Dispositius de protecció per a sistemes d'energia solar
Els sistemes d'energia solar (PLTS) s'utilitzen cada cop més en llars, edificis comercials, indústries i instal·lacions públiques. A més de ser una font d'energia neta i abundant, els PLTS també poden reduir les factures d'electricitat i augmentar la seguretat energètica. Tanmateix, com altres sistemes elèctrics, els PLTS s'enfronten a diversos riscos: sobretensions, sobrecorrents, curtcircuits, llamps indirectes, errors d'instal·lació i degradació dels components a causa de la calor i el medi ambient. Per tant, els dispositius de protecció són crucials per al funcionament segur, estable i durador del sistema.
Aquest article tracta els principals dispositius de protecció en sistemes d'energia solar, les seves respectives funcions i els principis de col·locació que s'apliquen habitualment.
Per què els sistemes d'energia solar necessiten protecció?
Una planta d'energia solar (PLTS) consta de diversos components: mòduls solars (FV), cables i connectors de CC, una caixa combinadora, un inversor, bateries (si és un sistema híbrid/aïllat) i un panell de distribució de CA connectat a la càrrega o a la xarxa PLN. Cada component té característiques i perills diferents. El costat de CC pot tenir tensions elevades i corrents grans que continuen fluint quan hi ha llum, de manera que la interrupció del corrent i la gestió de fallades difereixen de les del costat de CA. Mentrestant, el costat de CA està exposat a riscos comuns d'instal·lació elèctrica, com ara sobrecorrent, fallada d'aïllament i fuites de corrent.
Sense la protecció adequada, una petita pertorbació pot derivar en danys a l'inversor, curtcircuits en el cablejat, incendis o fins i tot posar en perill la seguretat dels tècnics i els ocupants de l'edifici. Una protecció adequada també simplifica el manteniment: el sistema es pot aïllar secció per secció, es pot localitzar l'avaria i els components es poden substituir de manera segura.
1) Fusibles de CC i CA
Els fusibles són els dispositius de protecció més senzills i utilitzats. La seva funció és interrompre el corrent en cas de sobrecorrent o curtcircuit. A les plantes d'energia solar (PLTS), els fusibles de CC sovint s'instal·len a cada cadena de panells (una sèrie de mòduls) abans d'entrar a la caixa combinadora o a l'inversor. Això és important perquè si una cadena experimenta una fallada, el corrent invers de les altres cadenes pot fluir a la cadena danyada i escalfar els cables o connectors.
Un fusible de CA s'instal·la al costat de sortida de l'inversor per protegir el circuit de CA de sobrecorrent. La selecció dels fusibles ha de tenir en compte el corrent nominal, la capacitat de trencament i l'adequació per a CC o CA. Els fusibles de CC no es poden substituir simplement per fusibles de CA perquè l'extinció de l'arc de CC és més difícil.
2) MCB i MCCB (interruptor de circuit)
Els MCB (interruptors automàtics en miniatura) i els MCCB (interruptors automàtics de caixa motllurada) funcionen com a protecció contra sobrecorrent i curtcircuit, i també es poden utilitzar com a interruptors manuals. Al costat de CA, els MCB s'utilitzen habitualment per a circuits de càrrega i línies de distribució. Al costat de CC, hi ha MCB de CC especials dissenyats per a tensions de CC i característiques d'arc.
L'avantatge dels interruptors automàtics respecte als fusibles és que es poden reiniciar després d'un salt (sempre que s'hagi resolt la causa de l'avaria). Tanmateix, les instal·lacions solars fotovoltaiques sovint combinen fusibles i interruptors automàtics segons els requisits de disseny, els valors nominals de corrent i la configuració de la cadena.
3) SPD (Dispositiu de protecció contra sobretensions) o para-tensions
Els SPD protegeixen els equips de sobretensions transitòries causades per llamps indirectes, commutació de grans càrregues o pertorbacions de la xarxa. Les sobretensions poden danyar els inversors, els MPPT, els sistemes de monitorització i els dispositius de comunicació. A les plantes d'energia solar (PLTS), els SPD s'instal·len normalment a:
– Costat de CC: a prop de la caixa combinadora o de l'entrada de l'inversor (SPD CC).
– Costat de CA: al panell de distribució de sortida de l'inversor (SPD CA).
– Via de comunicació: ethernet/RS485 si hi ha equips de monitorització vulnerables.
La selecció de l'SPD té en compte la classe (Tipus 1/Tipus 2), la tensió del sistema i la capacitat de sobrecorrent. Per a llocs amb un alt risc de llamps o edificis amb sistemes de protecció contra llamps, la coordinació entre l'SPD i el sistema de posada a terra és crucial.
4) RCD/ELCB/RCCB (Protecció contra fuites de corrent)
Un RCD (dispositiu de corrent residual) o ELCB/RCCB detecta fuites de corrent a terra, que poden causar descàrrega elèctrica o incendi. En els sistemes de corrent altern, els RCD s'utilitzen habitualment per protegir els humans del contacte indirecte. En les plantes d'energia solar, la seva aplicació requereix tenir en compte el tipus d'inversor (sense transformador o sense transformador) i la possibilitat de components de fuita de corrent continu que podrien afectar el rendiment del RCD.
