Dlaczego wyładowania atmosferyczne są tak niebezpieczne dla systemów fotowoltaicznych?
Siła rażenia pioruna nie wynika jedynie z prawdopodobieństwa trafienia, ale przede wszystkim z ogromnej energii uwalnianej w ułamku sekundy. Typowe bezpośrednie uderzenie pioruna może osiągnąć prąd szczytowy 30–200 kA, napięcie nawet 100 milionów woltów, a czas trwania wynosi zaledwie kilka mikrosekund. Mechanizm uszkodzeń obejmuje trzy główne zjawiska fizyczne:
- Efekt cieplny: Prąd pioruna przepływający przez przewodniki metalowe, moduły PV lub kable może w ułamku sekundy doprowadzić do lokalnego wzrostu temperatury do kilku tysięcy stopni Celsjusza, co skutkuje stopieniem metalu, rozerwaniem złączy i spaleniem komponentów.
- Indukcja elektromagnetyczna: Silne pole elektromagnetyczne generowane przez piorun może indukować napięcia rzędu kilku tysięcy woltów w sąsiednich przewodach, nawet jeśli nie doszło do bezpośredniego trafienia. Szczególnie narażone są urządzenia niskonapięciowe, takie jak magistrale RS485, moduły komunikacyjne i systemy monitoringu.
- Wzrost potencjału ziemi: Gdy piorun uderzy w grunt, prąd przemieszcza się przez sieć uziemiającą i może wygenerować chwilowe różnice potencjałów sięgające kilkudziesięciu, a nawet kilkuset woltów. To zjawisko, zwane "wtórnym impulsem ziemnym", może przedostać się przez przewody uziemiające i uszkodzić falowniki, baterie oraz inne elementy systemu.
Systemy fotowoltaiczne składają się z dużej liczby połączonych szeregowo elementów półprzewodnikowych na bazie krzemu, które są bardzo wrażliwe na przepięcia. Gdy napięcie przekroczy 1 kV, takie elementy jak dioda bocznikująca czy tranzystor MOSFET mogą ulec przebiciu. Co więcej, instalacje PV są zazwyczaj montowane na nieosłoniętych, otwartych powierzchniach lub metalowych konstrukcjach, przez co znajdują się w naturalnych strefach wysokiego ryzyka i są bardziej podatne na uderzenia pioruna niż zwykłe urządzenia domowe.
Dlatego ochrona odgromowa w instalacjach fotowoltaicznych nie jest jedynie reakcją na ekstremalne warunki pogodowe – to systemowe zabezpieczenie wynikające z samej konstrukcji i zasady działania systemu.
(Schemat: trzy główne drogi uszkodzeń wywołanych przez wyładowania – bezpośrednie uderzenie, indukcja cieplna, wtórny impuls ziemny)
1. Dlaczego systemy fotowoltaiczne są szczególnie narażone na wyładowania atmosferyczne?
W przeciwieństwie do standardowych urządzeń elektrycznych, instalacje fotowoltaiczne są najczęściej montowane na dachach, otwartych przestrzeniach lub w terenach górskich, co naturalnie lokuje je w strefach podwyższonego ryzyka uderzenia pioruna. Co więcej, zagrożenie nie polega wyłącznie na bezpośrednim trafieniu – aby skutecznie się chronić, należy zrozumieć trzy główne drogi uszkodzeń wywołanych przez wyładowania atmosferyczne:
1. Bezpośrednie uderzenie pioruna – najbardziej niszczące
Jeśli piorun bezpośrednio trafi w moduł PV, konstrukcję wsporczą lub szczyt budynku, uwalnia ogromne natężenie prądu i temperaturę, co może spowodować:
- Przebicie diod bocznikujących i spalenie ogniw wewnątrz modułów
- Spalenie lub zapłon kabli wskutek wysokiej temperatury, prowadzące do powstawania hot spotów
- Przerwanie ciągu modułów, a nawet całkowitą awarię systemu
Szczególne ryzyko dotyczy wysokich, niezacienionych dachów w rejonach o dużej aktywności burzowej – w takich przypadkach zaleca się instalację piorunochronów, prawidłowe uziemienie oraz prowadzenie przewodów odprowadzających z dala od słaboprądowych instalacji.
