Tipi di cavi solari: spiegazione del cavo fotovoltaico, dei cavi USE-2 e CA

La distinzione decisiva tra i tipi di cavi solari è se sono progettati per l'interramento diretto nel campo fotovoltaico CC o per l'interconnessione CA tra l'inverter e la rete pubblica. Il filo fotovoltaico (UL4703) è l'unico tipo di cavo classificato sia per l'interramento diretto che per l'esposizione continua alla luce solare nell'array CC, con una classificazione sul bagnato di 90°C e una classificazione sul secco di 150°C, che lo rende obbligatorio per i sistemi inverter senza trasformatore senza messa a terra funzionanti a 1.000 o 1.500 volt CC. Il cavo USO-2, sebbene sia ancora indicato per l'interramento diretto, non dispone della valutazione completa di resistenza alla luce solare e di un margine di temperatura più elevato richiesto dai moderni array ad alta tensione.

Le quattro categorie primarie di cavi solari

Un sistema fotovoltaico contiene zone elettriche distinte, ciascuna governata da un tipo di cavo specifico e da una serie corrispondente di requisiti di installazione ai sensi dell'articolo 690 del Codice elettrico nazionale (NEC). I quattro tipi di cavi che compaiono in un sistema adeguatamente progettato dall'array al punto di interconnessione sono i seguenti.

Il filo fotovoltaico, elencato in UL 4703 e nella norma in oggetto UL 4703, è un cavo a conduttore singolo con isolamento in polietilene reticolato (XLPE). e una giacca esterna resistente alla luce solare. È valutato per 600 V, 1.000 V o 2.000 V a seconda dello spessore dell'isolamento, con la variante da 2.000 V specificata per array su scala industriale da 1.500 V CC. L'isolamento XLPE fornisce stabilità termoindurente, il che significa che il cavo mantiene la rigidità dielettrica e le proprietà meccaniche anche dopo un'esposizione prolungata alla temperatura operativa massima del conduttore di 90°C umidi e 150°C asciutti. Il conduttore in rame stagnato, intrecciato secondo ASTM B174 Classe B o C, resiste agli effetti corrosivi dell'umidità che permea l'isolamento per decenni di servizio. Il filo fotovoltaico è l'unico cavo nel settore solare che trasporta un Grado di fiamma VW-1 e grado di sepoltura diretta contemporaneamente, soddisfacendo sia i requisiti di sicurezza antincendio nelle installazioni sui tetti che i requisiti di posa sotterranea nei sistemi di raccolta DC montati a terra.

Il cavo USE-2, costruito secondo UL854 e riconosciuto dall'articolo 338 di NEC, è un cavo a conduttore singolo classificato per l'ingresso di servizio sotterraneo. Utilizza Isolamento XLPE identico dal punto di vista chimico al cavo fotovoltaico, ma applica una guaina più spessa e robusta progettata per resistere all'abrasione meccanica dovuta al passaggio attraverso il condotto sotterraneo e al contatto diretto con la terra. La sua tensione nominale è limitata a 600 V e la temperatura massima del conduttore lo è 90°C umido e 90°C asciutto , una limitazione critica rispetto al filo fotovoltaico. L'assenza di una classificazione a secco di 150°C significa che USE-2 non può essere utilizzato all'aria aperta all'interno di un sistema sul tetto dove le temperature del backsheet del modulo raggiungono normalmente tra 75°C e 85°C e l'aumento della temperatura del conduttore a pieno carico spinge l'isolamento nel territorio del sovraccarico termico.

Il cavo TC-ER, classificato per cavo a passerella esposto, funge da dorsale di raccolta CC tra la scatola di combinazione e l'ingresso dell'inverter o tra più inverter di stringa in una configurazione con collegamento a margherita. TC-ER è un gruppo multiconduttore, tipicamente tre conduttori più terra, con isolamento interno in PVC e rivestimento esterno in nylon o PVC. È valutato per 600 V e 90°C a secco e il suo elenco consente l'instradamento in passerella portacavi senza condotto per il tratto esposto. La struttura multiconduttore semplifica il cablaggio rispetto alla posa di singoli cavi a conduttore singolo, ma la guaina in PVC si degrada sotto la radiazione ultravioletta, quindi TC-ER deve essere chiuso se installato all'aperto alla luce solare diretta.

Il cavo dell'edificio THHN/THWN-2, pur non essendo un cavo solare dedicato, è presente sul lato CA dell'uscita dell'inverter fino al pannello di servizio principale o al punto di interconnessione della rete. Valutato 600 V e 90°C a secco, 75°C wet , con una guaina in nylon su isolamento in PVC, è conveniente, ampiamente disponibile e conforme alle normative per tutti i cablaggi CA interni a valle dell'inverter. La sua resistenza alla luce solare è pari a zero e non è indicato per l'interramento diretto, quindi il suo utilizzo è strettamente limitato a canaline interne, condotti e pannelli combinatori CA chiusi.

Tabella delle specifiche comparative per i tipi di cavi solari

Selezione della classe di tensione e transizione a 1.500 V

Il passaggio dalle architetture di sistema da 1.000 V CC a 1.500 V CC negli impianti fotovoltaici su scala industriale riduce la corrente di raccolta CC di circa un terzo a parità di potenza erogata, riducendo in una proporzione simile il numero di quadri elettrici, alimentatori CC e scavi associati. Tuttavia, la tensione più elevata impone requisiti di isolamento più severi. Un array da 1.500 V CC richiede un cavo FV classificato per 2.000 VCC , non 1.000 VCC. Lo spessore dell'isolamento su un cavo FV da 2.000 V è di circa 2,4 mm per conduttori da 10 AWG, rispetto a 1,14 mm per la variante da 1.000 V . Questo maggiore spessore della parete riduce la flessibilità del cavo e aumenta il raggio di curvatura minimo, un fattore che complica la gestione dei cavi all'interno delle scatole di giunzione dei moduli e degli involucri CC dell'inverter.

Lo standard IEC 62930, applicato a livello globale al di fuori del Nord America, armonizza i requisiti prestazionali per i cavi fotovoltaici da 1.500 V. Specifica una resistenza di isolamento minima di 10 MΩ·km a 20°C , valore verificato durante i test di produzione in fabbrica su ogni bobina prima della spedizione. Il test sul campo del cavo FV installato da 1.500 V con un megaohmmetro da 5.000 V deve fornire valori di resistenza di isolamento non inferiori a 4 MΩ per stringa prima che la stringa venga collegata all'inverter, un gate di messa in servizio che identifichi danni di installazione alla guaina o guarnizioni del connettore MC4 crimpate in modo errato.

Declassamento della temperatura e correzione dell'ampiezza

Le tabelle di portata nell'articolo 310.15 NEC presuppongono una temperatura ambiente di 30°C e non più di tre conduttori che trasportano corrente in una canaletta. Un sistema di raccolta solare CC viola abitualmente entrambi i presupposti. Su un tetto a Phoenix, in Arizona, dove la temperatura dell'aria ambiente a 12 pollici sopra la superficie del tetto raggiunge i 65°C in un pomeriggio estivo, il fattore di correzione della temperatura per il cavo FV classificato a 90°C è 0.58 secondo la tabella NEC 310.15(B)(1)(1). Un cavo FV da 10 AWG con una portata di 40 A a 30°C viene quindi declassato a 23,2 amp a 65°C. Se lo stesso filo è raggruppato con altre tre stringhe che trasportano corrente in un condotto per una distanza superiore a 24 pollici, un fattore di aggiustamento aggiuntivo di 0.80 si applica, riducendo ulteriormente la portata consentita a 18,6 A.

Il risultato è che un conduttore da 10 AWG, che a prima vista appare generosamente sovradimensionato per una corrente di stringa da 9 A, funziona a quasi il 50% della sua capacità ridotta dopo le correzioni della temperatura e del raggruppamento . La pratica ingegneristica per i sistemi su tetto specifica 10 AWG come dimensione minima del cavo FV per le interconnessioni dei moduli, con 8 AWG richiesti per conduttori home-run che servono più di due stringhe, una regola empirica derivata dai dati sulla temperatura del tetto nel caso peggiore piuttosto che da uno standard fisso.

Chimica dell'isolamento e vantaggio dell'XLPE

Il materiale isolante differenzia un cavo solare dal filo da costruzione per uso generale più di qualsiasi altro attributo. XLPE, il polietilene reticolato utilizzato nei cavi fotovoltaici e USE-2, è un materiale termoindurente, il che significa che le catene polimeriche vengono reticolate chimicamente durante il processo di polimerizzazione. Una volta reticolato, il materiale non può sciogliersi o fluire quando riscaldato. Un filo FV esposto a una temperatura del conduttore di 150°C mantiene la sua forma fisica e rigidità dielettrica, mentre un filo THHN isolato in PVC alla stessa temperatura si ammorbidirebbe, scorrerebbe e creerebbe un cortocircuito interno.

Il processo di reticolazione, ottenuto mediante indurimento con umidità a base di silano o irradiazione con fascio di elettroni, migliora anche la resistenza dell'isolante al flusso freddo sotto compressione. Quando un cavo FV viene schiacciato tra il telaio del modulo e la guida di montaggio, l'isolamento XLPE resiste alla compressione che assottiglierebbe la parete isolante in PVC nel tempo. Lo spessore del muro trattenuto dopo 1.000 ore di carico di compressione a 90°C rappresentano tipicamente dall'85% al 90% dello spessore originale per l'XLPE, rispetto al 60% o meno per il PVC . Questa proprietà è essenziale in un impianto fotovoltaico in cui i morsetti dei moduli e i fermagli per cavi applicano punti di pressione localizzati che persistono per i 25 anni di vita prevista del sistema.

