Proč jsou blesky tak destruktivní pro fotovoltaické systémy?

Škody způsobené blesky nespočívají pouze v pravděpodobnosti přímého zásahu, ale především v obrovském množství energie uvolněné během okamžiku. Typický přímý úder blesku může dosáhnout špičkového proudu 30–200 kA, napětí až 100 milionů voltů a trvání pouhých desítek mikrosekund. Hlavní destruktivní mechanismy zahrnují tyto tři fyzikální efekty:

• Tepelný efekt: Bleskový proud procházející kovovým vodičem, fotovoltaickým panelem nebo kabelem může během velmi krátké doby zvýšit místní teplotu na několik tisíc stupňů Celsia, což vede k tavení kovu, prasknutí spojů a poškození panelů.
• Elektromagnetická indukce: Uvolněné silné elektromagnetické pole vytváří indukované napětí v řádu tisíců voltů v blízkých vodičích, které nebyly přímo zasaženy, což poškozuje slaboproudé zařízení, jako jsou sběrnice RS485, komunikační moduly a monitorovací systémy.
• Zvýšení potenciálu: Po průchodu blesku zemí se proud šíří zemní sítí, což může vyvolat okamžité rozdíly potenciálu v desítkách až stovkách voltů na uzlech zemnění, tzv. "náraz zpětného potenciálu", který poškozuje střídače, baterie a další systémové komponenty přes uzemňovací vodiče.

Fotovoltaické systémy sestávají z mnoha sériově propojených křemíkových polovodičových zařízení, která jsou velmi citlivá na přechodové přepětí. Když napěťová špička překročí 1 kV, mohou být snadno průrazné diody by-passu či MOS tranzistory. Navíc jsou fotovoltaická zařízení obvykle instalována na nezastíněných, otevřených či kovových konstrukcích, což je přirozeně vystavuje vyššímu riziku zásahu bleskem než běžné domácí spotřebiče.

Ochrana fotovoltaických systémů proti bleskům tedy není pouze opatřením proti extrémním povětrnostním podmínkám, ale systematickým bezpečnostním designem vycházejícím z jejich struktury a principu fungování.

Proč jsou fotovoltaické systémy vystaveny vysokému riziku v oblastech s častými blesky?

Na rozdíl od běžných elektrických zařízení jsou fotovoltaické systémy často instalovány na střechách, v otevřených prostorech nebo ve vysokých nadmořských výškách, tedy v přirozeně vysoce rizikových oblastech pro zásah bleskem. Dopad blesku na fotovoltaický systém však není jen otázkou „přímého zásahu“. Než porozumíme, jak se proti blesku bránit, je třeba znát tři hlavní způsoby poškození bleskem:

1. Přímý zásah bleskem: nejničivější forma

Když blesk přímo zasáhne fotovoltaické panely, konstrukci nebo vrchol budovy, okamžitě uvolněný vysoký proud a vysoká teplota mohou způsobit:

• Proražení diod paralelního obchodu uvnitř panelů a spálení solárních článků;
• Přehřátí a přerušení nebo vznícení kabelů, což vede k vzniku horkých míst;
• Přerušení celého řetězce panelů a dokonce i selhání celého systému výroby energie.

Obzvlášť budovy s vyšší střechou, bez překážek a nacházející se v oblastech s častými bouřkami jsou vystaveny vyššímu riziku přímého zásahu bleskem. Doporučuje se instalace hromosvodu, kvalitní uzemnění a vedení svodů mimo slaboproudé kabely.

2. Elektromagnetická indukce: skrytý, ale častý způsob poškození

I když blesk systém přímo nezasáhne, silný elektromagnetický impuls může v kovových konstrukcích a komunikačních linkách indukovat vysoké napětí, které poškodí:

• Komunikační moduly (např. datové sběrače, sběrnice RS485);
• Elektroniku na straně střídače;
• Inteligentní monitorovací zařízení a další nízkonapěťové komponenty.

Když indukované napětí překročí 1 kV, může dojít k poruše komunikace, místním obloukům či požárům. Je vhodné instalovat víceúrovňové přepěťové ochrany (SPD) u střídačů, svorkoven a komunikačních rozhraní a posílit odstínění a potenciálové vyrovnání.

3. Náraz zpětného potenciálu země: „protizásah“ po průchodu blesku zemí

Když blesk zasáhne zem nebo okolní budovu, proud se šíří zemní sítí a může se přes uzemňovací vodiče „vrátit“ do fotovoltaického systému, způsobující:

• Poškození svorkoven;
• Přepětí v akumulátorech s následným snížením kapacity nebo výbuchem;
• Zpětné přepětí na straně elektrické sítě poškozující střídače nebo elektrické spotřebiče.

Pokud je uzemnění navrženo nesprávně, má vysoký odpor nebo není odděleno od zemní sítě budovy, systém je vystaven vyššímu riziku těchto nárazů. Doporučuje se optimalizovat uzemnění (odpor ≤ 4 Ω), vyhnout se společnému uzemnění s jinými elektrickými systémy a instalovat izolátory či omezovače proudu na klíčových místech.

