أنواع الكابلات الشمسية: شرح الأسلاك الكهروضوئية، وكابلات USE-2، وكابلات التيار المتردد

إن التمييز الواضح بين أنواع الكابلات الشمسية هو ما إذا كانت مصممة للدفن المباشر في مجموعة الخلايا الكهروضوئية DC أو للتوصيل البيني للتيار المتردد بين العاكس وشبكة المرافق. السلك الكهروضوئي (يو ال 4703) هو نوع الكابل الوحيد الذي تم تصنيفه لكل من الدفن المباشر والتعرض المستمر لأشعة الشمس في مصفوفة التيار المستمر، مع تصنيف رطب 90 درجة مئوية وتصنيف جاف 150 درجة مئوية، مما يجعله إلزاميًا لأنظمة العاكس غير المؤرضة التي تعمل بجهد 1000 أو 1500 فولت تيار مستمر. كابل الاستخدام-2، على الرغم من أنه لا يزال مدرجًا للدفن المباشر، يفتقر إلى التصنيف الكامل لمقاومة ضوء الشمس ودرجة الحرارة المرتفعة التي تتطلبها المصفوفات الحديثة ذات الجهد العالي.

الفئات الأربع الأساسية للكابلات الشمسية

يحتوي النظام الكهروضوئي على مناطق كهربائية متميزة، كل منها يحكمها نوع كابل محدد ومجموعة مقابلة من متطلبات التثبيت بموجب المادة 690 من قانون الكهرباء الوطني (NEC). أنواع الكابلات الأربعة التي تظهر في نظام مصمم بشكل صحيح من المصفوفة إلى نقطة التوصيل البيني هي كما يلي.

السلك الكهروضوئي، المدرج في UL 4703 والمعيار الموضوعي UL 4703، عبارة عن كبل أحادي الموصل مزود بـ عزل البولي إيثيلين المتقاطع (XLPE). وسترة خارجية مقاومة لأشعة الشمس. تم تصنيفه ل 600 فولت، 1000 فولت، أو 2000 فولت اعتمادًا على سُمك العزل، مع متغير 2000 فولت محدد لمصفوفات واسعة النطاق بقدرة 1500 فولت تيار مباشر. يوفر عزل XLPE ثباتًا بالحرارة، مما يعني أن الكابل يحافظ على قوته العازلة وخواصه الميكانيكية حتى بعد التعرض لفترات طويلة لدرجة حرارة التشغيل القصوى للموصل البالغة 90 درجة مئوية رطبة و150 درجة مئوية جافة. يقاوم الموصل النحاسي المعلب، الذي تقطعت به السبل وفقًا للمواصفة ASTM B174 Class B أو C، التأثيرات المسببة للتآكل للرطوبة التي تتخلل العزل على مدار عقود من الخدمة. السلك الكهروضوئي هو الكابل الوحيد في صناعة الطاقة الشمسية الذي يحمل أ تصنيف اللهب VW-1 وتصنيف الدفن المباشر في الوقت نفسه، تلبية متطلبات السلامة من الحرائق في التركيبات الموجودة على الأسطح ومتطلبات التوجيه تحت الأرض في أنظمة تجميع التيار المستمر المثبتة على الأرض.

كبل USE-2، المصمم وفقًا لمعيار يو ال 854 والمعترف به بموجب المادة 338 من NEC، هو كبل أحادي الموصل مُصمم لمدخل الخدمة تحت الأرض. يستخدم العزل XLPE متطابق من الناحية الكيميائية مع الأسلاك الكهروضوئية ولكنه يستخدم سترة أكثر سمكًا وأكثر قوة مصممة لتحمل التآكل الميكانيكي الناتج عن السحب عبر قناة تحت الأرض والاتصال المباشر بالأرض. يقتصر تصنيف الجهد الخاص به على 600 فولت، وتكون درجة حرارة الموصل القصوى هي 90 درجة مئوية رطبة و90 درجة مئوية جافة ، وهو قيد حرج مقارنة بالأسلاك الكهروضوئية. إن عدم وجود تصنيف جاف يبلغ 150 درجة مئوية يعني أنه لا يمكن استخدام USE-2 في الهواء الحر داخل مصفوفة على السطح حيث تصل درجات حرارة الطبقة الخلفية للوحدة بشكل روتيني إلى 75 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية وارتفاع درجة حرارة الموصل تحت الحمل الكامل يدفع العزل إلى منطقة الحمل الزائد الحراري.

