Waarom moet elke zonne-energie-installatie een overspanningsafleider bevatten?

Fotovoltaïsche (PV)-systemen op zonne-energie worden blootgesteld aan stroomstoten die kostbare schade en stroomuitval kunnen veroorzaken. In dit artikel wordt uitgelegd waarom elke zonne-energie-installatie een overspanningsafleider nodig heeft: een apparaat dat kritieke apparatuur beschermt tegen voorbijgaande overspanningen.

1. Wat is eenAfleider voor zonne-energie?

Een overspanningsafleider, ook wel overspanningsbeveiligingsapparaat (SPD) genoemd, is een elektrisch onderdeel dat systemen beschermt tegen overspanningen. Overspanningsafleiders stoppen of absorberen geen stroomstoten veroorzaakt door bliksem. In plaats daarvan omzeilen of ontladen ze spanningspieken om schade aan elektrische apparatuur in een woning te beperken. Deze apparaten voorkomen de voortdurende stroom van hoogspanningsstromen door ze naar de grond te leiden.

Wanneer een stroomstoot door een geleider gaat, onderbreekt de afleider de isolatie ervan, zodat de stroomstoot naar de grond kan reizen. Zodra het spanningsniveau weer normaal is, wordt de isolatie tussen de geleider en de aarde hersteld. De stroom van de stroom naar de grond stopt dan.

Een Solar Surge-afleider is een SPD die speciaal is ontworpen voor fotovoltaïsche installaties. Het beschermt zonne-energiesystemen tegen voorbijgaande overspanningen en permanente overspanningen veroorzaakt door defecten in de geleider of storingen in transformatoren.

Transiënte overspanningen zijn tijdelijke spanningspieken tot meer dan 10 procent boven de nominale waarde van het distributienetwerk gedurende meerdere cycli. Bij permanente overspanningen blijft het spanningsniveau permanent hoog.

Een compleet bliksembeveiligingssysteem omvat luchtterminals (bliksemafleiders), neerwaartse geleiders, overspanningsbeveiligingen, potentiaalvereffening en een aardingssysteem. Dit is de eerste verdedigingslinie tegen een directe blikseminslag.

2. Waarom hebben zonnesystemen een overspanningsbeveiliging nodig?

Zonne-energiesystemen zijn gevoelig voor stroomstoten, die kostbare schade aan apparatuur kunnen veroorzaken en tot tijdelijke stroomuitval kunnen leiden. Stroompieken kunnen worden veroorzaakt door externe factoren zoals blikseminslag, interne storingen of schommelingen in het elektriciteitsnet.

Fysieke blootstelling maakt zonnestelsels kwetsbaar

Zonnepanelen worden doorgaans geïnstalleerd in open ruimtes, op daken of over grote velden waar ze kunnen worden blootgesteld aan omgevingscondities. De grote oppervlakken en blootgestelde plaatsingen, zoals op daken of op de grond in open ruimtes, maken zonnepanelen gevoelig voor blikseminslagen die hun levensduur kunnen verkorten.

Zelfs als een zonnepaneel niet rechtstreeks door bliksem wordt getroffen, kan bliksemactiviteit in de buurt gevaarlijke spanningen veroorzaken die kritieke componenten kunnen beschadigen. Wanneer de bliksem nabijgelegen structuren, nutsleidingen of de grond treft, kunnen de resulterende elektromagnetische velden transiënte spanningen in de bedrading van het zonnestelsel veroorzaken. Deze geïnduceerde spanningspieken kunnen zich door de hele installatie verspreiden en de apparatuur beschadigen tot ver van de oorspronkelijke inslaglocatie.

Uitgebreide bekabeling creëert paden voor spanningspieken

Omdat fotovoltaïsche systemen vaak uitgebreide DC-bekabeling en onderling verbonden elektrische apparatuur omvatten, bieden ze meerdere paden waar stootstromen zich kunnen voortplanten. Hun uitgebreide bedradingsnetwerken kunnen als geleiders fungeren en transiënte spanningen in het systeem introduceren.

Zowel DC- als AC-zijden hebben bescherming nodig

Een uniek kenmerk van fotovoltaïsche systemen is dat ze zowel op gelijkstroom- als op wisselstroomcircuits werken. Stroomstoten kunnen via beide zijden van het systeem binnendringen. Effectieve strategieën voor overspanningsbeveiliging tegen zonne-energie richten zich op zowel DC- als AC-circuits en bieden zo een uitgebreide dekking.

