حفاظت سيستم های فوتوولتائيک (photovoltaic) در برابر صاعقه و فراتاخت های ولتاژ (surges)

با افزايش جمعيت و پيشرفت تكنولوژی، نيازهای انرژی بطور پيوسته در سطح جهانی در حال افزايش است. مقدار انرژی تابشی خورشيد در يک دقيقه بر روی کره زمين در يک ساعت يا يک دقيقه ۶۰۰۰ برابر کل مصرف انرژی های ساليانه بر روی زمين است که اين مطلب نشان دهنده اهميت توجه به اين منبع در تامين نيازهای روزمره بشر است. بسياری از کشورهای جهان در تلاشند تا با جايگزينی انرژی خورشيدی در توليد حرارت و الكتريسيته حداکثر استفاده از اين منبع انرژی را به دست آورده و زيان های ناشی از مصرف سوخت های فسيلی را کاهش دهند. به همين دليل، رويكرد به استفاده از منابع انرژی خورشيدی برای توليد برق، از جمله توليد برق خورشيدی با استفاده از سيستم های فتوولتاييک (Photovoltaic)، افزايش يافته است. در حقيقت سيستم های فوتوولتائيک يكی از سريعترين تكنولوژی های رو به رشد، برای توليد انرژی سبز ميباشند.
از آنجاييكه سيستم های فوتوولتائيک در محيط باز نصب ميشوند، خطر صاعقه برای آن ها ، چه بصورت ضربه مستقيم و يا القائات ناشی از آن بسيار زياد ميباشد. علاوه بر اين، با توجه به اينكه اين سيستم ها (PV) به نحوی به سيستم های الكتريكی ساختمان متصل هستند، تاثير صاعقه بر روی ژنراتورهای سيستم های فوتوولتائيک، بر ساختمان نيز اثر خواهد گذاشت. بنابراين در نظر گرفتن راهکارهای حفاظتی در برابر صاعقه و فراتاخت های ولتاژ برای هر سيستم PV نصب شده، به منظور جلوگيری از خرابی و افزايش طول عمر آن الزامی ميباشد.
انتخاب و نصب سيستم حفاظت در برابر صاعقه، بر اساس مفهوم مناطق حفاظتی (concepts zone) مشخص شده مطابق استاندارد 62305 EN/IEC صورت ميگيرد و شامل موارد زير ميباشد:
 سيستم حفاظتی خارجی (System Protection Lightning External): شامل واحد جذب، هادی نزولی (Down-Conductor) و شبكه زمين
 سيستم حفاظت داخلی (System Protection Lightning Internal): شامل هم پتانسيل سازی، استفاده از ارسترهای حفاظتی (SPDs) و رعايت فاصله ايمنی (distance safety)
تحليل ميزان آسيب پذيری مطابق استاندارد بين المللی 2-62305 EN/IEC مشخص ميسازد که آيا نياز به سيستم حفاظت خارجی ميباشد يا خير؛ و نتايج اين آناليز، مفاهيم حفاظتی در مقابل صاعقه را از جنبه های فنی و مالی آشكار ميسازد.
فراتاخت های ولتاژ (surges)، بزرگترين عامل آسيب به سيستم های PV ميباشند. چنانچه اينورتر يک سيستم فوتوولتائيک آسيب ببيند، بازسازی آن هزينه هنگفتی را تحميل کرده و علاوه بر آن در مدت زمان تعمير آن، استفاده از سيستم به تاخير ميافتد. بنابراين حفاظت اينورترها حائز اهميت است.
محصوالت کمپانی DEHN آلمان، از سيستم های فوتوولتائيک در محدوده کيلووات تا مگاوات، در برابر قطع شدن و يا خرابی های ناشی از جريان صاعقه و فراتاخت های ولتاژ حفاظت ميکند.
اين سيستم ها نيازمند حفاظت ايمن، بخصوص در سمت .c.d خود ميباشند؛ جريان مستقيم که از طريق ماژول های PV توليد ميشود، چالش پر دردسر و بزرگی برای عملكرد المانهای سوئيچينک خواهد بود. در طول زمان عمليات سوئيچينگ، مشخصه منابع جريان PV، ميتواند منجر به بروز arc های خطرناک در قطعات حفاظتی (SPD) شود که ميبايست کنترل گردد. طبق استاندارد تست 11-EN50539، ميزان جريان اتصال کوتاه قطعه حفاظتی (SPD) که برای سيستم های PV استفاده ميشود، ميبايست تست شود. اين مؤلفه با شاخص Iscpv نشان داده ميشود و طبق استاندارد نامبرده، ماکزيمم جريان اتصال کوتاه .c.d سيستم فوتوولتائيک نبايد بيشتر از Iscpv ارستر انتخابی باشد.

