בטיחות מתקנים סולאריים – אתגרי יסוד, תקנים בינלאומיים ופתרונות קיימים
מערכות סולאריות הופכות לפופולאריות יותר ויותר ומותקנות בבתים, מפעלים, מרכזים מסחריים ועוד. כמתקן חשמלי בעל מאפיינים ייחודיים, המתקן הסולארי מעמיד מספר אתגרים בטיחותיים הדורשים מענה. כתבה זו עוסקת במספר אתגרי יסוד, בתקינה ורגולציה בינלאומית ובפתרונות טכנולוגיים קיימים
מיליוני מערכות סולאריות מותקנות ברחבי העולם ומאפשרות ייצור אנרגיה נקי באופן שהינו, לרוב, בטוח. גם בישראל, כמות ההתקנות עולה במהירות והטכנולוגיה מאומצת על ידי בעלי בתים, מפעלים, מרכזים מסחריים, חקלאים, משרדי ממשל ועוד.
בטיחות המתקן הסולארי היא אינטרס בסיסי של כולם: בעל המתקן, אנשים בסביבתו, גורמי חירום והצלה, חברות הביטוח ונוספים. כיוון שמתקנים סולאריים הם בסופו של יום מתקני ייצור חשמליים המותקנים באופן נרחב על מתקנים אזרחיים מסוגים שונים, בטיחות ותקלות הינם תרחיש עבודה סביר אשר יש להיערך לו ולמזער ככל שניתן את הסבירות להתרחשותו. בנוסף, אם התרחש אירוע בטיחות מכל סוג, יש לצמצם מראש את הנזק הפוטנציאלי על ידי ניהול גורמי הסיכון.
מתקן סולארי טיפוסי מורכב מהחלקים הבאים:
מערך פאנלים, המחוברים בשרשור באמצעות כבילה ("מחרוזת פאנלים").
ממיר זרם ישר לזרם חילופין אליו מחוברים מחרוזות הפאנלים. במערכת מסוג STRING הפאנלים יחוברו באופן ישיר לממיר. לחלופין, מערכת מסוג Module Level Power Electronics תכלול אופטימייזר או "מיקרו ממיר" המחובר לפאנל הבודד או למספר פאנלים בודדים.
צד ה-AC והחיבור לרשת אשר מורכב מלוח חשמל, מנתקים וכיוצא באלה.
אתגרי היסוד
מערכות סולאריות הן מתקנים חשמליים בעלי מאפיינים ייחודיים, אשר מייצרים מספר אתגרים בטיחותיים הדורשים מענה והתייחסות. להלן נעסוק במספר אתגרי יסוד, תקינה ורגולציה בינלאומית רלוונטית, ופתרונות טכנולוגיים קיימים אשר נותנים מענה ישיר לאתגרים אלו.
אתגר יסוד ראשון: "אי אפשר לכבות את השמש"
- פאנלים סולאריים בנויים כך שבעת חשיפה לקרינת השמש, נוצר מתח חשמלי. כיוון שכל פאנל, בממוצע, מייצר בעת חשיפה לשמש כ-40 וולט, שרשרת פאנלים מייצרת ביחד מתח גבוה בטווח של כ-400 וולט עד 1500 וולט (כתלות בסוג הממיר ואורכי מחרוזות הפאנלים). נדגיש, מתח זה נוצר בכל עת שהפאנלים נחשפים לקרינת השמש (קרי כל יום למשך שעות רבות).
- כיבוי הממיר הסולארי או ניתוק המתקן מרשת החשמל אמנם מכבה את הזרם העובר בכבילת המערכת, אך אינו מוריד את המתח בצד הפאנלים (מתח DC). מתח זה נוצר כאמור כתוצאה מחשיפה לאור השמש ללא תלות בממיר הסולארי או במתח בצד ה-AC.
- מתח גבוה הינו סיכון בטיחותי למתקין המערכת, לגורמי תחזוקה, שוכני המתקן או לוחמי אש אשר יעבדו בסביבות המתקן באירוע חירום.
אתגר יסוד שני: קשת חשמלית
- קשת חשמלית הינו כינוי לתופעה של מעבר מתמשך של זרם דרך גז (כגון אוויר) כתוצאה מהפרש מתחים. במערכת סולארית המורכבת מנקודות חיבור רבות וכבילה, קשת חשמלית יכולה להיווצר במקרה בו הכבילה אינה מחוברת כנדרש או פגומה.
- לקשתות חשמליות מספר תכונות בולטות: אור חזק וחום גבוה מאוד (מספיק כדי להמיס נחושת או אלומיניום). קשתות חשמליות הינן גורם שכיח להתלקחות ושריפה בכל מתקן חשמלי ובפרט במתקן סולארי.