يعمل كبل TC-ER، وهو كبل الدرج المكشوف، بمثابة صندوق تجميع DC بين صندوق الموحد ومدخل العاكس، أو بين محولات سلسلة متعددة في تكوين سلسلة تعاقبية. TC-ER عبارة عن مجموعة متعددة الموصلات، وعادةً ما تحتوي على ثلاثة موصلات بالإضافة إلى الأرض، مع عزل داخلي من مادة PVC وغلاف خارجي من النايلون أو PVC. تم تصنيفه ل 600 فولت و90 درجة مئوية جاف ، وتسمح قائمته بالتوجيه في علبة الكابلات بدون قناة للتشغيل المكشوف. يعمل البناء متعدد الموصلات على تبسيط عملية توصيل الأسلاك مقارنة بسحب الكابلات الفردية ذات الموصل الواحد، ولكن غلاف PVC يتحلل تحت الأشعة فوق البنفسجية، لذلك يجب أن يكون TC-ER مغلقًا عند تركيبه في الخارج تحت ضوء الشمس المباشر.

يظهر سلك البناء ثهن/ثون-2، رغم أنه ليس كبلًا شمسيًا مخصصًا، على جانب التيار المتردد لمخرج العاكس حتى لوحة الخدمة الرئيسية أو نقطة التوصيل البيني للمرافق. تصنيف 600 فولت و90 درجة مئوية جاف, 75°C wet ، مع سترة من النايلون فوق عازل PVC، فهو فعال من حيث التكلفة، ومتوفر على نطاق واسع، ومتوافق مع التعليمات البرمجية لجميع أسلاك التيار المتردد الداخلية أسفل العاكس. مقاومتها لأشعة الشمس صفر، وليس لديها قائمة دفن مباشرة، لذلك يقتصر استخدامها بشكل صارم على المجاري المائية الداخلية، والقنوات، وألواح تجميع التيار المتردد المغلقة.

جدول المواصفات المقارنة لأنواع الكابلات الشمسية

اختيار فئة الجهد وانتقال 1500 فولت

يؤدي التحول من 1000 فولت تيار مستمر إلى 1500 فولت تيار مستمر في محطات الطاقة الكهروضوئية على نطاق المرافق إلى تقليل تيار تجميع التيار المستمر بمقدار الثلث تقريبًا لنفس إنتاجية الطاقة، مما يقلل عدد صناديق التجميع ومغذيات التيار المستمر وما يرتبط بها من حفر الخنادق بنسبة مماثلة. ومع ذلك، فإن الجهد العالي يفرض متطلبات عزل أكثر صرامة. تتطلب مجموعة 1500 فولت تيار مستمر سلكًا كهروضوئيًا مُصنفًا لـ 2000 فولت تيار مستمر وليس 1000 فولت تيار مستمر. سمك العزل على سلك PV 2000 فولت تقريبًا 2.4 ملم لـ 10 موصلات AWG، مقارنة بـ 1.14 ملم لمتغير 1000 فولت . يؤدي هذا السُمك المتزايد للجدار إلى تقليل مرونة الكابل وزيادة الحد الأدنى لنصف قطر الانحناء، وهو عامل يعقد إدارة الأسلاك داخل صناديق توصيل الوحدة ومرفقات التيار المستمر العاكس.

يعمل معيار IEC 62930، المطبق عالميًا خارج أمريكا الشمالية، على تنسيق متطلبات الأداء للكابلات الكهروضوئية بقدرة 1500 فولت. وهي تحدد الحد الأدنى لمقاومة العزل 10 مللي أوم·كم عند 20 درجة مئوية ، وهو رقم تم التحقق منه أثناء اختبار إنتاج المصنع على كل بكرة قبل الشحن. يجب أن يؤدي الاختبار الميداني للسلك الكهروضوئي المثبت بجهد 1500 فولت مع مقياس جهد 5000 فولت إلى الحصول على قيم مقاومة عزل لا تقل عن 4 ميجا أوم لكل سلسلة قبل توصيل السلسلة بالعاكس، يتم إنشاء بوابة تشغيل تحدد تلف التثبيت في الغلاف أو أختام موصل MC4 المجعدة بشكل غير صحيح.

