zawiera się w przedziale 0,5-1 m. W celu wyznaczenia wartości s należy skorzystać z równania:
w1
Wartość współczynnika ki zależy od wybranego poziomu ochrony systemu odgromowego:
• poziom ochrony I: ki = 0,08,
• poziom ochrony II: ki = 0,06,
• poziom ochrony III, IV: ki = 0,04.
Wartość współczynnika kc zależy od rozpływu prądu w przewodach LPS:
• jeden przewód odprowadzający
uziom typu A: kc = 1,
uziom typu B: kc = 1,
• dwa przewody odprowadzające
uziom typu A: kc = 0,66,
uziom typu B: kc = 0,5… 1,
• trzy przewody odprowadzające i więcej
uziom typu A: kc = 0,44,
uziom typu B: kc = 0,25… 0,5.
Wartość współczynnika km zależy od materiału, jaki wykorzystano w odstępie izolacyjnym:
• materiał powietrze: km = 1,
• materiał beton, cegła: km = 0,5.
Wartość L jest długością mierzoną wzdłuż zwodu lub przewodu odprowadzającego, pomiędzy punktem, w którym ma być wyznaczany odstęp izolacyjny s, a najbliższym punktem połączenia wyrównawczego.

Rys. 3. Odstęp izolacyjny pomiędzy instalacją odgromową a systemem PV

Rys. 3. Odstęp izolacyjny pomiędzy instalacją odgromową a systemem PV

Metody wyznaczania stref ochronnych dla LPS

Metoda „toczącej się kuli”
Metoda „toczącej się kuli” jest geometryczno-elektrycznym modelem dającym możliwość badania przestrzeni chronionej przed bezpośrednim uderzeniem pioruna. Po modelu instalacji przetaczana jest kula o odpowiednim promieniu, przy czym wszystkie punkty styku z modelem są punktami ewentualnych uderzeń pioruna.
Przy zastosowaniu kilku zwodów pionowych do ochrony obiektu, konieczne jest uwzględnienie głębokości wnikania kanału wyładowania między zwodami pionowymi. Głębokość wnikania oblicza się za pomocą równania:
w2
gdzie:
p – głębokość wnikania,
R– promień kuli,
d – odległość między zwodami.
Przykładowe wartość p zostały zestawione w tabeli 2.
obo_tab_2

Rys. 4. Metoda projektowania z „toczącą się kulą” (R), o głębokości wnikania (p) i odległości pomiędzy zwodami pionowymi (d)

Rys. 4. Metoda projektowania z „toczącą się kulą” (R), o głębokości wnikania (p) i odległości pomiędzy zwodami pionowymi (d)

Rys. 5. Kąt ochronny a

Rys. 5. Kąt ochronny a

Metoda kąta ochronnego
Metoda kąta ochronnego może być stosowana dla zwodów pionowych, zwodów na kalenicach budynków (rys. 5). Przestrzeń chroniona przed bezpośrednim uderzeniem pioruna zależy od poziomu ochrony odgromowej i wysokości zwodu pionowego.
Przykład: zwód pionowy o wysokości 10 metrów zapewnia kąt ochrony 60o przy III poziomie ochrony odgromowej. Należy pamiętać o zachowaniu odpowiedniego odstępu izolacyjnego pomiędzy instalacją odgromową a systemem PV:
• krok 1: sprawdzenie odstępu izolacyjnego. Jeżeli wymagany odstęp izolacyjny nie może zostać zachowany, należy metalowe elementy połączyć ze sobą w sposób gwarantujący przepływ prądu udarowego;
• krok 2: sprawdzenie rodzaju zabezpieczenia według tabeli 1,
Przykład: ograniczniki iskiernikowe (Typ 1) do wyrównania potencjałów są stosowane zarówno po stronie DC, jak i AC,
• krok 3: uwzględnienie przewodów przesyłu danych – przewody przesyłu danych należy także uwzględnić w koncepcji ochrony,
• krok 4: wyrównanie potencjałów – wykonać lokalne połączenie wyrównawcze na przetworniku.

