Vrste solarnih kabela: objašnjenje PV žice, USE-2 i AC kabela

Definirajuća razlika među vrstama solarnih kabela je jesu li dizajnirani za izravno ukopavanje u istosmjerni fotonaponski niz ili za izmjenično povezivanje između pretvarača i električne mreže. PV žica (UL 4703) je jedina vrsta kabela ocijenjena za izravno ukopavanje i kontinuirano izlaganje sunčevoj svjetlosti u DC nizu, s 90°C vlažnom ocjenom i 150°C suhom ocjenom, što ga čini obaveznim za neuzemljene inverterske sustave bez transformatora koji rade na 1000 ili 1500 volti DC. KORIŠTENJE-2 kabel, iako je još uvijek na popisu za izravno ukopavanje, nema potpunu ocjenu otpornosti na sunčevu svjetlost i višu temperaturnu visinu koju zahtijevaju moderni visokonaponski nizovi.

Četiri primarne kategorije solarnih kabela

Fotonaponski sustav sadrži različite električne zone, a svaka je podređena određenom vrstom kabela i odgovarajućim skupom instalacijskih zahtjeva prema članku 690. Nacionalnog električnog kodeksa (NEC). Četiri vrste kabela koje se pojavljuju u ispravno projektiranom sustavu od niza do točke međusobnog povezivanja su sljedeće.

PV žica, navedena prema UL 4703 i predmetnom standardu UL 4703, je jednožilni kabel s izolacija od umreženog polietilena (XLPE). i vanjsku jaknu otpornu na sunčevu svjetlost. Ocjenjuje se za 600 V, 1000 V ili 2000 V ovisno o debljini izolacije, s varijantom od 2.000 V specificiranom za nizove za 1.500 VDC. XLPE izolacija osigurava duroplastičnu stabilnost, što znači da kabel zadržava svoju dielektričnu čvrstoću i mehanička svojstva čak i nakon produljenog izlaganja maksimalnoj radnoj temperaturi vodiča od 90°C mokro i 150°C suho. Pokositreni bakreni vodič, upleten prema ASTM B174 klasa B ili C, otporan je na korozivne učinke vlage koja prožima izolaciju tijekom desetljeća upotrebe. PV žica je jedini kabel u solarnoj industriji koji nosi a VW-1 ocjena plamena i izravna ocjena ukopa istovremeno, zadovoljavajući zahtjeve zaštite od požara u krovnim instalacijama i zahtjeve podzemnog usmjeravanja u sustavima za prikupljanje istosmjerne struje postavljenim na zemlju.

Kabel USE-2, izrađen prema UL 854 i priznat prema članku 338 NEC-a, je jednožilni kabel namijenjen za podzemni servisni ulaz. Koristi se XLPE izolacija identičan po kemiji fotonaponskoj žici, ali ima deblji, robusniji omotač dizajniran da izdrži mehaničku abraziju provlačenja kroz podzemni vod i izravni kontakt sa uzemljenjem. Njegov nazivni napon ograničen je na 600 V, a maksimalna temperatura vodiča je 90°C mokro i 90°C suho , kritično ograničenje u usporedbi s PV žicom. Nepostojanje suhe ocjene od 150°C znači da se USE-2 ne može koristiti u slobodnom zraku unutar krovnog niza gdje temperature stražnje ploče modula rutinski dosežu 75°C do 85°C, a porast temperature vodiča pod punim opterećenjem gura izolaciju u područje toplinskog preopterećenja.

TC-ER kabel, nosivost kabela s izloženom nominalnom dužinom, služi kao DC skupni kanal između kombinirane kutije i inverterskog ulaza ili između više string invertera u lančanoj konfiguraciji. TC-ER je sklop s više vodiča, obično tri vodiča plus uzemljenje, s PVC unutarnjom izolacijom i najlonskim ili PVC vanjskim omotačem. Ocjenjuje se za 600 V i 90°C suho , a njegov popis dopušta usmjeravanje u nosač kabela bez cijevi za izloženi dio. Konstrukcija s više vodiča pojednostavljuje ožičenje u usporedbi s izvlačenjem pojedinačnih jednožilnih kabela, ali PVC omotač se degradira pod ultraljubičastim zračenjem, tako da TC-ER mora biti zatvoren kada se postavlja na otvorenom na izravnoj sunčevoj svjetlosti.

THHN/THWN-2 građevinska žica, iako nije namjenski solarni kabel, pojavljuje se na strani izmjenične struje izlaza pretvarača do glavne servisne ploče ili točke međusobnog povezivanja. Ocijenjeno 600 V i 90°C suho, 75°C wet , s najlonskim omotačem preko PVC izolacije, isplativ je, široko dostupan i usklađen s kodovima za sve unutarnje AC ožičenje nizvodno od pretvarača. Njegova otpornost na sunčevu svjetlost jednaka je nuli i nema izravnog popisa za ukopavanje, tako da je njegova upotreba strogo ograničena na unutarnje kanale, vodove i zatvorene AC kombinirane ploče.