Musí mít každý fotovoltaický projekt instalovaný hromosvod?

1. Je hromosvod nezbytný v různých scénářích?

2. Klíčové body při instalaci hromosvodu

I když projekt splňuje podmínky pro instalaci hromosvodu, je nezbytné dodržet následující požadavky, aby byla zajištěna jeho účinnost a bezpečnost:

• Hromosvod musí být vyšší než fotovoltaické panely a tvořit ochranný kužel, doporučuje se krytí do úhlu 45°, aby byla zajištěna kompletní ochrana.
• Hromosvod musí být vzdálen minimálně 5 metrů od panelů, aby nedocházelo k zastínění a snížení výroby elektřiny.
• Doporučený odpor uzemnění hromosvodu je ≤4Ω, musí být připojen k spolehlivé zemní síti, aby nedocházelo k tzv. „falešnému uzemnění“.
• Svody by měly být vedeny po stěnách nebo vnějšku konstrukce, aby se zabránilo křížení s fotovoltaickými kabely, což může vyvolat indukované napětí.
• Instalaci musí provádět kvalifikovaná elektrikářská firma v souladu s normami pro ochranu budov před bleskem (např. IEC 62305 nebo GB 50057).

Schéma struktury systému hromosvodu

Pokud je hromosvod nesprávně instalován, může naopak přitahovat blesky, ale nedokáže je bezpečně odvést, což zvyšuje riziko pro celý systém. Proto je nutné přísně dodržovat normy a nelze hromosvod instalovat „jen aby bylo klidněji“. Instalace musí být posuzována podle konkrétního projektu s ohledem na výšku budovy, okolní překážky a riziko bouřek.

Které fotovoltaické projekty by měly investovat do kompletního systému ochrany proti bleskům?

Ochrana proti bleskům není povinná pro každý fotovoltaický projekt, ale v určitých situacích, s ohledem na náklady, rizika a legislativní požadavky, se systematická ochrana změnila ze „doporučení“ na „nutnost“. Následující tři typické scénáře by měly mít prioritu při investici do kompletní ochrany proti bleskům.

1. Fotovoltaické systémy v oblastech s vysokou četností bouřek

Pokud se projekt nachází v oblastech jako pobřeží Středozemního moře, horské plošiny nebo přímořské oblasti s hustou četností bouřek, měl by být začleněn kompletní návrh ochrany proti bleskům, i když je velikost systému menší. V těchto oblastech jsou letní bouřky časté, a i když pravděpodobnost přímého zásahu je nízká, dlouhodobé vystavení opakovaným zásahům může způsobit poškození modulů a komunikačních systémů, případně vést k selhání systému či požárům.

Doporučuje se nasadit dvojitou ochranu – vnější i vnitřní. Vnější ochranu tvoří instalace hromosvodů a ekvipotenciálních zemních okruhů, vnitřní pak víceúrovňové SPD na straně střídače a ochrana signálních portů. V případě potřeby lze přidat i odpojovače napájení k zabezpečení systému při vysoké četnosti bouřek.

2. Systémy obsahující slaboproudá zařízení jako akumulaci

U fotovoltaických elektráren vybavených akumulačními systémy, inteligentním dohledem, komunikací RS485 či vzdálenými řídicími moduly, i při nižším výkonu jsou slaboproudé přesné komponenty velmi citlivé na indukované blesky. Zejména v průmyslových střechách, zemědělských sklenících či vzdálených sběrných stanicích je vysoké riziko výpadků komunikace a přerušení dat.

Takové systémy by měly posílit vnitřní ochranu – instalací víceúrovňových SPD na komunikačních rozhraních, straně akumulace a na slaboproudých vstupech střídače. Zároveň je nutné zajistit úplné ekvipotenciální propojení a uzavřený zemnící systém, aby se zabránilo pronikání indukovaných blesků do komunikačních okruhů.

3. Projekty na lehkých, nezastíněných střechách s nízkým zatížením

Venku stojící průmyslové haly, zemědělské skleníky či malé sklady často využívají lehké konstrukce z plechů nebo sendvičových panelů, bez stěn či krytí, což vytváří lokální vyvýšeniny náchylné k přímým zásahům bleskem. Navíc tyto konstrukce často nemají zabudovaný zemnící okruh ani protibleskovou ochranu, což vede k riziku průrazných poškození a zatékání při zásahu blesku.

Doporučuje se použití zjednodušeného vnějšího protibleskového systému s lehkým hromosvodem, základním svodem a odděleným zemněním, který nezvyšuje konstrukční zatížení. Kombinace s vestavěnými protibleskovými komponentami vytváří minimální nákladovou ochrannou smyčku.

Jak s co nejnižšími náklady vybudovat „dostatečný“ systém ochrany proti bleskům?