- קשתות חשמליות עלולות "לחשמל" את המערכת, כולל הקונסטרוקציה, ולסכן את כל מי שבא במגע איתה.
- ככל שהמערכת ישנה יותר, כך גובר הסיכון לקשתות כתוצאה מהתיישנות הכבילה והתרופפות החיבורים (מערכות סולאריות מותקנות לטווח עבודה של כ-25 שנה).
בנוסף לאתגרים המוזכרים מעלה, מתקנים סולאריים המותקנים על גבי מקור מים, חשופים באופן טבעי לאתגרים נוספים כתוצאה מרוח, חשיפה למים, נזקי קורוזיה וכדומה.
דו"ח שהופק בשיתוף שירות הכבאות הבריטי אודות אירועי שריפה באתרים סולאריים מיפה מספר גורמים מרכזיים לאירועי שריפה ואת פוטנציאל הסיכון במקרה זה. בין הסיבות המרכזיות נמנו התקנה לקויה, שימוש ברכיבים פגומים או באיכות נמוכה, נזקי בעלי חיים כגון מכרסמים והשפעת מזג האוויר. בנוסף, מוקדי הסיכון אשר צויינו בדו"ח כוללים פוטנציאל התחשמלות כתוצאה ממתח גבוה בצד ה-DC (צד הפאנלים) וקריסת הגג העמוס בפאנלים תחת מתח גבוה.
המסקנה היא שכדי להבטיח את בטיחות המתקן הסולארי והגורמים אשר בסביבתו נדרש להתייחס למאפיינים החשמליים הייחודיים ולעשות שימוש בפתרונות יעודיים על מנת למזער את גורמי הסיכון למינימום ההכרחי.
תקני בטיחות בינלאומיים
קיימים מספר תקנים בינלאומיים אשר מגדירים דרישות בטיחותיות הנותנות מענה לאתגרים המתוארים מעלה. בחלק זה נסקור בקצרה את המרכזיים בהם.
NFPA 70: NEC 2017/2020
תקן בטיחות חשמלי אשר נכתב על ידי הארגון הלאומי להגנה מאש (NFPA) וכולל מספר פרקים המתייחסים באופן ספציפי למתקנים סולאריים. התקן הינו מחייב להתקנות סולאריות על גגות ברוב מדינות ארה"ב ועיקריו אומצו במדינות נוספות כגון תאילנד והפיליפינים. מטרת התקן הינה הבטחת הרמה הבטיחותית של ההתקנה והגנה במקרה הצורך על צוותי החירום הפועלים בסמוך להתקנה. לצד תקן NEC, קיים מספר תקני UL אשר מטרתם לאשר כי מוצר מסויים נבדק ומאושר לשימוש תחת הדרישות הכלולות בתקן NEC.
מפה המתארת את אימוץ קוד החשמל הלאומי (NEC) ברחבי ארה"ב
בתקן מספר סעיפים הנוגעים באופן ספציפי לאתר סולאריים:
Rapid Shut Down: 690.12: מעגלים של מערכות סולאריות המותקנים בתוך מבנים או על גגות מבנים יכללו מנגנון כיבוי מהיר כדי להגן על כוחות החירום על מנת לא לחשוף אותם לסכנת התחשמלות. מתח המוליכים הנמצאים "בתוך המערך הסולארי" יעמוד על לא יותר מ-30 וולט תוך 30 שניות מהפעלת מנגנון הכיבוי המהיר. מתח המוליכים הנמצאים "מחוץ למערך הסולארי" יעמוד על לא יותר מ-80 וולט תוך 30 שניות מהפעלת מנגנון הכיבוי המהיר.
ההגיון העומד בבסיס התקן עולה בקנה אחד עם האתגר הראשון המוזכר מעלה:
- גם אם המערכת כבויה, כל עוד השמש זורחת, מתח המערכת על הגג הינו גבוה באופן מסוכן.
- אמצעים ידניים להפחתת המתח על הפאנלים (קצף כיבוי, שמיכה) אינם אפקטיביים.
- באירוע חירום נדרשת פעולה אוטומטית ללא מגע יד אדם לטובת בטיחותו.
Arc-Fault Circuit Protection: 690.11: מערכות פוטו-וולטאיות במתח 80 וולט או למעלה מכך, חייבות להיות מוגנות באמצעות Arc-Fault Circuit Interrupter. אמצעי זה חייב:
- לזהות קשת חשמלית בצד ה-DC ולהפסיק את פעולת המערכת במקרה שהתגלתה.
- להתריע באופן יזום על גילוי הקשת.
IEC 63027
תקן חדש לממירים סולאריים אשר צפוי להיות מאושר בשנת 2022. בדומה לתקן UL1699B האמריקאי, גם תקן זה (הצפוי להיות מאומץ באירופה וחלקים נוספים בעולם) מגדיר דרישות לזיהוי ומניעת קשתות חשמליות במערכת סולארית.
