Fotovoltaik DC Ark Sorunlarına Giriş ve Çözümler

Güneş teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte fotovoltaik enerji üretimi dünya çapında önemli yeşil enerji çözümlerinden biri haline geldi. Fotovoltaik sistemler, konutların çatılarında, sanayi parklarında veya büyük-ölçekli güneş enerjisi santrallerinde önemli bir rol oynar. Aynı zamanda fotovoltaik sistemlerin güvenlik sorunları da giderek dikkat çekmektedir. DC arkı, fotovoltaik sistemlerin kararlılığını etkileyebilecek elektriksel bir olgu olarak, her uygulayıcı ve kullanıcı tarafından dikkatle anlaşılması gereken bir konudur.

1.DC Ark Çarpışmasının Anlamı

Doğru akım arkı, adından da anlaşılacağı gibi, bir doğru akım devresindeki akım yolu aniden kesildiğinde temas noktaları arasında bir ark oluşması olgusunu ifade eder.

Elektrik arkı bir tür gaz deşarj olgusudur. Bir gaz iyonize edildiğinde iletken bir kanal oluşturur ve bu da bir elektrik arkına neden olur. Fotovoltaik DC devrelerinde, devrede küçük bir boşluk oluştuğunda, boşluğun karşısındaki DC voltajı, içinde bir elektrik alanı yaratacaktır. Elektrik alan şiddeti belirli bir seviyeye ulaştığında hava molekülleri iyonize olur. Hava molekülleri, pozitif yüklü çekirdeklerden ve negatif yüklü elektronlardan oluşan atomlardan oluşur. Güçlü bir elektrik alanı altında elektronlar, çekirdekten ayrılıp serbest elektronlara dönüşmeye yetecek kadar enerji kazanırlar. Bu serbest elektronlar elektrik alanında hızlanır, diğer hava molekülleriyle çarpışır, daha fazla molekülü iyonlaştırır, böylece çok sayıda serbest elektron ve pozitif iyon oluşur. Bu işleme gaz bozulması denir. Gaz parçalandıktan sonra bir elektrik arkı oluşur.

DC Ark Vuruş Süreci:

Doğru akım için sıfır geçiş noktası olmadığından ve akımın yönü değişmediğinden ark sürekli olarak enerji alabilir ve bu da kendi başına söndürmeyi zorlaştırır.

Devre bağlantı yöntemine ve ark konumuna göre yaylar seri yaylar ve paralel yaylar olarak ikiye ayrılabilir (Topraklama yayı özel bir paralel ark türü olarak kabul edilebilir). Seri arklar genellikle tek bir canlı iletken içinde meydana gelir. İletkenler arasındaki mesafenin küçük olması ve çok sayıda iletkenin bulunması nedeniyle meydana gelme sıklığı daha yüksektir; Üstelik seri ark sinyali zayıf olduğundan ve gürültüyle kolayca maskelendiğinden tespit edilmesi zordur ve zamanında müdahale edilmezse kolaylıkla yangınlara neden olabilir. Paralel yaylar genellikle farklı canlı iletkenler arasında meydana gelir. İletkenler arasındaki mesafenin büyük olması ve yolun karmaşık olması nedeniyle oluşma sıklığı daha düşüktür. Şu anda sigortalar ve devre kesiciler gibi koruyucu önlemler paralel arkların etkisini etkili bir şekilde kontrol edebilmektedir.

2.NedenleriDC Ark Çarpışması

2.1 Bağlantı Bileşeni Sorunları

Bağlantı bileşenleri fotovoltaik sistemlerdeki en yaygın sorun noktalarından biridir ve aynı zamanda DC arkının da önemli bir nedenidir.

• Gevşek, oksitlenmiş veya aşınmış konektörler (MC4 fişleri gibi) yaygın sorunlardır: Uzun-süreli kullanım sırasında, titreşim ve sıcaklık değişiklikleri gibi faktörler nedeniyle konektörler gevşeyebilir. Gevşek konektörler kontak direncini artırabilir, akım geçtiğinde büyük miktarda ısı üreterek konektörün sıcaklığının yükselmesine neden olabilir. Yüksek sıcaklıklar konnektörün oksidasyonunu ve aşınmasını hızlandırır, sonuçta boşluklara yol açan ve ark oluşumunu tetikleyebilecek bir kısır döngü yaratır.

• Kablo eklemi sıkma işlemi standartlara uygun değildir: Yetersiz sıkma kuvveti veya sızıntı, kablo bağlantı noktalarında zayıf temasa neden olabilir; bu da benzer şekilde temas direncini artırır, yüksek sıcaklıklar üretir ve sonuç olarak ark oluşmasına neden olabilir.

