در این مطلب قصد داریم به نکاتی پیرامون ایمنی و حفاظت سیستم های فتوولتائیک یا سولار بپردازیم. معمولاً یکی از مهم ترین نکاتی که با آن مواجه می شویم این است که خطرناک بودن برق خورشیدی دست کم گرفته شده و یا اصولاً به فراموشی سپرده می شود.

سیستم‌های فتوولتائیک معمولاً در نزدیکـی و در معـرض دیـد مصـرف کننـده قـرار دارنـد، به گونـه‌ای کـه بـرای یـک مصرف کننده‌ی عادی میتواند خطر ساز باشد. به همین دلیـل در سیسـتم هـای فتوولتائیـک متصـل بـه شـبکه، ایمنـی مصرف کننده از دیدگاه اتصالات الکتریکی باید با توجه بـه اسـتاندارد‌ها رعایـت شـود.

به خاطر داشته باشید که در انجام پروژه های خورشیدی با برق سر و کار داریم و با وجودی که ممکن است ولتاژ قسمت هایی از سیستم پایین و اندک باشند، بعید نیست که در برخی از قسمت های مدار، جریانات قوی و بالایی جاری باشند.
علاوه بر این نباید فراموش کرد که اتصال سری چند پنل خورشیدی با باتری به هم، موجب ایجاد ولتاژهای بالایی می گردد. به این لحاظ حتماً باید در تمامی مراحل طراحی جزئیات و همچنین نصب و اجرای پروژه، مسئله ی ایمنی را هم مدنظر داشت.

در رابطه با انرژی خورشیدی، با چند عامل خطرساز مختلف روبه رو هستیم؛ برق DC خارج شده از سلول خورشیدی، جریانات بسیار قوی باتری ها، برق متناوب (در صورت استفاده از اینورتر) و بالاخره، وجود دماهای بالا در محل پنل های خورشیدی.

هر کدام از موارد اشاره شده، با خطرات خاص خودشان همراهند؛ چه به صورت مجزا و جدا و چه به شکل ترکیب شده و متصل به هم. بنابراین بهتر است با شناسایی آن ها، تا حد ممکن به گونه ای عمل کنیم و پروژه را به صورتی ترتیب دهیم که این گونه مخاطرات را از بین ببریم.

چنانچه شبکه توزیع قطع گردد و سیستم فتوولتائیک بدون حضور شبکه به تغذیه بار‌های موجود در شبکه ادامه دهد، گفته میشود سیستم به صورت جزیره‌ای عمل میکند.کارکرد جزیره‌ای امری نامطلوب است و مبدل الکترونیـک قـدرت سیستم فتوولتائیک متصل به شبکه مجاز به عملکرد به صورت جزیره‌ای نمیباشد.

به طور کلی حفاظت‌های متداول در این زمینه به دو دسته حفاظت‌های غیرفعال و فعال تقسیم می شوند:
حفاظت‌های غیرفعال پارامتر‌هایی از شبکه را نظیر ولتاژ و فرکانس بررسی می نمایند. در اکثر موارد کنترل ولتاژ و فرکانس شبکه بـرای تشخیص جزیره کافی می باشد. اما مثال‌هایی بررسی شده است که این دو حفاظت موفـق بـه تشـخیص کـارکرد جزیـره‌ای نشده اند. برای پرهیز از چنین مواردی حفاظت‌های فعال پیشنهاد می شوند.
حفاظت‌های فعال با اعمال تغییرات یا اغتشاشاتی به شبکه، با بررسی پاسخ حاصله سعی در تشخیص عملکرد جزیره‌ای دارند. ممکـن اسـت انجـام ایـن عمـل توسط مدار قدرت صورت نگیرد و مدار حفاظتی بین سیستم فتوولتاییک و شبکه وظیفـه تشـخیص عملکـرد جزیـره‌ای و تصمیم به توقف تولید توان سیستم را به عهده داشته باشد.

