W niemieckiej normie wyrobów dla balkonowych systemów fotowoltaicznych VDE V 0126-95:2025-12 limit mocy wyjściowej prądu przemiennego wynosi 800 VA, a limit zainstalowanej mocy prądu stałego 2 kWp. Opiera się to głównie na badaniach Josepha Bergnera z Berlińskiego Uniwersytetu Nauk Stosowanych i Technologii (HTW Berlin). Niniejszy artykuł krótko przedstawia te badania, umieszczając je w kontekście historii rozwoju tej technologii ku wiadomości czytelników.
Już w 2017 roku, osobno, Niemieckie Stowarzyszenie Solarne (DGS) zleciło specjalistyczne badanie firmie PI Berlin, które dowiodło, że ten poziom mocy jest bezpieczny dla instalacji elektrycznych w niemieckich budynkach. Podczas opracowywania normy VDE V 0126-95:2025-12 (lata 2020–2025) zwiększona moc modułów PV i niższe koszty stworzyły wyraźny popyt rynkowy na balkonowe urządzenia PV o wyższej mocy. Specyfikacja 800 W, przyjęta już wówczas w Austrii, cieszyła się w Niemczech dużym poparciem społecznym. Ponadto prawnie dopuszczalna górna granica mocy wtyczkowych systemów PV (moc modułu) została zdefiniowana w niemieckiej ustawie o odnawialnych źródłach energii (EEG) jako nieprzekraczająca 2 kWp. Dlatego głównym celem badawczym Bergnera było sprawdzenie, czy systemy balkonowej PV o mocach AC/DC sięgających 800 VA/2 kWp znacząco zwiększają ryzyko bezpieczeństwa elektrycznego. Gdyby tak było, norma produktowa musiałaby te limity obniżyć.
W rzeczywistości potencjalne ryzyko bezpieczeństwa systemów balkonowej PV wynika głównie z wpływu nakładania się prądu wyjściowego PV z mocą sieciową.
W przeciwieństwie do dachowych, rozproszonych systemów PV, urządzenia balkonowe PV łączą się bezpośrednio z istniejącymi obwodami końcowymi i mogą pracować równolegle z innymi ich częściami, jak pokazano na poniższym diagramie. Prąd w przewodzie B może być sumą prądów z A (sieć) i C (balkonowa PV). Przewód B nie został pierwotnie zaprojektowany do przenoszenia dodatkowego prądu z instalacji balkonowej PV. Zatem, w skrajnym scenariuszu, należy ocenić, czy nałożenie maksymalnego prądu sieciowego i maksymalnego prądu PV na przewodzie B może prowadzić do pożaru lub innych zagrożeń z powodu przeciążenia linii.
Diagram: PI Berlin
Zgodnie z normą VDE 0298-4, jego prąd znamionowy In wynosi 16 A, a maksymalny prąd ciągły to In × 1,13, czyli 18,1 A. Norma wymaga, aby urządzenia zabezpieczające nadprądowe nie zadziałały w ciągu co najmniej jednej godziny przy tym prądzie.
Moc wyjściowa 800 VA balkonowej PV odpowiada prądowi 3,48 A. Dlatego w opisanym najgorszym przypadku maksymalny prąd w przewodzie B wynosi około 21,6 A. Ten warunek pracy nazywany jest „Maksymalnym Przewidywalnym Obciążeniem” (niem. Größtmögliche Anzunehmende Belastung, GAB).
Należy zaznaczyć, że GAB to stan teoretyczny, praktycznie niemożliwy do zaistnienia w rzeczywistym użytkowaniu energii elektrycznej w gospodarstwach domowych.
Wykorzystując niemieckie dane meteorologiczne, Bergner zasymulował typową roczną generację systemu balkonowej PV o mocy zainstalowanej 2 kWp i mocy przyłączeniowej falownika do sieci 800 VA. Na podstawie rocznej krzywej generacji obliczył prąd wyjściowy w różnych momentach i nałożył go na maksymalny ciągły prąd sieciowy 18,1 A, aby uzyskać maksymalny prąd całkowity w każdej chwili, jak pokazano poniżej.