2.2İletken Sorunları

Teller, fotovoltaik sistemlerde akımın iletilmesi açısından önemli bileşenlerdir ve bunların kalitesi ve durumu, sistemin güvenli çalışmasını doğrudan etkiler.

• Kablo yalıtım katmanının hasar görmesi, iletken ile topraklama gövdeleri veya metal destekler arasında ark oluşmasına neden olabilecek bir boşluğa neden olabilir: Kablo yalıtımı, kurulum veya kullanım sırasında mekanik hasar veya kimyasal korozyon gibi faktörlerden dolayı hasar görebilir.

• Tel, harici kuvvetler (kemirgenlerin kemirmesi veya mekanik sürtünme gibi) nedeniyle hasar görebilir ve bu durum, aynı zamanda ark esnemesinin nedenlerinden biri olan lokal maruziyete neden olabilir: Bazı dış mekan fotovoltaik enerji santrallerinde, zaman zaman kabloları kemiren kemirgenler meydana gelir.

2.3Çevre ve Yaşlanma Faktörleri

Çevresel faktörler ve ekipmanın yaşlanması da fotovoltaik sistemlerde DC arkının önemli nedenleridir.

• Yüksek sıcaklıklara ve yüksek neme uzun süre maruz kalmak, bileşenlerin eskimesini hızlandırabilir ve bu da yalıtım performansında düşüşe yol açabilir: Yüksek-sıcaklıklı ortamlarda, bileşenlerin malzemeleri termal yaşlanmaya uğrayarak performanslarının kademeli olarak düşmesine neden olur; yüksek-nemli ortamlarda bileşenler nemlenebilir ve bu da yalıtım özelliklerini etkileyebilir.

• Bağlantı noktalarında elektrik sürekliliğini bozabilecek ve boşluk boşalmasına neden olabilecek toz ve korozyon oluşur: Aşındırıcılığın güçlü olduğu tozlu ortamlarda, bağlantı noktaları büyük miktarda toz ve aşındırıcı madde biriktirme eğilimindedir. Bu malzemeler elektrik akımının iletimini engelleyebilir, bağlantı noktalarındaki direnci artırabilir, yüksek sıcaklıklar üretebilir ve potansiyel olarak ark oluşmasına neden olabilir.

3. Fotovoltaiklerde DC Arkın Algılama Teknolojisi ve Uygulaması

3.1Ark Arızası Devre Kesici (AFCI)/AFDD)

AFCI'nin işlevi, bir ark oluştuğunda derhal 'gücü tespit etmek ve kesmek' ve böylece yangının yayılmasını önlemektir.

Akım sinyallerini gerçek zamanlı olarak izlemek için genellikle DC birleştirici kutularına, invertörlere veya devre kesicilere entegre edilir. Bir ark oluştuğunda, mevcut dalga biçimi belirli yüksek-frekans gürültüsü ve distorsiyon sergiler. AFCI, bu anormal sinyali tespit etmek için algoritmalar kullanır ve devrenin bağlantısını hızla keser.

Yukarıdaki mevcut spektrum dalga formunda gösterildiği gibi, kırmızı, bir elektrik arkının oluşumunu gösterir ve arkın bulunmadığı mavi ile açıkça tezat oluşturur.

Tipik bir elektrik sisteminde, arka plandaki rastgele gürültü genellikle yalnızca 200 kHz'in üzerindeki frekanslarda belirgin şekilde değişir. Bunun aksine, elektrik sistemindeki invertörler gibi anahtarlama kontrol devreleri tipik olarak 50 kHz'in altındaki spektrumlarda çalışır. AC güç kaynağı sinyalinin kendisinin 50/60 Hz gibi daha da düşük bir frekansta olduğundan bahsetmiyorum bile. Bu nedenle, tespit edilen kablo akımını frekans alanına dönüştürmek için FFT algoritmasını kullanarak ve ardından 30 kHz ile 100 kHz arasındaki frekans bandını analiz ederek, devre sisteminin normal çalışması ile anormal ark koşulları arasında etkili bir şekilde ayrım yapmak mümkündür.

Ana yapı

AFCI ark hatası devre kesicileri esas olarak bir kesici modül, kaçak modül, güç modülü, sinyal koşullandırma modülü, açma ünitesi modülü ve iletişim arayüz modülünden oluşur.

• Güç modülü: AFCI/AFDD içindeki ilgili cihazlara güç sağlar.

• Sinyal değerlendirme modülü: Ana devredeki akım sinyali bir hat akım trafosu üzerinden sinyal değerlendirme modülüne iletilir. Modül, işlenmek üzere mikro denetleyiciye göndermeden önce sinyali güçlendirir, düzeltir ve filtreler.