De DC-zijde omvat: zonnepanelen, stringbedrading, combinerboxen, DC-scheidingsschakelaars en omvormeringangen. De AC-zijde omvat: inverteruitgangen, distributieapparatuur, transformatoren, nutsverbindingen en elektrische systemen van de faciliteit.

Door slechts één deel van het systeem te beschermen, kan andere kritieke apparatuur kwetsbaar worden voor schade.

Overspanningsbeveiliging wordt vaak over het hoofd gezien

Veel eigenaren van zonne-energiesystemen concentreren zich op de efficiëntie van panelen, de selectie van omvormers en voorspellingen van de energieproductie. Elektrische beveiliging wordt vaak over het hoofd gezien totdat er een kostbare storing optreedt. Piekgebeurtenissen kunnen onverwacht optreden en grote schade aan zonne-energieapparatuur veroorzaken, wat kan leiden tot stilstand, reparatiekosten en verloren energieproductie.

Een piekgebeurtenis kan leiden tot vervangingskosten van apparatuur, arbeidskosten, systeemuitval, verminderde energieproductie, gemiste omzetkansen, hogere onderhoudsvereisten en verzekeringsclaims.

Sommige ontwikkelaars kiezen er misschien voor om geen overspanningsbeveiligingsapparatuur op te nemen om de initiële kosten van een project laag te houden. Dit kan echter later leiden tot hogere onderhoudskosten als apparatuur beschadigd raakt door een overspanning en moet worden gerepareerd of vervangen.

De financiële zaak voor overspanningsbeveiliging

Investeren in overspanningsbeveiliging tegen zonne-energie vormt vaak een klein deel van de totale projectkosten. Toch kan het verliezen helpen voorkomen die de kosten van de beveiligingsapparatuur zelf ruimschoots overtreffen. Bij commerciële installaties en installaties op nutsschaal kan stilstand zich snel vertalen in aanzienlijke inkomstenverliezen. Zelfs een korte bedrijfsonderbreking kan de productiedoelstellingen en de financiële prestaties beïnvloeden.

3. Wat gebeurt er als de bliksem inslaat op een zonne-PV-systeem?

Blikseminslag brengt aanzienlijke risico's met zich mee van volledige of gedeeltelijke vernietiging van zonneparken, hetzij onmiddellijk door een directe inslag, hetzij door degeneratieve schade als gevolg van een indirecte inslag.

Directe blikseminslagen

Directe blikseminslagen kunnen enorme hoeveelheden energie produceren die catastrofale schade kunnen veroorzaken. Wanneer bliksem inslaat op een zonnepaneelarray, veroorzaakt dit een geïnduceerde transiënte stroom binnen de draadlussen van het systeem. Dit leidt tot het falen van de isolatie, panelen, omvormer en communicatieapparatuur.

Indirecte bliksemeffecten

Indirecte bliksemeffecten komen vaak vaker voor en kunnen net zo problematisch zijn. Overspanningen kunnen op verschillende manieren invloed hebben op de installatie van een zonnepaneelsysteem:

• Van directe inslagen tot het externe bliksembeveiligingssysteem van een bouwwerk, er dichtbij, en zelfs tot de PV-installatie zelf

• Van door bliksem veroorzaakte stromen die in het elektriciteitsnet worden gedistribueerd

• Door overspanningen uitgezonden door het elektrische netwerk van atmosferische oorsprong (bliksem) of als gevolg van werkzaamheden

• Door variaties in het elektrische veld als gevolg van bliksem

• Vanaf het elektriciteitsnet, als de bliksem midden- of laagspanningsgeleiders treft

• Vanaf de aarde, als de bliksem dichtbij de omvormer van de PV inslaat

• Vanaf de DC-zijde, als bliksem inslaat op de PV-modules

Schade aan belangrijke componenten

Als een PV-installatie op zonne-energie een overspanning ervaart en niet is beveiligd met bliksem- of overspanningsafleiders, kan deze schade aan de apparatuur oplopen, variërend van blikseminslaggaten in de panelen tot degradatie van modules en omvormers, of secundaire systemen zoals bewakingsapparatuur en trackerbedieningen.