מדינות נוספות מנסחות תקנים ברוח דומה – האחרונה שבהן היא תאילנד אשר בשנת 2021 פרסמה תקן בעל דרישות דומות לתקן NEC האמריקאי, הדורש יכולת הפחתת מתח מהירה (Rapid Shut Down) וזיהוי קשתות בכל התקנה סולארית המותקנת על גג.
עמידה בדרישות הבטיחות
מערכות מסוג Module Level Power Electronics בנויות בטופולוגיה אשר בבסיסה יכולה לתת מענה לאתגרי היסוד המוזכרים מעלה ולעמוד בתקינה הבינלאומית הרלוונטית, באופן מובנה ללא תוספת של רכיבים חיצוניים. מערכת מסוג MLPE הנפוצה ביותר כוללת "אופטימייזרים" המותקנים בצד ה-DC ומחוברים לכל פאנל או צד פאנלים בנפרד. חיבור ישיר לפאנל הבודד מאפשר את הפחתת מתח היציאה של הפאנל באופן נשלט ויזום כך שבעת הצורך, המתח החשמלי של כלל המערך יופחת לרמה בטוחה (לדוגמא עד 50 וולט).
המתח המקסימלי המותר לאחר כיבוי המערכת
למעשה, הטכנולוגיה פועלת כך שבברירת המחדל, המערכת אוכפת מתח בטוח כל עוד אין הוראה אקטיבית מצד הממיר הסולארי להעלות את המתח למתח העבודה המוגדר (לדוגמא 750 וולט). בנוסף, המתח מופחת באופן יזום לרמה בטוחה לאחר ניתוק ה-AC, כיבוי הממיר או בעת זיהוי קשת חשמלית או טמפרטורה חריגה. כך, לוחם האש לא נדרש לפעולה מיוחדת למעט ניתוק המתקן מרשת החשמל (פעולה אשר נעשית לרוב ממילא עם ההגעה לאתר באירוע שריפה).
יצויין כי שימוש באופטימייזרים מאפשר עמידה ברף בטיחותי גבוה אף יותר (מעל לדרישות התקנים):
- האופטימייזרים מאפשרים ניטור מדוייק וקפדני לאורך כל חלקי המערכת, דבר אשר מאפשר זיהוי תקלות ומניעת התפתחות של אירוע בטיחות.
- האופטימייזרים כוללים חיישנים תרמיים לזיהוי מדויק יותר של תקלות קשת חשמלית. גישה זו, הנותנת מענה בטיחותי המובנה בדרך הפעולה הטבעי של המערכת, אומצה גם על ידי חברות ביטוח בינלאומיות, כולל חברת FM GLOBAL אשר כללה זאת במסמך הדרישות ההנדסיות שלה.
סיכום והמלצות
- ככל שגדל מספרן של המערכות הסולאריות הנמצאות בשימוש, כך עולה ההסתברות לאירועי בטיחות, ובפרט מקרי שריפה. בישראל, בה התחום חדש יחסית, קיימת סבירות לא מבוטלת להתקנות "באיכות נמוכה" בהן פוטנציאל הסיכון גדל.
- נדרשת גישה בטיחותית הוליסטית אשר נותנת מענה לאתגרים החשמליים היחודיים, המאפיינים מערכת סולארית.
- קיימים מספר תקנים בינלאומיים המאומצים על ידי מדינות מובילות המחייבים שימוש במנגנונים טכנולוגיים, אשר תפקידם מזעור גורמי הסיכון וצמצום ההסתברות לאירועי בטיחות. הדרישות המרכזיות הן ליכולות הפחתת מתח מהירה (Rapid Shut Down) וזיהוי קשתות חשמליות (Arc Fault Detection).
- מזה שנים רבות שבעולם מוצעות טכנולוגיות שונות הנותנות מענה לאתגרי היסוד ואשר עומדות בתקינה הבינלאומית. הטכנולוגיה המוכרת בעולם היא מסוג MLPE ויתרונה טמון בכך שהמענה הניתן הינו מובנה בטופולוגיה ללא צורך בתוספת רכיבים משניים.
- יצויין כי באמצעות רכיבים משלימים, גם ממירים סולאריים מסוג STRING יכולים לעמוד בתקינה המוזכרת ולאפשר הפחתת מתח על הגג לרמה בטוחה.
- ההמלצה היא לאמץ בישראל הוראות ברוח דומה לתקינה האמריקאית (בדגש על יכולת הפחתת המתח על הגג/מאגר המים) לטובת בטיחות כל אדם המצוי בסמוך למתקנים הסולאריים, לרבות גורמי חירום והצלה.
