Aurinkokaapeleiden tyypit: PV Wire, USE-2 & AC-kaapelit selitetty

Aurinkokaapelityyppien ratkaiseva ero on se, onko ne suunniteltu suoraan haudattavaksi DC-aurinkosähköjärjestelmään vai vaihtosuuntaajan ja sähköverkon väliseen vaihtovirtaliitäntään. PV-johto (UL 4703) on ainoa kaapelityyppi, joka on mitoitettu sekä suoraan hautaamiseen että jatkuvaan auringonvalolle DC-ryhmässä, ja sen kosteusluokitus on 90 °C ja kuivauslämpötila 150 °C, joten se on pakollinen maadoittamattomissa muuntajattomissa invertterijärjestelmissä, jotka toimivat 1 000 tai 1 500 voltin tasajännitteellä. KÄYTTÖ-2-kaapeli, vaikka se on edelleen listattu suoraan hautaamiseen, puuttuu täydellisestä auringonvalon kestävyydestä ja korkeammista lämpötiloista, joita nykyaikaiset suurjännitejärjestelmät vaativat.

Neljä ensisijaista aurinkokaapeliluokkaa

Aurinkosähköjärjestelmä sisältää erilliset sähkövyöhykkeet, joista kutakin säätelee tietty kaapelityyppi ja vastaava asennusvaatimussarja National Electrical Code (NEC) artiklan 690 mukaisesti. Neljä kaapelityyppiä, jotka esiintyvät oikein suunnitellussa järjestelmässä ryhmästä liitäntäpisteeseen, ovat seuraavat.

UL 4703:n ja aihestandardin UL 4703 mukaan lueteltu PV-johto on yksijohtiminen kaapeli, jossa ristisilloitettu polyeteeni (XLPE) eriste ja auringonvaloa kestävä ulkotakki. Se on luokiteltu 600 V, 1 000 V tai 2 000 V eristeen paksuudesta riippuen 2 000 V:n versiolla, joka on määritetty 1 500 VDC:n sähkömittausjärjestelmille. XLPE-eristys tarjoaa lämpökovettuvan vakauden, mikä tarkoittaa, että kaapeli säilyttää dielektrisen lujuutensa ja mekaaniset ominaisuutensa myös sen jälkeen, kun se on altistettu johtimen maksimikäyttölämpötilalle 90°C märkänä ja 150°C kuivana. Tinattu kuparijohdin, joka on kerrostettu ASTM B174 luokan B tai C mukaan, kestää kosteuden syövyttäviä vaikutuksia, jotka läpäisevät eristeen vuosikymmenten käytön aikana. PV-johto on ainoa aurinkoenergiateollisuuden kaapeli, joka kuljettaa a VW-1 liekkiluokitus ja suora hautausluokitus täyttää samanaikaisesti sekä paloturvallisuusvaatimuksen kattoasennuksissa että maanalaisen reititysvaatimuksen maahan asennettavissa DC-keräysjärjestelmissä.

USE-2-kaapeli, rakennettu UL 854:n mukaan ja tunnustettu NEC artiklan 338 mukaan, on yksijohtiminen kaapeli, joka on mitoitettu maanalaiseen huoltoon. Se käyttää XLPE eristys kemiallisesti identtinen aurinkosähköjohdon kanssa, mutta siinä on paksumpi, kestävämpi vaippa, joka on suunniteltu kestämään mekaanista hankausta, joka syntyy maanalaisen putken läpi ja suorassa maakosketuksessa. Sen jännite on rajoitettu 600 V:iin ja johtimen maksimilämpötila on 90°C märkä ja 90°C kuiva , kriittinen rajoitus verrattuna PV-johtoon. 150 °C:n kuivausarvon puuttuminen tarkoittaa, että USE-2:ta ei voida käyttää vapaassa ilmassa kattojärjestelmässä, jossa moduulin taustalevyn lämpötilat saavuttavat rutiininomaisesti 75 °C - 85 °C ja johtimen lämpötilan nousu täydellä kuormituksella työntää eristeen lämpöylikuormitusalueelle.