راهکارهای حفاظت و ایمنی سیستم خورشیدی

۱-استفاده از سیستم ارت یا زمین در سیستم فتوولتائیک:

 از راهکارهای حفاظت و ایمنی سیستم خورشیدی، اجرای سیستم ارت یا زمین است. زمین کردن از مهم ترین عوامل مؤثر بر عملکرد ایمن در سیستم های فتوولتائیک است. اگر ولتاژ مستقیم سیستم از 50 ولت بیشتر بود، یکی از هادی ها باید حتماً زمین شود. سیستم زمین شامل الکترود زمین و چاه ارت است. زمین کردن سیستم فتوولتائیک به منظور اطمینان از این است که تحت هیچ شرایطی القای ولتاژ بین دو نقطه هادی بدون عایق به وجود نمی آید.

به استثنای سیستم های بسیار کوچک مثل تأمین روشنایی یک اتاقک یا انباری، در بقیۀ موارد، سیستم های برق خورشیدی را حتماً باید به تجهیزات حفاظتی زمین (ارت) مجهز نمود. برای این کار باید از طول معینی از لوله، مفتول، تسمه و یا سطح مشخصی از یک فلز که بیشتر مس و فولاد بوده و الکترود زمین نامیده می شود استفاده کرده و آن را در عمقی  مطابق با قوانین، در زمین چال کرد.

به ادامۀ قسمت فلزی دفن شده یک رشته سیم نسبتاً قطور با مقاومت کم متصل می گردد که به ترمینال منفی سیستم یا به عبارتی همان شینه اتصال زمین متصل می شود. در این صورت، به محض بروز اتصال بدنه (برخورد سیم فاز به قسمت های فلزی وسایل برقی)، جریان برق، مسیر کم مقاومت تر را برگزیده و به جای عبور از بدن کاربر، از طریق سیم ارت راهی زمین می شود. در همین جا باید اشاره کرد که وجود خط زمین، خطر برق گرفتگی را به طور صد در صد منتفی نمی سازد ولی در اکثر موارد، میزان آن را به مقدار زیادی کاهش می دهد.

اتصال دادن خط منفی سیستم به زمین، از ذخیره شدن الکتریسیتۀ ساکن هم ممانعت به عمل آورده و در صورت آسیب دیدن مدارهای موجود، از تماس بدن کاربر با ولتاژهای بالا، پرهیز می شود.

در هنگام اتصال خروجی سلول خورشیدی به سیم کشی ساختمان باید ترتیبی اتخاذ کنید که بدنۀ سلول خورشیدی هم به خط زمین متصل گردد.

با وجودی که در مورد سیستم های با توان نه چندان بالا، اجرا کردن خط زمین یک انتخاب و گزینۀ دلخواه و اختیاری تلقی می شود ولی نباید فراموش کرد که رعایت و اجرای آن در مورد سیستم های با توان های بیش از ۲۰۰ وات، یک مورد الزامی و اجباری است.

با توجه به آنکه مجموعۀ باتری های در نظر گرفته شده هم قادر به ایجاد جریانات بسیار بالایی هستند، بهتر است آن ها را هم به خط ارت مرتبط نمود.

در صورتی که سیستم موردنظر به گونه ای است که هدف، استفاده از هر دو نوع جریانات AC و DC است، در موقع طراحی و اجرای خط زمین، حتما برای هر کدام، از یک خط زمین مجزا استفاده نمایید.

۲- حفاظت خطای زمین برای کنترل کننده خورشیدی:

بسیاری از کنترل کننده های خورشیدی به یک سیستم حفاظت خطای زمین مجهزند. افت جریان الکتریکی یا اتصال سیم حامل جریان به بدنه، خطای زمین نامیده شده و اختصاراً با GF نشان داده می شود.

در صورتی که سیستم به هر دلیلی دچار مشکل شده و در سلول خورشیدی یک حالت اتصال کوتاه پدید آید، برای حفاظت از سیستم خورشیدی یک قسمت مجزا به نام RCD یا «کلید جریان باقیمانده»، جریان الکتریکی جاری بین آرایه های خورشیدی و کنترل کننده را قطع کرده و از آسیب رسیدن به هر کدام از آن ها ممانعت به عمل می آورد.

در همۀ پنل های خورشیدی بالای ۱۰۰ وات و کلیدی سیستم های نصب شده در ساختمان ها باید از کنترل کننده هایی سود جست که شامل این تجهیزات باشند. در صورتی که کنترل کنندۀ به کار رفته در  موارد فوق الذكر، فاقد RCD یا GFI است، با صرف یک هزینۀ مختصر باید از نمونه های مجزای این تجهیزات استفاده کرده و آنها را به سیستم اصلی اضافه نمود.