2. Indukcja elektromagnetyczna – ukryte, lecz częste zagrożenie
Nawet jeśli piorun nie trafi bezpośrednio w instalację, jego silny impuls elektromagnetyczny może indukować wysokie napięcia w metalowych ramach lub przewodach komunikacyjnych, uszkadzając:
- Moduły komunikacyjne (np. rejestratory danych, magistrale RS485)
- Obwody wejściowe falowników
- Urządzenia niskonapięciowe, takie jak inteligentne systemy monitorowania
Jeśli napięcie indukowane przekracza 1 kV, może dojść do zakłóceń w komunikacji lub – w poważniejszych przypadkach – do łuków elektrycznych i pożarów. Dlatego należy stosować wielostopniowe ochronniki przepięciowe (SPD) przy falownikach, skrzynkach łączeniowych i interfejsach komunikacyjnych oraz zadbać o ekranowanie i wyrównanie potencjałów.
3. Wtórny impuls ziemny – ukryta droga uszkodzeń
Gdy piorun uderzy w grunt lub sąsiedni budynek, prąd może rozprzestrzenić się przez sieć uziemiającą i przez przewody uziemiające „wrócić” do instalacji fotowoltaicznej, powodując:
- Uszkodzenia skrzynek zbiorczych
- Przeciążenie akumulatorów, spadek pojemności lub ich eksplozję
- Impuls wsteczny z sieci energetycznej, uszkadzający falowniki lub odbiorniki
Jeśli system uziemienia jest źle zaprojektowany – np. ma zbyt wysoką rezystancję, nie jest oddzielony od innych układów lub jest niekompletny – ryzyko wtórnego impulsu znacznie wzrasta. Zaleca się zaprojektowanie uziemienia o rezystancji ≤ 4 Ω, oddzielenie od innych instalacji oraz montaż izolatorów lub ograniczników prądu w kluczowych punktach.
2. Czy każda instalacja fotowoltaiczna musi być wyposażona w piorunochron?
1. Czy piorunochron jest potrzebny w każdej sytuacji?
2. Kluczowe zasady przy instalacji piorunochronu
Nawet jeśli projekt spełnia warunki techniczne do montażu piorunochronu, jego skuteczność i bezpieczeństwo zależą od przestrzegania następujących zasad:
- Piorunochron powinien być wyższy niż moduły fotowoltaiczne i tworzyć stożek ochronny; zaleca się kąt ochrony nie większy niż 45°, aby zapewnić pełne pokrycie powierzchni.
- Odległość między piorunochronem a modułami powinna wynosić co najmniej 5 metrów, aby uniknąć zacienienia i spadku wydajności.
- Rezystancja uziemienia piorunochronu powinna być ≤ 4 Ω, a połączenie wykonane z wiarygodnym systemem uziemiającym, by zapobiec tzw. „pozornemu uziemieniu”.
- Przewód odprowadzający należy prowadzić wzdłuż ścian lub zewnętrznych elementów konstrukcji, z dala od kabli prądu stałego, by uniknąć indukcji napięć.
- Montaż powinien być wykonany przez wykwalifikowaną firmę elektroinstalacyjną, zgodnie z normami ochrony odgromowej budynków (np. IEC 62305 lub GB 50057).
Schemat systemu ochrony odgromowej instalacji PV
Nieprawidłowo zaprojektowany lub zainstalowany piorunochron może przyciągać wyładowania, ale ich nie odprowadzać, co zwiększa ryzyko awarii systemu. Dlatego należy bezwzględnie przestrzegać norm i projektować ochronę odgromową indywidualnie, uwzględniając wysokość budynku, otoczenie oraz lokalne zagrożenie burzowe.