TC-ER-kaapeli, tarjotinkaapeli, joka on suojattu, toimii DC-keräyskanavana yhdistelmärasian ja invertteritulon välillä tai useiden merkkijonoinvertterien välillä ketjutettuna. TC-ER on monijohdinkokoonpano, tyypillisesti kolme johdinta plus maadoitus, jossa on PVC-sisäeristys ja nailon- tai PVC-ulkovaippa. Se on luokiteltu 600 V ja 90°C kuiva , ja sen luettelo sallii reitityksen kaapelihyllyssä ilman putkia avoimelle ajolle. Monijohdinrakenne yksinkertaistaa johdotusta verrattuna yksittäisten yksijohtimiskaapeleiden vetämiseen, mutta PVC-vaippa hajoaa ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta, joten TC-ER on suljettava, kun se asennetaan ulos suorassa auringonvalossa.

Vaikka rakennusjohto THHN/THWN-2 ei ole erillinen aurinkokaapeli, se näkyy vaihtosuuntaajan lähdön AC-puolella päähuoltopaneeliin tai sähköverkkojen liitäntäpisteeseen asti. Arvioitu 600 V ja 90°C kuiva, 75°C wet , jossa PVC-eristeen päällä on nailonvaippa, se on kustannustehokas, laajalti saatavilla ja koodin mukainen kaikissa sisäilman vaihtovirtajohdoissa invertterin jälkeen. Sen auringonvalon vastustuskyky on nolla, eikä sillä ole suoraa hautausluetteloa, joten sen käyttö rajoittuu tiukasti sisätiloihin, putkiin ja suljettuihin AC-yhdistimen paneeleihin.

Aurinkokaapeleiden vertailutaulukko

Jänniteluokan valinta ja 1500 V siirtymä

Siirtyminen 1 000 VDC:stä 1 500 VDC:n järjestelmäarkkitehtuureihin sähkön mittakaavan aurinkosähkölaitoksissa vähentää DC-keräysvirtaa noin kolmanneksella samalla tehonsiirrolla, mikä vähentää yhdysrasioiden, DC-syöttölaitteiden ja niihin liittyvien kaivausten määrää saman verran. Suurempi jännite asettaa kuitenkin tiukemmat eristysvaatimukset. 1500 VDC-ryhmä vaatii PV-johdon, joka on mitoitettu 2000 VDC , ei 1000 VDC. 2000 V PV-johdon eristyksen paksuus on noin 2,4 mm 10 AWG-johtimelle verrattuna 1,14 mm:iin 1 000 V:n versiossa . Tämä lisääntynyt seinämän paksuus vähentää kaapelin joustavuutta ja lisää vähimmäistaivutussädettä, mikä vaikeuttaa johtojen hallintaa moduulien kytkentärasioissa ja invertterien tasavirtakoteloissa.

IEC 62930 -standardi, jota sovelletaan maailmanlaajuisesti Pohjois-Amerikan ulkopuolella, harmonisoi 1 500 V PV -kaapeleiden suorituskykyvaatimukset. Se määrittää vähimmäiseristysvastuksen 10 MΩ·km 20°C:ssa , luku, joka on vahvistettu tehtaan tuotantotesteissä jokaisella kelalla ennen toimitusta. Asennetun 1 500 V PV langan kenttätestauksen 5 000 V megohmetrillä tulee saada eristysresistanssiarvot vähintään 4 MΩ per merkkijono ennen kuin naru kytketään invertteriin, käyttöönottoportti, joka tunnistaa vaipan asennusvaurion tai väärin puristetut MC4-liittimen tiivisteet.

Lämpötilan aleneminen ja ampacityn korjaus

NEC artiklan 310.15 kapasiteettitaulukoissa oletetaan, että ympäristön lämpötila on 30 °C ja korkeintaan kolme virtaa kuljettavaa johdinta kulkuradalla. Aurinkoenergian DC-keräysjärjestelmä rikkoo rutiininomaisesti molempia oletuksia. Katolla Phoenixissa, Arizonassa, jossa ympäristön ilman lämpötila 12 tuumaa katon pinnan yläpuolella saavuttaa 65 °C kesäiltapäivänä, lämpötilan korjauskerroin 90 °C:n PV-langalle on 0.58 NEC-taulukon 310.15(B)(1)(1) mukaisesti. 10 AWG:n PV-johdin, jonka 30 °C:n kapasiteetti on 40 ampeeria, on näin ollen laskettu 23,2 ampeeria 65°C:ssa. Jos sama johto on niputettu kolmen muun virtaa kuljettavan langan kanssa putkeen yli 24 tuuman etäisyydelle, ylimääräinen säätökerroin 0.80 sovelletaan, mikä vähentää edelleen sallittua ampeeria 18,6 ampeeriin.