• Açma Modülü: AFCI ark hatası devre kesicisinde, açma modülünün elektromanyetik yapısı yeni bir enerji-tasarrufu teknolojisini benimser, anahtar elektromanyetik sisteminin çekirdek kayıplarını ve kısa-devre kayıplarını en aza indirir, böylece enerji tasarrufunu en üst düzeye çıkarır. Elektromanyetik sistem üzerindeki enerji etkisini azaltmak, anahtarın kapanma performansını artırmak ve servis ömrünü uzatmak için bir tamponlama cihazı eklenmiştir. Açma modülünün çalışma mekanizması, ana kontrol çipi MCU tarafından tespit edilen arıza sinyallerini alabilir ve elektromanyetik mekanizmanın ana devreyi kesmesiyle kontrol kontakları aracılığıyla bobin devresini kesebilir. Arıza giderildikten sonra çalıştırma düğmesine basılması modülü sıfırlar.

• İletişim arayüzü modülü: Bu modül, akım, gerilim, akım fazı ve ark sinyalleri gibi verilerin-gerçek zamanlı olarak terminal bilgisayarına iletilmesine olanak tanıyarak uzaktan izleme olanağı sağlar.

Çalışma prensibi

AFCI ark hatası devre kesicisinin ana kontrol çipi MCU, ana devredeki akım sinyalini gerçek zamanlı olarak izler. Ana devrede bir ark hatası tespit edildiğinde mikrodenetleyici bir açma sinyali gönderir ve açma devresi açma işlemini gerçekleştirir.

3.2Kızılötesi Termal Görüntüleme Teknolojisi

Kızılötesi termal görüntüleme teknolojisi, bir kızılötesi kamera aracılığıyla bağlantı noktalarındaki anormal ısınmayı tespit ederek potansiyel ark risklerinin önceden belirlenmesine olanak tanır. Zayıf temasa genellikle yerel yüksek sıcaklıklar eşlik eder ve kızılötesi termal görüntüleme, bu yüksek- sıcaklıktaki alanları net bir şekilde görüntüleyerek bakım personeline sezgisel bir referans sağlar.

4.Fotovoltaikte DC Ark Arızalarına Karşı Koruyucu Önlemler ve Uygulama

4.1Standart Kurulum

Fotovoltaik sistemlerde DC arkını önlemenin temeli doğru kurulumdur. Kurulum işlemi sırasında, gevşek bağlantıları önlemek için konektörlerin ve kablo bağlantılarının sıkı bir şekilde kıvrıldığından emin olun. Bağlantı noktalarında minimum temas direncini sağlamak için belirtilen kuvvetle çalışan, sıkma işleminde profesyonel aletler kullanılmalıdır.

Aynı zamanda mekanik hasar riskini azaltmak için standartlara uygun yalıtım malzemeleri seçin. Kabloları döşerken, yalıtım katmanının zarar görmesini önlemek için aşırı bükülme ve gerilmekten kaçının.

4.2 Bileşen Seçimi

Eskimeye ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı, özellikle zorlu ortamlardaki konnektörleri ve kabloları seçin, bileşenlerin koruma düzeyini artırın (IP65/IP67 gibi). Bileşenleri seçerken fotovoltaik güç istasyonunun sıcaklık, nem ve aşındırıcılık gibi çevresel koşullarını tam olarak göz önünde bulundurun.

Örneğin, yüksek-sıcaklık alanlarındaki fotovoltaik enerji santrallerinde, daha yüksek sıcaklıklarda istikrarlı performansı koruyabilecek konektörler ve kablolar seçilmelidir; Kıyı bölgeleri gibi korozif yoğunluğun yüksek olduğu ortamlarda korozyona dayanıklı bileşenler seçilmelidir.

4.3Sistem Tasarımı Optimizasyonu

Sistem tasarımı optimizasyonu, fotovoltaik sistemlerde DC ark oluşumunu önlemek için çok önemlidir. Tasarım süreci sırasında aşırı yüksek DC voltajlarından kaçınmak (güvenlik standartlarına uygun olması gerekir), uzun kablo mesafelerini azaltmak ve boşluk deşarjı olasılığını en aza indirmek önemlidir.

Fotovoltaik modüllerin düzenlemesini ve kabloların yönlendirilmesini, kablo uzunluğunu en aza indirmeyi ve kablolardaki bükülme ve bağlantı sayısını azaltmayı hedefleyerek makul bir şekilde planlayın. Aynı zamanda devrede herhangi bir anormallik olması durumunda elektriğin derhal kesilmesi için sigortalar, devre kesiciler ve ark hatası koruma cihazları gibi uygun koruyucu cihazlar takılmalıdır.