Rys. 6. 1 – kąt ochronny a, 2 – wysokość zwodu [m], 3 – klasa LPS

Rys. 6. 1 – kąt ochronny a, 2 – wysokość zwodu [m], 3 – klasa LPS

Rys. 7. Odstęp izolacyjny (s) pomiędzy instalacją odgromową a kablowym systemem nośnym

Rys. 7. Odstęp izolacyjny (s) pomiędzy instalacją odgromową a kablowym systemem nośnym

Rys. 8. Sposoby prowadzenia przewodów: poprawny (prawa strona), niepoprawny (lewa strona)

Rys. 8. Sposoby prowadzenia przewodów: poprawny (prawa strona), niepoprawny (lewa strona)

Systemy prowadzenia kabli i przewodów

Systemy PV narażone są na występowanie przepięć nie tylko przez bezpośrednie uderzenia pioruna, ale również na przepięcia indukowane na skutek wyładowań w pobliżu obiektu. W celu zmniejszenia możliwości zaindukowania się przepięć należy zastosować się do poniższych zaleceń:
• przewody należy układać tak, by maksymalnie ograniczyć obszar występowania sprzężeń (rys. 8),
• zwody i przewody odprowadzające muszą być prowadzone w odpowiednim odstępie izolacyjnym od instalacji fotowoltaicznych PV (rys. 7),
• w celu redukcji możliwości wystąpienia sprzężeń przewody należy prowadzić z wykorzystaniem metalowych koryt kablowych.

Rys. 9. Przykład wykonania systemu PV z zabezpieczeniem odgromowym i przeciwprzepięciowym: 1 – system zwodów odgromowych, 2 – ogranicznik przepięć do instalacji zasilających AC, 3 – ogranicznik przepięć do teleinformatyki, 4 – ogranicznik przepięć do fotowoltaiki DC, 5 – system wyrównania potencjałów, 6 – połączenie z instalacją uziemiającą, 7 – systemy prowadzenia kabli i przewodów

Rys. 9. Przykład wykonania systemu PV z zabezpieczeniem odgromowym i przeciwprzepięciowym:
1 – system zwodów odgromowych,
2 – ogranicznik przepięć do instalacji zasilających AC,
3 – ogranicznik przepięć do teleinformatyki,
4 – ogranicznik przepięć do fotowoltaiki DC,
5 – system wyrównania potencjałów,
6 – połączenie z instalacją uziemiającą,
7 – systemy prowadzenia kabli i przewodów

Podsumowanie

Instalacje fotowoltaiczne stają się coraz bardziej popularnym źródłem energii odnawialnej. Amortyzacja systemów PV może się jednak wydłużyć ze względu na ewentualne uszkodzenia, które w prostym przełożeniu prowadzą do utraty zysków. Stosowanie systemów ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej pozwala na wyeliminowanie zagrożeń uszkodzenia instalacji PV powstałych na skutek wyładowań atmosferycznych oraz przepięć w liniach zasilający, zapewniając szybki zwrot z inwestycji oraz wieloletnią i bezproblemową eksploatację. Prawidłowy montaż oraz odpowiednie prowadzenie przewodów zwiększają skuteczność ochrony przepięciowej i odgromowej.

 

SAMOCHODY ELEKTRYCZNE

Dlaczego samochody elektryczne są lepsze od samochodów spalinowych i hybrydowych?

Wiele osób, być może nawet większość ludzi na świecie, nie zdaje sobie sprawy z tego, że samochody mogą jeździć „na prąd” zamiast na benzynę, ropę albo gaz. Nic w tym dziwnego, ponieważ od dziesięcioleci samochody elektryczne były na marginesie i nie poświęcano im wiele uwagi. Niestety ci, którzy o istnieniu samochodów elektrycznych wiedzą, nie zawsze dają wiarę w to, że są one lepsze od obecnie używanych samochodów z silnikami spalinowymi. To również nie dziwi, gdyż większość ludzi stara się stosować sprawdzone, dobrze sobie znane rozwiązania i unika dużych zmian. Tak dzieje się również w innych dziedzinach życia, na przykład w informatyce – osoby przyzwyczajone przez lata do swoich programów niechętnie sięgają po inne, służące do tego samego, ale różniące się w wyglądzie i obsłudze (nawet, jeśli zewsząd słychać, że dany program może być lepszy).

Taki właśnie jest ten świat. Nie należy się jednak zniechęcać, lecz udowodnić tezę o wyższości samochodów (i ogólnie wszelkich pojazdów) elektrycznych. Postawmy sobie najpierw pytanie:

Po co w dużych miastach Polski i Świata od lat stosowane są elektryczne tramwaje, trolejbusy i metro?

