حفاظت سیستم های فوتوولتائیک (photovoltaic) در برابر صاعقه و فراتاخت های ولتاژ (surges)

با افزایش جمعیت و پیشرفت تکنولوژی، نیازهای انرژی بطور پیوسته در سطح جهانی در حال افزایش است. مقدار انرژی تابشی خورشید در یک دقیقه بر روی کره زمین در یک ساعت یا یک دقیقه ۶۰۰۰ برابر کل مصرف انرژی های سالیانه بر روی زمین است که این مطلب نشان دهنده اهمیت توجه به این منبع در تامین نیازهای روزمره بشر است. بسیاری از کشورهای جهان در تلاشند تا با جایگزینی انرژی خورشیدی در تولید حرارت و الکتریسیته حداکثر استفاده از این منبع انرژی را به دست آورده و زیان های ناشی از مصرف سوخت های فسیلی را کاهش دهند. به همین دلیل، رویکرد به استفاده از منابع انرژی خورشیدی برای تولید برق، از جمله تولید برق خورشیدی با استفاده از سیستم های فتوولتاییک (Photovoltaic)، افزایش یافته است. در حقیقت سیستم های فوتوولتائیک یکی از سریعترین تکنولوژی های رو به رشد، برای تولید انرژی سبز میباشند.
از آنجاییکه سیستم های فوتوولتائیک در محیط باز نصب میشوند، خطر صاعقه برای آن ها ، چه بصورت ضربه مستقیم و یا القائات ناشی از آن بسیار زیاد میباشد. علاوه بر این، با توجه به اینکه این سیستم ها (PV) به نحوی به سیستم های الکتریکی ساختمان متصل هستند، تاثیر صاعقه بر روی ژنراتورهای سیستم های فوتوولتائیک، بر ساختمان نیز اثر خواهد گذاشت. بنابراین در نظر گرفتن راهکارهای حفاظتی در برابر صاعقه و فراتاخت های ولتاژ برای هر سیستم PV نصب شده، به منظور جلوگیری از خرابی و افزایش طول عمر آن الزامی میباشد.
انتخاب و نصب سیستم حفاظت در برابر صاعقه، بر اساس مفهوم مناطق حفاظتی (concepts zone) مشخص شده مطابق استاندارد 62305 EN/IEC صورت میگیرد و شامل موارد زیر میباشد:
 سیستم حفاظتی خارجی (System Protection Lightning External): شامل واحد جذب، هادی نزولی (Down-Conductor) و شبکه زمین
 سیستم حفاظت داخلی (System Protection Lightning Internal): شامل هم پتانسیل سازی، استفاده از ارسترهای حفاظتی (SPDs) و رعایت فاصله ایمنی (distance safety)
تحلیل میزان آسیب پذیری مطابق استاندارد بین المللی 2-62305 EN/IEC مشخص میسازد که آیا نیاز به سیستم حفاظت خارجی میباشد یا خیر؛ و نتایج این آنالیز، مفاهیم حفاظتی در مقابل صاعقه را از جنبه های فنی و مالی آشکار میسازد.
فراتاخت های ولتاژ (surges)، بزرگترین عامل آسیب به سیستم های PV میباشند. چنانچه اینورتر یک سیستم فوتوولتائیک آسیب ببیند، بازسازی آن هزینه هنگفتی را تحمیل کرده و علاوه بر آن در مدت زمان تعمیر آن، استفاده از سیستم به تاخیر میافتد. بنابراین حفاظت اینورترها حائز اهمیت است.
محصوالت کمپانی DEHN آلمان، از سیستم های فوتوولتائیک در محدوده کیلووات تا مگاوات، در برابر قطع شدن و یا خرابی های ناشی از جریان صاعقه و فراتاخت های ولتاژ حفاظت میکند.
این سیستم ها نیازمند حفاظت ایمن، بخصوص در سمت .c.d خود میباشند؛ جریان مستقیم که از طریق ماژول های PV تولید میشود، چالش پر دردسر و بزرگی برای عملکرد المانهای سوئیچینک خواهد بود. در طول زمان عملیات سوئیچینگ، مشخصه منابع جریان PV، میتواند منجر به بروز arc های خطرناک در قطعات حفاظتی (SPD) شود که میبایست کنترل گردد. طبق استاندارد تست 11-EN50539، میزان جریان اتصال کوتاه قطعه حفاظتی (SPD) که برای سیستم های PV استفاده میشود، میبایست تست شود. این مؤلفه با شاخص Iscpv نشان داده میشود و طبق استاندارد نامبرده، ماکزیمم جریان اتصال کوتاه .c.d سیستم فوتوولتائیک نباید بیشتر از Iscpv ارستر انتخابی باشد.

کمپانی DEHN آلمان تنها کمپانی است که ارسترهای حفاظتی با تکنولوژی (Interruption Circuit Short(SCI را تولید میکند. این تکنولوژی ماکزیمم میزان حفاظت را در بر داشته و مانع از بروز آتشسوزی در هنگام اضافه بار و اتصال کوتاه DC میشود.
وجود فیوزی با اندازه مشخص در مسیر اتصال کوتاه، منجر به قطع شدن به موقع جریان های اتصال کوتاه میشود؛ علاوه براین، عملکرد ارسترهای DEHN با مدل مداری Y ،در طول سالیان دراز اثبات شده است. ترکیب تکنولوژی SCI و مدل مداری Y، حفاظت قابل اعتمادی در برابر فراتاخت ها ایجاد کرده و بنابراین ماکزیمم ایمنی را برای عملیات مطمئن و مینیمم خرابی، فراهم میکند.

