Napelemes rendszerek és tűzvédelmi előírásaik

Kovács Ferenc 2019-05-06

Jelen cikk megírására az sarkallt, hogy az utóbbi időben egyre több olyan hirdetéssel találkoztam, amelyben napelemes rendszer kiépítését kínálják; majd felhívott egy barátom, hogy a családi házára ilyen rendszert telepített, ellenben a kivitelezés során akadtak gondok. A fentiek indokolták tehát, hogy ebben a hónapban áttekintsem a napelemes rendszerek működését, illetve a hozzá tartozó, vonatkozó tűzvédelmi szabályokat.

 

Napelemek működése[1]

A napelem cella két különböző, összekapcsolt félvezető anyagot tartalmaz. A félvezetők anyaga szilíciumból készül, mivel ennek az elméleti stabilitása korlátlan ideig megmarad. Az egyik félvezető pozitív, míg a másik negatív típusú szennyezést kap. A negatív szennyezést foszforral érik el, míg a pozitív szennyezés bórral történik. A negatív szennyezési eljárás lényege, hogy az anyag a rácskötésekben nem résztvevő szabad elektronokkal fog rendelkezni, negatív félvezetővé válik. A bórral szennyezett szilícium esetén elektronhiány képződik, ezért lesz a szilícium pozitív félvezető. A két ellentétes szennyezésű réteg összeillesztésénél az elektronhiányt a másik fél elektrontöbblete semlegesíti, eközben feszültség jön létre.

A napelemre eső napfény fotonokból áll, melyek energiával rendelkeznek. A napsütés különböző hullámhosszúságú fénysugarakból áll, ezt megszűrik és csak a megfelelőt engedik át, amely a pozitív és a negatív tartomány közötti zónában nyelődik el. Az itt elnyelődő fotonok energiájukat átadják az anyagban az elektronoknak, ezek szabaddá válnak és a vándorlásuk hatására vezetik az áramot. Az útnak induló elektronok helyén az anyagrácsban „lyukak” keletkeznek, ezek képesek elmozdulni. Amikor a fotonok gerjesztik az elektronokat azok a negatív, míg a „lyukak” a pozitív oldal felé áramolnak. Így jön létre az elektromos tér és az ebből adódó feszültség. A napelemhez kapcsolt külső áramkör esetén a mozgó elektronok a félvezetőn keresztül a cella tetején lévő csatlakozó felé áramolnak, míg a lyukak az ellentétes irányba, a cella alján lévő másik csatlakozó felé, itt feltöltődnek elektronokkal a külső áramkör másik oldaláról (a cella tetejéről). Ezt a feszültséget a belső elektromos mező termeli.

  1. kép – Napelem működési sémája[2]

A napelemből érkező elektronokat vezetéken keresztül juttatják el az inverterhez, amely a megtermelt egyenáramot váltóárammá alakítja. A hasznosítás módja kétféleképp lehetséges:

  • Sziget üzemű rendszer: a megtermelt energia tárolása akkumulátorokban történik, ezzel nem az áramszolgáltató hálózatot látják el. Az egyes fogyasztók 12/24V egyenárammal látják el és inverter segítségével biztosítható a hálózati 230 V-os feszültség. Ez a megoldás jellemzően tanyákon hasznosítható, ahol nincs villamos ellátás.
  • Hálózatra visszatápláló rendszer: amennyiben az elektromos hálózat közművesített, azaz a háztartást rákötötték a villamos energia hálózatra, nincs szükség a megtermelt áram eltárolására. Speciális mérőóra segítségével lehetőség nyílik az áram közüzemi hálózatba visszatáplálására. Ehhez az áramszolgáltatóval kell szerződést kötni, aki beszereli ezt a típusú mérőórát, amely ettől kezdve automatikusan működik. A fel nem használt energia folyamatosan visszatáplálódik a hálózatba, így ha nem használunk elektromos áramot az „elraktározódik” a közös hálózatban, mondhatni jóváírják számunkra.

 

A napelemes rendszer felépítése[3]

A napelemes rendszerek felépítését tekintve komplexek.  Nyilván a legfontosabb része a napelem panel, ez látható a családi házak tetőfelületén, lapostetőkön vagy speciális földi tartószerkezeteken napelem erőművek esetén. A napelemes rendszerek többi részét vagy a panelek takarják, vagy fedett, zárt helyen telepítik.

Tehát a szilícium kristályos panelek alkotják a rendszer lényegét, azonban ezekhez szükséges egy olyan tartószerkezet, amelyet minden esetben a tető gerendázatára erősítenek fel. A gerendákhoz rögzített elemhez erősítik a kereszttartókat, melyre majd a napelemes rendszer paneljai csatlakoznak. A paneleket végtartók rögzítik a szerkezethez, ez egy erős és szilárd kapcsolat, ez akadályozza meg a panel elmozdulását viharban. A tartószerkezet felszerelését követően a tetővel való illesztési pontoknál vízmentes illeszkedés biztosított.

A rendszer következő fontos elemei a szolár kábelek, melyeket speciális és szigorú keretek között gyártanak. Ezek a kábelek kötik össze a napelemes paneleket az inverterrel (ami az egyenáramból csinál váltóáramot). Ezeket a kábeleket tilos másfajta kábellel helyettesíteni, mert komoly személy és vagyonbiztonsági veszélyt jelenthet. Fontos a kábelek méretezése, mivel az alulméretezett kábel tűzesetet, égési sérüléseket okozhat. Kivitelüket tekintve alkalmasak a kültéri fektetésre, de önállóan földbe nem telepíthetőek. A kábelköpeny speciális rugalmas műanyagból készül, a kábel halogénmentes, kicsi az éghetősége és lángálló kivitelű. A kábelek csatlakozása speciális csatlakozókkal történik, így ezekre külön figyelmet kell fordítani, hogy megfelelő minőségűek legyenek.