Czy byłby sens stosować te pojazdy, gdyby były one nieopłacalne? Nie. Ale jak to możliwe, że opłaca się zbudować i co kilka – kilkanaście lat remontować wielokilometrowe linie trakcji elektrycznej, jeśli mogłyby daną trasą jeździć najnowocześniejsze autobusy z super ekonomicznymi silnikami diesla? Ano odpowiedź jest prosta – silniki spalinowe nigdy nie dorównają pod względem sprawności silnikom elektrycznym. Jeśli tylko będziemy mieli dostępną energię elektryczną to pojazd elektryczny będzie jeździł prawie za darmo w porównaniu do pojazdu spalinowego. Jeżeli do tego dodamy, że taki tramwaj nie zatruwa powietrza w środku miasta to uzyskujemy odpowiedź, dlaczego te pojazdy są lepsze od wszystkich innych – ekonomia i ekologia.

Widzimy już zatem, że pojazdy elektryczne są bardzo opłacalne – podczas ich eksploatacji zwracają się nawet koszty budowy trakcji elektrycznej. Ale co, kiedy nie możemy lub nie chcemy w ten sposób zasilać naszego pojazdu? Wtedy należy stosować akumulatory. Prawdą jest, że przez dziesięciolecia ludzie nie potrafili zmagazynować dostatecznie dużej ilości energii w akumulatorach, aby umożliwić samochodom elektrycznym pokonywanie dalekich dystansów. Ten brak wiedzy, technologii i materiałów był głównym powodem marginalizowania samochodów elektrycznych, które przecież około sto lat temu przewyższały liczbą samochody spalinowe.

Obecnie jednak wszystko się zmieniło. Wraz z opracowaniem akumulatorów (wielu ich odmian), które potrafią zgromadzić bardzo dużą ilość energii i które można naładować w zaledwie kilka minut nikt i nic już nie powstrzyma samochodów elektrycznych przed zajęciem dominującej pozycji na rynku w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat.

Niektórzy producenci samochodów spalinowych o wyższości samochodów elektrycznych nad spalinowymi wiedzą już od dawna. Początkowo wdrażali oni do produkcji samochody hybrydowe, które były tak naprawdę samochodami spalinowymi z dodatkowym silnikiem elektrycznym (głównym zadaniem elektrycznej części napędu było odzyskiwanie energii z hamowania i ponowne jej wykorzystanie podczas ruszania). Dziś nowe samochody hybrydowe tzw. plug-in hybrid, które można doładowywać z gniazdka elektrycznego to już bardziej samochody elektryczne z dodatkowym silnikiem spalinowym (mogą one pokonać nawet kilkadziesiąt km na energii z akumulatorów, a dopiero później uruchamiany jest silnik spalinowy). Widać zatem wyraźną tendencję odejścia od stosowania samodzielnych silników spalinowych i wzrost znaczenia części elektrycznej w samochodach hybrydowych.

Jednak pojazdy hybrydowe nie są konstrukcją docelową, a jedynie pośrednią, gdyż posiadają one szereg wad. Samochody hybrydowe są bardziej skomplikowane od spalinowych, są też od nich zazwyczaj od 1,5 do 2 razy droższe. Podczas jazdy samochodem hybrydowym zazwyczaj używana jest tylko jedna z części napędu – elektryczna lub spalinowa, a druga stanowi w danym momencie balast. Bezspornym faktem jest, że samochód hybrydowy jadąc w trasie na przykład 400 km będzie spalał więcej paliwa niż tradycyjny samochód spalinowy (o identycznym silniku diesla) ze względu na jego mniejszą masę i prostszą konstrukcję.

Wróćmy teraz do pierwszego pytania i spróbujmy na nie odpowiedzieć:

Dlaczego samochody elektryczne są lepsze od samochodów spalinowych i hybrydowych?

Z samochodami elektrycznymi i spalinowymi jest tak jak ze świetlówkami i żarówkami. Chociaż te pierwsze kosztują znacznie więcej i po ich zużyciu należy je oddać do odpowiedniego punktu celem utylizacji (co jest wliczone w cenę świetlówki) to dzięki oszczędności w zużyciu energii wyparły one tradycyjne żarówki.

Podobnie samochody elektryczne są lepsze od samochodów spalinowych pod wieloma względami, z których większość wymieniona zostanie poniżej. Nie są to jednak konstrukcje idealne i posiadają dwie zasadnicze wady – wysoka cena akumulatorów i problem ich recyklingu po okresie eksploatacji. Wady te jednak można rozwiązać ulepszając technologię produkcji i zwiększając jej rozmiar (co obecnie ma miejsce).

