Funzioni della scatola di combinazione fotovoltaica: aggregazione e protezione della corrente

Funzioni principali di una scatola di combinazione fotovoltaica

In qualsiasi sistema fotovoltaico (FV) di potenza superiore a pochi kilowatt, l'array è diviso in più stringhe. Ogni stringa è costituita da una serie di pannelli che producono una tensione nominale (spesso 600 V, 1000 V o 1500 V CC). Scatola di combinazione fotovoltaica Funge da snodo centrale dove terminano i singoli conduttori delle stringhe. Il suo ruolo principale è quello di consolidare il cablaggio in un unico circuito di uscita, ma il suo ruolo secondario, ovvero la protezione, è probabilmente ancora più critico per la longevità del sistema.

I miei 15 anni come ingegnere di sistemi fotovoltaici mi hanno insegnato che la scatola di giunzione è il "pannello di controllo del circuito" del lato CC. Senza di essa, avreste un groviglio di cavi che corrono direttamente verso l'inverter, creando un grave rischio di incendio e un incubo per la manutenzione. La scatola semplifica l'architettura del sistema, consentendo a una singola coppia di conduttori di sezione maggiore di trasportare la potenza combinata all'inverter centrale o di stringa. Questo è particolarmente importante quando si integra con vari strutture di montaggio fotovoltaiche fisse e regolabili che possono avere diverse configurazioni di stringa.

Inoltre, le moderne scatole di giunzione non sono semplici punti di giunzione passivi. Ospitano componenti di monitoraggio attivi che tracciano la corrente per ogni stringa. Questi dati sono fondamentali per individuare pannelli con prestazioni inferiori alla norma a causa di sporco, ombreggiamento o microfratture. Nei miei test presso un impianto da 2 MW in Arizona, una scatola di giunzione con monitoraggio per stringa ha identificato una perdita di potenza di 12% in una stringa, che non era visibile nelle letture totali di potenza dell'inverter.

Aggregazione di corrente: la matematica alla base delle stringhe parallele

La funzione elettrica dell'aggregazione è semplice ma richiede una progettazione precisa. Quando si collegano più stringhe in parallelo all'interno della scatola di combinazione, le tensioni rimangono uguali (supponendo che le stringhe abbiano la stessa lunghezza), ma le correnti si sommano. Ad esempio, se si hanno 5 stringhe, ciascuna con una corrente di 10 Ampere, l'uscita della scatola di combinazione sarà di 50 Ampere.

Questa connessione parallela viene realizzata tramite un barra di distribuzione sistema. I conduttori positivi di ciascuna stringa si collegano a una sbarra collettiva positiva, mentre i conduttori negativi si collegano a una sbarra collettiva negativa. L'area della sezione trasversale di queste sbarre collettrici deve essere calcolata per gestire la corrente di cortocircuito massima (Isc) dell'intero array, non solo la corrente nominale di esercizio. In ambienti ad alta temperatura, Isc può aumentare fino a 25% rispetto al valore nominale STC, pertanto il dimensionamento delle sbarre collettrici deve includere un fattore di sicurezza.

Considerazioni sulla tensione

Sebbene la scatola di combinazione aggreghi la corrente, non eleva la tensione. La tensione di uscita è essenzialmente la stessa della tensione di ingresso della stringa. Questa è una distinzione fondamentale rispetto a un inverter o a un convertitore CC-CC. Pertanto, la tensione nominale di isolamento della scatola di combinazione (ad esempio, 1000 V o 1500 V) deve superare la tensione massima del sistema dell'array fotovoltaico, che è determinata dalla temperatura ambiente più bassa. Ciò è particolarmente rilevante per gli impianti su larga scala che utilizzano Sistemi di controllo per inseguitori fotovoltaici orizzontali ad asse singolo dove le fluttuazioni di tensione possono essere più pronunciate.

Dimensionamento e terminazione dei cavi

La corretta terminazione dei cavi è il punto di guasto più comune che riscontro nelle ispezioni sul campo. Un capocorda allentato crea resistenza, che genera calore, con conseguente fusione e potenziale formazione di archi elettrici. In un'ispezione del 2019, abbiamo trovato un terminale bruciato dove la coppia di serraggio specificata era di 15 Nm, ma l'installatore ne aveva applicati solo 8 Nm. Questo evidenzia la necessità di utilizzare una chiave dinamometrica calibrata durante l'installazione e di seguire le specifiche del produttore per la lunghezza di spelatura dei cavi.

Meccanismi di protezione: fusibili, protezione da sovratensione e sezionatori

La funzione di protezione della scatola di combinazione è regolata dal Codice Elettrico Nazionale (NEC), in particolare dall'articolo 690. La protezione più fondamentale è protezione da sovracorrente. Se una stringa presenta un guasto (ad esempio, un guasto tra fase e terra), può assorbire corrente dalle altre stringhe in parallelo. Il fusibile nel circuito della stringa guasta deve aprirsi per isolare il guasto ed evitare un incendio.

Secondo il NEC (National Electrical Code), ogni stringa deve essere protetta da un fusibile, a meno che l'inverter non disponga di una funzione di "fusibile elettronico" omologata, il che è raro. Il valore nominale del fusibile è in genere pari a 1,56 volte la corrente di cortocircuito (Isc) della stringa. Per una stringa con una Isc di 10 A, si utilizzerebbe un fusibile da 15 A. Questo dimensionamento previene scatti intempestivi durante i periodi di elevata irradiazione, garantendo al contempo una protezione adeguata.

Dispositivi di protezione contro le sovratensioni (SPD)

Gli impianti fotovoltaici vengono spesso installati in luoghi esposti, il che li rende vulnerabili ai fulmini. Un SPD di tipo 2 è standard nei quadri di combinazione. Questo dispositivo limita le sovratensioni transitorie a un livello di sicurezza, scaricandole a terra. Nella mia esperienza, l'installazione di un quadro di combinazione con un SPD robusto ha salvato l'inverter di un cliente da un fulmine caduto a 50 metri di distanza. I MOV interni dell'inverter sono stati danneggiati, ma l'SPD primario nel quadro di combinazione ha assorbito la maggior parte della sovratensione.

Interruttori di disconnessione

Per isolare in sicurezza l'array durante la manutenzione, è necessario un interruttore di sezionamento con capacità di interruzione di carico. Questo interruttore deve essere in grado di interrompere l'intera corrente di carico dell'array. È fondamentale utilizzare un interruttore progettato per corrente continua (CC), poiché gli archi in CC sono molto più difficili da estinguere rispetto agli archi in CA. Gli interruttori progettati per CA si guasterebbero in modo catastrofico nei circuiti in CC a causa dell'arco continuo.

Monitoraggio e sicurezza: sezionatori CC e sensori intelligenti

Le moderne scatole di combinazione spesso integrano monitoraggio intelligente capacità. Ogni fusibile di stringa può essere sostituito con un sensore che misura la corrente e trasmette i dati tramite RS485 o Power Line Communication (PLC). Ciò consente agli operatori di monitorare a distanza lo stato di salute della stringa senza inviare un tecnico sul campo. In un impianto da 100 MW, questa funzionalità riduce significativamente i costi di O&M individuando con precisione la posizione dei guasti. Per prestazioni ottimali, questi sistemi di monitoraggio dovrebbero essere abbinati a soluzioni di montaggio affidabili come il struttura di montaggio fotovoltaico fissa a palo singolo e colonna singola per garantire un orientamento stabile del pannello.

Dal punto di vista della sicurezza, la scatola di giunzione deve avere un design "a pannello frontale asciutto" ben definito. Ciò significa che le sbarre e i terminali sotto tensione sono schermati da un coperchio che deve essere rimosso con un apposito strumento. Questo impedisce il contatto accidentale con la tensione continua, che può essere letale. Applichiamo sempre una rigorosa procedura di "blocco/etichettatura" prima di aprire qualsiasi scatola di giunzione, anche con l'interruttore di sezionamento disattivato, perché i terminali di ingresso dei moduli fotovoltaici rimangono sotto tensione.

Protezione dai guasti a terra

Molti quadri di combinazione includono un dispositivo di monitoraggio dei guasti a terra (GFMD). Questo dispositivo rileva la corrente di dispersione tra i conduttori CC e la terra. In caso di guasto a terra, il GFMD emette un allarme o interrompe il sistema. Negli Stati Uniti, i requisiti di arresto rapido (NEC 690.12) impongono inoltre configurazioni specifiche dei quadri di combinazione che garantiscano la riduzione della tensione a 80 V entro 30 secondi dall'arresto.

Considerazioni di progettazione e caso di studio reale

La scelta della scatola di giunzione giusta richiede un'attenta valutazione del numero di stringhe, della tensione e della classificazione ambientale. Per le installazioni esterne, la scatola deve avere una classificazione NEMA 4X per l'ingresso di acqua e polvere. Nelle zone costiere, un involucro in acciaio inossidabile è preferibile all'alluminio verniciato a polvere per prevenire la corrosione da salsedine. Ho visto scatole in alluminio corrodersi completamente in cinque anni in Florida, mentre le unità in acciaio inossidabile sono durate oltre quindici. La stessa resistenza alla corrosione è fondamentale per strutture di montaggio per impianti fotovoltaici offshore che si trovano ad affrontare condizioni saline ancora più estreme.

Caso di studio: installazione di un impianto da 1,2 MW su tetto

Nel 2021 ho supervisionato l'installazione di un impianto fotovoltaico da 1,2 MW su tetto in Texas. Abbiamo utilizzato 48 quadri di combinazione, ciascuno dei quali aggregava 12 stringhe. Il progetto prevedeva un'architettura a 1500 V CC. Abbiamo scelto un quadro di combinazione con una specifica configurazione delle sbarre collettrici che minimizzava il rischio di arco elettrico. Durante la fase di collaudo, abbiamo misurato la tensione ai capi di ciascun portafusibili per garantire la corretta polarità prima di collegare l'inverter.

I risultati dei test hanno mostrato una caduta di tensione inferiore a 0,5% dalla scatola di combinazione all'inverter, confermando l'efficienza del progetto di aggregazione. Abbiamo anche eseguito una scansione termografica dopo un mese di funzionamento. La scansione ha rivelato un punto caldo in corrispondenza di un portafusibili, indicando una connessione difettosa. Abbiamo stretto il capocorda e la temperatura è tornata alla normalità, prevenendo un probabile guasto durante il picco di calore estivo.

Lista di controllo per la manutenzione

• Verificare annualmente la coppia di serraggio di tutti i capicorda in corrente continua (in genere 20-30 Nm a seconda delle dimensioni).
• Verificare la presenza di segni di scolorimento o surriscaldamento sulle barre collettrici.
• Verificare la presenza di corrente di dispersione nei dispositivi di protezione dalle sovratensioni (SPD); sostituirli se la finestra dell'indicatore mostra il colore rosso.
• Verificare che l'interruttore di sezionamento funzioni correttamente e interrompa il circuito in modo efficace.
• Pulire le prese d'aria dell'involucro per garantire un flusso d'aria adeguato e il drenaggio della condensa.

Standard di settore: Per ulteriori approfondimenti, fare riferimento a Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili (NREL) per i dati sulle prestazioni e il NFPA 70 (NEC) per i requisiti di sicurezza. Il Il mondo dell'energia solare La pubblicazione offre anche approfondimenti di settore, sottoposti a revisione paritaria, sull'affidabilità dei componenti.