Tablica usporednih specifikacija za vrste solarnih kabela

Odabir klase napona i prijelaz od 1500 V

Prelazak s arhitekture sustava od 1000 VDC na 1500 VDC u fotonaponskim postrojenjima na razini komunalnih usluga smanjuje struju skupljanja istosmjerne struje za približno jednu trećinu za istu propusnost snage, smanjujući broj kutija za kombiniranje, DC dovodnika i povezanog kopanja rovova u sličnom omjeru. Međutim, viši napon nameće strože zahtjeve za izolaciju. Niz od 1500 VDC zahtijeva fotonaponsku žicu za 2000 VDC , a ne 1000 VDC. Debljina izolacije na 2000 V PV žici je približno 2,4 mm za 10 AWG vodiče, u usporedbi s 1,14 mm za varijantu od 1000 V . Ova povećana debljina stijenke smanjuje fleksibilnost kabela i povećava minimalni radijus savijanja, faktor koji komplicira upravljanje žicama unutar razvodnih kutija modula i inverterskih DC kućišta.

Norma IEC 62930, koja se primjenjuje globalno izvan Sjeverne Amerike, usklađuje zahtjeve performansi za 1500 V fotonaponske kabele. Određuje minimalni otpor izolacije od 10 MΩ·km na 20°C , brojka provjerena tijekom testiranja tvorničke proizvodnje na svakom kolutu prije otpreme. Terensko ispitivanje instalirane PV žice od 1500 V s megaommetrom od 5000 V mora dati vrijednosti izolacijskog otpora ne manje od 4 MΩ po nizu prije nego što se žica spoji na pretvarač, vrata za puštanje u rad koja prepoznaju instalacijska oštećenja na plaštu ili nepravilno spojene brtve MC4 konektora.

Smanjenje nazivne temperature i korekcija jačine struje

Tablice jakosti struje u članku 310.15 NEC-a pretpostavljaju temperaturu okoline od 30°C i ne više od tri vodiča s strujom u kanalu. Solarni DC sustav sakupljanja rutinski krši obje pretpostavke. Na krovu u Phoenixu, Arizona, gdje temperatura okolnog zraka 12 inča iznad površine krova doseže 65°C tijekom ljetnog poslijepodneva, faktor korekcije temperature za PV žicu s oznakom 90°C je 0.58 prema NEC tablici 310.15(B)(1)(1). PV žica od 10 AWG s strujom od 40 ampera na 30°C stoga je degradirana na 23,2 ampera na 65°C. Ako je ta ista žica u snopu s tri druge žice koje nose struju u cjevovodu na udaljenosti većoj od 24 inča, dodatni faktor prilagodbe od 0.80 primjenjuje se, dodatno smanjujući dopuštenu struju na 18,6 ampera.

Rezultat je da vodič od 10 AWG, koji se na prvi pogled čini velikodušno prevelikim za struju žice od 9 ampera, radi na gotovo 50% svog smanjenog kapaciteta nakon korekcije temperature i snopa . Inženjerska praksa za krovne sustave navodi 10 AWG kao minimalnu veličinu PV žice za međuspoje modula, s 8 AWG potrebnim za kućne vodiče koji opslužuju više od dva niza, što je pravilo izvedeno iz podataka o temperaturi krova u najgorem slučaju, a ne fiksni standard.

Izolacijska kemija i prednost XLPE

Izolacijski materijal razlikuje solarni kabel od građevinske žice opće namjene više nego bilo koji drugi atribut. XLPE, umreženi polietilen koji se koristi u PV žici i USE-2, duroplast je materijal, što znači da su polimerni lanci kemijski umreženi tijekom procesa stvrdnjavanja. Jednom umrežen, materijal se ne može topiti niti teći kada se zagrijava. PV žica izložena temperaturi vodiča od 150°C zadržava svoj fizički oblik i dielektričnu čvrstoću, dok bi PVC-om izolirana THHN žica na istoj temperaturi omekšala, tekla i stvorila unutarnji kratki spoj.

Proces umrežavanja, postignut stvrdnjavanjem na bazi silana u vlazi ili zračenjem elektronskim snopom, također poboljšava otpornost izolacije na hladno strujanje pod pritiskom. Kada se fotonaponska žica uklješti između okvira modula i montažne tračnice, XLPE izolacija otporna je na kompresiju koja bi s vremenom istanjila PVC izolacijski zid. Zadržana debljina stijenke nakon 1000 sati tlačnog opterećenja na 90°C obično je 85% do 90% izvorne debljine za XLPE, u usporedbi sa 60% ili manje za PVC . Ovo je svojstvo bitno u fotonaponskom nizu gdje stezaljke modula i žičane kopče primjenjuju lokalizirane točke pritiska koje traju tijekom 25-godišnjeg životnog vijeka sustava.