3. W jakich przypadkach warto zainwestować w pełny system ochrony odgromowej?
Ochrona odgromowa nie jest konieczna dla każdej instalacji PV. Jednak w określonych sytuacjach – z uwagi na koszty, ryzyko i zgodność z przepisami – pełna ochrona przestaje być opcją, a staje się koniecznością. W szczególności należy ją rozważyć w następujących trzech scenariuszach:
1. Systemy PV zlokalizowane w obszarach o dużej aktywności burzowej
Jeśli instalacja znajduje się w regionach takich jak wybrzeże Morza Śródziemnego, tereny górskie czy obszary nadmorskie, gdzie burze są częste, pełny system ochrony odgromowej jest zalecany nawet przy niewielkich instalacjach. Częste wyładowania w sezonie letnim oznaczają długotrwałą ekspozycję systemu na ryzyko. Skutki? Od uszkodzonych modułów i komunikacji po całkowite awarie lub pożary.
Zalecane jest podejście dwutorowe:
- Ochrona zewnętrzna: piorunochrony i pierścień uziemiający
- Ochrona wewnętrzna: wielopoziomowe SPD przy falownikach i interfejsach sygnałowych; w razie potrzeby dodatkowe separatory zasilania
2. Systemy zawierające urządzenia niskonapięciowe (np. magazyny energii)
Instalacje z magazynem energii, monitoringiem, komunikacją RS485 lub zdalnym sterowaniem zawierają komponenty podatne na uszkodzenia indukcyjne. Dotyczy to szczególnie systemów na dachach komercyjnych, w szklarniach rolniczych i zdalnych stacjach pomiarowych, gdzie ryzyko zakłóceń komunikacyjnych jest szczególnie wysokie.
W takich przypadkach należy wzmocnić ochronę wewnętrzną:
- zastosować wielostopniowe SPD przy portach komunikacyjnych, po stronie magazynu i falownika
- zadbać o pełne połączenie wyrównawcze i zamkniętą strukturę uziemienia, by zapobiec przenikaniu przepięć przez magistrale
3. Instalacje na lekkich dachach bez osłon
Dachy w budynkach wiejskich, szklarniach czy magazynach często wykonane są z lekkich blach lub paneli warstwowych – bez zacienienia i osłon bocznych. Tworzą one punkty lokalnie podwyższone, co zwiększa ryzyko bezpośredniego trafienia. Takie obiekty często nie posiadają wbudowanej siatki uziemiającej ani projektu ochrony odgromowej, co skutkuje większym prawdopodobieństwem przebić i nieszczelności.
Zaleca się zastosowanie prostego rozwiązania zewnętrznego:
- lekki piorunochron + podstawowe przewody odprowadzające + oddzielne uziemienie,
- oraz zintegrowanie ochrony odgromowej z komponentami PV, co tworzy efektywną pętlę ochronną przy minimalnym koszcie
4. Jak zbudować „wystarczający” system ochrony odgromowej przy minimalnych kosztach?
Nie każda instalacja PV wymaga kosztownego, złożonego systemu ochrony. Przy ograniczonym budżecie i kontrolowanym ryzyku można zastosować strategię uproszczonej ochrony, która zapewnia najlepszy stosunek kosztów do efektywności. Oto trzy zalecenia:
1. Ochrona zewnętrzna – uproszczona, ale obowiązkowa
W systemach średniej wielkości, zamontowanych na otwartych dachach z widocznymi strukturami metalowymi, można zrezygnować z dużej instalacji odgromowej, ale należy zapewnić podstawową ochronę, np. pojedynczy piorunochron lub przewód odprowadzający z solidnym uziemieniem.
Zastosowanie lekkiego wspornika z wbudowanym przewodem odprowadzającym, połączonego z siecią uziemiającą, pozwala bezpiecznie odprowadzić prąd piorunowy bez zwiększania obciążenia konstrukcji.
