ประเภทสายเคเบิลพลังงานแสงอาทิตย์: อธิบายสายไฟ PV, USE-2 และ AC

ความแตกต่างที่กำหนดระหว่างประเภทสายเคเบิลพลังงานแสงอาทิตย์คือว่าสายเคเบิลเหล่านี้ได้รับการออกแบบสำหรับการฝังโดยตรงในแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบ DC หรือสำหรับการเชื่อมต่อโครงข่ายไฟฟ้ากระแสสลับระหว่างอินเวอร์เตอร์และโครงข่ายไฟฟ้า สายไฟ PV (มาตรฐาน UL 4703) เป็นสายเคเบิลประเภทเดียวที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับการฝังโดยตรงและการสัมผัสแสงแดดอย่างต่อเนื่องในอาร์เรย์ DC โดยมีอัตราเปียก 90°C และอัตราแห้ง 150°C ทำให้จำเป็นสำหรับระบบอินเวอร์เตอร์แบบไม่มีหม้อแปลงที่ไม่มีการลงกราวด์ซึ่งทำงานที่ 1,000 หรือ 1,500 โวลต์ DC สายเคเบิล ใช้-2 แม้ว่าจะยังคงอยู่ในรายการสำหรับการฝังโดยตรง แต่ก็ขาดระดับการต้านทานแสงแดดเต็มที่และช่วงบนของอุณหภูมิที่สูงกว่าซึ่งอาร์เรย์ไฟฟ้าแรงสูงสมัยใหม่ต้องการ

ประเภทของสายเคเบิลพลังงานแสงอาทิตย์หลักสี่ประเภท

ระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ประกอบด้วยโซนไฟฟ้าที่แตกต่างกัน แต่ละโซนควบคุมโดยประเภทสายเคเบิลเฉพาะและชุดข้อกำหนดการติดตั้งที่สอดคล้องกันภายใต้ประมวลกฎหมายไฟฟ้าแห่งชาติ (NEC) มาตรา 690 สายเคเบิลสี่ประเภทที่ปรากฏในระบบที่ออกแบบอย่างเหมาะสมตั้งแต่อาเรย์จนถึงจุดเชื่อมต่อมีดังต่อไปนี้

ลวด PV ที่อยู่ในรายการ UL 4703 และมาตรฐานหัวเรื่อง UL 4703 เป็นสายเคเบิลแบบตัวนำเดี่ยวที่มี ฉนวนโพลีเอทิลีนแบบ cross-linked (XLPE) และเสื้อแจ็คเก็ตตัวนอกที่ทนแสงแดด มันถูกจัดอันดับสำหรับ 600 โวลต์, 1,000 โวลต์ หรือ 2,000 โวลต์ ขึ้นอยู่กับความหนาของฉนวน โดยระบุตัวแปร 2,000 V สำหรับอาร์เรย์ยูทิลิตี้ขนาด 1,500 VDC ฉนวน XLPE ให้ความเสถียรของเทอร์โมเซต ซึ่งหมายความว่าสายเคเบิลยังคงความแข็งแรงของไดอิเล็กทริกและคุณสมบัติทางกล แม้ว่าจะสัมผัสกับอุณหภูมิการทำงานสูงสุดของตัวนำที่ 90°C เปียกและ 150°C แห้งเป็นเวลานานก็ตาม ตัวนำทองแดงเคลือบดีบุกที่ตีเกลียวตามมาตรฐาน ASTM B174 Class B หรือ C ทนทานต่อการกัดกร่อนของความชื้นที่แทรกซึมเข้าไปในฉนวนตลอดอายุการใช้งานหลายทศวรรษ ลวด PV เป็นสายเคเบิลชนิดเดียวในอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ที่มี ระดับเปลวไฟ VW-1 และระดับการฝังโดยตรง พร้อมกันนี้ ตอบสนองทั้งข้อกำหนดด้านความปลอดภัยจากอัคคีภัยในการติดตั้งบนชั้นดาดฟ้าและข้อกำหนดเส้นทางใต้ดินในระบบรวบรวมกระแสตรงแบบติดตั้งภาคพื้นดิน

สายเคเบิล USE-2 สร้างขึ้นตามมาตรฐาน มาตรฐาน UL854 และได้รับการยอมรับโดย NEC Article 338 เป็นสายเคเบิลแบบตัวนำเดี่ยวที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับทางเข้าบริการใต้ดิน มันใช้ ฉนวน XLPE เหมือนกันในทางเคมีกับลวด PV แต่ใช้แจ็คเก็ตที่หนาและแข็งแกร่งกว่า ซึ่งออกแบบมาเพื่อทนต่อการเสียดสีทางกลจากการดึงผ่านท่อร้อยสายใต้ดินและการสัมผัสดินโดยตรง อัตราแรงดันไฟฟ้าจำกัดไว้ที่ 600 V และอุณหภูมิตัวนำสูงสุดคือ 90°C เปียก และ 90°C แห้ง ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่สำคัญเมื่อเทียบกับลวด PV การไม่มีระดับความแห้งที่ 150°C หมายความว่า USE-2 ไม่สามารถใช้ในอากาศอิสระภายในอาร์เรย์บนชั้นดาดฟ้าได้ ซึ่งอุณหภูมิของแผ่นด้านหลังโมดูลมักจะสูงถึง 75°C ถึง 85°C และอุณหภูมิของตัวนำที่เพิ่มขึ้นภายใต้โหลดเต็มจะดันฉนวนเข้าไปในขอบเขตความร้อนเกินพิกัด

สายเคเบิล ทีซีเอ้อ ซึ่งเป็นสายเคเบิลถาดที่มีอัตราการรันแบบเปลือย ทำหน้าที่เป็นตัวรวบรวม DC ระหว่างกล่องรวมและอินพุตอินเวอร์เตอร์ หรือระหว่างอินเวอร์เตอร์สตริงหลายตัวในการกำหนดค่าแบบเดซี่เชน TC-ER เป็นส่วนประกอบแบบหลายตัวนำ โดยทั่วไปมีตัวนำ 3 ตัวบวกกราวด์ โดยมีฉนวน PVC ด้านในและปลอกด้านนอกไนลอนหรือ PVC มันถูกจัดอันดับสำหรับ 600 V และ 90°C แห้ง และการลงรายการอนุญาตให้มีการกำหนดเส้นทางในถาดสายเคเบิลโดยไม่มีท่อร้อยสายสำหรับการวิ่งแบบเปิดโล่ง โครงสร้างตัวนำหลายตัวทำให้การเดินสายง่ายขึ้นเมื่อเทียบกับการดึงสายเคเบิลตัวนำเดี่ยวแต่ละตัว แต่แจ็คเก็ต PVC จะเสื่อมสภาพภายใต้รังสีอัลตราไวโอเลต ดังนั้น จึงต้องปิด TC-ER เมื่อติดตั้งกลางแจ้งโดยมีแสงแดดส่องโดยตรง

สายไฟอาคาร THHN/THWN-2 แม้จะไม่ใช่สายเคเบิลพลังงานแสงอาทิตย์โดยเฉพาะ แต่ปรากฏที่ด้านไฟฟ้ากระแสสลับของเอาท์พุตอินเวอร์เตอร์ผ่านไปยังแผงบริการหลักหรือจุดเชื่อมต่อโครงข่ายสาธารณูปโภค เรตติ้ง 600 V และ 90°C แห้ง, 75°C wet ด้วยแจ็คเก็ตไนลอนเหนือฉนวน PVC จึงคุ้มค่า มีจำหน่ายอย่างแพร่หลาย และเป็นไปตามรหัสสำหรับการเดินสายไฟ AC ภายในอาคารดาวน์สตรีมของอินเวอร์เตอร์ ความต้านทานแสงแดดเป็นศูนย์ และไม่มีรายการฝังศพโดยตรง ดังนั้นการใช้งานจึงจำกัดอย่างเคร่งครัดเฉพาะร่องน้ำภายใน ท่อร้อยสาย และแผงรวม AC ที่ปิดล้อม

ตารางข้อมูลจำเพาะเปรียบเทียบประเภทสายเคเบิลพลังงานแสงอาทิตย์

การเลือกระดับแรงดันไฟฟ้าและการเปลี่ยน 1,500 V

การเปลี่ยนจาก 1,000 VDC เป็น 1,500 VDC สถาปัตยกรรมระบบในโรงงานผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ระดับสาธารณูปโภคจะช่วยลดกระแส DC สะสมประมาณหนึ่งในสามสำหรับปริมาณงานไฟฟ้าที่เท่ากัน ทำให้ลดจำนวนกล่อง Combiner เครื่องป้อน DC และการขุดร่องที่เกี่ยวข้องในสัดส่วนที่ใกล้เคียงกัน อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าจะทำให้ข้อกำหนดด้านฉนวนเข้มงวดยิ่งขึ้น อาร์เรย์ 1,500 VDC ต้องการพิกัดสายไฟ PV 2,000 โวลต์กระแสตรง ไม่ใช่ 1,000 VDC ความหนาของฉนวนบนลวด PV 2,000 V มีค่าประมาณ 2.4 มม. สำหรับตัวนำ AWG 10 ตัว เทียบกับ 1.14 มม. สำหรับรุ่น 1,000 V . ความหนาของผนังที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยลดความยืดหยุ่นของสายเคเบิล และเพิ่มรัศมีการโค้งงอต่ำสุด ซึ่งเป็นปัจจัยที่ทำให้การจัดการสายไฟภายในกล่องรวมสัญญาณโมดูลและกล่องหุ้ม DC ของอินเวอร์เตอร์มีความซับซ้อน

มาตรฐาน IEC 62930 ซึ่งใช้ทั่วโลกนอกอเมริกาเหนือ สอดคล้องกับข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพสำหรับสายเคเบิล PV 1,500 V ที่สอดคล้องกัน มันระบุความต้านทานของฉนวนขั้นต่ำของ 10 MΩ·กม. ที่ 20°C ซึ่งเป็นตัวเลขที่ได้รับการตรวจสอบในระหว่างการทดสอบการผลิตของโรงงานในทุกม้วนก่อนจัดส่ง การทดสอบภาคสนามของสายไฟ PV 1,500 V ที่ติดตั้งด้วยเมกะโอห์มมิเตอร์ 5,000 V จะต้องให้ค่าความต้านทานของฉนวนไม่น้อยกว่า 4 MΩ ต่อสตริง ก่อนที่สายจะเชื่อมต่อกับอินเวอร์เตอร์ ประตูทดสอบการทำงานที่ระบุความเสียหายในการติดตั้งที่แจ็คเก็ตหรือการย้ำขั้วต่อ MC4 ที่ไม่ถูกต้อง

การลดพิกัดอุณหภูมิและการแก้ไขความทึบ

ตารางแอมแปซิตีในมาตรา 310.15 ของ NEC ถือว่าอุณหภูมิโดยรอบอยู่ที่ 30°C และมีตัวนำไฟฟ้ากระแสไฟไม่เกิน 3 ตัวในสนามแข่ง ระบบรวบรวมพลังงานแสงอาทิตย์ DC ละเมิดสมมติฐานทั้งสองเป็นประจำ บนชั้นดาดฟ้าในเมืองฟีนิกซ์ รัฐแอริโซนา ซึ่งอุณหภูมิอากาศโดยรอบซึ่งสูงกว่าพื้นผิวหลังคา 12 นิ้วสูงถึง 65°C ในช่วงบ่ายของฤดูร้อน ปัจจัยในการแก้ไขอุณหภูมิสำหรับสายไฟ PV พิกัด 90°C คือ 0.58 ตามตาราง NEC 310.15(B)(1)(1) ดังนั้นสายไฟ PV ขนาด 10 AWG ที่มีค่าแอมแปซิตี 30°C ที่ 40 แอมป์จึงถูกลดระดับลง 23.2 แอมป์ ที่อุณหภูมิ 65°C หากสายเดียวกันนั้นมัดรวมกับสายนำกระแสไฟฟ้าอีกสามสายในท่อร้อยสายที่มีระยะทางเกิน 24 นิ้ว จะต้องปรับค่าปัจจัยเพิ่มเติมเป็น 0.80 ใช้ลดความแอมแปร์ที่อนุญาตลงเหลือ 18.6 แอมป์

ผลลัพธ์ก็คือตัวนำ 10 AWG ซึ่งดูใหญ่เกินไปสำหรับกระแสสตริง 9 แอมป์เมื่อมองแวบแรก ทำงานที่ เกือบ 50% ของความจุที่ลดพิกัดลงหลังจากการแก้ไขอุณหภูมิและการรวมกลุ่ม . แนวปฏิบัติทางวิศวกรรมสำหรับระบบบนชั้นดาดฟ้าระบุ 10 AWG เป็นขนาดสายไฟ PV ขั้นต่ำสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างโมดูล โดยที่ 8 AWG จำเป็นสำหรับตัวนำที่ดำเนินการที่บ้านซึ่งให้บริการมากกว่าสองสาย หลักทั่วไปที่ได้มาจากข้อมูลอุณหภูมิบนหลังคาที่กรณีที่แย่ที่สุด แทนที่จะเป็นมาตรฐานคงที่

เคมีของฉนวนและข้อดีของ XLPE

วัสดุฉนวนทำให้สายไฟพลังงานแสงอาทิตย์แตกต่างจากสายไฟทั่วไปในอาคารมากกว่าคุณลักษณะอื่นๆ XLPE ซึ่งเป็นโพลีเอทิลีนแบบ cross-linked ที่ใช้ในลวด PV และ USE-2 เป็นวัสดุเทอร์โมเซต ซึ่งหมายความว่าโซ่โพลีเมอร์จะถูกเชื่อมโยงทางเคมีระหว่างกระบวนการบ่ม เมื่อเชื่อมโยงข้ามแล้ว วัสดุจะไม่ละลายหรือไหลเมื่อถูกความร้อน ลวด PV ที่สัมผัสกับอุณหภูมิตัวนำที่ 150°C จะรักษารูปร่างทางกายภาพและความเป็นฉนวนไว้ ในขณะที่ลวด THHN ที่หุ้มฉนวน PVC ที่อุณหภูมิเดียวกันจะทำให้อ่อนตัว ไหล และสร้างไฟฟ้าลัดวงจรภายใน

กระบวนการเชื่อมโยงข้ามที่ทำได้โดยการรักษาความชื้นโดยใช้ไซเลนหรือการฉายรังสีลำอิเล็กตรอน ยังช่วยเพิ่มความต้านทานของฉนวนต่อการไหลเย็นภายใต้การบีบอัดอีกด้วย เมื่อลวด PV ถูกบีบระหว่างกรอบโมดูลและรางยึด ฉนวน XLPE จะต้านทานชุดแรงอัดซึ่งจะทำให้ผนังฉนวน PVC บางลงเมื่อเวลาผ่านไป โดยคงความหนาของผนังไว้ภายหลัง การรับแรงอัดนาน 1,000 ชั่วโมงที่ 90°C โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 85% ถึง 90% ของความหนาเดิมสำหรับ XLPE เทียบกับ 60% หรือน้อยกว่าสำหรับ PVC . คุณสมบัตินี้มีความสำคัญในแผงเซลล์แสงอาทิตย์ โดยที่แคลมป์โมดูลและคลิปหนีบสายไฟใช้จุดกดเฉพาะจุดซึ่งจะคงอยู่ตลอดอายุการใช้งานการออกแบบระบบ 25 ปี