Tuloksena on, että 10 AWG:n johdin, joka näyttää ensisilmäyksellä reilusti ylimitoitettuna 9 ampeerin merkkijonovirralle, toimii lähes 50 % sen nimettömästä kapasiteetista lämpötila- ja niputuskorjausten jälkeen . Kattojärjestelmien suunnittelukäytäntö määrittelee 10 AWG:n PV-johtimien vähimmäiskooksi moduulien yhteenliitäntöille ja 8 AWG:tä vaaditaan kotikäyttöisissä johtimissa, jotka palvelevat enemmän kuin kahta merkkijonoa. Tämä nyrkkisääntö on johdettu pahimman tapauksen katolla olevista lämpötilatiedoista kiinteän standardin sijaan.

Eristyskemia ja XLPE-etu

Eristysmateriaali erottaa aurinkokaapelin yleiskäyttöisestä rakennuslangasta enemmän kuin mikään muu ominaisuus. XLPE, PV-langassa ja USE-2:ssa käytetty silloitettu polyeteeni, on lämpökovettuva materiaali, mikä tarkoittaa, että polymeeriketjut silloitetaan kemiallisesti kovetusprosessin aikana. Kun materiaali on silloitettu, se ei voi sulaa tai valua kuumennettaessa. 150 °C:n johtimen lämpötilalle altistettu PV-lanka säilyttää fyysisen muotonsa ja dielektrisen lujuutensa, kun taas PVC-eristetty THHN-lanka samassa lämpötilassa pehmentäisi, virtaisi ja aiheuttaisi sisäisen oikosulun.

Silaanipohjaisella kosteuskovetuksella tai elektronisuihkusäteilytyksellä aikaansaatu silloitusprosessi parantaa myös eristeen kestävyyttä kylmävirtaukselle puristuksen alaisena. Kun PV-johto puristetaan moduulikehyksen ja asennuskiskon väliin, XLPE-eristys kestää puristussarjaa, joka ohentaisi PVC-eristeseinää ajan myötä. Jäljellä oleva seinämän paksuus 1 000 tuntia puristuskuormitusta 90 °C:ssa on tyypillisesti 85-90 % alkuperäisestä paksuudesta XLPE:lle verrattuna 60 % tai vähemmän PVC:hen. . Tämä ominaisuus on olennainen aurinkosähköjärjestelmässä, jossa moduulikiinnikkeet ja johdinpidikkeet kohdistavat paikallisia painepisteitä, jotka säilyvät järjestelmän 25 vuoden suunnittelun ajan.

Liittimen yhteensopivuus ja MC4-standardi

Aurinkokaapeli itsessään on vain johdin; liittimen pääte on järjestelmätason vikakohta. Alan standardi on MC4-liitin, jonka alun perin kehitti Multi-Contact ja jota nyt valmistaa lisenssillä yli tusina maailmanlaajuista toimittajaa. MC4 on luokiteltu 1 500 VDC ja 30 ampeerin jatkuva virta 4 mm² tai 6 mm² (12 AWG - 10 AWG) PV johdolla , ja sen tunkeutumissuojausluokka on IP68 yhdistettynä, mikä tarkoittaa, että se kestää jatkuvan upotuksen 1 metrin syvyyteen veteen.