۳-خطر جریان DC در سیستم فتوولتائیک و جلوگیری از آن:

در سیستم های خورشیدی متصل به شبکه، برای تأمین ولتاژهای DC بالا، چندین پنل را به صورت سری به هم وصل می کنند. با وجودی که با بالا رفتن ولتاژ سیستم، بازدهی آن بهبود می یابد ولی نباید از خاطر دور کرد که با این کار، مراحل نصب و عملیات تعمیر و نگهداری بعدی نیز با خطرات بالقوه ای همراه می گردند.

بزرگترین خطر جریان  DC، ایجاد برق گرفتگی برای خود شخص یا اطرافیان او و یا فراهم آوردن مدار اتصال کوتاهی است که می تواند باعث بروز آتش سوزی گردد. به خاطر داشته باشید که پنل های خورشیدی به صورت پیوسته، برق تولید می کنند. این ادوات حتی در شب که میزان نور محیط بسیار کم است نیز جریان مختصری را به ترمینال های خروجی خود هدایت کرده و از کار انداختن و خاموش کردن آن ها به سادگی میسر نیست.

از این لحاظ به منظور ایمنی و حفاظت سیستم خورشیدی نیاز شدیدی به کلیدهای قطع و وصل قوی دستی (که کلیدهای جداساز هم نامیده می شوند) دارند تا ارتباط پنل ها با بقیۀ سیستم را قطع نمایند. علاوه بر کلیدهای مزبور، وجود یک سیستم زمین مناسب و همچنین یک محافظ خطای زمین، که در موارد بروز حالت اتصال کوتاه بتواند به صورت خودکار، جریان برق خروجی از سیستم را قطع نماید، ضروری است.

در صورتی که سیستم موردنظر از ولتاژ بالایی برخوردار باشد، بهتر است جهت ایمنی و حفاظت سیستم خورشیدی، در حد فاصل پنل های مختلف به هم، از کلیدهای قطع و وصل کنندۀ متعددی استفاده کرد. با این کار یعنی استفاده از کلیدهای متعدد در بین پنل ها، با قطع کردن برق کل مدارات موجود، می توان ولتاژ آرایه را به انرژی تولیدی یک پنل واحد یا مجموعه ی کوچکی از چند پنل، کاهش داده و منحصر نمود. رعایت این دستورالعمل، مزیت خود را در زمان انجام عملیات تعمیر و نگهداری و همچنین در هنگام بروز حالات اضطراری نشان می دهد.

۴- جریان های AC یا متناوب در سیستم های فتوولتائیک:

ایمنی برق AC در واقع تکرار همان موارد ایمنی با برق شهر یا برق خانگی است. این نوع جریان ها معمولاً از ولتاژهای بالایی برخوردار بوده (معمولاً 110 یا 230 ولت) و در بسیاری از کشورها، قوانین خاصی وجود دارند که کار با برق AC شهر را به برقکارهای حرفه ای و افراد صلاحیت دار و دوره دیده منحصر می نماید.

در مورد برق متناوب، به دو کلید ویژۀ این گونه جریانات نیاز خواهید داشت. یکی از این کلیدها بين اینورتر و تابلوی اصلی قرار گرفته و وظیفۀ آن جداسازی کامل سیستم خورشیدی است. کلید دیگر وقتی به کار می رود که سیستم موردنظر از نوع متصل به شبکه باشد. در این صورت این کلید دوم بین ورودی برق شهر و تابلوی اصلی نصب شده و در هنگام ضرورت می توان ارتباط سیستم برق خورشیدی با شبکۀ برق شهر را قطع نمود.

اگر تصمیم به نصب یک سیستم متصل به شبکه دارید، حتماً قبل از آغاز عملیات، با مسئولین شرکت برق منطقه ای محل موردنظر مشورت کنید چون انجام این کار منوط به رعایت قوانین و الزامات خاصی است. اینورتر به کار رفته در این گونه سیستم ها، نمونۀ ویژه ای است که مختص استفاده در سیستم های متصل به شبکه طراحی شده و به مجرد قطع شدن برق شبکه، فرمان قطع می دهد. به این ترتیب در هنگام قطع برق شبکه، از انتقال توان تولیدی سیستم برق خورشیدی به شبکه ممانعت به عمل آمده و از برق گرفتگی احتمالی تکنسین یا تعمیر کاری که مشغول رفع عیب و راه اندازی خط است، پرهیز می شود.

