Các loại cáp năng lượng mặt trời: Giải thích về dây PV, cáp USE-2 & AC

Sự khác biệt rõ ràng giữa các loại cáp năng lượng mặt trời là liệu chúng được thiết kế để chôn trực tiếp trong mảng quang điện DC hay để kết nối AC giữa biến tần và lưới điện. Dây PV (UL 4703) là loại cáp duy nhất được xếp hạng cho cả khả năng chôn trực tiếp và tiếp xúc liên tục với ánh sáng mặt trời trong mảng DC, với mức định mức ướt 90°C và mức định mức khô 150°C, bắt buộc đối với các hệ thống biến tần không biến áp không nối đất hoạt động ở điện áp 1.000 hoặc 1.500 volt DC. Cáp SỬ DỤNG-2, mặc dù vẫn được liệt kê để chôn trực tiếp, nhưng lại thiếu mức chống chịu ánh nắng mặt trời đầy đủ và khoảng không ở nhiệt độ cao hơn mà các mảng điện áp cao hiện đại yêu cầu.

Bốn loại cáp năng lượng mặt trời chính

Một hệ thống quang điện bao gồm các vùng điện riêng biệt, mỗi vùng được điều chỉnh bởi một loại cáp cụ thể và một bộ yêu cầu lắp đặt tương ứng theo Điều 690 của Bộ luật Điện quốc gia (NEC). Bốn loại cáp xuất hiện trong một hệ thống được thiết kế phù hợp từ mảng đến điểm kết nối như sau.

Dây PV, được liệt kê theo UL 4703 và tiêu chuẩn chủ đề UL 4703, là cáp một dây dẫn có cách điện bằng polyetylen liên kết ngang (XLPE) và một chiếc áo khoác ngoài chống nắng. Nó được đánh giá cho 600V, 1.000V hoặc 2.000V tùy thuộc vào độ dày cách điện, với biến thể 2.000 V được chỉ định cho mảng quy mô tiện ích 1.500 VDC. Lớp cách điện XLPE mang lại độ ổn định nhiệt, nghĩa là cáp duy trì độ bền điện môi và đặc tính cơ học ngay cả khi tiếp xúc kéo dài với nhiệt độ hoạt động tối đa của dây dẫn là 90°C ướt và 150°C khô. Dây dẫn bằng đồng mạ thiếc, được bện theo tiêu chuẩn ASTM B174 Loại B hoặc C, chống lại tác động ăn mòn của hơi ẩm thấm vào lớp cách điện qua nhiều thập kỷ sử dụng. Dây PV là loại cáp duy nhất trong ngành năng lượng mặt trời mang Xếp hạng ngọn lửa VW-1 và xếp hạng chôn cất trực tiếp đồng thời, đáp ứng cả yêu cầu an toàn cháy nổ khi lắp đặt trên mái nhà và yêu cầu định tuyến ngầm trong hệ thống thu gom DC gắn trên mặt đất.

Cáp USE-2, được xây dựng theo tiêu chuẩn UL 854 và được NEC Điều 338 công nhận, là cáp một dây dẫn được xếp hạng dành cho lối vào dịch vụ ngầm. Nó sử dụng Cách nhiệt XLPE giống hệt về mặt hóa học với dây PV nhưng sử dụng lớp vỏ dày hơn, chắc chắn hơn được thiết kế để chịu được sự mài mòn cơ học khi kéo qua ống dẫn ngầm và tiếp xúc trực tiếp với đất. Định mức điện áp của nó được giới hạn ở 600 V và nhiệt độ dây dẫn tối đa của nó là 90°C ướt và 90°C khô , một hạn chế nghiêm trọng so với dây PV. Việc không có định mức khô 150°C có nghĩa là không thể sử dụng USE-2 trong không khí tự do trong dãy mái nhà nơi nhiệt độ tấm nền mô-đun thường xuyên đạt từ 75°C đến 85°C và nhiệt độ dây dẫn tăng lên khi đầy tải sẽ đẩy lớp cách nhiệt vào vùng quá tải nhiệt.

Cáp TC-ER, cáp khay tiếp xúc có định mức chạy định mức, đóng vai trò là đường trục thu DC giữa hộp tổ hợp và đầu vào biến tần hoặc giữa nhiều bộ biến tần chuỗi trong cấu hình chuỗi nối tiếp. TC-ER là tổ hợp nhiều dây dẫn, thường là ba dây dẫn cộng với đất, với lớp cách điện bên trong bằng PVC và lớp vỏ ngoài bằng nylon hoặc PVC. Nó được đánh giá cho 600 V và 90°C khô và danh sách của nó cho phép định tuyến trong khay cáp mà không cần ống dẫn khi chạy lộ thiên. Cấu trúc nhiều dây dẫn giúp đơn giản hóa việc đi dây so với việc kéo các cáp một dây dẫn riêng lẻ, nhưng lớp vỏ PVC bị phân hủy dưới bức xạ cực tím, vì vậy TC-ER phải được bọc kín khi lắp đặt ngoài trời dưới ánh nắng trực tiếp.

Dây xây dựng THHN/THWN-2, mặc dù không phải là cáp năng lượng mặt trời chuyên dụng, xuất hiện ở phía AC của đầu ra biến tần thông qua bảng dịch vụ chính hoặc điểm kết nối tiện ích. Đã xếp hạng 600 V và 90°C khô, 75°C wet , với lớp bọc nylon bên ngoài lớp cách điện PVC, nó tiết kiệm chi phí, được sử dụng rộng rãi và tuân thủ quy tắc cho tất cả hệ thống dây điện xoay chiều trong nhà ở phía sau biến tần. Khả năng chống ánh sáng mặt trời của nó bằng 0 và nó không có danh sách chôn lấp trực tiếp, do đó việc sử dụng nó bị giới hạn nghiêm ngặt trong các mương, ống dẫn bên trong và các bảng kết hợp AC kèm theo.

Bảng thông số kỹ thuật so sánh các loại cáp năng lượng mặt trời

Lựa chọn cấp điện áp và chuyển tiếp 1.500 V

Sự chuyển đổi từ kiến trúc hệ thống 1.000 VDC sang 1.500 VDC trong các nhà máy quang điện quy mô tiện ích làm giảm dòng điện thu DC khoảng 1/3 cho cùng một thông lượng điện, cắt giảm số lượng hộp tổ hợp, bộ cấp nguồn DC và đào rãnh liên quan theo tỷ lệ tương tự. Tuy nhiên, điện áp cao hơn yêu cầu cách điện chặt chẽ hơn. Mảng 1.500 VDC yêu cầu dây PV được xếp hạng cho 2.000 VDC , không phải 1.000 VDC. Độ dày cách điện trên dây PV 2.000 V xấp xỉ 2,4 mm đối với dây dẫn 10 AWG, so với 1,14 mm đối với biến thể 1.000 V . Độ dày thành tăng này làm giảm tính linh hoạt của cáp và tăng bán kính uốn cong tối thiểu, một yếu tố làm phức tạp việc quản lý dây trong hộp nối mô-đun và vỏ DC biến tần.

Tiêu chuẩn IEC 62930, được áp dụng trên toàn cầu bên ngoài Bắc Mỹ, hài hòa các yêu cầu về hiệu suất đối với cáp quang điện 1.500 V. Nó quy định điện trở cách điện tối thiểu là 10 MΩ·km ở 20°C , một con số được xác minh trong quá trình thử nghiệm sản xuất tại nhà máy trên mỗi cuộn trước khi xuất xưởng. Thử nghiệm hiện trường dây quang điện 1.500 V đã lắp đặt với megohm kế 5.000 V phải mang lại giá trị điện trở cách điện không nhỏ hơn 4 MΩ mỗi chuỗi trước khi dây được kết nối với biến tần, một cổng vận hành sẽ xác định hư hỏng lắp đặt đối với vỏ bọc hoặc vòng đệm đầu nối MC4 bị uốn không đúng cách.

Giảm nhiệt độ và hiệu chỉnh cường độ

Các bảng công suất trong Điều 310.15 của NEC giả định nhiệt độ môi trường xung quanh là 30°C và không quá ba dây dẫn mang dòng điện trong một mương. Hệ thống thu thập DC năng lượng mặt trời thường xuyên vi phạm cả hai giả định. Trên mái nhà ở Phoenix, Arizona, nơi nhiệt độ không khí xung quanh cách bề mặt mái 12 inch đạt tới 65°C vào một buổi chiều mùa hè, hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ cho dây PV định mức 90°C là 0.58 theo Bảng NEC 310.15(B)(1)(1). Do đó, dây PV 10 AWG có cường độ dòng điện 30°C là 40 ampe được giảm định mức xuống còn 23,2 ampe ở 65°C. Nếu cùng sợi dây đó được bó với ba sợi dây mang dòng điện khác trong ống dẫn có khoảng cách vượt quá 24 inch thì hệ số điều chỉnh bổ sung là 0.80 được áp dụng, tiếp tục giảm cường độ dòng điện cho phép xuống 18,6 amps.