En alguns sistemes, s'utilitza un tipus específic de disjuntor diferencial (per exemple, tipus A o tipus B) d'acord amb les recomanacions del fabricant de l'inversor i els estàndards d'instal·lació. Això garanteix que el disjuntor diferencial no es dispari falsament, però que segueixi sent eficaç en cas de fuita de corrent perillosa.
5) Aïllador de CC (interruptor de desconnexió de CC)
Un aïllador de CC és un interruptor que permet als tècnics desconnectar de manera segura la connexió entre els panells solars i l'inversor. Això és crucial durant el manteniment de l'inversor, la substitució de components o les inspeccions. Com que el costat fotovoltaic continuarà generant electricitat quan s'exposa a la llum, una desconnexió segura i clarament etiquetada evita el risc de descàrrega elèctrica i arcs de CC.
Els aïlladors de CC han de tenir les classificacions de voltatge i corrent adequades i estar dissenyats específicament perquè la CC extingeixi l'arc. Normalment es troben a prop de l'inversor i, en alguns dissenys, també es troben a la caixa combinadora.
6) Protecció de la bateria: BMS, fusibles i interruptors automàtics
En sistemes alimentats per bateries (fora de la xarxa o híbrids), la protecció de les bateries és crucial perquè les bateries emmagatzemen grans quantitats d'energia i poden alliberar corrents molt elevats durant els curtcircuits. Els dispositius de protecció habituals inclouen:
– BMS (Sistema de gestió de bateries): controla el voltatge de cada cel·la, la temperatura, el corrent de càrrega/descàrrega i es desconnecta si els paràmetres superen els límits de seguretat.
– Fusible o interruptor automàtic de CC a la línia de la bateria: protegeix els cables i els equips dels corrents de curtcircuit.
– Contactor o relé: permet la desconnexió automàtica en condicions anormals.
Aquesta protecció ajuda a prevenir el sobreescalfament, el dany a les cel·les i el risc de fuga tèrmica en certs tipus de bateries.
7) Connexió a terra (Grounding/Earthing) i connexió d'enllaços
La connexió a terra no consisteix només a "connectar un cable a terra", sinó a ser un sistema dissenyat per canalitzar de manera segura els corrents de fallada i les sobretensions, reduir les tensions de contacte i augmentar l'eficàcia dels SPD i la protecció contra corrents de fuga. En les plantes d'energia solar, la connexió a terra inclou:
– Posada a terra del marc del mòdul i de l'estructura de muntatge
– Posada a terra de l'inversor i del quadre elèctric
– Unió entre peces metàl·liques per evitar diferències de potencial
El disseny de la connexió a terra està influenciat pel tipus de sistema (connectat a la xarxa, híbrid), el tipus d'inversor i els estàndards locals. Una connexió a terra deficient pot fer que l'SPD sigui ineficaç i augmentar el risc de danys durant les sobretensions.
8) Protecció tèrmica i gestió de cables
A més dels dispositius elèctrics, els factors mecànics i tèrmics també tenen un paper important. Els cables de CC exposats al sol, els connectors solts o un cablejat mal instal·lat poden provocar punts calents, degradació de l'aïllament i incendis. Per tant, algunes mesures de protecció importants inclouen:
– Selecció de cables fotovoltaics amb aïllament resistent als raigs UV i a les altes temperatures
– Ús de protectors de conductes o cables en zones vulnerables
– Col·loqueu els cables de manera que no quedin pinçats, no s'enganxin a vores afilades i tinguin un sistema d'alleujament de la tensió.
– Comproveu que el connector MC4 (o similar) sigui compatible i que estigui instal·lat segons el parell de torsió.
Tot i que pot semblar senzill, aquesta pràctica sovint és la clau per a la seguretat a llarg termini.
Principis de bona col·locació de protecció
En general, la protecció es col·loca el més a prop possible de la font potencial de l'avaria o de la font d'energia: fusibles de cadena a prop del combinador, SPD a prop de l'inversor/panell, interruptors de bateria a prop de la bateria i aïllants en punts fàcilment accessibles en cas d'emergència. A més, la coordinació entre dispositius és crucial: els valors nominals del MCB, els fusibles i els cables han d'estar alineats de manera que el dispositiu més proper a l'avaria es dispari, en lloc d'apagar tot el sistema.
La documentació també forma part de la protecció: les etiquetes, els diagrames unilineals i els procediments d'aturada d'emergència ajuden els tècnics i els usuaris a actuar de manera ràpida i segura.
Tancament
L'equip de protecció per a un sistema d'energia solar és una inversió que determina la seguretat, la fiabilitat i la vida útil de l'equip. Els fusibles, els MCB/MCCB, els SPD, els RCD, els aïllants de CC, la protecció de la bateria mitjançant un BMS i una connexió a terra adequada són elements clau que s'han de planificar des del principi del disseny. Amb una protecció adequada i una instal·lació estàndard, un sistema d'energia solar no només produirà energia neta, sinó que també funcionarà de manera segura i amb una interrupció mínima a llarg termini.
Si voleu, puc adaptar aquest article a una versió més tècnica (amb exemples d'esquemes de protecció i recomanacions generals de qualificació) o a una versió més senzilla per al lector no expert.