علل بروز اتصال کوتاه در سلول های خورشیدی

بروز اتصال کوتاه در یک سلول خورشیدی نیاز به بهانۀ خاصی نداشته و عوامل مختلفی ممکن است موجب آن گردند. با وجودی که یکی از علل بروز اتصال کوتاه، ناشی از انجام یک عمل اشتباه در هنگام نصب است، ولی در بسیاری از موارد آنچه که موجب آن می گردد، استهلاک و فرسودگی طبیعی است که به ویژه در مورد سیستم هایی که زاویه و سمت پنل ها را باید بصورت مداوم تغییر داده و تنظیم نمود، رخ می دهد.

عامل دیگر در بروز حالت اتصال کوتاه به جانوران مربوط می شود. برای مثال در موارد زیادی مشاهده شده که فضولات پرندگان باعث خوردگی حفاظ خارجی کابل ها یا جعبه تقسيم ها گردیده و همچنین کابل های زیادی ملاحظه گردیده اند که جانورانی از قبیل خرگوش یا روباه، لایۀ لاستیکی و محافظ کابل ها را جویده و باعث اتصال مفتول های فلزی به یکدیگر شده اند.

بروز اتصال کوتاه به موارد اشاره شدۀ بالا منحصر نشده و استفاده از کابل های نامناسب هم باعث آن می گردد. برای حفاظت از سیستم خورشیدی و مقابله با آسیب های ناشی از وجود حیوانات، معمولاً کابل های مورد استفاده در قسمت های خارجی و بیرونی ساختمان را به صورت مقاوم تر و تقویت شده تولید نموده و آن ها را به گونه ای می سازند که در مقابل دماهای بالا و همچنین اشعه ماوراء بنفش نور خورشید، ایستادگی نمایند. در مجموع همیشه ترتیبی اتخاذ کنید که در اتصال دهی پنل ها به هم و ایجاد آرایۀ موردنظر و همچنین انتقال برق تولیدی به کنترل کننده یا اینورتر، از کابل های مرغوب و ویژه ی این کار استفاده نمایید.

معمولاً وقتی یک اتصال کوتاه رخ می دهد، توان سیستم به طور کامل با مشکل روبرو نمی گردد ولی به علت ایجاد یک مقاومت قابل ملاحظه، تولید آن، با افت محسوسی روبرو شده و در محل بروز اتصال کوتاه، گرمای زیادی ایجاد می شود. در این صورت اگر مجموعۀ طراحی شده به یک محافظ خطای زمین از قبیل RCD یا GFI مجهز باشد، به مجرد بروز مشکل، ادوات یاد شده به صورت خودکار مدار را قطع کرده و از وارد آمدن آسیب های بعدی به سایر اجزاء مدار، ممانعت به عمل خواهد آمد.

در صورتی که سیستم، فاقد محافظ خطای زمین باشد، گرمای زیادی تولید شده و گاهی اوقات دمای آن به چند صد درجۀ سانتیگراد هم بالغ می گردد. مطالعۀ سوابق و پرونده های متعدد آتش سوزی نشان می دهد که در بسیاری از موارد، بروز حالت اتصال کوتاه و بالا رفتن دما در محل وقوع آن، باعث و بانی اصلی آتش سوزی بوده است.

وقتی کاربر یا یکی از ساکنین از وقوع آتش سوزی و آغاز آن آگاه می شود، مهم ترین چیز این است که بتواند در کوتاه ترین زمان ممکن، تصمیم گیری کرده و قسمت های مختلف سیستم را از نظر الکتریکی از هم ایزوله و جدا نماید. همانطوری که جلوتر هم اشاره شد، مادامی که حتی نور بسیار اندکی موجود باشد، فرآیند تولید برق به توسط آرایۀ خورشیدی را نمی توان متوقف کرد.

به این لحاظ، در موارد متعددی مشاهده شده که به خاطر عدم وجود کلیدها و سیستم های حفاظتی لازم، مأموران آتش نشانی از اطفاء حریق کامل سیستم های مولد برق خورشیدی عاجز مانده اند. برطرف کردن این نقص، دشوار نبوده و حلال مشکل، استفاده از یک یا چند کلید قطع و وصل DC قوی است.

