Zgodnie z raportem Agencji Rynku Energii, na koniec czerwca 2021 r. łączna moc zainstalowana wszystkich źródeł wytwórczych w Polsce wyniosła 52 737,7 MW. Blisko 40% pochodziło z OZE. W tym zakresie prym wiodą fotowoltaika oraz energetyka wiatrowa.

Obecnie planowanych, budowanych i oddawanych do użytku jest kilkanaście farm fotowoltaicznych o mocach rzędu kilkudziesięciu MW każda. Największe zagrożenia związane z ich eksploatacją wynikają przede wszystkim z faktu, że instalacje te w ciągu dnia są pod napięciem prądu stałego, którego wartości mogą przekraczać 1000 V.

Odnotowane przypadki pożarów instalacji zamontowanych na dachach budynków magazynu w Delanco (USA, 2013 r.), czy w warsztacie samochodowym w Norderney (Niemcy, 2013 r.), gdzie szkody wyniosły miliony Euro oraz dynamiczny rozwój branży OZE stawiają przed rynkiem ubezpieczeniowym konieczność opracowania systemu oceny zagrożeń oraz kwalifikacji jakości stosowanych zabezpieczeń, odnoszących się do systemów fotowoltaicznych.

Budowa i zasada działania instalacji fotowoltaicznej

Głównymi elementami instalacji fotowoltaicznej są moduły fotowoltaiczne oraz falowniki (tzw. invertery). Moduł zbudowany z szeregowo połączonych ogniw fotowoltaicznych zamienia energię promieniowania słonecznego na prąd i napięcie stałe. Ważnymi elementami systemu fotowoltaicznego jest okablowanie prądu stałego i przemiennego oraz licznik energii wytworzonej i pobranej.

Po zmianie energii słonecznej na prąd i napięcie stałe, urządzenie zwane falownikiem przekształca ją w energię prądu i napięcia przemiennego. Falownik jest jednak „wąskim gardłem” całej instalacji – bez niego wyprodukowana energia staje się praktycznie bezużyteczna. Prądem stałym nie można zasilać ani sieci publicznej, ani powszechnie stosowanych urządzeń elektrycznych.

Zagrożenia

Narażenie systemu fotowoltaicznego na działanie czynników pogodowych ma wpływ na degradację techniczną elementów instalacji. W szczególności dotyczy to przewodów elektrycznych.

Instalacja systemów na dachach budynków stanowi dodatkowy element ryzyka – ich pożar może doprowadzić do zniszczenia całych budynków wraz ze zgromadzonym w nich majątkiem.

Jedną z bardziej rzetelnych i powszechnie dostępnych analiz bezpieczeństwa pożarowego instalacji fotowoltaicznych przeprowadził TÜV Rheinland Energy GmbH we współpracy z Instytutem Fraunhofera. Analiza 213 zdarzeń, w których przyczyną pożaru była instalacja fotowoltaiczna, wykazała, że aż w 67 przypadkach (ponad 30% wszystkich zdarzeń) uszkodzone zostały obiekty, a 12 (ok. 6%) budynków zostało całkowicie zniszczonych wskutek pożaru.

Poniższy wykres przedstawia miejsca powstania awarii w systemach fotowoltaicznych. Wskazuje większą liczbę szkód w częściach instalacji prądu stałego - DC , niż po stronie AC - prądu zmiennego

Łuk elektryczny

System fotowoltaiczny jest zagrożony pożarem szczególnie w przypadku wystąpienia łuku elektrycznego. W uproszczeniu, łuk to energia elektryczna „przepływająca” w powietrzu. Jego występowanie wyzwala znaczne ilości energii przy temperaturach rzędu kilku tysięcy stopni Celsjusza. Energia topi miedź, szkło, tworzywa sztuczne i aluminium, by w konsekwencji doprowadzić do zapalenia sąsiednich materiałów. Przyczyną powstania łuku może być m.in. uszkodzenie izolacji przewodu DC lub zwiększona oporność na styku złącza.