Ekonomia:

+ Samochody elektryczne cechują się bardzo wysoką sprawnością, dzięki czemu pokonanie zadanego dystansu odbywa się nawet kilkukrotnie taniej, niż samochodem spalinowym.
+ Samochody elektryczne są bardzo proste w konstrukcji, silniki elektryczne posiadają bardzo mało części ruchomych, przez co zmniejsza się prawdopodobieństwo awarii oraz koszty eksploatacji.
+ Wydobycie dowolnego paliwa kopalnego, jego dostarczenie do elektrowni i zamiana na energię elektryczną, a następnie przesłanie energii elektrycznej do odbiorcy, naładowanie akumulatorów pojazdu elektrycznego i zamiana energii elektrycznej na ruch pojazdu elektrycznego jest procesem bardziej ekonomicznym niż wydobycie zagranicznej ropy, jej dostarczenie do rafinerii i zamiana na paliwo, dostarczenie paliwa na stację benzynową (do odbiorcy) i wykorzystanie paliwa do napędzenia pojazdu spalinowego.
+ Samochody elektryczne mogą odzyskiwać energię elektryczną z hamowania, zwiększając swój zasięg podczas jazdy na przykład w mieście lub w górach. Stosowanie hamowania regeneracyjnego powoduje znaczące zmniejszenie zużycia hamulców. Odzyskiwanie energii ma również swój aspekt ekologiczny.
– Niestety samochody elektryczne między innymi ze względu na małoseryjną produkcję i wysokie ceny akumulatorów są znacznie droższe od spalinowych. Ta sytuacja z biegiem czasu będzie się jednak zmieniać.
Ekologia:

+ Energia elektryczna wytwarzana może być z dowolnych paliw kopalnych, biomasy, a także ze źródeł odnawialnych (np. energia wiatru) natomiast silniki spalinowe potrzebują konkretnych rodzajów paliwa.
+ Spalanie paliw kopalnych w zawodowej elektrownii pracującej pod nadzorem odpowiednich służb, posiadającej bardzo skuteczne filtry zanieczyszczeń jest znacznie bardziej wydajne (najwyższa możliwa sprawność) i ekologiczne, niż spalanie paliwa indywidualnie w milionach samochodów tuż pod nosem spacerujących ludzi.
– Chociaż akumulatory są bezpieczne w użytkowaniu i potrafią spełniać swoją funkcję nawet 10 lat, to pozostaje pytanie co będzie działo się z nimi po okresie eksploatacji. Czy zostaną opracowane tanie i bezpieczne metody ich recyklingu lub utylizacji?
Tesla Roadster Tesla Roadster
Osiągi:

+ Samochody elektryczne pod względem osiągów nie będą w żaden sposób ustępować pojazdom z silnikami spalinowymi, a ponadto dobre osiągi nie spowodują znacznie wyższych kosztów jazdy (zużycia energii), czego dowodem jest chociażby samochód Tesla Roadster.
Komfort podróżowania:

+ Samochód elektryczny nie musi mieć skrzyni biegów ani sprzęgła, dzięki czemu możliwe jest komfortowe podróżowanie (szczególnie w korku). Sportowe samochody elektryczne nie wymagają zmiany biegów uzyskując bardzo dobre przyspieszenia.
+ Silniki elektryczne są nieporównywalnie cichsze od spalinowych, co umożliwia niekiedy „bezszelestne” podróżowanie oraz komfortowe słuchanie muzyki.
Gospodarka i polityka:

+ Wszystkie państwa świata mogą wytwarzać energię elektryczną samodzielnie, dzięki czemu nie będą musiały importować coraz droższej, zagranicznej ropy.
+ Ponieważ energię elektryczną można uzyskiwać na wiele sposobów, z różnych paliw kopalnych to automatycznie gospodarka staje się mniej czuła na brak lub wyższą cenę któregokolwiek z paliw kopalnych.
Podsumowując należy stwierdzić, że samochody w 100% elektryczne są znacznie lepsze od samochodów spalinowych i hybrydowych. Ich jedynym słabym punktem są akumulatory, które jednak z roku na rok stają się coraz lepsze. Postawioną na początku artykułu tezę o wyższości samochodów elektrycznych nad spalinowymi zweryfikuje oczywiście życie. Dziś możemy jedynie powiedzieć, że liczba produkowanych samochodów elektrycznych bardzo szybko rośnie i w najbliższych latach na rynku pojawi się kilkanaście nowych modeli pojazdów elektrycznych.