太陽能光電模組接地的長期安全可靠性考量

Rikio

太陽能光電模組接地是確保工作人員與使用環境安全的必然選項。太陽光電模組 (PV Module) 在太陽光電系統 (PV System) 中，是將太陽光能轉換為電能的主要元件，其會持續供應極大的電壓。因此，當太陽光電模組需要維修或拆卸替換時，工作人員將會高度曝露在電擊危險的狀況下；或是系統中即便因變流器 (Inverter) 發生故障而處於無電狀態，但因置於戶外的太陽光電模組仍具持續供電之持性，所以電擊危險亦不會隨之減少。
尤其當單一太陽光電模組串聯至光電陣列後，相關工作人員面臨的潛在電擊危險將是所有模組累積的電壓所造成；不僅如此，無論是商用或家用的太陽光電系統，皆常需架設在屋頂等高處，若架設周遭無更高建物，其使用的太陽能板即成為高處的唯一金屬體，更加提升雷擊的風險。接地系統除須提供必要的效能，在太陽光電系統使用期限動輒 40~50 年的情況下，該如何維持接地系統長期的安全可靠性亦是設計的重點考量。
接地的重要性與安全可靠性要求
目前的太陽光電系統安全規範中，UL 要求在產品的生命週期內，其邊框與邊框間須維持良好的機械及導電性質；美國國家電工法規 (NEC) 則要求任何有帶電可能性的金屬表面皆須確實接地，意即每個太陽光電模組的邊框皆應接地；此外，NEC 在 110.3 (B) 條文與 UL 1703 皆要求使用者需依循模組製造商提供的安裝手冊，使用其提供的零件，在邊框上的指定接點進行接地安裝。對於接地系統的重視， NEC 甚至在 250.124 (A) 條文中提到接地永遠是任何動作的首要步驟，也是最後一個步驟。換言之，人員唯有在系統有效接地的狀態下工作才是安全的。
接地系統的安裝位置設定必須遵守安全法規，如通過 UL 測試的模組邊框上所標示的接地接點，就是「唯一」適用於長時間接地的位置，其他如模組支架的鑽孔，即便依循合理的接地方式 — 支架與模組邊框之間，未必能成為長期有效的低電阻接地通路；但若安裝者使用的所有接地零件，包含螺帽、螺栓、墊片等都能通過「電性測試」，而零件安裝也通過力矩測試 (Terminal Torque Test)，則利用模組支架實現接地亦可視為可行方案。畢竟與銅導線的線徑相比，模組支架就如同更粗的導線，能提供更低的電阻而造成接地的效果。NEC 的 690.43 條文在 2008 年增修條文中，即明確指出：「通過列名與鑑定的接地零組件應被允許使用在太陽光電模組金屬邊框與模組支架之連結」。
現今業者常用的太陽光電模組邊框多為鋁框，而為增加其耐用性及美觀與安全，廠家大多會將其表面拋光、鍍膜和陽極處理 (Anodization)。
經過處理的鋁表面，極易因表面摩擦、刮傷造成金屬裸露，之後再與空氣中的水氧反應，而產生金屬氧化層 (Oxidation)。由於接地的基本要件是接地連續性 (Grounding Continuity)，因此線路必須長時間保有良好的導電性，並維持在低電阻的狀態，前述的金屬氧化層、塗層及陽極處理層皆是電的不良導體，即如同絕緣層，其絕緣能力不足以承受高電壓所造成的電擊風險，但卻足以增加接地的困難度。鑒於此，法規允許安裝者在將接地元件安裝到鋁框前，可先用磨砂紙或不鏽鋼刷去除鋁框表面的氧化層、陽極處理層或其他絕緣鍍層，然後在清潔後的鋁金屬表層塗佈上一層薄薄的抗氧化物質 (Antioxidant Compound) 加以保護，以確保接地長期有效。除前述的條件，接地連續性的可靠度也可透過模組的加速老化測試，如熱循環及濕冷測試等進行驗證。
其它的建議事項
模組製造商建議的接地方式應避免異金屬 (Dissimilar Metals) 接觸，尤其是電位差異太大的金屬 (>0.5V)，因為電位差會造成電流流通，而使得金屬接觸點更易產生電化學反應。又金屬介面尤在水氧豐富的環境下容易開始腐蝕。腐蝕不僅會使金屬生成氧化物，造成金屬本身的損失，也會減低金屬的強度、韌性、或產生裂痕 (Cracking)，永久破壞金屬材料屬性。以太陽光電模組目前最常使用的鋁邊框和銅導線等金屬材料，其中鋁和銅的電位差可高達 0.65V，更易造成腐蝕現象。 所以安裝銅和鋁元件時，應特別小心兩金屬的直接接觸。某些業者提供的銅製線架 (Lay-in Ground Lug) 會以鍍錫做為保護，而使用的螺絲、螺栓、墊片亦多為不鏽鋼材質，以確保鋁與銅金屬的隔絕。
UL 持續發展接地安全規範
針對接地的安全，目前國際尚未有一致性的標準，因此各模組廠商可自行開發各自的接地方式。然而基於接地在太陽光電系統的事關體大，UL 研發部門正積極投注資源進行接地零組件的全方位安全可靠性研究。除持續廣泛收集市場上常見接地零組件的資訊，UL 亦依循模組廠商的建議方法，將之安裝在金屬邊框，再施以高電流、及在高溫高濕和鹽霧環境下進行加速老化測試，直至接地連續性失效，以藉由相關的測試數據向下分析。此一研究成果，包括接地裝置的加速老化條件、接地失效模式、零組件可靠度評估，皆會進一步提供給 UL 標準制定單位，以做為增修現行 UL 1703 和 IEC 61730 之接地規範的重要參考依據。不過在條文尚未正式發表前，除目前的 NEC 相關闡述仍是產業界或檢驗者依循的規範，安裝者的基本常識、經驗以及正確的判斷，亦是太陽光電模組的接地可靠與否所仰賴的重要環節。