وظیفه فیوزها (1) در سیستم های PV با اینورترهای مرکزی، حفاظت دربرابر جریان های برگشتی میباشد. ماکزیمم جریان قابل دسترس، وابسته به میزان واقعی تابش دارد. بنا به اینکه در چه مقطع زمانی از روز قرار داریم (2)، این فیوزها تنها پس از چند دقیقه قطع میشوند.
بنابراین الزامی است به منظور حفاظت در برابر جریان کل مورد انتظار سیستم (جریان عملکرد و جریان برگشتی)، SPDها در جعبه ترمینال ژنراتور نصب شوند و بطور مستقل، در هنگام اضافه بار بدون ایجاد هیچ گونه arc مدار را قطع کنند.

انتخاب ارسترها برای استفاده در سیستم های فوتوولتائیک:
سیستم های فوتوولتائیک نصب شده بر روی بام و یا بر روی زمین، مجهز به اینورترهای مرکزی (central) یا ردیفی (string) میباشند.
انتخاب و نصب صحیح ارسترهای حفاظتی (SPDs)، باید به گونه ای باشد که حفاظت در برابر فراتاخت های ولتاژ (surges) و اشخاص را فراهم داشته و در عین حال مانع از بروز آتش سوزی گردد.
مواردی که در زیر عنوان میشود، مولفه هایی برای انتخاب صحیح ارسترهای .c.d میباشد:
 محل نصب و فاصله از ترمینال تجهیز
 کالس حفاظتی SPD: type1 و یا type2
 چگونگی اتصال زمین هادی های فعال
 ماکزیمم جریان اتصال کوتاه Iscpv
 دیتاشیت ارسترهای حفاظتی مقدار Iscpv تعیین شده طبق استاندارد 11-50539 EN که SPD برای آن طراحی شده را نشان میدهد.
اینورترهای ردیفی (inverters string)، برای تمامی سیستم های فوتوولتائیک، از سیستم های کوچک موجود بر روی بام تا پارک های خورشیدی بزرگ چندمگاواتی، قابل استفاده میباشد. نصب قطعات SPD در سمت .c.d این سیستم ها (حداقل ارسترهای حفاظتی کالس II)، برای ورودی هر MPP الزامی میباشد. این ارسترها در جعبه ترمینال ژنراتور در بالادست (Upstream) اینورترها، و یا در خود اینورترهای ردیفی جاداده میشوند. جریان اتصال کوتاه .c.d معمولا از 100A تجاوز نمیکند.
اینورترهای مرکزی (inverters central)، اغلب با توان 1MW در پارک های سولار(Park Solar) استفاده میشوند. خطوط .c.d
مربوطه در مسیرهایی موازی باهم به شینه مشترک میرسند و جریان مستقیم .c.d چندصد آمپری در این نقطه مجتمع میشوند.
پالس های اضافه ولتاژ از کل سایت، به این شینه منتقل میگردد و مسلما انتخاب و نصب صحیح ارسترهای حفاظتی (SPD) ورودی مدارات الکترونیکی را از آسیب محافظت کرده و طول عمر تجهیز و اینورتر را افزایش میدهد.
جعبه ترمینال های ژنراتور که برای این سیستم ها استفاده میشوند، از طریق اینورتر مرکزی بصورت موازی بهم متصل میشوند.
ضروریست که جریان های برگشتی، حتی در صورتیکه ارسترها (SPD) دچار اضافه بار شده باشند، بطور ایمن تخلیه شوند و در نتیجه جریان اتصال کوتاه نباید از جریان اتصال کوتاه ارستر Iscpv بیشتر باشد.

 کمپانی DEHN برای هر کاربردی، ارسترهای حفاظتی مخصوصی را طراحی و تولید نموده است؛ در جدول زیر
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 فوتوولتائیک 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 فوتوولتائیک 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 رعایت فاصله ایمنی از سازه های فلزی مجاور، استفاده از واحدهای جذب ایزوله با هادی نزولی HVI ساخت کمپانی DEHN آلمان مطابق استاندارد 3-62305 EN یک راهکار مناسب برای انتقال جریان صاعقه جهت حفاظت سیستم های فوتوولتائیک نصب شده بر روی بام در مقابل برخورد مستقیم صاعقه میباشد. طراحی منحصر به فرد این کابل ها فاصله ایمنی تا 9m.0 در
هوا را ایجاد میکند.

با استفاده از این کابل ها (HVI) و ترمینال هوایی ایزوله (AL/GRP)، میتوان اثر سایه های غیرمجاز و موانع تابش را بر روی ماژول های PV حذف نمود.

 شرکت اسپاک با بیش از 40 سال تجربه در امر حفاظت و با بهره گیری از به روزترین استانداردهای مربوطه و اطلاعات در زمینه اجرای سیستم های حفاظت در برابر صاعقه و فراتاخت های ولتاژ، قادر است با طراحی و تامین کلیه اقلام مورد نیاز در این راستا همراه شما باشد. این شرکت نماینده انحصاری کمپانی DEHN آلمان، از سال 1376 درخصوص طراحی و مشاوره، تهیه و تدارک ارسترهای حفاظتی برای بسیاری از پروژه های ملی در صنایع گوناگون بوده است .