太陽能系統的安全風險與提升電廠安全性的解決方案

發佈日期: 2020 年 07 月 09 日 18:34 | 作者: | 分類: 產業資訊

太陽能系統提供眾多優勢,從在財務面上的資金節省到環境優勢與能源獨立。由於這些優勢促使全球各地相競設置太陽能系統,因此此產業對於太陽能系統安全的需求已有更深入的瞭解。一般而言,太陽能系統安全可靠,且不會對人員的生命財產安全造成危險。然而,應謹記在心的是只要太陽升起,太陽能模組與電線隨即通上高直流電壓。這些高直流電壓可能會對安全人員、維護人員及消防員帶來觸電風險。因此在安裝、維護及發生火災時必須考量到安全。例如:在安裝過程中,安裝人員會連接一般會有 30-60V 輸出電壓的太陽能模組。儘管單一模組的電壓安全無虞,但在組串中串聯數個模組則會形成高電壓,因而在系統安裝時對於安裝人員造成危險。

在串列中連接模組後,電壓即超過 1000Vdc。將串列連接至變流器後,太陽能系統將以這些高電壓運作。換言之,當在執行標準維運職責,例如直流電與交流電測試或 IV 曲線測試,維護人員便會暴露在這些高電壓下。雖然關閉主斷路器也會關閉傳統的組串型變流器,但不會關閉 DC 電壓,因此只要在白天,DC 電壓仍高。

火災是另一個安全的疑慮。太陽能系統鮮少發生火災,報導過的相關太陽能系統並不多,且在大多數報導過的太陽能系統火災中,太陽能系統並非火災主因。然而,當接近太陽能系統的火災現場時,消防員必須切記只要太陽能板照射到陽光,即表示系統已通電。

在此情況下,安全疑慮可分為兩大部分。第一個安全疑慮是消防員安全。為了確保自身安全,消防員通常會切斷正在燃燒之建築物的電網供電,作為接近滅火前的預防措施程序。一旦斷開電網供電後,消防員即認定無觸電死亡的風險,可以灑水並在屋頂上鑽孔,以便煙霧與熱能散去。在太陽能屋頂系統的情況中,此認定並不合宜,且會導致災難發生。

近年來,為了確保自身安全,部分消防員已針對裝置太陽能系統的建築物擬定「任其燃燒」政策。上述涉及了第二項安全疑慮,亦即建築物、資產及商業損害。以德國霍恩阿斯珀一間爆發火災的倉庫為例,在倉庫屋頂上存在的太陽能系統延誤了消防程序執行;這是因為國家消防法規要求消防員在滅火時應與潛在的通電零件保持最小的安全距離。在義大利,限制更為嚴格,不允許消防員對帶有電壓的工廠進行滅火。在美國,已有因安全疑慮而取消太陽能裝置的例子。

台灣同樣擁有專屬的太陽能安全標準,特別是與火災時保護消防人員有關的規定。根據台灣內政部消防署的搶救太陽光電發電設備火災指導原則,若建築物設有太陽能系統,消防人員不允許直接以水滅火。因為標準的太陽能系統即使已關閉變流器或電網,太陽能板仍會持續產生直流電壓,而有可能會導致觸電。替代方案是指示消防人員噴灑泡沫或讓太陽能發電站燃燒至自行熄滅,卻因此導致財產及財務損失。

由於這些安全疑慮,再加上不斷演變的太陽能市場與太陽能系統增加的緣故,全球各地的消防機關、保險公司及電力公司要求制定安全法規。例如:德國 - 太陽能安全要求市場領導者,已施行 VDE-消防安全標準,要求太陽能變流器與太陽能產生器之間設置直流斷開機制。在奧地利,法規甚至更嚴格。OVE R11-1: 2013 則要求必須根據情況,斷開連接的電源(模組)。美國也同樣施行嚴格的安全要求,例如 NEC 2017快速關斷,要求超過陣列一英尺(30.5公分)所有的受控導體必須在快速關斷啟動後30秒內降低30 V 或以下的能量(及 240 VA )。

由於傳統串列變流器即使在關閉時仍無法降低直流電壓,因此傳統變流器難以處理這些安全疑慮且費用高昂,但如功率優化器等模組層級的電力電子裝置仍可作為有效的解決方案。功率優化器是由安裝人員連接到各太陽能模組的電力電子裝置,或是由模組製造商嵌入的電力電子裝置,以取代傳統的太陽能分線盒。功率優化器的主要功能為常態性獨立追蹤模組層級的最大功率點(MPPT),以增加太陽能系統的電力輸出。

然而,功率優化器也會強化安全性。將 SolarEdge 功率優化器連接至太陽能模組之後,只要變流器的訊號持續更新,模組就會一直處於「運轉模式」。如果缺少此訊號,功率優化器便會進入安全模式,關閉模組與串列電線中的直流電流與電壓。在安全模式下,各模組的輸出電壓等於 1V。例如:若消防員在白天時從電網斷開太陽能系統,且太陽能系統由每個串列的 10 個模組組成,則串列電壓將會減少至 10VDC。換言之,即使消防員未察覺到太陽能系統存在,當他們斷開交流側時,則會在模組層級展開停機。

用於標準變流器系統的消防員開關通常屬於遠端開關分段開關。這些類型開關的一項缺點為即使在停機後達到 0V 量測值,在不同位置仍可能因之間斷線而存在著危險電壓。然而使用 SolarEdge 功率優化器時,則可透過量測低電壓(1V/模組)的方式,確保已執行停機,而不會有任何斷線的疑慮。此類型的科技比之前的方法提供更多安全性。

傳統消防員開關的另一項缺點就是在正常運轉時,尚不清楚其是否處於正常運作狀態。例如:若未正確維護開關,則可能無法正確關閉開關。有了 SolarEdge 功率優化器,萬一系統故障,則會立即展開停機。這相當重要,因為即使是替代維護,仍要確保消防員安全。

除了其內建 SafeDC™ 功能,SolarEdge 功率優化器也會減少安裝人員在屋頂所花費的時間。由於功率優化器會永久連接至模組,因此功率優化器可監控個別模組的性能,並將性能資料傳送至 SolarEdge 雲端監控平台,以利於在模組層級確保維護符合成本效益。維護人員可以在電腦、平板電腦或智慧型手機上進行模組層級的監控與遠端故障排除,而不用在危險的高空進行診斷。

隨著太陽能逐漸成為我們能源需求的來源,此產業持續致力於改善這些系統的安全。此產業迄今正在透過擬定越來越嚴格的安全標準,並仰賴符合成本效益之創新科技等方法,解決這些疑慮。規劃您的太陽能電站時,應瞭解當地安全要求、滿足系統業主的需求,以及探索市場上滿足這兩項要求的產品,藉以提供最大的安全性。

(資料、首圖來源:SolarEdge。作者:Lior Handelsman)

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