تخفيض درجة الحرارة وتصحيح السعة

تفترض جداول السعة في المادة 310.15 من NEC درجة حرارة محيطة تبلغ 30 درجة مئوية وما لا يزيد عن ثلاثة موصلات حاملة للتيار في مجرى السباق. ينتهك نظام تجميع الطاقة الشمسية DC بشكل روتيني كلا الافتراضين. على سطح أحد الأسطح في فينيكس، أريزونا، حيث تصل درجة حرارة الهواء المحيط على ارتفاع 12 بوصة فوق سطح السطح إلى 65 درجة مئوية في فترة ما بعد الظهيرة في الصيف، يكون عامل تصحيح درجة الحرارة للأسلاك الكهروضوئية ذات التصنيف 90 درجة مئوية هو 0.58 وفقًا لجدول NEC 310.15(B)(1)(1). وبالتالي يتم تخفيض تصنيف سلك 10 AWG PV بقدرة 30 درجة مئوية تبلغ 40 أمبير إلى 23.2 أمبير عند 65 درجة مئوية. إذا تم تجميع نفس السلك مع ثلاثة سلاسل أخرى تحمل تيارًا في قناة لمسافة تزيد عن 24 بوصة، فإن عامل تعديل إضافي قدره 0.80 ينطبق ذلك، مما يؤدي إلى تقليل السعة المسموح بها إلى 18.6 أمبير.

والنتيجة هي أن موصل 10 AWG، والذي يبدو للوهلة الأولى كبيرًا جدًا بالنسبة لتيار سلسلة 9 أمبير، يعمل عند ما يقرب من 50٪ من قدرتها المخفضة بعد تصحيحات درجة الحرارة والتجميع . تحدد الممارسات الهندسية لأنظمة الأسطح 10 AWG كحد أدنى لحجم السلك الكهروضوئي للتوصيلات البينية للوحدة، مع 8 AWG المطلوبة للموصلات التي يتم تشغيلها في المنزل والتي تخدم أكثر من سلسلتين، وهي قاعدة أساسية مستمدة من بيانات درجة حرارة السطح في أسوأ الحالات بدلاً من معيار ثابت.

كيمياء العزل وميزة XLPE

تميز المادة العازلة الكابل الشمسي عن سلك البناء للأغراض العامة أكثر من أي سمة أخرى. XLPE، البولي إيثيلين المتشابك المستخدم في الأسلاك الكهروضوئية وUSE-2، هو مادة صلبة بالحرارة، مما يعني أن سلاسل البوليمر مرتبطة كيميائيًا بشكل متقاطع أثناء عملية المعالجة. بمجرد ربطها بشكل متقاطع، لا يمكن للمادة أن تذوب أو تتدفق عند تسخينها. يحافظ السلك الكهروضوئي المعرض لدرجة حرارة موصل تبلغ 150 درجة مئوية على شكله المادي وقوته العازلة، في حين أن سلك THHN المعزول بـ PVC في نفس درجة الحرارة من شأنه أن يلين ويتدفق ويخلق دائرة كهربائية قصيرة.

تعمل عملية الربط المتقاطع، التي يتم تحقيقها عن طريق علاج الرطوبة المعتمد على السيلان أو تشعيع شعاع الإلكترون، على تحسين مقاومة العزل للتدفق البارد تحت الضغط. عندما يتم ضغط السلك الكهروضوئي بين إطار الوحدة وسكة التثبيت، فإن عزل XLPE يقاوم مجموعة الضغط التي قد تؤدي إلى ترقق الجدار العازل PVC بمرور الوقت. سمك الجدار المحتفظ به بعد 1000 ساعة من التحميل المضغوط عند 90 درجة مئوية عادة ما تكون 85% إلى 90% من السمك الأصلي لـ XLPE، مقارنة بـ 60% أو أقل لـ PVC . تعتبر هذه الخاصية ضرورية في المصفوفة الكهروضوئية حيث تطبق مشابك الوحدات ومشابك الأسلاك نقاط ضغط موضعية تستمر طوال عمر تصميم النظام البالغ 25 عامًا.

توافق الموصل ومعيار MC4

الكابل الشمسي نفسه هو الموصل فقط؛ إنهاء الموصل هو نقطة الفشل على مستوى النظام. معيار الصناعة هو موصل MC4، الذي تم تطويره في الأصل بواسطة Multi-Contact ويتم تصنيعه الآن بموجب ترخيص من قبل أكثر من عشرة موردين عالميين. تم تصنيف MC4 لـ 1500 فولت تيار مستمر و30 أمبير تيار مستمر مع سلك كهروضوئي 4 مم² أو 6 مم² (12 AWG إلى 10 AWG) ويحافظ على تصنيف حماية الدخول IP68 عند التزاوج، مما يعني أنه يتحمل الغمر المستمر في 1 متر من الماء.

