Perché ogni installazione solare dovrebbe includere uno scaricatore di sovratensione solare?

I sistemi solari fotovoltaici (PV) sono esposti a sovratensioni elettriche che possono causare danni costosi e interruzioni dell'alimentazione elettrica. Questo articolo spiega perché ogni installazione solare necessita di uno scaricatore di sovratensioni solari, un dispositivo che protegge le apparecchiature critiche da sovratensioni transitorie.

1. Cos'è aScaricatore di sovratensione solare?

Uno scaricatore di sovratensione, noto anche come dispositivo di protezione da sovratensione (SPD), è un componente elettrico che protegge i sistemi dalle sovratensioni. Gli scaricatori di sovratensione non arrestano né assorbono le sovratensioni causate dai fulmini. Invece, bypassano o scaricano le sovratensioni per limitare i danni alle apparecchiature elettriche all'interno di una proprietà. Questi dispositivi impediscono il flusso continuo di correnti ad alta tensione dirigendole verso terra.

Quando una sovratensione attraversa un conduttore, lo scaricatore ne interrompe l'isolamento in modo che la sovratensione possa raggiungere terra. Una volta che il livello di tensione ritorna normale, l'isolamento tra il conduttore e la terra viene ripristinato. Successivamente il flusso della corrente verso il suolo si interrompe.

Uno scaricatore di sovratensione solare è un SPD specificatamente progettato per impianti fotovoltaici. Protegge gli impianti solari dalle sovratensioni transitorie e dalle sovratensioni permanenti causate da difetti nel conduttore o guasti nei trasformatori.

Le sovratensioni transitorie sono picchi temporanei di tensione che superano di oltre il 10% il valore nominale della rete di distribuzione per diversi cicli. Nelle sovratensioni permanenti, il livello di tensione rimane permanentemente elevato.

Un sistema di protezione contro i fulmini completo comprende terminali aerei (parafulmini), calate, dispositivi di protezione da sovratensione, collegamento equipotenziale e un sistema di messa a terra. Questa è la prima linea di difesa contro un fulmine diretto.

2. Perché i sistemi solari hanno bisogno di un limitatore di sovratensione?

I sistemi solari sono suscettibili alle sovratensioni elettriche, che possono causare costosi danni alle apparecchiature e provocare interruzioni temporanee dell'alimentazione elettrica. Le sovratensioni elettriche possono essere causate da fattori esterni come fulmini, malfunzionamenti interni o fluttuazioni della rete elettrica.

L’esposizione fisica rende i sistemi solari vulnerabili

I pannelli solari vengono generalmente installati in aree aperte, sui tetti o su grandi campi dove possono essere esposti a condizioni ambientali. Le grandi superfici e le posizioni esposte, come sui tetti o a terra in spazi aperti, rendono i pannelli solari soggetti a fulmini che possono ridurne la durata.

Anche quando un impianto solare non viene colpito direttamente da un fulmine, l'attività dei fulmini nelle vicinanze può indurre tensioni pericolose che possono danneggiare componenti critici. Quando un fulmine colpisce strutture vicine, linee elettriche o il suolo, i campi elettromagnetici risultanti possono indurre tensioni transitorie nel cablaggio del sistema solare. Queste sovratensioni indotte possono propagarsi attraverso l'installazione e danneggiare le apparecchiature lontano dal punto originale dell'impatto.

Un cablaggio esteso crea percorsi per le sovratensioni

Poiché i sistemi fotovoltaici spesso includono estesi cavi CC e apparecchiature elettriche interconnesse, forniscono più percorsi per la propagazione delle correnti di picco. Le loro estese reti di cablaggio possono fungere da conduttori, introducendo tensioni transitorie nel sistema.

Sia il lato DC che quello AC necessitano di protezione

Una caratteristica unica dei sistemi fotovoltaici è che funzionano sia su circuiti elettrici DC che AC. Le sovratensioni possono entrare da entrambi i lati del sistema. Strategie efficaci di protezione contro le sovratensioni solari riguardano sia i circuiti CC che CA per fornire una copertura completa.