Specifieke componenten met de hoogste faalkans zijn onder meer de combinerbox en MPPT (maximum power point tracker device). Sommige zonne-PV-systemen zijn mogelijk bestand tegen fysieke schade of circuitschade aan hun panelen. Hun circuitcontroles en energieopslagapparaten zullen echter onmiddellijk onbruikbaar zijn na een blikseminslag.

Verborgen langetermijneffecten

Zelfs als er aanvankelijk geen stroomuitval is, kan de installatie nog steeds last hebben van secundaire gevolgen van schade aan de apparatuur. Deze kunnen de hoeveelheid stroom die het systeem kan genereren verminderen. Deze effecten worden soms ten onrechte toegeschreven aan apparatuurstoringen of fabricagefouten als het niet onmiddellijk duidelijk is dat ze door een stroomstoot zijn veroorzaakt.

Als een PV-module beschadigd raakt, leidt dit tot verlies van uitgangsvermogen van een string. Schade aan een omvormer kan de output van een groot deel van de installatie onderbreken of beperken.

Het belang van een juiste SPD-plaatsing

Er moet een overspanningsbeveiligingsnetwerk worden geïnstalleerd in het DC- en AC-stroomdistributienetwerk van een zonne-energiesysteem om kritische circuits te beschermen. Het totale aantal SPD's dat nodig is in een zonne-PV-systeem varieert afhankelijk van de afstand tussen panelen en omvormer.

Algemene installatierichtlijnen zijn onder meer:

• In AC-lijnen moet overspanningsbeveiliging worden aangebracht op elke stroomgeleider naar de aarde.

• Als de kabellengte tussen de zonnepanelen minder dan 10 meter is, moet er één SPD worden geïnstalleerd bij de omvormer, combinerboxen of dichter bij de zonnepanelen.

• Bij installaties met DC-bekabeling van meer dan 10 meter zijn er meer overspanningsbeveiligers nodig aan zowel het omvormer- als het zonnepanelenuiteinde van de kabels.

• In een zonne-energiesysteem voor woningen met micro-omvormers met korte DC-kabels maar langere AC-kabels moeten SPD's worden geïnstalleerd op de combinerbox om het huis te beschermen tegen transiënte spanningspieken.

SPD's moeten op omvormers worden geïnstalleerd om de DC-ingangen en AC-uitgangen te beschermen, met aarding op zowel de positieve als de negatieve DC-lijnen. Combineer- en regelcircuits, evenals monitoring- en volgsystemen, moeten worden beschermd om interferentie met elektriciteitsstromen en verlies van gegevens te voorkomen.

4. Samenvatting

Elke zonne-energie-installatie moet een zonne-overspanningsafleider bevatten. Zonnesystemen worden blootgesteld aan elektrische spanningen als gevolg van blikseminslagen, netschommelingen en interne storingen.

Een piekgebeurtenis kan omvormers, panelen, combinerboxen, bewakingsapparatuur en energieopslagapparaten beschadigen. Schade kan resulteren in kosten voor vervanging van apparatuur, systeemuitval, verminderde energieproductie en gederfde inkomsten.

Zelfs als er geen directe schade zichtbaar is, kunnen spanningspieken verborgen degradatie veroorzaken, waardoor het vermogen in de loop van de tijd afneemt. Deze effecten worden vaak verward met fabricagefouten.

Overspanningsbeveiliging tegen zonne-energie is geen optie, maar een noodzaak. Het installeren van SPD's aan zowel de gelijkstroom- als de wisselstroomzijde van het systeem, met de juiste aarding, helpt kritische apparatuur te beschermen en een betrouwbare energieproductie te behouden.

Overspanningsbeveiliging is een noodzakelijk onderdeel van elke elektrische installatie, maar vervangt geen goede bliksembeveiligingsoplossing. Een compleet bliksembeveiligingssysteem dat luchtterminals, neerwaartse geleiders, overspanningsbeveiligingen, potentiaalvereffening en een aardingssysteem omvat, is de eerste verdedigingslinie tegen een directe blikseminslag.

YRO streeft ernaar betrouwbare overspanningsbeveiligingsapparatuur voor fotovoltaïsche installaties te leveren. Raadpleeg voor optimale bescherming altijd de plaatselijke regelgeving, raadpleeg de specificaties van de fabrikant en werk met gecertificeerde componenten.

Door de juiste overspanningsbeveiliging te kiezen, stelt u uw investering in zonne-energie veilig. Het voorkomt kostbare schade en zorgt voor een betrouwbare energieproductie op de lange termijn.