Łączenie szeregowe modułów fotowoltaicznych prowadzi do powstania napięcia DC rzędu kilkuset woltów (jest ono zależne od liczby i rodzaju modułów). Cechą obwodu prądu stałego jest występowanie ciągłego napięcia (w przeciwieństwie do prądu przemiennego, w którym napięcie zmienia się, przechodząc przez 0 woltów 100 razy na sekundę). Dzięki temu łuk elektryczny jest podtrzymywany tak długo, jak płynie w instalacji prąd stały o odpowiednio wysokim napięciu.

Istnieją jednak i stosowane są technologie wykrywania i wygaszania łuku elektrycznego w obwodach prądu stałego.

Kolejne współistniejące zagrożenie to zdolność paneli do wytwarzania energii elektrycznej przy niskim natężeniu promieniowania słonecznego. Wyłączenie falownika nie zminimalizuje ryzyka wystąpienia łuku elektrycznego. „Wygaszenie” łuku możliwe jest w przypadku obniżenia napięcia prądu stałego do tzw. bezpiecznego, poniżej 80 V, np. przez zastosowanie mikrofalowników lub optymalizatorów mocy. Technologia obniżającą napięcie prądu stałego do 1 V realizowana jest przez optymalizatory mocy, które wykrywają i „wygaszają” łuk elektryczny, sprowadzając napięcie do bezpiecznego.

Nie ma róży bez kolców. Zaawansowany system fotowoltaiczny oznacza więcej połączeń kablowych oraz liczby szybkozłączy w instalacji, co teoretycznie powoduje wzrost liczby punktów potencjalnie. zagrożonych powstaniem łuku.

Łuk elektryczny w instalacji DC może występować na połączeniach przewodów lub wskutek uszkodzenia ich ciągłości lub izolacji.

Przyczynami powstawania łuku są m.in.:

• luźne połączenia wynikające z niedokładnej instalacji lub będące skutkiem złej jakości złącz,
• uszkodzenia izolacji spowodowane promieniowaniem UV, starzenie się materiału izolacyjnego,3. uszkodzenia spowodowane przez gryzonie, ptaki.

Zabezpieczenia

Jest kilka sposobów na to, by zapobiec powstaniu łuku. Jednym z nich jest stosowanie na przewodach prądu stałego szybkozłączy tego samego typu i producenta. Bardzo istotne jest również wykonywanie połączeń DC wyłącznie przeznaczonymi do tego narzędziami.

Do dobrych praktyk technicznych wynikających z bezpieczeństwa pożarowego instalacji PV należą między innymi:

• identyfikacja konstrukcji budynku – palna lub niepalna. W przypadku konstrukcji palnej maksymalne zabezpieczenie systemu przed możliwością wystąpienia łuku elektrycznego;
• odpowiednie rozmieszczenie modułów fotowoltaicznych w odniesieniu do ścian przeciwpożarowych i świetlików, klap dymowych. Ważne jest zachowanie bezpiecznej odległości modułów od palnego pokrycia dachu;
• stosowanie właściwych kabli po stronie DC – podwójna izolacja i odporność na promieniowanie UV;
• trwałe mocowanie kabli do ramki modułu lub konstrukcji wsporczej;
• montaż falownika na podłożu z materiału niepalnego;
• zapewnienie właściwej wentylacji pomieszczenia z falownikiem;
• brak materiałów palnych w pomieszczeniu falownika;
• zabezpieczenie instalacji PV przed skutkami wyładowań łącznie ze stosowaniem odpowiednich zabezpieczeń przeciwprzepięciowych;
• stosowanie po stronie DC i AC zabezpieczeń przetężeniowych i zwarciowych;
• możliwe stosowanie urządzeń obniżających napięcie prądu stałego na poziomie modułu;
• przeprowadzanie czynności konserwacyjnych zgodnie z wymaganiami dostawcy urządzeń oraz zasadami dobrej praktyki techniczne

Brak emisji gazów cieplarnianych podczas wytwarzania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego oznacza, że będą one cały czas się rozwijać. Według The Global Risks Report 2020 jednostkowy koszt energii elektrycznej wyprodukowanej przez farmy fotowoltaiczne spadł w ostatnich 10 latach o ok. 90%. Wraz z budową nowych instalacji i rozwojem technologii w branży wzrastać będą zagrożenia związane z ich użytkowaniem. Odpowiednia identyfikacja zagrożeń oraz wdrożenie właściwych działań serwisowych to zadania na najbliższą przyszłość.