Diagram: DKE
Bardziej przejrzysty wykres czasu trwania natężenia prądu przedstawia natężenie prądu na osi poziomej w funkcji całkowitego rocznego czasu trwania (w minutach, skala logarytmiczna) na osi pionowej (patrz poniżej). Wykazuje on, że natężenie prądu osiąga 21,6 A przez ponad 1000 godzin (60 000 minut) rocznie, co jest wynikiem wysokiego stosunku mocy DC/AC systemu PV.
Diagram: HTW Berlin
Zakładając, że przewód B jest zainstalowany metodą A2¹, maksymalny przyrost temperatury w punkcie B oblicza się według wzoru z raportu PI Berlin z 2017 roku:
ΔT = 0,0615 * I^2,3347.
Przyjmując temperaturę otoczenia 25°C, dla maksymalnego ciągłego prądu 18,1 A, maksymalny przyrost temperatury przewodu B wynosi 53°C, co daje 78°C. Po dodaniu prądu PV o wartości 3,5 A, maksymalny przyrost temperatury wynosi 80°C, osiągając 105°C.
Dalsze obliczenia wykazały, że łączny roczny czas, w którym przewód B osiąga 105°C, przekracza 10 000 minut. Czas ten jest krótszy niż czas, w którym prąd osiąga 21,6 A, ponieważ generacja PV jest zmienna, co skraca warunek GAB i zapobiega osiągnięciu przez przewód temperatury szczytowej.
Diagram: HTW Berlin
105°C jest znacznie poniżej temperatury zapłonu powszechnych materiałów budowlanych. Na przykład PVC, często używane do izolacji przewodów, zapala się przy 390°C. Oznacza to, że ryzyko pożaru można wykluczyć nawet w ekstremalnych warunkach GAB.
Jednak 105°C przekracza długoterminową dopuszczalną temperaturę pracy PVC, przyspieszając jego starzenie. Teoretycznie sugeruje to, że systemy balkonowej PV mogłyby zwiększyć ryzyko uszkodzenia izolacji przewodu B. Późniejsze badania Bergnera w dużej mierze rozwiązały tę wątpliwość.
Wykorzystując typowe krzywe obciążenia mocą elektryczną w niemieckich gospodarstwach domowych z wcześniejszych badań HTW, Bergner połączył je z krzywymi generacji balkonowej PV, aby zasymulować scenariusze maksymalnego obciążenia, jakie obwód końcowy z balkonową PV może napotkać w praktyce. Poniższe diagramy pokazują rozkład czasu trwania natężenia prądu w przewodzie (skala logarytmiczna, minuty) oraz rozkład czasu trwania temperatury przewodu (minuty, pominięto czasy poniżej 60°C).
Diagram: HTW Berlin
Diagram: HTW Berlin
Rozkład natężenia prądu pokazuje, że po zainstalowaniu systemu balkonowej PV (zielona linia) czas trwania wysokich prądów (powyżej 8 A) w przewodzie jest faktycznie krótszy niż przed instalacją (niebieska linia). Dzieje się tak, ponieważ gniazdo balkonowej PV i urządzenia dużej mocy są zazwyczaj podłączone do różnych obwodów, a moc wyjściowa PV może częściowo kompensować zapotrzebowanie na moc z sieci. Rozkład temperatury pokazuje, że roczny czas, w którym temperatura przekracza 95°C, liczony jest w minutach, a czasy trwania wysokich temperatur po instalacji (zielone) są krótsze niż przed (niebieskie). Ogólny rozkład temperatury po instalacji jest również nieco niższy. Krótko mówiąc, przewód pracuje chłodniej z systemem balkonowej PV.
Podsumowując, bezpieczeństwo systemów balkonowej PV 2 kWp/800 VA można sprowadzić do dwóch punktów:
¹ Metoda A2 polega na instalacji przewodu w warstwie izolacji termicznej ściany. Wśród powszechnych metod instalacji cechuje się najsłabszym rozpraszaniem ciepła i prowadzi do najwyższych temperatur kabla.
Niemiecka norma wyrobów dla balkonowych systemów fotowoltaicznych VDE V 0126-95:2025-12 zawiera wymagania dotyczące szybkiego wyłączanifalowników PVa . Główne prace badawczo-techniczne dla tej sekcji przeprowadził Hermann Laukamp z Instytutu Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (Fraunhofer ISE), członek komitetu opracowującego normę. Próbki falowników do testów dostarczył inny członek komitetu, Marcus Vietzke z Indielux GmbH. Poniżej przedstawiono te prace badawcze.