2. Ochrona wewnętrzna – skoncentrowana na kluczowych punktach
Jeśli system zawiera urządzenia niskonapięciowe (np. monitoring, magazyn), warto zastosować wielostopniowe SPD tylko w kluczowych miejscach: na wejściu falownika, portach komunikacyjnych i skrzynkach łączeniowych.
Stosowanie wymiennych modułowych SPD ułatwia konserwację i obniża koszty utrzymania.
3. Wykorzystanie wbudowanych cech ochronnych modułów PV
Niektóre zaawansowane moduły PV mają wbudowaną ochronę diodami bocznikującymi, konstrukcję o niskiej indukcyjności lub lepiej przystosowane punkty uziemienia. Takie cechy mogą ograniczyć skutki przepięć indukcyjnych i wtórnych impulsów ziemnych.
Warto uwzględnić takie produkty na etapie projektowania i wdrożyć podejście „lekka ochrona + współpraca modułów”, co znacząco obniża całkowity koszt ochrony.
W projektach BIPV (fotowoltaika zintegrowana z budynkiem) warto już na etapie koncepcji uwzględnić ochronę odgromową, system uziemiający i SPD, co zapewnia pełną integrację bezpieczeństwa i konstrukcji.
Dodatkowe zalecenia przy realizacji ochrony odgromowej:
- prowadź kable PV z dala od metalowych elementów dachowych (np. anten, podgrzewaczy wody), by ograniczyć drogi indukcji
- uszczelnij wszystkie przepusty kablowe przez ściany i dach, aby zapobiec zawilgoceniom i ryzyku pożaru
- regularnie sprawdzaj stan SPD, luzy lub korozję przewodów uziemiających
- nie przechowuj przedmiotów na modułach, by nie tworzyć hot spotów i uniknąć pożaru
Zakończenie
Latem, gdy burze są częste, projektowanie ochrony odgromowej dla instalacji fotowoltaicznych to nie tylko obowiązek formalny, ale kluczowy warunek trwałości systemu i zwrotu z inwestycji. Od wyboru projektu, przez analizę klimatu, aż po strukturę i konfigurację zasilania – każdy etap wpływa na wartość ochrony.
Tylko poprzez wielopoziomową analizę ryzyka, dopasowanie do warunków lokalnych i konsekwentne wdrożenie da się zapewnić bezpieczne i niezawodne działanie instalacji PV – i realny, stabilny zysk dla użytkownika.
Od 2008 roku Maysun Solar jest zarówno inwestorem, jak i producentem w branży fotowoltaicznej, oferując bezinwestycyjne rozwiązania solarne dla dachów przemysłowych i komercyjnych. Dzięki 17-letniemu doświadczeniu na rynku europejskim oraz mocy zainstalowanej wynoszącej 1,1 GW, realizujemy w pełni finansowane projekty solarne, umożliwiając firmom monetyzację dachów i obniżenie kosztów energii bez konieczności inwestycji początkowej.Nasze zaawansowane moduły IBC, HJT, TOPCon, a także stacje solarne na balkon zapewniają wysoką wydajność, trwałość i długoterminową niezawodność. Maysun Solar przejmuje na siebie cały proces, obejmujący uzyskanie pozwoleń, instalację oraz konserwację, co gwarantuje płynne i bezpieczne przejście na energię słoneczną, jednocześnie dostarczając stabilne zwroty finansowe.
Referencje:
IEC. (2010). IEC 62305 – Protection against lightning. International Electrotechnical Commission. https://webstore.iec.ch/publication/2472
Phoenix Contact. (2023). Lightning and surge protection for photovoltaic systems. Phoenix Contact GmbH & Co. KG. https://www.phoenixcontact.com/en-us/products/lightning-and-surge-protection
SMA Solar Technology AG. (2022). Technical information – Surge protection for inverters. SMA Solar Technology AG. https://www.sma.de/en/products/solar-inverters.html
Meteonorm. (2024). Global meteorological database for engineers and planners. Meteotest AG. https://meteonorm.com
Może Ci się spodobać: