انواع کابل های خورشیدی: سیم PV، کابل های USE-2 و AC توضیح داده شده است

تمایز تعیین کننده بین انواع کابل های خورشیدی این است که آیا آنها برای دفن مستقیم در آرایه فتوولتائیک DC یا برای اتصال AC بین اینورتر و شبکه برق طراحی شده اند. سیم PV (UL 4703) تنها نوع کابلی است که هم برای دفن مستقیم و هم قرار گرفتن مداوم در معرض نور خورشید در آرایه DC، با درجه رطوبت 90 درجه سانتیگراد و درجه خشکی 150 درجه سانتیگراد است که برای سیستم های اینورتر بدون ترانسفورماتور غیر زمینی که در ولتاژ 1000 یا 1500 ولت DC کار می کنند، اجباری است. کابل USE-2، اگرچه هنوز برای دفن مستقیم فهرست شده است، اما فاقد درجه مقاومت کامل در برابر نور خورشید و دمای بالاتری است که آرایه های ولتاژ بالا مدرن نیاز دارند.

چهار دسته اصلی کابل خورشیدی

یک سیستم فتوولتائیک شامل مناطق الکتریکی متمایز است که هر کدام توسط یک نوع کابل خاص و مجموعه ای از الزامات نصب مربوطه تحت قانون ملی برق (NEC) ماده 690 کنترل می شود.

سیم PV، فهرست شده در UL 4703 و استاندارد موضوع UL 4703، یک کابل تک هادی با عایق پلی اتیلن متقاطع (XLPE). و یک ژاکت بیرونی مقاوم در برابر نور خورشید. برای آن رتبه بندی شده است 600 ولت، 1000 ولت یا 2000 ولت بسته به ضخامت عایق، با نوع 2000 ولت مشخص شده برای آرایه های مقیاس کاربردی 1500 VDC. عایق XLPE پایداری ترموست را فراهم می کند، به این معنی که کابل مقاومت دی الکتریک و خواص مکانیکی خود را حتی پس از قرار گرفتن طولانی مدت در معرض حداکثر دمای عملیاتی هادی 90 درجه سانتیگراد مرطوب و 150 درجه سانتیگراد خشک حفظ می کند. رسانای مسی قلع‌شده، که طبق استاندارد ASTM B174 کلاس B یا C رشته‌بندی شده است، در برابر اثرات خورنده رطوبتی که در عایق در طول دهه‌ها خدمت نفوذ می‌کند، مقاومت می‌کند. سیم PV تنها کابل در صنعت خورشیدی است که حامل الف امتیاز شعله VW-1 و درجه دفن مستقیم به طور همزمان، هم نیاز ایمنی آتش در تاسیسات پشت بام و هم نیاز مسیریابی زیرزمینی در سیستم های جمع آوری DC روی زمین را برآورده می کند.

کابل USE-2، ساخته شده با استاندارد UL 854 و به رسمیت شناخته شده توسط NEC ماده 338، یک کابل تک هادی است که برای ورودی خدمات زیرزمینی رتبه بندی شده است. استفاده می کند عایق XLPE از نظر شیمی با سیم PV یکسان است، اما از یک روکش ضخیم تر و مستحکم تر استفاده می کند که برای مقاومت در برابر سایش مکانیکی ناشی از کشیدن کانال زیرزمینی و تماس مستقیم با زمین طراحی شده است. درجه ولتاژ آن به 600 ولت محدود شده است و حداکثر دمای هادی آن است 90 درجه سانتی گراد مرطوب و 90 درجه سانتی گراد خشک ، یک محدودیت بحرانی در مقایسه با سیم PV. عدم وجود درجه بندی خشکی 150 درجه سانتیگراد به این معنی است که USE-2 را نمی توان در هوای آزاد در یک آرایه پشت بام استفاده کرد که در آن دمای صفحه پشتی ماژول به طور معمول به 75 درجه سانتیگراد تا 85 درجه سانتیگراد می رسد و افزایش دمای هادی تحت بار کامل عایق را به ناحیه اضافه بار حرارتی فشار می دهد.

کابل TC-ER، کابل سینی در معرض نمایش رتبه بندی شده، به عنوان تنه جمع آوری DC بین جعبه ترکیب کننده و ورودی اینورتر، یا بین چندین اینورتر رشته در یک پیکربندی زنجیره ای دیزی عمل می کند. TC-ER یک مجموعه چند رسانا است، معمولاً سه هادی به اضافه زمین، با یک عایق داخلی PVC و یک روکش بیرونی نایلونی یا PVC. برای آن رتبه بندی شده است 600 ولت و 90 درجه سانتی گراد خشک ، و فهرست آن اجازه مسیریابی در سینی کابل بدون مجرا برای اجرای در معرض را می دهد. ساختار چند هادی سیم‌کشی را در مقایسه با کشیدن کابل‌های تک هادی ساده‌تر می‌کند، اما روکش PVC تحت اشعه ماوراء بنفش تخریب می‌شود، بنابراین TC-ER باید هنگام نصب در فضای باز و زیر نور مستقیم خورشید محصور شود.

سیم ساختمان THHN/THWN-2، در حالی که یک کابل خورشیدی اختصاصی نیست، در سمت AC خروجی اینورتر تا پانل خدمات اصلی یا نقطه اتصال برق شهری ظاهر می شود. رتبه بندی شده است 600 ولت و 90 درجه سانتی گراد خشک, 75°C wet با روکش نایلونی روی عایق PVC، مقرون به صرفه، به طور گسترده در دسترس است و برای تمام سیم کشی های AC داخلی پایین دست اینورتر مطابقت دارد. مقاومت آن در برابر نور خورشید صفر است و هیچ فهرست دفن مستقیمی ندارد، بنابراین استفاده از آن به شدت محدود به مسیرهای مسابقه داخلی، مجراها و پانل های ترکیبی AC محصور است.

جدول مشخصات مقایسه ای انواع کابل خورشیدی

انتخاب کلاس ولتاژ و انتقال 1500 ولت

تغییر معماری سیستم 1000 VDC به 1500 VDC در نیروگاه‌های فتوولتائیک در مقیاس شهری، جریان جمع‌آوری DC را تقریباً به میزان یک سوم برای همان توان توان کاهش می‌دهد و تعداد جعبه‌های ترکیب‌کننده، فیدرهای DC و ترانشه‌های مرتبط را به نسبت مشابه کاهش می‌دهد. با این حال، ولتاژ بالاتر الزامات عایق سخت تری را تحمیل می کند. یک آرایه 1500 VDC نیاز به سیم PV دارد 2000 VDC ، نه 1000 VDC. ضخامت عایق روی سیم PV 2000 ولت تقریباً است 2.4 میلی متر برای 10 هادی AWG، در مقایسه با 1.14 میلی متر برای نوع 1000 ولت . این افزایش ضخامت دیواره انعطاف‌پذیری کابل را کاهش می‌دهد و حداقل شعاع خمش را افزایش می‌دهد، عاملی که مدیریت سیم را در جعبه‌های اتصال ماژول و محفظه‌های DC اینورتر پیچیده می‌کند.

استاندارد IEC 62930 که در خارج از آمریکای شمالی در سطح جهانی اعمال می شود، الزامات عملکرد کابل های PV 1500 ولت را هماهنگ می کند. حداقل مقاومت عایق را مشخص می کند 10 MΩ·km در 20 درجه سانتی گراد ، رقمی که در طول آزمایش تولید کارخانه روی هر قرقره قبل از حمل و نقل تأیید شده است. آزمایش میدانی سیم PV 1500 ولت نصب شده با مگاهم متر 5000 ولت باید مقادیر مقاومت عایق کمتر از 4 MΩ در هر رشته قبل از اینکه رشته به اینورتر متصل شود، یک دروازه راه اندازی که آسیب نصب به ژاکت یا مهر و موم های اتصال نادرست MC4 را مشخص می کند.

کاهش درجه حرارت و اصلاح ampacity

جداول ampacity در ماده 310.15 NEC دمای محیط را 30 درجه سانتیگراد فرض می کند و بیش از سه هادی حامل جریان در یک مسیر مسابقه نمی باشد. یک سیستم جمع آوری DC خورشیدی به طور معمول هر دو فرض را نقض می کند. در یک پشت بام در فینیکس، آریزونا، جایی که دمای هوای محیط 12 اینچ بالاتر از سطح سقف در یک بعد از ظهر تابستان به 65 درجه سانتیگراد می رسد، ضریب تصحیح دما برای سیم PV با درجه 90 درجه سانتیگراد است. 0.58 مطابق جدول NEC 310.15 (B) (1) (1). بنابراین یک سیم PV 10 AWG با آمپر 30 درجه سانتیگراد 40 آمپر کاهش می یابد. 23.2 آمپر در 65 درجه سانتی گراد اگر همان سیم با سه رشته دیگر حامل جریان در یک مجرا برای فاصله بیش از 24 اینچ همراه باشد، یک ضریب تنظیم اضافی از 0.80 اعمال می شود و باعث کاهش بیشتر ampacity مجاز به 18.6 آمپر می شود.

نتیجه این است که یک هادی 10 AWG که در نگاه اول برای جریان رشته ای 9 آمپری بسیار بزرگ به نظر می رسد، در تقریباً 50٪ از ظرفیت کاهش یافته آن پس از اصلاحات دما و بسته بندی . روش مهندسی برای سیستم‌های پشت بام، 10 AWG را به عنوان حداقل اندازه سیم PV برای اتصالات متقابل ماژول مشخص می‌کند، با 8 AWG مورد نیاز برای هادی‌های خانگی که بیش از دو رشته را سرو می‌کنند، یک قانون کلی که از داده‌های دمای پشت بام در بدترین حالت به‌جای یک استاندارد ثابت مشتق شده است.

شیمی عایق و مزیت XLPE

مواد عایق یک کابل خورشیدی را از سیم ساختمانی عمومی بیشتر از هر ویژگی دیگر متمایز می کند. XLPE، پلی اتیلن متقاطع مورد استفاده در سیم PV و USE-2، یک ماده ترموست است، به این معنی که زنجیره های پلیمری در طول فرآیند پخت به صورت شیمیایی به هم متصل می شوند. پس از اتصال متقابل، مواد نمی توانند ذوب شوند یا در هنگام گرم شدن جریان پیدا کنند. یک سیم PV که در معرض دمای رسانای 150 درجه سانتیگراد قرار می گیرد، شکل فیزیکی و استحکام دی الکتریک خود را حفظ می کند، در حالی که یک سیم THHN عایق شده با PVC در همان دما نرم می شود، جریان می یابد و یک اتصال کوتاه داخلی ایجاد می کند.

فرآیند پیوند متقاطع، که توسط یک درمان رطوبت مبتنی بر سیلان یا تابش پرتو الکترونی به دست می‌آید، مقاومت عایق را در برابر جریان سرد تحت فشار نیز بهبود می‌بخشد. هنگامی که یک سیم PV بین قاب ماژول و ریل نصب گیر می کند، عایق XLPE در برابر مجموعه فشاری که دیواره عایق PVC را به مرور زمان نازک می کند، مقاومت می کند. ضخامت دیوار حائل پس از 1000 ساعت بارگذاری فشاری در 90 درجه سانتیگراد معمولاً 85٪ تا 90٪ ضخامت اصلی برای XLPE است، در مقایسه با 60٪ یا کمتر برای PVC. . این ویژگی در یک آرایه فتوولتائیک که در آن گیره های ماژول و گیره های سیم، نقاط فشار موضعی را اعمال می کنند که برای عمر طراحی 25 ساله سیستم باقی می مانند، ضروری است.

سازگاری کانکتور و استاندارد MC4

خود کابل خورشیدی فقط هادی است. پایان کانکتور نقطه خرابی در سطح سیستم است. استاندارد صنعت کانکتور MC4 است که در ابتدا توسط Multi-Contact توسعه داده شد و اکنون تحت مجوز بیش از دوجین تامین کننده جهانی تولید می شود. MC4 رتبه بندی شده است 1500 VDC و جریان پیوسته 30 آمپر با سیم PV 4 میلی متر مربع یا 6 میلی متر مربع (12 AWG تا 10 AWG) و در هنگام جفت شدن دارای رتبه حفاظتی IP68 است، به این معنی که در برابر غوطه ور شدن مداوم در عمق 1 متری آب مقاومت می کند.

قانون اساسی برای قابلیت اطمینان، همگنی اتصال است: اتصال دهنده های نر و ماده در یک رشته واحد باید از یک سازنده باشند. جفت شدن کانکتور آمفنول H4 با Staubli MC4 واقعی، علیرغم سازگاری فیزیکی و فهرست UL، خطر خوردگی گالوانیکی را در رابط تماس ایجاد می کند زیرا فلزات پایه و ضخامت های آبکاری متفاوت هستند. مقاومت تماس حاصل، که با یک میلی‌اهم‌متر چهار سیم اندازه‌گیری می‌شود، ممکن است از مقدار قابل قبولی شروع شود 0.5 میلی اهم اما می تواند افزایش یابد 5 میلی اهم یا بیشتر در عرض سه سال چرخه حرارتی، که در آن نقطه حرارت I²R در کانکتور از دمای کابل اطراف فراتر رفته و اکسیداسیون را تسریع می کند. خرابی های میدانی که در اتصالات ناهماهنگ ردیابی می شوند، رایج ترین ادعای بیمه در سیستم های پشت بام مسکونی است.

الزامات هادی اتصال زمین و تجهیزات

رسانای زمینی تجهیزات (EGC) در یک آرایه خورشیدی به عنوان مسیر برگشت جریان خطا عمل می کند و باید اندازه ای داشته باشد تا جریان اتصال کوتاه کامل آرایه را بدون تجاوز از دمای نامی آن حمل کند. جدول NEC 250.122 اندازه EGC را بر اساس رتبه‌بندی دستگاه حفاظت اضافه جریان تنظیم می‌کند، اما برای اینورترهای بدون ترانسفورماتور که تشخیص خطای زمین DC یکپارچه است، یک EGC کوچکتر از بزرگترین هادی مدار DC با بهترین روش مهندسی توصیه می‌شود، حتی زمانی که اندازه کوچک‌تر توسط کد مجاز باشد. یک سیم PV 10 AWG که به عنوان هادی مثبت DC غیر زمینی استفاده می شود باید با الف همراه باشد حداقل 10 AWG EGC ، اندازه در 690.45 از NEC.

برای سمت AC، EGC بین اینورتر و پانل خدمات اصلی معمولاً یک هادی THHN/THWN-2 با عایق سبز است که در جدول 250.122 بر اساس رتبه حفاظت از اضافه جریان خروجی AC اینورتر اندازه‌گیری می‌شود. یک بریکر خروجی اینورتر 40 آمپر نیاز به یک حداقل 10 AWG مس EGC . EGC یک رسانای حامل جریان در عملکرد عادی نیست، اما باید بتواند جریان کامل خطای زمین را برای مدت زمانی که دستگاه اضافه جریان برای رفع عیب لازم است، انجام دهد، مدت زمانی که معمولا برای قطع کننده های مدار محدود کننده جریان مدرن کمتر از 0.1 ثانیه است.

مدیریت کابل و محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش

حتی سیم PV مقاوم در برابر نور خورشید نیاز به محافظت فیزیکی در برابر لبه های تیز، آسیب حیات وحش، و تخریب متمرکز UV در نقاط تنش دارد. کابل‌های روی یک آرایه روی زمین از طریق سینی کابل فلزی یا پلی اتیلن با چگالی بالا (HDPE) عبور داده می‌شوند که با کابل‌های فولادی ضد زنگ در فواصل زمانی که بیشتر از آن نباشد محکم می‌شوند. 1.5 متر . اتصالات کابل نباید عایق را بیش از حد فشرده کنند. کشش اتصال بیش از مشخصات سازنده می تواند عایق XLPE را به صورت سرد جریان دهد و ضخامت دیواره در نقطه اتصال را تا 50 درصد در یک چرخه حرارتی کاهش دهد.

در تاسیسات پشت بام، سیم PV باید توسط گیره های کابل یا کانال های مدیریت سیم یکپارچه با قاب ماژول از سطح سقف حمایت شود. تماس مستقیم بین روکش کابل و زونا آسفالت گرما را از سطح سقف به کابل منتقل می کند و دمای هادی را به میزان تخمینی افزایش می دهد. 5 تا 10 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای هوای محیط ، حاشیه ای که می تواند دمای رسانا را در صورت ترکیب با جریان بار کامل و تشعشع صفحه پشتی ماژول به فراتر از درجه رطوبت 90 درجه سانتی گراد برساند. کابل همچنین باید برای جلوگیری از ایستادن آب در نقاط پایین سقف، جایی که چرخه‌های انجماد و ذوب از طریق انبساط و انقباض مکرر تشکیلات یخ به کت فشار می‌آورند، کشیده شود.