Systemy balkonowej PV stawiają dodatkowe wymogi dotyczące skuteczności wyłączania falownika, ponieważ wtyczka wyjściowa AC falownika może być wtykana lub wyjmowana pod napięciem, a falownik posiada pewną pojemność.
Po odłączeniu pozostałe napięcie i energia na stykach wtyczki nie powinny stwarzać zagrożenia porażeniem prądem. Laukamp odniósł się tutaj do punktu 22.5 normy bezpieczeństwa urządzeń gospodarstwa domowego VDE 060335-1: w ciągu 1 sekundy po wyjęciu wtyczki pozostałe napięcie na stykach nie może przekraczać 34 V. (Uwaga 1) Falowniki niespełniające powyższego warunku napięciowego są nadal uznawane za bezpieczne przez Laukampa i komitet opracowujący normę, jeśli pozostała energia po wyjęciu wtyczki nie przekracza 350 mJ. (Uwaga 2) Poniższe zdjęcie przedstawia stanowisko testowe zbudowane przez Laukampa:
Źródło/Obraz: DKE
Podczas testów Laukamp stwierdził, że dla niektórych falowników czas zaniku pozostałego napięcia do 34 V przekraczał 1 sekundę. Jak pokazano poniżej, karmazynowa krzywa na ekranie oscyloskopu przedstawia zmianę napięcia na wyjściu falownika, a żółta krzywa to sygnał wyzwalający.
Krzywa testu pozostałego napięcia. Wtyczka falownika znajduje się w stanie obwodu otwartego po wyzwoleniu. Źródło/Obraz: DKE
Typowy wynik testu pozostałej energii wtyczki pokazano poniżej. Po wyłączeniu pozostały prąd i moc gwałtownie spadają do zera. Pozostałe napięcie najpierw szybko rośnie, a następnie stopniowo zanika do zera w ciągu kilkudziesięciu milisekund. Pozostała energia to całka z mocy po czasie.
Krzywe napięcia (niebieska), prądu (zielona) i mocy (karmazynowa) z testu pozostałej energii. Wyjście falownika podłączone jest do rezystora 1,2 kΩ (imitującego równoważną impedancję ciała ludzkiego). Źródło/Obraz: DKE
Spośród 13 przetestowanych próbek falowników pięć miało czas zaniku pozostałego napięcia do 34 V dłuższy niż 1 sekunda.
Wykres przedstawia czas zaniku pozostałego napięcia do 34 V dla różnych próbek falowników. Oś pionowa to czas (w sekundach). Niebieskie słupki oznaczają wartość średnią z testu, pomarańczowe – wartość maksymalną, a czerwona linia wyznacza 1 sekundę. Źródło/Obraz: DKE
Tylko jedna próbka, marki Letrica, miała średni zmierzony poziom pozostałej energii przekraczający 350 mJ (czas zaniku pozostałego napięcia tej próbki był krótszy niż 1 sekunda).
Wykres przedstawia wyniki testów pozostałej energii dla różnych próbek falowników. Oś pionowa to energia (w mJ). Niebieskie słupki reprezentują wartość średnią z testu, pomarańczowe wartość maksymalną, a czerwona linia odpowiada 350 mJ. Źródło/Obraz: DKE
Na podstawie powyższych wyników testów wszystkie 13 przetestowanych próbek uznano za zgodne z normą bezpieczeństwa falowników dla systemów balkonowej PV.
Uwaga 1: Niemiecka norma VDE 60335-1 wywodzi się z normy IEC 60335-1. Poniżej fragment normy IEC 60335-1:2020:
22.5 Urządzenia przeznaczone do podłączenia do zasilania za pomocą wtyczki lub poprzez włożone styki powinny być skonstruowane tak, aby w normalnym użytkowaniu nie było ryzyka porażenia prądem przy dotknięciu styków, w przypadku kondensatorów o pojemności równej lub większej niż 0,1 μF podłączonych między dowolnymi dwoma stykami.