ความเข้ากันได้ของตัวเชื่อมต่อและมาตรฐาน MC4

สายพลังงานแสงอาทิตย์เป็นเพียงตัวนำเท่านั้น การยุติตัวเชื่อมต่อคือจุดล้มเหลวระดับระบบ มาตรฐานอุตสาหกรรมคือตัวเชื่อมต่อ MC4 ซึ่งเดิมพัฒนาโดย Multi-Contact และปัจจุบันผลิตภายใต้ใบอนุญาตจากซัพพลายเออร์ทั่วโลกกว่าสิบราย MC4 ได้รับการจัดอันดับสำหรับ กระแสไฟฟ้าต่อเนื่อง 1,500 VDC และ 30 แอมป์พร้อมสายไฟ PV ขนาด 4 มม.² หรือ 6 มม.² (12 AWG ถึง 10 AWG) และรักษาระดับการป้องกันน้ำเข้าที่ IP68 เมื่อเชื่อมต่อ ซึ่งหมายความว่าสามารถทนทานต่อการจมอยู่ในน้ำลึก 1 เมตรได้อย่างต่อเนื่อง

กฎสำคัญสำหรับความน่าเชื่อถือคือความเป็นเนื้อเดียวกันของตัวเชื่อมต่อ: ตัวเชื่อมต่อตัวผู้และตัวเมียบนสายเดี่ยวต้องมาจากผู้ผลิตรายเดียวกัน การจับคู่ขั้วต่อ Amphenol H4 กับ Staubli MC4 ของแท้ แม้ว่าจะมีความเข้ากันได้ทางกายภาพและอยู่ในรายชื่อ UL แต่ก็ทำให้เกิดความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนของกัลวานิกที่ส่วนต่อประสานหน้าสัมผัส เนื่องจากโลหะฐานและความหนาของการชุบแตกต่างกัน ผลลัพธ์ความต้านทานการสัมผัสซึ่งวัดโดยมิเตอร์มิลลิโอห์มแบบสี่สายอาจเริ่มต้นที่ค่าที่ยอมรับได้ 0.5 มิลลิโอห์ม แต่สามารถขึ้นไปได้ 5 มิลลิโอห์มหรือมากกว่าภายในสามปี ของการหมุนเวียนด้วยความร้อน ซึ่ง ณ จุดนี้การให้ความร้อน I²R ที่ขั้วต่อมีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิสายเคเบิลโดยรอบและเร่งการเกิดออกซิเดชัน ความล้มเหลวของภาคสนามที่เกิดจากตัวเชื่อมต่อที่ไม่ตรงกันถือเป็นการเคลมประกันที่พบบ่อยที่สุดเพียงครั้งเดียวสำหรับระบบบนชั้นดาดฟ้าในที่พักอาศัย

ข้อกำหนดตัวนำการต่อสายดินและอุปกรณ์

ตัวนำต่อสายดินของอุปกรณ์ (EGC) ในแผงโซลาร์เซลล์ทำหน้าที่เป็นเส้นทางส่งกลับกระแสไฟฟอลต์และต้องมีขนาดเพื่อรองรับกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเต็มรูปแบบของแผงเซลล์แสงอาทิตย์โดยไม่เกินอุณหภูมิที่กำหนด NEC ตาราง 250.122 ควบคุมขนาด EGC ตามพิกัดอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกิน แต่สำหรับอินเวอร์เตอร์ที่ไม่มีหม้อแปลงซึ่งมีการตรวจจับข้อผิดพลาดกราวด์ DC รวมอยู่ด้วย EGC ที่ไม่เล็กกว่าตัวนำวงจร DC ที่ใหญ่ที่สุดได้รับการแนะนำโดยแนวปฏิบัติที่ดีที่สุดทางวิศวกรรม แม้ว่ารหัสจะอนุญาตขนาดที่เล็กกว่าก็ตามก็ตาม ลวด PV ขนาด 10 AWG ที่ใช้เป็นตัวนำไฟฟ้ากระแสตรงขั้วบวกแบบไม่มีกราวด์จะต้องมีก ขั้นต่ำ 10 AWG EGC ขนาดต่อ 690.45 ของ NEC

