Fotovoltaikus kábel Manufacturers

UV-ellenállás és termikus öregedés: A két lebomlási mechanizmus, amely meghatározza a fotovoltaikus kábel élettartamát

Fotovoltaikus kábel s teljes működési élettartamuk alatt napfénynek vannak kitéve – a tetőtéri rendszerekben ez 10 000 órát meghaladó közvetlen besugárzás-felhalmozódást jelenthet a rendszer 25 éves tervezési élettartama alatt, miközben a déli fekvésű tetők felületi hőmérséklete a nyári csúcsidőszakban rendszeresen eléri a 70-90°C-ot. Ez a két tényező, az ultraibolya sugárzás és a tartósan megemelkedett hőmérséklet, az elsődleges leromlási mechanizmus, amely elválasztja a célra épített PV-kábeleket az általános célú kültéri kábelektől, és kölcsönhatásuk megértése segít megmagyarázni, hogy a kábelanyag-választás miért nem cserélhető fel a termékkategóriák között.

Az UV-sugárzás megtámadja a szigetelésben és a köpenyben lévő polimerláncokat egy fotooxidációnak nevezett fotokémiai folyamaton keresztül, amely felhasítja a molekuláris kötéseket, és fokozatosan rideggé teszi az anyagot. A szabványos PVC, amely eleve UV-instabil hozzáadott stabilizátorok nélkül, a közvetlen napsugárzástól számított három-öt éven belül elkezdheti a felület megrepedezését és fokozott ridegségét. A térhálósított polietilén (XLPE) és – gyakrabban a PV-specifikus alkalmazásokban – a térhálósított EVA vagy XLPO (térhálósított poliolefin) vegyületek sokkal hatékonyabban ellenállnak a fotooxidációnak, mivel háromdimenziós polimerhálózati szerkezetük korlátozza a lánc mobilitását, és eredendően ellenáll a molekuláris hasadásnak UV-sugárzás hatására. A térhálósítási folyamat – akár peroxid kémiával, akár elektronsugaras besugárzással érhető el – az anyag folyamatos üzemi hőmérsékletét a szabványos hőre lágyuló polietilén 70°C-os határáról 90°C-ra vagy 120°C-ra emeli a fotovillamos alkalmazásokban használt XLPE változatoknál.

A tartós hőmérsékleten történő termikus öregedés nem-lineáris módon kölcsönhatásba lép az UV-degradációval: a megemelt hőmérséklet felgyorsítja az UV által kiváltott oxidációs reakciókat, vagyis egy kábel 85°C-on lényegesen gyorsabban bomlik le, mint azt az egyedi hőmérséklet és UV-hatások összege sugallná. Az IEC 62930, a PV-kábelek nemzetközi szabványa ezt azáltal oldja meg, hogy az UV-expozíciós vizsgálaton túlmenően kiterjesztett termikus öregedési tesztet ír elő 120 °C-on 3000 órán keresztül – ez a kombinált minősítés, amelyet az általános célú kábelszabványok nem tartalmaznak. Az IEC 62930 szerinti CE-jelöléssel ellátott kábelek mindkét teszten megfeleltek a szakadási nyúlás és a szakítószilárdság meghatározott megőrzésével, objektív bizonyítékot szolgáltatva az összetett tartósságra, amelyet az adatlapok önmagukban nem biztosítanak. Az Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. jogosult fotovoltaikus kábel s megfelelnek az IEC 62930 követelményeinek, biztosítva, hogy a vegyület teljesítményét teszteléssel igazolják, és ne a nyersanyag specifikációiból következtetjenek ki.

Névleges egyenfeszültség és a rendszerfeszültség, a nyitott áramköri feszültség és a kábel névleges feszültsége közötti különbség

A fotovoltaikus rendszer kábelválasztásának egyik legkövetkezményesebb félreértése a rendszer névleges egyenfeszültsége, hideg körülmények között fennálló maximális nyitott áramköri feszültsége és magának a kábelnek a névleges feszültsége közötti kapcsolat. Ez a három érték különbözik egymástól, és ha csak a névleges rendszerfeszültségre méretezett kábelt választunk – a szakadási és hőmérséklet-korrigált maximum figyelembevétele nélkül – olyan látens szigetelési feszültséget hoz létre, amely nem feltétlenül okoz azonnali meghibásodást, de felgyorsítja a dielektromos öregedést, és a szigetelés meghibásodásához vezethet a rendszer élettartama során.

A kristályos szilícium PV húrban az egyes modulok nyitott áramköri feszültsége (Voc) növekszik, ahogy a cella hőmérséklete csökken. A 48 V névleges Voc feszültségű modul standard vizsgálati körülmények között (25 °C) akár 56–58 V feszültséget is termelhet –10 °C-on, a feszültség hőmérsékleti együtthatójától függően (jellemzően -0,3% és -0,4% per °C kristályos szilícium esetén). Egy 20 ilyen modulból álló sorozatnál ez a hideg hőmérsékletű Voc eléri az 1100–1160 V-ot – potenciálisan egy olyan kábel 1000 V-os névleges feszültsége felett, amelyet egyszerűen „az 1000 V névleges rendszerfeszültség fedezésére” határoztak meg. Az IEC 60364-7-712 és a legtöbb nemzeti fotovoltaikus telepítési kód megköveteli, hogy a kábel feszültsége lefedje a maximális Voc húrt a telepítés helyén várható legalacsonyabb környezeti hőmérséklet mellett, ami nagy magasságban vagy északi éghajlatú telepítéseknél 1500 V névleges kábelt igényelhet még az 1000 V-os inverter bemenet köré tervezett rendszerek esetében is.

Az 1000 V-ról 1500 V-ra való áttérés a közüzemi méretű és kereskedelmi tetőtéri fotovoltaikusok esetében tovább élezte ezt a követelményt. 1500 V egyenfeszültségen a kábeldielektromos anyagok szigetelési feszültsége nem egyszerűen 50%-kal nagyobb, mint 1000 V-nál – a dielektromos áttörés valószínűsége a térerősség erősen nemlineáris függvénye, és a névleges feszültség és a tényleges ellenállási feszültség közötti rés jelentősen szűkül magasabb üzemi potenciálok esetén. Az IEC 62930 szerint 1500 V DC névleges feszültségű kábeleknek jóval szigorúbb feszültségvizsgálaton kell átmenniük (6000 V AC vagy azzal egyenértékű egyenáram), mint az 1000 V névleges kábeleknek, ami tükrözi a szigetelés falvastagságának és a magasabb feszültségszinten megkövetelt összetétel minőségének valós különbségeit.

Áramátviteli kapacitás lecsökkentése a kötegelt és vezetékes PV string kábelekben

A kábel adatlapokon közzétett amperacitási értékek egyetlen kábelen alapulnak szabad levegőben referencia környezeti hőmérsékleten – olyan körülmények, amelyek ritkán tükrözik a tényleges PV telepítési gyakorlatot. A valóságban a fotovillamos szálkábeleket általában csoportokba kötözik, vezetéken vezetik át, tetőmembránok alá szerelik be korlátozott légáramlással, vagy közvetlenül érintkeznek egymással a kábeltálcák mentén a nyomkövető szerkezeteken. Ezen feltételek mindegyike csökkenti a kábel hőleadó képességét, és a vezető hőmérsékletét a közzétett amperasitási besorolásban feltételezett szint fölé emeli. A lecsökkentő tényezők figyelmen kívül hagyása a szigetelés folyamatos névleges értékét meghaladó vezetőhőmérsékletekhez vezet, felgyorsítja a termikus öregedést és növeli az ellenállást – ami viszont tovább emeli az üzemi hőmérsékletet egy önerősítő ciklusban.

A tipikus fotovillamos berendezéseknél a kötegelési leértékelés a legjelentősebb tényező. Ha több áramot szállító kábel termikus érintkezésben van vagy közel van egymáshoz, mindegyik kábel hőteljesítménye megemeli a szomszédok által tapasztalt környezeti hőmérsékletet. Az IEC 60364-5-52 előírja a csoportosítási korrekciós tényezőket: két érintkező kábel megtartja egyéni áteresztőképességének hozzávetőlegesen 80%-át, négy, csoportosított kábel körülbelül 65%-át, hat vagy több kábel pedig geometriától függően legfeljebb 57%-át. A szabad levegőben 25 A névleges feszültségű húrkábelnél, amely öt másik, azonos áramszintű húrral van kötve, a kábelenkénti lecsökkentett amperesség 14–15 A-re eshet – a húr rövidzárlati árama alá egy nagy besugárzású napon. Ebben a helyzetben vagy nagyobb vezeték-keresztmetszetet kell választani, vagy a kábeleket olyan konfigurációkban kell elhelyezni, amelyek megfelelő hőelválasztást biztosítanak.

A környezeti hőmérséklet csökkentése egy második korrekciós réteget ad hozzá. A meleg éghajlaton a háztetőkön lévő napelemes kábelek környezeti hőmérséklete rendszeresen 50–60 °C a tetőfelület és a kábel közötti térben, szemben a szabványos űrtartalomtáblázatokban használt 30 °C-os referenciahőmérséklettel. Az XLPE szigetelésű, 90°C-os vezetőhőmérsékletű PV-kábeleknél a környezeti hőmérséklet és a vezeték határértéke közötti hőmérséklet-emelkedési ráhagyás ilyen körülmények között csak 30–40°C, szemben a referenciaeset 60°C-kal – az áteresztőképesség a táblázatban szereplő érték körülbelül 70%-ára csökken, mielőtt bármilyen kötegelési korrekciót alkalmaznának. A Zhishang Cable alkalmazás-specifikus amperációs útmutatást ad, amely egyszerre veszi figyelembe a csoportosítást és a környezeti hőmérsékletet, lehetővé téve a rendszertervezők számára, hogy a tényleges telepítési feltételeknek megfelelő vezeték-keresztmetszeteket válasszanak ki, ahelyett, hogy a közzétett szabad levegő értékekre hagyatkoznának, amelyek túlbecsülik a felhasználható áramkapacitást.

Csatlakozók kompatibilitása és az össze nem illő PV-kábel-csatlakozó kombinációk rejtett kockázata

Az MC4 és a hasonló többérintkezős egyenáramú csatlakozók de facto szabványos végződésekké váltak a PV húrkábeleknél, de az a feltételezés, hogy bármely MC4-kompatibilis kábel és a különböző gyártók bármely MC4-csatlakozója szabadon kombinálható, műszakilag hibás, és bizonyos joghatóságokban kódsértő. A fotovoltaikus csatlakozó szabványok – beleértve az IEC 62852 szabványt és az IEC 62548 rendszerszintű követelményeit – előírják, hogy a csatlakozóknak alkalmasnak kell lenniük meghatározott külső átmérő- és vezeték-keresztmetszetű kábelekhez, és hogy a különböző gyártóktól származó csatlakozók keverése érvényteleníti mindkettő típusvizsgálati minősítését, még akkor is, ha a mechanikai csatlakozás megfelelőnek tűnik.

Az össze nem illő kombinációk kockázata elsősorban nem az azonnali meghibásodásból fakad – a mechanikusan ültetett vegyes csatlakozó hónapokig vagy évekig normálisan működhet. A kockázat az érintkezési ellenállás kúszása: a hőciklus a napi besugárzási ingadozás során differenciális tágulást és összehúzódást okoz a kábelszigetelés, a kábelvezető és a csatlakozó érintkezőteste között, amelyek mindegyike eltérő hőtágulási együtthatóval rendelkezik. Egy összeillő és megfelelően minősített kombinációban ezeket a különbségeket figyelembe veszik az érintkezők tervezésénél. Nem illeszkedő kombinációban az érintkezők geometriája lehetővé teheti a mikromozgásokat, amelyek fokozatosan növelik az érintkezési ellenállást a krimpelt felületen, helyi hőt generálva, amely végül elszenesíti a szigetelést, és rezisztív hibát vagy ívet hoz létre. Azokban az egyenáramú rendszerekben, amelyekben nincs nulla keresztezés, amely természetes módon kioltja a váltakozó áramú íveket, az ellenállásos hibák meglepően alacsony hibaáramok mellett is fenn tudják tartani az ívet – így a csatlakozók minősége és kompatibilitása valódi tűzveszélyt jelent, nem pedig pusztán szabályozási szempont.

A kábel külső átmérőjének tűrése is fontosabb a napelemes csatlakozóalkalmazásoknál, mint a legtöbb más csatlakozótípusnál, mivel a csatlakozó kábeltömítése és feszültségmentesítése a csatlakozótest és a kábelköpeny közötti szoros illeszkedéstől függ. A tűréssáv alsó végén külső átmérőjű kábel beülhet a csatlakozóba, de a kábeltömítést nem kellően összenyomva hagyja, ami lehetővé teszi a nedvesség bejutását az érintkezőkamrába – ez közvetlen út a szigetelési ellenállás leromlásához és a csatlakozó korróziójához kültéri telepítéseknél. A szűk külső átmérő tűréssel gyártott kábelek, amelyek köpenyfalvastagságát a specifikációs tartomány felső határáig szabályozzák, következetesen jobb tömítést biztosítanak az MC4-kompatibilis csatlakozóméretek teljes skáláján. Ez egy méretbeli minőségi jellemző, amely a vásárláskor láthatatlan, de idővel nyilvánvalóvá válik a helyszíni megbízhatósági statisztikákban, és ez az egyik olyan konstrukciós részlet, amelyet az Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. szabvány gyártási paraméterként szabályoz, nem pedig opcionális prémium specifikációként.

Főbb ellenőrzések a különböző beszállítóktól származó PV-kábel és csatlakozó kombinálása előtt

• Ellenőrizze a külső átmérő kompatibilitását: Győződjön meg arról, hogy a kábel tényleges külső átmérője (nem névleges) a csatlakozó gyártója által az adott csatlakozómérethez megadott elfogadási tartományba esik.
• Ellenőrizze a keresztmetszet krimpelési tartományát: Minden csatlakozóérintkező egy adott vezeték-keresztmetszet-tartományra van minősítve; ellenőrizze, hogy a kábelvezető módosítás nélkül illeszkedik-e a krimpelőcső minősített tartományába.
• Erősítse meg az IEC 62852 kompatibilitási nyilatkozatot: Egyes csatlakozógyártók tesztelt kompatibilis kábeltartományokat tesznek közzé; használja ezt elsődleges referenciaként, ahelyett, hogy azt feltételezné, hogy a fizikai alkalmasság megfelel a minősített kompatibilitásnak.
• Használja a megfelelő krimpelő szerszámot: Még az illesztett kábel-csatlakozó kombinációk is meghibásodnak, ha olyan szerszámmal préselik, amely nem alkalmas az adott csatlakozóhoz; Az IEC 62852 szabvány érintésállósági és mechanikai tartási követelményei csak jóváhagyott szerszámokkal és szerszámkészletekkel teljesülnek.