Problematika proudového zatížení vodičů u fotovoltaických elektráren

Článek se zabývá výkonovým zatížením vodičů propojujících fotovoltaické panely a trafostanici. Proudové zatížení těchto kabelů jak na straně DC, tak za střídači na straně AC, se v průběhu roku i v průběhu dne mění a je závislé na intenzitě oslunění v dané lokalitě. V článku budou modelově napočítány možné intenzity oslunění v závislosti na měsíci a průběhu typického dne v daném měsíci. Zatížení bude implementováno na nesprávnou dimenzi použitého vodiče a budou popsány možné důsledky takto přetěžovaných vodičů.

V posledních letech došlo k velké výstavbě fotovoltaických elektráren. Vodiče dimenzované v těchto aplikacích jsou vystaveny velkému rozsahu přenášeného výkonu a mnohdy i velkému zatížení. Nerovnoměrnost je dána slunečním zářením, které se mění s denní hodinou, roční dobou a velký vliv mají i další skutečnosti jako oblačnost, znečištění atmosféry a podobně. Tyto údaje se získávají při začátku projekčních prací z informačních systémů a vychází se z průměrných hodnot v lokalitě, kde je zamýšlena výstavba. Příklad získání takových údajů je uveden na obr. 1.

Tyto získané hodnoty mohou být nepřesné a v reálné aplikaci může vodičem protékat výrazně větší proud, než je vypočítán při projekčních pracích z těchto hodnot.

Návrh a důsledky dimenzování vodičů
Modelově lze pro výpočet úbytku napětí po­užít metodiku uvedenou v normě ČSN 33 2130:

  (V)

kde    ∆U    je    úbytek napětí (V),
    L    –    jednoduchá délka vedení (m),
    P    –    přenášený výkon (W),
    g    –    konduktivita – měrná vodivost (Sm/mm2),
    S    –    průřezy vodičů (mm2),
    Us    –    sdružené napětí trojfázové soustavy (V).

Uvažovaná konduktivita:
pro vodiče s jádry z Al = 34,7947    (Sm/mm²),
pro vodiče s jádry z Cu = 56,0533    (Sm/mm²).

Nebo lze využít různých výpočetních programů a správně stanovit dimenzi vodičů s povoleným celkovým úbytkem napětí 2 % podle výše uvedené normy. Celkový úbytek napětí v sobě zahrnuje spoje, svorkovnice jištění a další součásti vedení včetně samotného úbytku na vodiči. Pokud tento úbytek nesprávně spočítáme nebo nevhodně stanovíme okrajové podmínky fotovoltaických panelů, může nastat v extrémních případech i poškození těchto vodičů.

Graf 1 znázorňuje průběh globální radiace G na vodorovnou plochu (W/m²) pro typický den v daném měsíci. Zde je vidět značný rozdíl v přenášeném výkonu. Tato globální radiace je průměrná a může se lišit od celkové radiace v řádu desítek procent. Tab. 1 pak uvádí globální radiaci G, difuzní radiaci Gd a celkovou radiaci Gc.

Z uvedených údajů je vidět, že přenášený výkon se vlivem zastínění oblačností může změnit až o 50 %. Pokud tedy nadimenzujeme vodič pouze podle globální radiace, bude zřejmě poddimenzovaný a v extrémních dnech při jasné obloze bude přetížený.

Graf 1  Výkon – leden až prosinec

Graf 2  Modelový příklad přenášeného výkonu v typickém dni daného měsíce

Graf 2 znázorňuje typické dny v daném měsíci a jsou z něj patrné změny přenášeného výkonu. Každý měsíc je tedy vodič zatížen jinak. V zimních měsících je i přes záporný teplotní koeficient zatížení výrazně menší než v měsících letních, kdy je slunce ve vyšší poloze a sluneční záření dopadá na panely kolměji.
Důsledky poddimenzovaných vodičů bývají vážné, v extrémních případech může dojít vznikem nadproudu a následným oteplením i k degradaci a postupnému vyhoření svorkovnic. Pro tyto případy se doporučuje věnovat zvýšenou pozornost výpočtu oteplení vnitřního prostoru rozvaděčových skříní s přechodovými svorkovnicemi a přístroji jak na straně DC, tak na straně AC v systémech přenosu energie na fotovoltaických elektrárnách.

Příklad vidíme na obr. 2.

Pokud poddimenzování není velké, nemusí dojít až k vyhoření, ale zvýší se úbytek napětí nad povolenou mez (2 %), a tím pádem i ztrátový výkon. To vede k poklesu množství vykupované energie a následně finančního výnosu. Tyto ztráty při nominálních výkonech fotovoltaických elektráren v MW mohou jít ročně do statisíců. Pokud je vodič dlouhodobě přetěžován, výrazně se snižuje jeho životnost a zvyšuje se budoucí riziko porušení izolace. Vzhledem k předpokládané životnosti elektráren 25 let může mít toto snížení životnosti zásadní negativní vliv na ekonomickou výnosnost, jejíž snížení je nepřijatelné z pohledu investora.

Závěr
Stanovení dimenze vodiče a jeho správné jištění u fotovoltaických elektráren je jednou ze základních podmínek pro správnou a bezpečnou funkci zařízení. Pokud se provede nesprávně, výrazně se sníží životnost zařízení, dochází ke ztrátám na zisku a v extrémních případech může dojít k zahoření elektroinstalace. Vzhledem k tomu, že životnost elektráren se uvažuje přibližně 25 let, je vhodné dimenzovat vodiče na maximální zatížení. I když toto zatížení může nastat jen několik málo hodin v roce, za dobu životnosti se jedná o nemalé částky. V neposlední řadě pak tímto řešením zabezpečíme dlouhodobě a spolehlivě maximální výtěžnost elektrárny a výrazně snížíme rizika poruch na těchto zdrojích.

Článek vznikl za podpory specifického výzkumu
FAST-S-11-33, identifikační číslo 22190.

Ing. Marian Formánek, Ph.D.
Obrázky: autor

Autor působí na Fakultě stavební VUT v Brně, v Ústavu TZB.

Recenzoval: Ing. Milan Hošek, autoriz. inženýr oboru elektro, za společnost Activhouse cz, s. r. o.

Literatura:
Pavelek, M. – Štětina, J.: Experimentální metody v technice prostředí, skripta, VUT v Brně, nakladatelství VUTIUM, 1997.
ČSN 33 2130: Elektrické instalace nízkého napětí – Vnitřní elektrické rozvody.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.