Zgodność sprawdza się następującym badaniem.
Urządzenie jest zasilane napięciem znamionowym. Dowolny przełącznik jest następnie ustawiany w pozycji wyłączonej, a urządzenie odłączane od zasilania w momencie szczytu napięcia. Jedną sekundę po odłączeniu napięcie między stykami wtyczki mierzy się przyrządem o impedancji wejściowej nie mniejszej niż 100 MΩ, równolegle z pojemnością wejściową nie większą niż 25 pF. Napięcie nie powinno przekraczać 34 V.
Jeśli zgodność zależy od działania obwodów elektronicznych, badania zjawisk elektromagnetycznych z punktów 19.11.4.3 i 19.11.4.4 stosuje się do urządzenia pojedynczo. Badanie pomiaru napięcia między stykami wtyczki powtarza się następnie trzykrotnie, przy czym napięcie nie może przekroczyć 34 V w żadnym przypadku.
Uwaga 2: Poniżej fragment normy IEC 60335-1:2020:
8.1.4 Część dostępna nie jest uznawana za część pod napięciem w następujących przypadkach.
Część jest zasilana napięciem bezpiecznego pozapięciowego pod warunkiem, że dla prądu przemiennego wartość szczytowa napięcia nie przekracza 42,4 V. Dla prądu stałego napięcie nie przekracza 42,4 V.
Lub część jest oddzielona od części pod napięciem impedancją ochronną. Jeżeli zastosowano impedancję ochronną, prąd między częścią a zasilaniem nie może przekraczać 2 mA dla prądu stałego, a jego wartość szczytowa nie może przekraczać 0,7 mA dla prądu przemiennego. Pojemność nie może przekraczać 0,1 μF dla napięć o wartości szczytowej przekraczającej 42,4 V, do wartości 450 V włącznie. Wyładowanie nie może przekraczać 45 μC dla napięć o wartości szczytowej przekraczającej 450 V, do wartości 15 kV włącznie. Energia wyładowania nie może przekraczać 350 mJ dla napięć o wartości szczytowej przekraczającej 15 kV.
Zgodność sprawdza się poprzez pomiar, przy zasilaniu urządzenia napięciem znamionowym. Napięcie i prąd mierzy się między daną częścią a każdym biegunem zasilania. Wyładowanie mierzy się natychmiast po przerwaniu zasilania. Ładunek i energię wyładowania mierzy się za pomocą rezystora o znamionowej rezystancji bezindukcyjnej 2000 Ω. Ładunek oblicza się z sumy wszystkich obszarów zarejestrowanych na wykresie napięcie/czas, niezależnie od polaryzacji napięcia. Szczegóły odpowiedniego obwodu do pomiaru prądu podano na rysunku 4 normy IEC 60990:2016.
Wydaje się, że kryterium bezpieczeństwa stosowane przez Laukampa – gdzie energia wyładowania nieprzekraczająca 350 mJ jest uznawana za bezpieczną – prawdopodobnie nie pochodzi z punktu 8.1.4, lecz ma inne źródło. Wynika to z faktu, że w punkcie 8.1.4 energia 350 mJ odpowiada napięciom o wartości szczytowej przekraczającej 15 kV, a nie cywilnemu napięciu przemiennemu niskiemu (o wartości szczytowej około 325 V).
W części 1, „Podstawa techniczna normy VDE dla balkonowej PV (1): Ograniczenie mocy”, zaznaczono, że podczas opracowywania niemieckiej normy dla balkonowej PV czerpano z praktycznego doświadczenia i regulacji mocy obowiązujących w takich krajach jak Holandia, Szwajcaria i Austria. Po dalszej analizie autor stwierdza jednak, że z perspektywy bezpieczeństwa elektrycznego systemy balkonowej PV w tych krajach zasadniczo różnią się od systemów w Niemczech. Nie można po prostu stwierdzić, że skoro systemy te mają dobrą historię bezpieczeństwa w tych krajach, są równie bezpieczne w Niemczech lub gdziekolwiek indziej.
Dlaczego?