کمپانی DEHN آلمان تنها کمپانی است که ارسترهای حفاظتی با تكنولوژی (Interruption Circuit Short(SCI را توليد ميکند. اين تكنولوژی ماکزيمم ميزان حفاظت را در بر داشته و مانع از بروز آتشسوزی در هنگام اضافه بار و اتصال کوتاه DC ميشود.
وجود فيوزی با اندازه مشخص در مسير اتصال کوتاه، منجر به قطع شدن به موقع جريان های اتصال کوتاه ميشود؛ علاوه براين، عملكرد ارسترهای DEHN با مدل مداری Y ،در طول ساليان دراز اثبات شده است. ترکيب تكنولوژی SCI و مدل مداری Y، حفاظت قابل اعتمادی در برابر فراتاخت ها ايجاد کرده و بنابراين ماکزيمم ايمنی را برای عمليات مطمئن و مينيمم خرابی، فراهم ميکند.

وظيفه فيوزها (1) در سيستم های PV با اينورترهای مرکزی، حفاظت دربرابر جريان های برگشتی ميباشد. ماکزيمم جريان قابل دسترس، وابسته به ميزان واقعی تابش دارد. بنا به اينكه در چه مقطع زمانی از روز قرار داريم (2)، اين فيوزها تنها پس از چند دقيقه قطع ميشوند.
بنابراين الزامی است به منظور حفاظت در برابر جريان کل مورد انتظار سيستم (جريان عملكرد و جريان برگشتی)، SPDها در جعبه ترمينال ژنراتور نصب شوند و بطور مستقل، در هنگام اضافه بار بدون ايجاد هيچ گونه arc مدار را قطع کنند.

انتخاب ارسترها برای استفاده در سيستم های فوتوولتائيک:
سيستم های فوتوولتائيک نصب شده بر روی بام و يا بر روی زمين، مجهز به اينورترهای مرکزی (central) يا رديفی (string) ميباشند.
انتخاب و نصب صحيح ارسترهای حفاظتی (SPDs)، بايد به گونه ای باشد که حفاظت در برابر فراتاخت های ولتاژ (surges) و اشخاص را فراهم داشته و در عين حال مانع از بروز آتش سوزی گردد.
مواردی که در زير عنوان ميشود، مولفه هايی برای انتخاب صحيح ارسترهای .c.d ميباشد:
 محل نصب و فاصله از ترمينال تجهيز
 کالس حفاظتی SPD: type1 و يا type2
 چگونگی اتصال زمين هادی های فعال
 ماکزيمم جريان اتصال کوتاه Iscpv
 ديتاشيت ارسترهای حفاظتی مقدار Iscpv تعيين شده طبق استاندارد 11-50539 EN که SPD برای آن طراحی شده را نشان ميدهد.
اينورترهای رديفی (inverters string)، برای تمامی سيستم های فوتوولتائيک، از سيستم های کوچک موجود بر روی بام تا پارک های خورشيدی بزرگ چندمگاواتی، قابل استفاده ميباشد. نصب قطعات SPD در سمت .c.d اين سيستم ها (حداقل ارسترهای حفاظتی کالس II)، برای ورودی هر MPP الزامی ميباشد. اين ارسترها در جعبه ترمينال ژنراتور در بالادست (Upstream) اينورترها، و يا در خود اينورترهای رديفی جاداده ميشوند. جريان اتصال کوتاه .c.d معمولا از 100A تجاوز نميکند.
اينورترهای مرکزی (inverters central)، اغلب با توان 1MW در پارک های سولار(Park Solar) استفاده ميشوند. خطوط .c.d
مربوطه در مسيرهايی موازی باهم به شينه مشترك ميرسند و جريان مستقيم .c.d چندصد آمپری در اين نقطه مجتمع ميشوند.
پالس های اضافه ولتاژ از کل سايت، به اين شينه منتقل ميگردد و مسلما انتخاب و نصب صحيح ارسترهای حفاظتی (SPD) ورودی مدارات الكترونيكی را از آسيب محافظت کرده و طول عمر تجهيز و اينورتر را افزايش ميدهد.
جعبه ترمينال های ژنراتور که برای اين سيستم ها استفاده ميشوند، از طريق اينورتر مرکزی بصورت موازی بهم متصل ميشوند.
ضروريست که جريان های برگشتی، حتی در صورتيكه ارسترها (SPD) دچار اضافه بار شده باشند، بطور ايمن تخليه شوند و در نتيجه جريان اتصال کوتاه نبايد از جريان اتصال کوتاه ارستر Iscpv بيشتر باشد.