القاعدة الحاسمة للموثوقية هي تجانس الموصل: يجب أن تكون الموصلات الذكور والإناث في سلسلة واحدة من نفس الشركة المصنعة. يؤدي تزاوج موصل Amphenol H4 مع Staubli MC4 الأصلي، على الرغم من توافقهما المادي وقائمة UL، إلى حدوث خطر التآكل الجلفاني في واجهة التلامس نظرًا لاختلاف المعادن الأساسية وسمك الطلاء. وقد تبدأ مقاومة التلامس الناتجة، والتي تقاس بمقياس أربعة أسلاك ملي أوم، عند قيمة مقبولة 0.5 ملي أوم ولكن يمكن أن ترتفع إلى 5 ملي أوم أو أكثر خلال ثلاث سنوات من التدوير الحراري، وعند هذه النقطة يتجاوز تسخين I²R عند الموصل درجة حرارة الكابل المحيطة ويسرع عملية الأكسدة. تعد الأعطال الميدانية التي ترجع إلى موصلات غير متطابقة هي مطالبة التأمين الأكثر شيوعًا على أنظمة الأسطح السكنية.

متطلبات موصل التأريض وربط المعدات

يعمل موصل تأريض المعدات (EGC) في المصفوفة الشمسية كمسار عودة تيار العطل ويجب أن يكون حجمه مناسبًا لتحمل تيار الدائرة القصيرة الكامل للمصفوفة دون تجاوز درجة حرارته المقدرة. يحكم جدول NEC 250.122 حجم EGC بناءً على تصنيف جهاز حماية التيار الزائد، ولكن بالنسبة للعاكسات بدون محولات حيث يتم دمج اكتشاف الخطأ الأرضي للتيار المستمر، يوصى باستخدام EGC لا يقل حجمه عن أكبر موصل دائرة تيار مستمر من خلال أفضل الممارسات الهندسية، حتى عندما يسمح الكود بحجم أصغر. يجب أن يكون السلك الكهروضوئي 10 AWG المستخدم كموصل إيجابي للتيار المستمر غير المؤرض مصحوبًا بـ الحد الأدنى 10 AWG EGC ، الحجم لكل 690.45 من NEC.

بالنسبة لجانب التيار المتردد، يكون EGC بين العاكس ولوحة الخدمة الرئيسية عادةً موصل THHN/THWN-2 مع عزل أخضر، بحجم حسب الجدول 250.122 بناءً على تصنيف حماية التيار الزائد لخرج التيار المتردد للعاكس. يتطلب قاطع الإخراج العاكس بقدرة 40 أمبير أ الحد الأدنى 10 AWG من النحاس EGC . إن EGC ليس موصلًا يحمل تيارًا في التشغيل العادي ولكن يجب أن يكون قادرًا على توصيل تيار العطل الأرضي الكامل للوقت المطلوب لجهاز التيار الزائد لإزالة العطل، وهي مدة عادة أقل من 0.1 ثانية لقواطع الدائرة الحديثة التي تحد من التيار.

إدارة الكابلات والحماية من التعرض للأشعة فوق البنفسجية

حتى الأسلاك الكهروضوئية المقاومة لأشعة الشمس تتطلب حماية مادية ضد الحواف الحادة، والأضرار التي لحقت بالحياة البرية، والتدهور المركّز للأشعة فوق البنفسجية عند نقاط الضغط. يتم توجيه الكابلات الموجودة على مصفوفة مثبتة على الأرض من خلال علبة كبلات معدنية أو من البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، مؤمنة برباطات كبلات من الفولاذ المقاوم للصدأ على فترات لا تتجاوز 1.5 متر . يجب ألا تزيد روابط الكابلات من ضغط العزل؛ يمكن أن يؤدي شد التعادل الذي يتجاوز مواصفات الشركة المصنعة إلى تدفق عازل XLPE على البارد وتقليل سمك الجدار عند نقطة الربط بنسبة 50٪ خلال دورة حرارية واحدة.

في التركيبات الموجودة على السطح، يجب دعم الأسلاك الكهروضوئية من سطح السقف بواسطة مشابك كابلات أو قنوات إدارة الأسلاك المدمجة في إطار الوحدة. يؤدي الاتصال المباشر بين غلاف الكابل والألواح الإسفلتية إلى نقل الحرارة من سطح السقف إلى الكابل، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارة الموصل بمقدار تقديري 5 درجات مئوية إلى 10 درجات مئوية فوق درجة حرارة الهواء المحيط ، وهو الهامش الذي يمكن أن يدفع درجة حرارة الموصل إلى ما هو أبعد من تصنيفها الرطب البالغ 90 درجة مئوية عند دمجه مع تيار الحمل الكامل وإشعاع الطبقة الخلفية للوحدة العالية. يجب أيضًا توجيه الكابل لتجنب المياه الراكدة في النقاط المنخفضة من السقف، حيث تعمل دورات التجميد والذوبان على الضغط على الغلاف من خلال التمدد المتكرر وانكماش التكوينات الجليدية.