Luotettavuuden kriittinen sääntö on liittimen homogeenisuus: yhden merkkijonon uros- ja naarasliittimien on oltava samalta valmistajalta. Amphenol H4 -liittimen yhdistäminen aidon Staubli MC4:n kanssa, huolimatta niiden fyysisestä yhteensopivuudesta ja UL-luettelosta, aiheuttaa galvaanisen korroosioriskin kosketinrajapinnassa, koska perusmetallit ja pinnoitteen paksuudet vaihtelevat. Tuloksena oleva kosketusresistanssi, mitattuna nelijohtimisella milliohmimetrillä, voi alkaa hyväksyttävästä arvosta 0,5 milliohmia mutta voi nousta 5 milliohmia tai enemmän kolmen vuoden sisällä lämpökierto, jolloin liittimen I²R-lämmitys ylittää ympäröivän kaapelin lämpötilan ja kiihdyttää hapettumista. Kentän viat, jotka on jäljitetty yhteensopimattomiin liittimiin, ovat yleisin yksittäinen vakuutuskorvaus asuntojen kattojärjestelmissä.

Maadoitus- ja laitteiden liitosjohtimien vaatimukset

Aurinkopaneelin laitteiden maadoitusjohdin (EGC) toimii vikavirran paluureittinä, ja se on mitoitettava kantamaan koko ryhmän oikosulkuvirta ylittämättä sen nimellislämpötilaa. NEC-taulukko 250.122 ohjaa EGC:n mitoitusta ylivirtasuojalaitteen luokituksen perusteella, mutta muuntajattomille inverttereille, joissa DC-maasulun havaitseminen on integroitu, EGC:tä suositellaan, joka ei ole pienempi kuin suurin tasavirtapiirin johdin, vaikka se olisikin koodin mukaan sallittu pienempi koko. Maadoittamattomana DC-positiivisena johtimena käytettävän 10 AWG:n PV-johdon mukana tulee olla a vähintään 10 AWG EGC , mitoitettu NEC:n 690.45 mukaan.

AC-puolella invertterin ja päähuoltopaneelin välinen EGC on tyypillisesti vihreällä eristeellä varustettu THHN/THWN-2-johdin, joka on mitoitettu taulukon 250.122 mukaan invertterin AC-lähdön ylivirtasuojausluokituksen perusteella. 40 ampeerin invertterin lähtökatkaisija vaatii a vähintään 10 AWG kupari-EGC . EGC ei ole normaalikäytössä virtaa kuljettava johdin, mutta sen on kyettävä johtamaan täysi maasulkuvirta niin kauan kuin ylivirtalaite tarvitsee vian poistamiseen. Nykyaikaisilla virranrajoittimilla tyypillisesti alle 0,1 sekuntia.

Kaapelin hallinta ja UV-suojaus

Jopa auringonvaloa kestävä PV-johto vaatii fyysistä suojaa teräviä reunoja, villieläinten vaurioita ja keskittynyttä UV-hajoamista vastaan stressipisteissä. Maaasennusjärjestelmän kaapelit reititetään metallisen tai HDPE-kaapelihyllyn läpi, jotka on kiinnitetty ruostumattomasta teräksestä valmistetuilla nippusiteillä enintään väliajoin 1,5 metriä . Nippusiteet eivät saa puristaa eristystä liikaa; valmistajan spesifikaation ylittävä sidon kireys voi kylmävirtauttaa XLPE-eristeen ja vähentää seinämän paksuutta liitoskohdassa 50 % yhden lämpösyklin aikana.

Kattoasennuksissa aurinkosähköjohto on tuettava irti katon pinnasta kaapelikiinnikkeillä tai moduulirunkoon integroiduilla johdinhallintakanavilla. Suora kosketus kaapelin vaipan ja asfalttipaanujen välillä siirtää lämpöä katon pinnalta kaapeliin ja nostaa johtimen lämpötilaa arvioidulla 5°C - 10°C ympäröivän ilman lämpötilan yläpuolella , marginaali, joka voi nostaa johtimen lämpötilan yli sen 90°C märkäluokituksen yhdistettynä täyden kuormituksen virtaan ja korkeaan moduulin taustalevyn säteilyyn. Kaapeli on myös vedettävä, jotta vältetään veden seisominen katon alhaisissa kohdissa, joissa jäätymis-sulamisjaksot rasittavat vaippaa jäämuodostelmien toistuvan laajenemisen ja supistumisen vuoksi.