Kompatibilnost konektora i MC4 standarda

Sam solarni kabel je samo vodič; završetak konektora je točka kvara na razini sustava. Industrijski standard je MC4 konektor, koji je izvorno razvio Multi-Contact, a sada ga prema licenci proizvodi preko desetak svjetskih dobavljača. MC4 je ocijenjen za 1500 VDC i 30 ampera kontinuirane struje s 4 mm² ili 6 mm² (12 AWG do 10 AWG) PV žice , a održava ocjenu zaštite od prodora IP68 kada se spoji, što znači da podnosi kontinuirano uranjanje u 1 metar vode.

Kritično pravilo za pouzdanost je homogenost konektora: muški i ženski konektori na jednom nizu moraju biti od istog proizvođača. Spajanje Amphenol H4 konektora s originalnim Staubli MC4, usprkos njihovoj fizičkoj kompatibilnosti i UL popisu, predstavlja rizik od galvanske korozije na kontaktnom sučelju jer se osnovni metali i debljine oplate razlikuju. Rezultirajući kontaktni otpor, mjeren četverožičnim miliohmmetrom, može početi na prihvatljivoj 0,5 miliohma ali se može popeti na 5 miliohma ili više unutar tri godine toplinskog ciklusa, u kojoj točki I²R zagrijavanje na konektoru premašuje temperaturu okolnog kabela i ubrzava oksidaciju. Kvarovi na terenu povezani s neusklađenim konektorima najčešća su potraživanja osiguranja na stambenim krovnim sustavima.

Zahtjevi za vodiče za uzemljenje i spajanje opreme

Vodič za uzemljenje opreme (EGC) u solarnom nizu služi kao povratni put struje kvara i mora biti dimenzioniran da nosi punu struju kratkog spoja niza bez prekoračenja njegove nazivne temperature. NEC Tablica 250.122 upravlja dimenzioniranjem EGC-a na temelju ocjene prekostrujnog zaštitnog uređaja, ali za izmjenjivače bez transformatora u koje je integrirano detektiranje DC kvara na zemlji, najboljom inženjerskom praksom preporučuje se EGC ne manji od najvećeg vodiča istosmjernog kruga, čak i kada je manja veličina dopuštena kodeksom. PV žica od 10 AWG koja se koristi kao neuzemljeni DC pozitivni vodič mora biti popraćena a najmanje 10 AWG EGC , veličine prema 690,45 NEC-a.

Za AC stranu, EGC između pretvarača i glavne servisne ploče obično je THHN/THWN-2 vodič sa zelenom izolacijom, veličine prema tablici 250.122 na temelju ocjene AC izlazne prekostrujne zaštite pretvarača. Izlazni prekidač invertera od 40 A zahtijeva a najmanje 10 AWG bakreni EGC . EGC nije vodič kroz koji teče struja u normalnom radu, ali mora biti sposoban provoditi punu struju zemljospoja tijekom vremena potrebnog da prekostrujni uređaj otkloni kvar, što je obično manje od 0,1 sekunde za moderne prekidače s ograničenjem struje.

Upravljanje kabelima i zaštita od UV zračenja

Čak i PV žica otporna na sunčevu svjetlost zahtijeva fizičku zaštitu od oštrih rubova, oštećenja divljih životinja i koncentrirane UV degradacije na točkama stresa. Kabeli na nizu za ugradnju na tlo provlače se kroz metalne nosače kabela ili police od polietilena visoke gustoće (HDPE), pričvršćene kabelskim vezicama od nehrđajućeg čelika u razmacima koji ne prelaze 1,5 metara . Kabelske vezice ne smiju previše stisnuti izolaciju; napetost spojnice koja premašuje specifikaciju proizvođača može hladno razviti XLPE izolaciju i smanjiti debljinu stijenke na mjestu vezivanja za 50% unutar jednog toplinskog ciklusa.

U krovnim instalacijama, PV žica mora biti poduprta od krovne površine pomoću kabelskih kopči ili kanala za upravljanje žicama integriranim u okvir modula. Izravan kontakt između omotača kabela i asfaltne šindre prenosi toplinu s površine krova na kabel, podižući temperaturu vodiča za procijenjenu 5°C do 10°C iznad temperature okolnog zraka , margina koja može gurnuti temperaturu vodiča iznad njegove mokre vrijednosti od 90°C u kombinaciji sa strujom punog opterećenja i visokim zračenjem stražnjeg sloja modula. Kabel također mora biti usmjeren kako bi se izbjegla stajaća voda u nižim točkama krova, gdje ciklusi smrzavanja i odmrzavanja opterećuju plašt kroz opetovano širenje i skupljanje ledenih formacija.