هرچند فراموش نکنید که با جداسازی آرایۀ خورشیدی هم مشکل به طور کامل رفع نمی شود، چون به هرحال روند تولید توان الکتریکی در آرایه، همچنان ادامۀ خواهد داشت. اگر تعداد پنل ها زیاد باشد، ولتاژ و جریان جاری در مدار، قابل ملاحظه و بالا خواهد بود. اگرچه با پیش بینی و نصب کلیدهای قطع و وصل کننده DC متعدد در نزدیکی آرایه، امکان کاهش دادن توان تولیدی میسر شده و در صورت وقوع شرایط اضطراری، سیستم به شکل بسیار ایمن تری عمل خواهد کرد.

تأثیر دماهای بالا بر ایمنی سیستم های فتوولتائیک

با توجه به آنکه پنل ها مشکی رنگ و تیره بوده و مستقیماً به طرف خورشید جهت داده می شوند، بدیهی است که در یک روز گرم، دمای شان خیلی زیاد خواهد شد. به هرحال در بسیاری از نواحی گرمسیری، دمای مزبور برای سوزاندن پوست بدن، کفایت می کند. بنابراین در موقع نصب پنل ها به خاطر داشته باشید که محل قرارگیری در جایی باشد که احتمال دسترسی و تماس اشخاص متفرقه با آن ها وجود نداشته باشد. اگر شرایط به گونه ای است که پنل ها باید در نزدیکی سطح زمین نصب گردند، حتماً از یک حایل، حفاظ یا توری مناسب برای عدم دسترسی افراد متفرقه به پنل ها، استفاده نمایید.

در صورتی که سلول خورشیدی یا سیم های ارتباط دهندۀ پنل ها به هم با مشکلی مواجه گردند، دماهای بالا، دردسر ساز می شوند. اگر یکی از کابل های به کار رفته یا یکی از پنل های خورشیدی، آسیب ببینند، گرمای نسبتاً زیاد و قابل ملاحظه ای تولید خواهد شد.

اینجاست که یک RCD (وسیله ی جریان پسماند) که به GFI (قطع کننده ی خطای زمین) هم موسوم است، در جهت حفاظت و ایمنی سیستم خورشیدی وارد عمل شده و مشکل مزبور را مرتفع می سازد و این امکان فراهم می شود که قبل از وقوع حوادث و مخاطرات جدی تر بعدی، قسمت معیوب مورد بررسی و بازبینی قرار گیرد. باید اضافه کرد که نصب سیستم های حفاظتی فوق الذکر کافی نبوده و در هر صورت به همراه آن ها باید از یک کلید قطع و وصل کننده ی DC مجزا هم بهره گرفت تا در موارد اضطراری بتوان سیستم را به طور کامل مهار کرده و تحت کنترل قرار داد.

نتیجه و جمع بندی

با توجه به موارد ذکر شده در این مقاله بحث حفاظت و ایمنی در سیستم های فتوولتائیک بسیار ضروری و حائز اهمیت می باشد.اگر در مراحل مختلف طراحی، به موارد ایمنی اهمیت داده و آن ها را مدنظر داشته باشید، شک نکنید که در خاتمۀ کار، به یک سیستم ایمن و مطمئن دست خواهید یافت. هزینۀ اضافی ناشی از خرید و نصب: چند کلید قطع و وصل AC و DC ، الکترود زمین، یک RCD  و بالاخره تهیه کردن چند متر کابل با کیفیت و قطر مناسب، خیلی زیاد نبوده است.

برای مثال اگر در یکی از قسمت های حساس مدار که برق تولیدی آرایه از آنجا عبور می کند، از یک کلید DC روکار قوی که داخل یک محفظه قرار گرفته و درب آن قابل قفل کردن است استفاده کنید، در این صورت در هنگام انجام عملیات تعمیر و نگهداری دوره ای، با قطع کردن این کلید و نصب یک کارت هشدار دهنده به بدنه ی محفظه، به راحتی می توانید سایرین را از در شرف انجام بودن چنین بازرسی هایی آگاه سازید.

برای مشاهده مقالات و پروژه های بیشتر ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.