Il lato CC comprende: moduli solari, cablaggio delle stringhe, quadri di connessione, sezionatori CC e ingressi dell'inverter. Il lato CA comprende: uscite dell'inverter, apparecchiature di distribuzione, trasformatori, interconnessioni di servizi e sistemi elettrici dell'impianto.

La protezione di una sola parte del sistema può lasciare altre apparecchiature critiche vulnerabili ai danni.

La protezione contro le sovratensioni viene spesso trascurata

Molti proprietari di sistemi solari si concentrano sull’efficienza dei pannelli, sulla scelta dell’inverter e sulle previsioni di produzione energetica. La protezione elettrica viene spesso trascurata finché non si verifica un guasto costoso. Gli eventi di sovratensione possono verificarsi inaspettatamente e causare danni estesi alle apparecchiature solari, con conseguenti tempi di inattività, costi di riparazione e perdita di produzione di energia.

Un evento di picco può comportare costi di sostituzione delle apparecchiature, spese di manodopera, tempi di inattività del sistema, riduzione della produzione di energia, opportunità di guadagno mancate, maggiori requisiti di manutenzione e richieste di indennizzi assicurativi.

Alcuni sviluppatori potrebbero scegliere di non includere dispositivi di protezione dalle sovratensioni per contenere il costo iniziale di un progetto. Tuttavia, ciò può comportare costi di manutenzione più elevati a valle se l’apparecchiatura viene danneggiata da una sovratensione e deve essere riparata o sostituita.

Il caso finanziario per la protezione dalle sovratensioni

Investire nella protezione dalle sovratensioni solari rappresenta spesso una piccola frazione del costo totale del progetto. Tuttavia, può aiutare a prevenire perdite che superano di gran lunga il costo dei dispositivi di protezione stessi. Per le installazioni commerciali e su scala industriale, i tempi di inattività possono rapidamente tradursi in sostanziali perdite di entrate. Anche una breve interruzione dell'attività può influire sugli obiettivi di produzione e sulla performance finanziaria.

3. Cosa succede quando un fulmine colpisce un impianto solare fotovoltaico?

I fulmini comportano rischi significativi di distruzione completa o parziale dei parchi solari, sia immediatamente a causa di un colpo diretto che attraverso danni degenerativi dovuti a un colpo indiretto.

Fulmini diretti

I fulmini diretti possono produrre enormi quantità di energia in grado di causare danni catastrofici. Quando un fulmine colpisce un pannello solare, provoca una corrente transitoria indotta all’interno dei circuiti elettrici del sistema. Ciò porta al guasto dell'isolamento, dei pannelli, dell'inverter e delle apparecchiature di comunicazione.

Effetti indiretti dei fulmini

Gli effetti dei fulmini indiretti sono spesso più comuni e possono essere altrettanto problematici. Le sovratensioni possono influire sull’installazione di un sistema di pannelli solari in diversi modi:

• Dagli fulmini diretti al sistema di protezione contro i fulmini esterno di una struttura, in prossimità di essa, e persino all'impianto fotovoltaico stesso

• Dalle correnti indotte dai fulmini distribuite nella rete elettrica

• Da sovratensioni trasmesse dalla rete elettrica di origine atmosferica (fulmini) o dovute a manovre

• Dalle variazioni del campo elettrico dovute ai fulmini

• Dalla rete, se il fulmine colpisce conduttori di media o bassa tensione

• Dalla terra, se il fulmine cade vicino all'inverter fotovoltaico

• Dal lato DC, se un fulmine colpisce i moduli fotovoltaici

Danni ai componenti principali

Se un impianto solare fotovoltaico subisce una sovratensione e non è protetto da fulmini o scaricatori di sovratensione, può subire danni alle apparecchiature che vanno dai fori provocati dai fulmini nei pannelli al degrado di moduli e inverter o sistemi secondari come apparecchiature di monitoraggio e controlli di inseguimento.

I componenti specifici con le maggiori probabilità di guasto includono la scatola combinatrice e l'MPPT (dispositivo di localizzazione del punto di massima potenza). Alcuni sistemi solari fotovoltaici potrebbero resistere a danni fisici o circuitali ai loro pannelli. Tuttavia, i controlli dei circuiti e i dispositivi di accumulo dell’energia saranno immediatamente inutilizzabili dopo un fulmine.