สำหรับฝั่งไฟฟ้ากระแสสลับ EGC ระหว่างอินเวอร์เตอร์และแผงบริการหลัก โดยทั่วไปจะเป็นตัวนำ THHN/THWN-2 ที่มีฉนวนสีเขียว ขนาดต่อตาราง 250.122 ตามระดับการป้องกันกระแสไฟเกินเอาต์พุต AC ของอินเวอร์เตอร์ ต้องใช้เบรกเกอร์เอาท์พุตอินเวอร์เตอร์ขนาด 40 แอมป์ EGC ทองแดงขั้นต่ำ 10 AWG . EGC ไม่ได้เป็นตัวนำกระแสไฟในการทำงานปกติ แต่จะต้องสามารถดำเนินการกระแสไฟฟ้าขัดข้องกราวด์ได้เต็มตามเวลาที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์กระแสเกินเพื่อล้างข้อบกพร่อง โดยทั่วไประยะเวลาจะน้อยกว่า 0.1 วินาทีสำหรับเบรกเกอร์วงจรจำกัดกระแสไฟฟ้าสมัยใหม่

การจัดการสายเคเบิลและการป้องกันรังสียูวี

แม้แต่สายไฟ PV ที่ทนต่อแสงแดดก็ยังต้องมีการป้องกันทางกายภาพจากขอบที่แหลมคม ความเสียหายจากสัตว์ป่า และการเสื่อมสภาพของรังสียูวีที่มีความเข้มข้น ณ จุดที่เกิดความเครียด สายเคเบิลบนอาเรย์แบบติดตั้งภาคพื้นดินจะถูกส่งผ่านถาดสายเคเบิลโลหะหรือโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE) ยึดด้วยสายรัดสายเคเบิลสแตนเลสในช่วงเวลาไม่เกิน 1.5 เมตร . สายรัดเคเบิลต้องไม่บีบอัดฉนวนมากเกินไป ความตึงของสายรัดที่เกินกว่าข้อกำหนดของผู้ผลิตอาจทำให้ฉนวน XLPE ไหลเย็น และลดความหนาของผนังที่จุดผูกลง 50% ภายในรอบความร้อนเดียว

ในการติดตั้งบนหลังคา ลวด PV จะต้องได้รับการรองรับจากพื้นผิวหลังคาด้วยคลิปหนีบสายเคเบิลหรือช่องการจัดการสายไฟแบบรวมเฟรมโมดูล การสัมผัสโดยตรงระหว่างปลอกหุ้มสายเคเบิลและแผ่นหลังคาแอสฟัลต์จะถ่ายเทความร้อนจากพื้นผิวหลังคาไปยังสายเคเบิล ทำให้อุณหภูมิของตัวนำสูงขึ้นโดยประมาณ 5°C ถึง 10°C เหนืออุณหภูมิอากาศโดยรอบ ซึ่งเป็นค่าเผื่อที่สามารถดันอุณหภูมิตัวนำให้เกินพิกัดเปียก 90°C เมื่อรวมกับกระแสโหลดเต็มที่และการแผ่รังสีแผ่นหลังของโมดูลสูง นอกจากนี้ จะต้องเดินสายเคเบิลเพื่อหลีกเลี่ยงน้ำนิ่งที่จุดต่ำของหลังคา ซึ่งวงจรการแช่แข็งและการละลายจะเน้นย้ำแจ็คเก็ตผ่านการขยายตัวและการหดตัวซ้ำๆ ของการก่อตัวของน้ำแข็ง