 كمپانی DEHN برای هر كاربردی، ارسترهای حفاظتی مخصوصی را طراحی و توليد نموده است؛ در جدول زير
ارسترهای مناسب مدارات .c.d نشان داده شده است.

محصولات red/line این کمپانی، حفاظت بخش های .d.c و .a.c اینورترها و محصولات yellow/line حفاظت دیتا را تامین میکنند.
استاندارد DIN EN 65305-3 و استاندارد اروپایی CENELEC CLC/TS 50539-12، سه طرح حفاظتی برای سیستم های فوتوولتائيک را مشخص کرده اند؛

 ساختمان بدون سیستم حفاظت خارجی

چنانچه هیچ سیستم حفاظت خارجی نصب نشده باشد، پیشنهاد میگردد به منظور حفاظت سیستم PV ارستر type2 در سمت .d.c و .a.c، و در صورت نیاز ارسترهای دیتا نیز نصب گردند.

 ساختمان با سیستم حفاظت خارجی و فاصله ایمنی مناسب

ماژول های سیستم های فوتوولتائيک میبایست در مناطق حفاظت شده توسط واحدجذب قرار داده شوند و فاصله ایمنی (s) رعایت شود.

 ساختمان با سیستم حفاظت خارجی و فاصله ایمنی نامناسب

چنانچه رعایت فاصله ایمنی ممکن نباشد، برای مثال برای بام های فلزی، اجرای سیستم هم پتانسیل سازی الزامی است.

برای رعايت فاصله ايمنی از سازه های فلزی مجاور، استفاده از واحدهای جذب ايزوله با هادی نزولی HVI ساخت کمپانی DEHN آلمان مطابق استاندارد 3-62305 EN يک راهكار مناسب برای انتقال جريان صاعقه جهت حفاظت سيستم های فوتوولتائيک نصب شده بر روی بام در مقابل برخورد مستقيم صاعقه ميباشد. طراحی منحصر به فرد اين کابل ها فاصله ايمنی تا 9m.0 در
هوا را ايجاد ميکند.

با استفاده از اين کابل ها (HVI) و ترمينال هوايی ايزوله (AL/GRP)، ميتوان اثر سايه های غيرمجاز و موانع تابش را بر روي ماژول های PV حذف نمود.

 شركت اسپاک با بيش از 40 سال تجربه در امر حفاظت و با بهره گيری از به روزترين استانداردهای مربوطه و اطلاعات در زمينه اجرای سيستم های حفاظت در برابر صاعقه و فراتاخت های ولتاژ، قادر است با طراحی و تامين كليه اقلام مورد نياز در اين راستا همراه شما باشد. اين شركت نماينده انحصاری كمپانی DEHN آلمان، از سال 1376 درخصوص طراحی و مشاوره، تهيه و تدارک ارسترهای حفاظتی برای بسياری از پروژه های ملی در صنايع گوناگون بوده است .