Effetti nascosti a lungo termine

Anche se non si verificano interruzioni iniziali dell'alimentazione, l'installazione può comunque subire effetti secondari derivanti da danni alle apparecchiature. Questi possono ridurre la quantità di energia che il sistema può generare. Questi effetti vengono talvolta erroneamente attribuiti a guasti delle apparecchiature o difetti di fabbricazione se non è immediatamente evidente che sono stati causati da un picco.

Se un modulo fotovoltaico viene danneggiato, si verifica una perdita di potenza in uscita da una stringa. I danni a un inverter possono tagliare o limitare l'uscita da un'ampia sezione dell'installazione.

L'importanza del corretto posizionamento dell'SPD

È necessario installare una rete di protezione contro le sovratensioni in tutta la rete di distribuzione dell'alimentazione CC e CA di un sistema di energia solare per salvaguardare i circuiti critici. Il numero complessivo di SPD necessari in un sistema solare fotovoltaico varia a seconda della distanza tra i pannelli e l'inverter.

Le linee guida generali per l'installazione includono:

• Nelle linee CA, la protezione da sovratensione deve essere implementata su ciascun conduttore di alimentazione a terra.

• Se la lunghezza del cavo tra i pannelli solari è inferiore a 10 metri, è necessario installare un SPD accanto all'inverter, ai quadri di connessione o più vicino ai pannelli solari.

• Nelle installazioni con cavi CC superiori a 10 metri, saranno necessari più dispositivi di protezione da sovratensione sia all'estremità dei cavi dell'inverter che dei moduli solari.

• In un sistema di energia solare residenziale con microinverter dotato di cavi CC corti ma cavi CA più lunghi, gli SPD devono essere installati sulla scatola combinatrice per proteggere la casa da sovratensioni transitorie .

Gli SPD devono essere installati sugli inverter per proteggere gli ingressi CC e le uscite CA, con messa a terra sia sulla linea CC positiva che su quella negativa. I circuiti combinatori e di controllo, così come i sistemi di monitoraggio e tracciamento, dovrebbero essere protetti per prevenire interferenze con i flussi di elettricità e perdita di dati.

4. Riepilogo

Ogni installazione solare dovrebbe includere uno scaricatore di sovratensione solare. I sistemi solari sono esposti a sovratensioni elettriche dovute a fulmini, fluttuazioni della rete e malfunzionamenti interni.

Un evento di sovratensione può danneggiare inverter, pannelli, quadri elettrici, apparecchiature di monitoraggio e dispositivi di accumulo dell'energia. I danni possono comportare costi di sostituzione delle apparecchiature, tempi di inattività del sistema, riduzione della produzione di energia e perdita di entrate .

Anche se non sono visibili danni immediati, le sovratensioni possono causare un degrado nascosto che riduce la potenza erogata nel tempo. Questi effetti vengono spesso scambiati per difetti di fabbricazione.

La protezione contro le sovratensioni solari non è un’opzione: è una necessità. L'installazione di SPD su entrambi i lati CC e CA del sistema, con un'adeguata messa a terra, aiuta a proteggere le apparecchiature critiche e a mantenere una produzione di energia affidabile.

La protezione contro le sovratensioni è un componente necessario in qualsiasi installazione elettrica, ma non sostituisce una soluzione adeguata di protezione contro i fulmini. Un sistema di protezione contro i fulmini completo che comprende terminali aerei, calate, dispositivi di protezione da sovratensione, collegamento equipotenziale e un sistema di messa a terra è la prima linea di difesa contro un fulmine diretto.

YRO si impegna a fornire dispositivi di protezione da sovratensione affidabili per impianti fotovoltaici. Per una protezione ottimale, consultare sempre le normative locali, fare riferimento alle specifiche del produttore e lavorare con componenti certificati.

La scelta della giusta protezione contro le sovratensioni salvaguarda il tuo investimento solare. Previene danni costosi e garantisce una produzione energetica affidabile e a lungo termine.