Poniżej znajduje się tabela porównawcza specyfikacji przewodów w obwodach końcowych mieszkań dla kilku krajów europejskich oraz Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC). Dla tego samego przewodu miedzianego 1,5 mm² prąd znamionowy wynosi 13 A w Austrii i Szwajcarii, ale 16 A w Niemczech. Oznacza to, że zgodnie ze szwajcarskimi lub austriackimi normami elektrycznymi margines bezpieczeństwa elektrycznego przewodu jest o 3 A większy niż w Niemczech (niższy prąd znamionowy pozwala na podłączenie mniejszego obciążenia urządzeń, co daje większy margines bezpieczeństwa elektrycznego dla przewodu).
Uwagi: (1) Na podstawie starych norm sprzed 2015 r.; (2) Przeliczone z wartości dla 30°C; (3) Wartość minimalna (metoda instalacji A2); (4) „?” = nieznane, przypuszczalnie wartość IEC przy temperaturze otoczenia 25°C.
Zgodnie z niemiecką normą DIN VDE 0298-4, przy temperaturze otoczenia 25°C ciągły prąd 16,5 A płynący przez miedziany przewód 1,5 mm² uznaje się za nieniosący ryzyka przeciążenia. Jeśli ta norma jest słuszna, to dla Szwajcarii i Austrii system balkonowej PV o mocy przyłączeniowej do sieci 800 W (odpowiadającej 3,5 A) nie stanowiłby ryzyka przeciążenia przewodu. Jest to fundamentalnie inne założenie od scenariusza rozważanego przy formułowaniu niemieckiej normy VDE V 0126-95 dla balkonowej PV – czyli ryzyka przeciążenia z powodu ciągłego prądu 21,6 A płynącego przez przewód!
W Holandii standardowy przekrój miedzianego przewodu w domowych obwodach końcowych wynosi 2,5 mm², z prądem znamionowym 16 A. Przy temperaturze otoczenia 25°C dopuszczalny prąd ciągły to 18,3 A. Stąd Holandia ustala maksymalny prąd dla balkonowej PV na 2,25 A, co odpowiada mocy przyłączeniowej 520 W. Gdyby zastosować holenderską metodę obliczania maksymalnego prądu, niemiecki maksymalny prąd i moc balkonowej PV wynosiłyby odpowiednio zaledwie 0,5 A i 115 W.
Aby sprostać wymaganiom niemieckiego rynku, norma VDE dla balkonowej PV podniosła limit mocy przyłączeniowej tych systemów do 800 W, co faktycznie oznacza odejście od pierwotnej logiki ram standardów elektrycznych. Ryzyko techniczne jest zatem teoretycznie wyższe niż w Holandii, Szwajcarii i Austrii.
Co więcej, szwajcarski limit mocy przyłączeniowej dla balkonowej PV wynosi 600 W, a nie 800 W. Szwajcaria ustaliła ten limit po wszechstronnym uwzględnieniu dopuszczalnego prądu ciągłego dla przewodu miedzianego 1,5 mm² przy 22°C (2,3 A), dopuszczalnego prądu dla standardowej wtyczki euro 50075 (2,5 A) oraz holenderskiej normy dla balkonowej PV (2,25 A) – jest to zatem podejście relatywnie ostrożne.
Maksymalna moc przyłączeniowa dla balkonowej PV w Austrii wynosi 800 W.
Obraz: Mariana Serdynska/Shutterstock
Chińska norma bezpieczeństwa urządzeń gospodarstwa domowego GB/T 4706.1-2024 opiera się na normie IEC 60335.1-2016, a jej wymagania dotyczące prądu znamionowego kabli są zgodne z IEC. Jeśli Chiny miałyby opracować normę dla balkonowej PV, autor ma nadzieję, że zainteresowane strony obiektywnie przeanalizują normę VDE i przeprowadzą rygorystyczne, niezależne analizy naukowe jej treści. W końcu ceny energii elektrycznej i koszty pracy w Chinach znacznie różnią się od niemieckich, a balkonowa PV w Chinach jest obecnie bardziej luksusem niż koniecznością.
Główne źródło dla tego artykułu: raport z 2019 roku „STECKERFERTIGE, NETZGEKOPPELTE KLEINST-PV-ANLAGEN” autorstwa dr. Thomasa Erge i innych z Instytutu Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej (Fraunhofer ISE) w Niemczech.