Compatibilità dei connettori e standard MC4

Il cavo solare stesso è solo il conduttore; la terminazione del connettore è il punto di errore a livello di sistema. Lo standard del settore è il connettore MC4, originariamente sviluppato da Multi-Contact e ora prodotto su licenza da oltre una dozzina di fornitori globali. L'MC4 è classificato per Corrente continua da 1.500 V CC e 30 A con cavo FV da 4 mm² o 6 mm² (da 12 AWG a 10 AWG) e mantiene un grado di protezione IP68 quando accoppiato, il che significa che resiste all'immersione continua in 1 metro d'acqua.

La regola fondamentale per l'affidabilità è l'omogeneità del connettore: i connettori maschio e femmina su una singola stringa devono provenire dallo stesso produttore. L'accoppiamento di un connettore Amphenol H4 con un connettore Staubli MC4 originale, nonostante la compatibilità fisica e l'elenco UL, introduce un rischio di corrosione galvanica sull'interfaccia di contatto perché i metalli di base e gli spessori della placcatura differiscono. La resistenza di contatto risultante, misurata da un milliohmmetro a quattro fili, può iniziare a un valore accettabile 0,5 milliohm ma può salire a 5 milliohm o più entro tre anni del ciclo termico, a quel punto il riscaldamento I²R sul connettore supera la temperatura del cavo circostante e accelera l'ossidazione. I guasti sul campo riconducibili a connettori non corrispondenti rappresentano la richiesta di indennizzo assicurativa più comune sui sistemi su tetto residenziali.

Requisiti dei conduttori di messa a terra e di collegamento delle apparecchiature

Il conduttore di messa a terra dell'apparecchiatura (EGC) in un campo solare funge da percorso di ritorno della corrente di guasto e deve essere dimensionato per trasportare l'intera corrente di cortocircuito del campo senza superare la temperatura nominale. La tabella NEC 250.122 regola il dimensionamento dell'EGC in base alla classificazione del dispositivo di protezione da sovracorrente, ma per gli inverter senza trasformatore in cui è integrato il rilevamento del guasto a terra CC, un EGC non più piccolo del conduttore del circuito CC più grande è raccomandato dalle migliori pratiche ingegneristiche, anche quando una dimensione inferiore è consentita dal codice. Un cavo FV da 10 AWG utilizzato come conduttore positivo CC senza messa a terra deve essere accompagnato da a EGC minimo 10 AWG , dimensionato per 690,45 del NEC.

Per il lato CA, l'EGC tra l'inverter e il pannello di servizio principale è generalmente un conduttore THHN/THWN-2 con isolamento verde, dimensionato secondo la Tabella 250.122 in base al grado di protezione da sovracorrente in uscita CA dell'inverter. Un interruttore di uscita dell'inverter da 40 A richiede a EGC in rame minimo 10 AWG . L'EGC non è un conduttore che trasporta corrente durante il normale funzionamento, ma deve essere in grado di condurre l'intera corrente di guasto a terra per il tempo necessario al dispositivo di sovracorrente per eliminare il guasto, una durata generalmente inferiore a 0,1 secondi per i moderni interruttori automatici limitatori di corrente.

Gestione dei cavi e protezione dall'esposizione ai raggi UV

Anche i cavi fotovoltaici resistenti alla luce solare richiedono protezione fisica contro spigoli vivi, danni alla fauna selvatica e degradazione UV concentrata nei punti di stress. I cavi su un array con montaggio a terra vengono instradati attraverso un portacavi metallico o in polietilene ad alta densità (HDPE), fissato con fascette in acciaio inossidabile a intervalli non superiori a 1,5 metri . Le fascette non devono comprimere eccessivamente l'isolante; una tensione di collegamento superiore alle specifiche del produttore può far scorrere a freddo l'isolamento XLPE e ridurre lo spessore della parete nel punto di collegamento del 50% in un singolo ciclo termico.

Nelle installazioni sul tetto, il cavo FV deve essere sostenuto dalla superficie del tetto tramite fermacavi o canali di gestione dei cavi integrati nel telaio del modulo. Il contatto diretto tra la guaina del cavo e le tegole in asfalto trasferisce il calore dalla superficie del tetto al cavo, aumentando la temperatura del conduttore di una quantità stimata Da 5°C a 10°C sopra la temperatura dell'aria ambiente , un margine che può spingere la temperatura del conduttore oltre i 90°C nominali in condizioni di bagnato se combinato con la corrente a pieno carico e l'elevata radiazione del backsheet del modulo. Il cavo deve inoltre essere posato in modo da evitare ristagni d'acqua nei punti bassi del tetto, dove i cicli di gelo-disgelo sollecitano la guaina attraverso la ripetuta espansione e contrazione delle formazioni di ghiaccio.