Az inverter a rendszer másik kiemelten fontos eleme, a napelemek által megtermelt áramot átalakítja háztartásban felhasználható váltóárammá. Ez jelen esetben azt jelenti, hogy a napelemekből az inverter segítségével 50 Hz-es frekvenciájú 230 V feszültségű áramot nyerhetünk. A napelemes inverterek három típusra oszthatók:

  • Hálózatra kapcsolt napelemes inverter: ezek az eszközök alkalmasak a hálózatra visszatáplálni a napelemekből kinyert energiát. Az inverter automatikusan figyeli a napelemek által leadott teljesítményt, keresve a legoptimálisabb munkapontot, így képes kinyerni a lehető legtöbb energiát. Abban az esetben, ha a napelemes rendszer többféle vagy eltérő szögbe elhelyezett panelt tartalmaz, az invertert ehhez megfelelően kell kiválasztani. Az inverterek mérik a bemeneti áramerősséget és feszültséget, sőt az ellenállást is, így nyerhetünk ki információt a rendszer működéséről, hibáiról. Az inverterek védelme a kimeneti oldalon található. Bármilyen működési rendellenesség tapasztalása esetén az inverter lekapcsol. Fontos tudni, hogy ezek a rendszerek az energiaellátás biztonságát nem képesek javítani, mivel ha az áram elmegy, maga a napelemes rendszer is leáll.
  • Szigetüzemű inverter: ezek az inverterek az akkumulátorokban eltárolt energiát alakítják át hálózati feszültséggé. Az olcsóbb szigetüzemű inverterek kimenetele nem szinuszos, hanem módosított szinusz jelt adnak, ez az induktív fogyasztókat tönkretehetik (pl.: szivattyú, sütőlap). A szigetüzemű inverterek legfontosabb védelmi rendszere a mélykisütés elleni védelem, ami a napelemes akkumulátort védi az inverter a túlzott kisülését, ami csökkenti az élettartamot vagy akár tönkre is teheti. Külön figyelemmel kell lenni így, hogy csak olyan invertert szabad venni, amely rendelkezik kimeneti rövidzárlat és túlterhelés elleni védelemmel.
  • Hibrid inverter: ezek a legfejlettebb inverterek, az előző két típus jellemzőit egyesítik. Sok eszközzel képesek kommunikálni és alkalmasak a hálózatra visszatáplálásra és az akkumulátorok kezelésére egyaránt. Az ellátásbiztonság növelésére, áramkimaradás esetén is megfelelőek, a napelemes akkumulátorokból energiát biztosítanak a rendszerre úgy, hogy a külső hálózatra nem juttatnak ki áramot. Ezek a rendszerek bővíthetők szélturbinával vagy aggregátort is köthetünk rájuk. Ezek igen drága rendszerek, telepítésük csak ott javasolt, ahol a folyamatos áramellátás elengedhetetlen.

Nagyon fontos a napelemes rendszer földelése, mivel a hálózat nem csak áramot termel, hanem növeli az elektrosztatikus feltöltődést és könnyen jöhetnek létre veszélyes kisülések a térerősség növekedése okán.

Az egyenáram felőli oldal leválaszthatósága elengedhetetlen a biztonság szempontjából, ezért az OTSZ is előírja, hogy a napelemes rendszerekbe DC oldali leválasztó kapcsolót kell helyezni. Ez a tűzoltói beavatkozások megkönnyítése érdekében szükséges.

Az elosztószekrény tartalmazza a kapcsolókészülékeket és a védelmi berendezéseket. A kivitelét tekintve víz-, pormentes, a mechanikai behatásoktól is védett, hiszen megakadályozza a feszültség alatt álló részek érintését. Az elosztó szekrény a napelemes rendszerek mindkét irányában (AC, DC) védelemmel van ellátva. Probléma esetén, automatikusan először az AC oldali, majd néhány másodperces késleltetéssel a napelemes DC oldalt tehermentesíti.

 

  1. kép – Napelemes rendszer logikai felépítése[4]

 

Napelemek az OTSZ tükrében

Tekintettel arra, hogy a napelemek széleskörű elterjedése az utóbbi néhány évre tehető, az ezzel kapcsolatos előírásokat csak az 54/2014. BM rendeletben lehet megtalálni. A jogszabályalkotó felismerte, hogy a napelemek tűzvédelmi szempontból külön kezelendők. Egyrészt helytelen kivitelezésük során akár tűzveszélyesek is lehetnek, vagy villámvédelmi szempontból aggályosak, vagy csak egy tűzeset során az épület teljes áramtalanítása körülményesebb. Az új tűzvédelmi jogszabályalkotás szemlélete a követelmények támasztása, nem pedig a konkrét műszaki megoldások előírása, így a jogszabályban a napelemekre vonatkozóan egy rövid rész található.

 

A cikket teljes terjedelmében a Tűzvédelem c. folyóirat 2019. áprilisi számában olvashatja.

 

[1] Forrás: https://nvsolar.hu/a-napelemek-mukodese/ Letöltés dátuma: 2019.03.28.

[2] Forrás: https://nvsolar.hu/a-napelemek-mukodese/ Letöltés dátuma: 2019.03.28.

[3] Forrás: https://www.napelemek-napkollektorok.hu/magazin/napenergia/a-napelemes-rendszerek-reszei/ Letöltés dátuma: 2019.03.28.

[4] Forrás: https://www.villanylap.hu/lapszamok/2016/majus/4092-telepitsunk-napelemet Letöltés dátuma: 2019.03.28.