Kết quả là một dây dẫn 10 AWG, thoạt nhìn có vẻ quá khổ đối với dòng điện chuỗi 9 amp, đang hoạt động ở tốc độ gần 50% công suất giảm định mức sau khi điều chỉnh nhiệt độ và bó . Thực hành kỹ thuật cho các hệ thống trên mái nhà chỉ định 10 AWG là kích thước dây PV tối thiểu cho các kết nối mô-đun, với 8 AWG cần thiết cho các dây dẫn chạy tại nhà phục vụ nhiều hơn hai dây, quy tắc ngón tay cái bắt nguồn từ dữ liệu nhiệt độ trên mái nhà trong trường hợp xấu nhất thay vì tiêu chuẩn cố định.

Hóa chất cách điện và ưu điểm của XLPE

Vật liệu cách nhiệt giúp phân biệt cáp năng lượng mặt trời với dây xây dựng đa năng hơn bất kỳ thuộc tính nào khác. XLPE, polyetylen liên kết ngang được sử dụng trong dây PV và USE-2, là vật liệu nhiệt rắn, nghĩa là các chuỗi polyme được liên kết ngang về mặt hóa học trong quá trình đóng rắn. Sau khi được liên kết ngang, vật liệu không thể tan chảy hoặc chảy khi bị nung nóng. Dây PV tiếp xúc với nhiệt độ dây dẫn 150°C sẽ duy trì hình dạng vật lý và độ bền điện môi, trong khi dây THHN cách điện PVC ở cùng nhiệt độ sẽ mềm, chảy và tạo ra đoản mạch bên trong.

Quá trình liên kết ngang, đạt được bằng phương pháp xử lý độ ẩm dựa trên silane hoặc chiếu xạ chùm tia điện tử, cũng cải thiện khả năng chống chịu dòng chảy lạnh khi bị nén của lớp cách nhiệt. Khi dây PV bị kẹp giữa khung mô-đun và ray lắp, lớp cách điện XLPE sẽ chống lại lực nén có thể làm mỏng thành cách nhiệt PVC theo thời gian. Chiều dày thành giữ lại sau 1.000 giờ tải nén ở 90°C thường bằng 85% đến 90% độ dày ban đầu đối với XLPE, so với 60% hoặc ít hơn đối với PVC . Đặc tính này rất cần thiết trong mảng quang điện trong đó kẹp mô-đun và kẹp dây áp dụng các điểm áp suất cục bộ tồn tại trong vòng đời thiết kế 25 năm của hệ thống.

Khả năng tương thích của đầu nối và tiêu chuẩn MC4

Bản thân cáp năng lượng mặt trời chỉ là dây dẫn; việc chấm dứt kết nối là điểm lỗi cấp hệ thống. Tiêu chuẩn công nghiệp là đầu nối MC4, ban đầu được phát triển bởi Multi-contact và hiện được hơn chục nhà cung cấp toàn cầu sản xuất theo giấy phép. MC4 được đánh giá cho Dòng điện liên tục 1.500 VDC và 30 amps với dây PV 4 mm 2 hoặc 6 mm 2 (12 AWG đến 10 AWG) , đồng thời duy trì mức bảo vệ chống xâm nhập IP68 khi kết hợp, nghĩa là nó có thể chịu được việc ngâm liên tục ở độ sâu 1 mét nước.

Quy tắc quan trọng để đảm bảo độ tin cậy là tính đồng nhất của đầu nối: đầu nối đực và cái trên một dây phải đến từ cùng một nhà sản xuất. Việc kết nối đầu nối Amphenol H4 với Staubli MC4 chính hãng, mặc dù có khả năng tương thích vật lý và danh sách UL, nhưng vẫn gây ra nguy cơ ăn mòn điện tại bề mặt tiếp xúc vì kim loại cơ bản và độ dày lớp mạ khác nhau. Điện trở tiếp xúc thu được, được đo bằng máy đo milliohm bốn dây, có thể bắt đầu ở mức chấp nhận được. 0,5 triệu ohm nhưng có thể tăng lên 5 milliohms trở lên trong vòng ba năm của chu kỳ nhiệt, tại thời điểm đó, nhiệt độ I2R ở đầu nối vượt quá nhiệt độ cáp xung quanh và đẩy nhanh quá trình oxy hóa. Sự cố tại hiện trường bắt nguồn từ các đầu nối không khớp là yêu cầu bảo hiểm phổ biến nhất đối với hệ thống mái nhà dân cư.

Yêu cầu về dây dẫn nối đất và liên kết thiết bị

Dây dẫn nối đất thiết bị (EGC) trong mảng năng lượng mặt trời đóng vai trò là đường hồi lưu dòng điện sự cố và phải có kích thước để mang toàn bộ dòng ngắn mạch của mảng mà không vượt quá nhiệt độ định mức. Bảng 250.122 của NEC quy định kích thước EGC dựa trên xếp hạng thiết bị bảo vệ quá dòng, nhưng đối với các bộ biến tần không biến áp có tích hợp phát hiện lỗi chạm đất DC, EGC không nhỏ hơn dây dẫn mạch DC lớn nhất được khuyến nghị theo thực tiễn tốt nhất về mặt kỹ thuật, ngay cả khi kích thước nhỏ hơn được cho phép theo mã. Dây PV 10 AWG được sử dụng làm dây dẫn dương DC không nối đất phải đi kèm với một tối thiểu 10 AWG EGC , có kích thước theo 690,45 của NEC.

Đối với phía AC, EGC giữa biến tần và bảng điều khiển chính thường là dây dẫn THHN/THWN-2 có lớp cách điện màu xanh lá cây, có kích thước theo Bảng 250.122 dựa trên định mức bảo vệ quá dòng đầu ra AC của biến tần. Bộ ngắt đầu ra biến tần 40-amp yêu cầu một tối thiểu 10 AWG đồng EGC . EGC không phải là dây dẫn mang dòng điện trong hoạt động bình thường nhưng phải có khả năng dẫn toàn bộ dòng điện chạm đất trong thời gian cần thiết để thiết bị quá dòng khắc phục sự cố, khoảng thời gian thường dưới 0,1 giây đối với các bộ ngắt mạch giới hạn dòng điện hiện đại.

Quản lý cáp và bảo vệ tiếp xúc với tia cực tím

Ngay cả dây PV chống ánh sáng mặt trời cũng cần được bảo vệ vật lý chống lại các cạnh sắc, tác hại của động vật hoang dã và sự suy giảm tia cực tím tập trung tại các điểm căng thẳng. Cáp trên dàn gắn trên mặt đất được định tuyến qua khay cáp bằng kim loại hoặc polyetylen mật độ cao (HDPE), được cố định bằng dây buộc cáp bằng thép không gỉ với khoảng cách không quá 1,5 mét . Dây buộc cáp không được nén quá mức lớp cách điện; lực căng dây buộc vượt quá thông số kỹ thuật của nhà sản xuất có thể làm chảy nguội lớp cách nhiệt XLPE và giảm 50% độ dày thành tại điểm buộc trong một chu kỳ nhiệt.

Khi lắp đặt trên mái nhà, dây PV phải được đỡ khỏi bề mặt mái bằng các kẹp cáp hoặc kênh quản lý dây tích hợp khung mô-đun. Sự tiếp xúc trực tiếp giữa vỏ cáp và tấm lợp nhựa đường truyền nhiệt từ bề mặt mái tới cáp, làm tăng nhiệt độ dây dẫn ước tính lên một khoảng. Cao hơn nhiệt độ không khí xung quanh từ 5°C đến 10°C , một giới hạn có thể đẩy nhiệt độ dây dẫn vượt quá định mức ướt 90°C khi kết hợp với dòng điện đầy tải và bức xạ tấm nền mô-đun cao. Dây cáp cũng phải được định tuyến để tránh đọng nước ở các điểm thấp của mái nhà, nơi các chu kỳ đóng băng-tan băng gây áp lực lên lớp vỏ thông qua sự giãn nở và co lại lặp đi lặp lại của các khối băng.