Ne každý fotovoltaický projekt vyžaduje instalaci drahého a složitého kompletního systému ochrany proti bleskům. Při omezeném rozpočtu a řízeném riziku lze vhodným výběrem a zjednodušeným návrhem dosáhnout „nejlepšího poměru cena/výkon“ ochrany proti bleskům. Následující tři doporučení mohou sloužit jako vodítko při rozhodování v rámci podnikových projektů.

1. Externí ochrana by měla být zjednodušená, ale nesmí chybět

U malých a středních fotovoltaických systémů na střechách bez stínění a s výraznou kovovou konstrukcí není nutné instalovat rozsáhlé pole hromosvodů. Je však třeba zajistit alespoň základní hromosvod nebo svod s spolehlivým uzemněním. Použití lehkých nosných konstrukcí s integrovanými svody, které jsou propojené se zemní sítí, neztěžuje konstrukci a zároveň efektivně odvádí bleskový proud do země — to je jedna z nejvýhodnějších a nejefektivnějších metod.

2. Vnitřní ochrana by měla upřednostnit „kritické body“

Pokud systém obsahuje slaboproudé zařízení (např. akumulaci, monitorování, dálkový sběr dat), měly by být víceúrovňové SPD umístěny zejména na komunikačních rozhraních, vstupech do střídačů a ve spojovacích boxech, aby se zabránilo nadměrným nákladům na ochranu celého zařízení. Používání modulárních vyměnitelných SPD usnadňuje údržbu a snižuje provozní náklady.

3. Snížení nákladů využitím přirozených protibleskových vlastností panelů

Některé vyspělé fotovoltaické moduly mají již integrovanou ochranu pomocí by-pass diod, nízkou indukčnost konstrukce nebo lepší konstrukci zemnících kontaktů, což do jisté míry zmírňuje vliv indukovaných blesků a zpětných zemních potenciálů. Při výběru zařízení upřednostňujte tyto produkty a kombinujte „lehký systém ochrany + spolupráci komponent“ pro výrazné snížení celkových nákladů na ochranu proti bleskům.

Pro uživatele plánující integrované fotovoltaické systémy (BIPV) je vhodné již v počáteční fázi návrhu integrovat systémy ochrany proti bleskům, uzemnění a SPD, aby bylo dosaženo optimálního propojení struktury a bezpečnosti.

Při implementaci ochrany proti bleskům nezapomínejte na tyto detaily:

• Fotovoltaické kabely by měly být vedeny mimo kovové konstrukce na střeše (např. antény, ohřívače vody), aby se snížily indukční cesty blesků;
• Všechny kabely procházející zdmi a střechami by měly být utěsněny, aby se předešlo zatékání a riziku požáru;
• SPD by měly být pravidelně kontrolovány na opotřebení, uvolněné nebo zkorodované vodiče;
• Na panelech nesmí být ukládány předměty, aby nedocházelo ke stínění, tvorbě horkých míst a riziku požáru.

Závěr

Letní bouřky jsou časté a ochrana fotovoltaických systémů proti bleskům není pouze formalitou pro splnění předpisů. Přímo ovlivňuje dlouhodobou stabilitu provozu a návratnost investice. Od výběru projektu, přes analýzu regionálního klimatu až po optimalizaci struktury systému a konfiguraci spotřeby – každý detail má vliv na dlouhodobou hodnotu investice do ochrany proti bleskům. Pouze zavedení stupňovitého hodnocení, přizpůsobení podle scénářů a správné realizace ochrany zajistí skutečně bezpečnou výrobu energie a dlouhodobě stabilní zisky pro uživatele fotovoltaické elektrárny.

Od roku 2008 se Maysun Solar věnuje výrobě vysoce kvalitních fotovoltaických modulů. Naše nabídka solárních panelů, včetně IBC, HJT, TOPCon a balkonových solárních elektráren, je vyráběna s využitím pokročilé technologie a nabízí vynikající výkon a garantovanou kvalitu. Maysun Solar úspěšně založil kanceláře a sklady v mnoha zemích a navázal dlouhodobá partnerství s nejlepšími instalačními firmami! Pro nejnovější cenové nabídky na solární panely nebo jakékoli dotazy ohledně fotovoltaiky nás kontaktujte. Jsme odhodláni vám sloužit a naše produkty nabízejí zaručenou spolehlivost.

Reference

IEC. (2010). IEC 62305 – Ochrana proti bleskům. Mezinárodní elektrotechnická komise (International Electrotechnical Commission). https://webstore.iec.ch/publication/2472
Phoenix Contact. (2023). Ochrana proti bleskům a přepětím pro fotovoltaické systémy. Phoenix Contact GmbH & Co. KG. https://www.phoenixcontact.com/en-us/products/lightning-and-surge-protection
SMA Solar Technology AG. (2022). Technické informace – Přepěťová ochrana pro měniče. SMA Solar Technology AG. https://www.sma.de/en/products/solar-inverters.html
Meteonorm. (2024). Globální meteorologická databáze pro inženýry a plánovače. Meteotest AG. https://meteonorm.com
Může se vám také líbit: