Кабели и конектори за фотоволтаични инсталации

Проектирането и планирането на една фотоволтаична инсталация, независимо дали е покривна или наземна, е комплексен и трудоемък процес. С особено внимание проектантите на соларни електроцентрали подхождат към електрическото окабеляване, тъй като използваните кабели и конектори са подложени на топлинни, механични и други натоварвания по време на експлоатацията на съоръжението.

Подобно на останалите компоненти от оборудването на инсталацията, и кабелите е необходимо да издържат на предвидените 25 или повече години сервизен живот на централата.

Излагането на сурови атмосферни условия, като резки температурни колебания и директно облъчване с ултравиолетови лъчи, може значително да повреди незащитените кабелни системи и проводниците в тях, по които протича генерираната от инсталацията електроенергия.

Приложения

Свързването на отделните компоненти на една фотоволтаична централа се осъществява с кабелни системи с подходящо сечение, което да гарантира ниски загуби на енергия и да предотврати прегряване на кабелите и свързаните с него потенциални щети, включително и от пожар.

В конструкцията на една соларна електроцентрала обикновено влизат четири основни компонента, които се свързват помежду си чрез окабеляване: соларни панели, заряден контролер, батерии и инвертор. Зарядният контролер има за цел да елиминира риска от претоварване на батериите.

Проводниците, които се използват за свързване на фотоволтаичния панел към контролера, е добре да бъдат правилно оразмерени на етап планиране и проектиране на съоръжението, за да се намалят загубите на енергия. Колкото по-далеч от зарядния контролер са разположени панелите, с толкова по-голям диаметър е препоръчително да бъде проводникът.

Инверторът служи за преобразуване на постоянния ток, генериран от соларния панел, в променлив ток - най-популярната форма на електрическа енергия, с която са съвместими повечето електроуреди и системи с ел. захранване по света.

Фотоволтаичните централи обикновено са разположени на открито, ето защо електрическите кабели и конектори в тях е необходимо да бъдат устойчиви на ултравиолетова радиация, влага, високи температури и други атмосферни влияния.

При т. нар. “следящи” соларни системи (solar tracking systems), при които PV панелите се обръщат така, че по всяко време слънчевата радиация да попада перпендикулярно върху тях, електрическите кабели трябва да са максимално гъвкави, за да позволяват свободно движение на панелите.

В зависимост от капацитета и конфигурацията на фотоволтаичната система се прилагат различни стратегии за окабеляване. При по-малките PV инсталации със стрингови инвертори обикновено се използват трижилни AC кабели за свързване към електроразпределителната мрежа, в случай че системата е с еднофазен инвертор, и петжилни кабели - при системи с трифазен инвертор.

При едромащабните соларни централи с централен инвертор се залага на кабели с по-голямо сечение, които осъществяват връзката между централната съединителна кутия (DC обединителната кутия) и централния инвертор.

При дължина над 50 м, тези кабели е необходимо да бъдат екранирани съгласно IEC 62548 - “Фотоволтаични (PV) масиви - Изисквания по отношение на дизайна”.

DC кабели

Правотоковите кабели се използват предимно във фотоволтаични проекти и все още са налице някои неразрешени предизвикателства при експлоатацията им, за разлика от променливотоковите кабели, на които традиционно се залага в енергийния сектор.

През последните години сериозният търговски натиск принуждава разработчиците и изпълнителите на соларни централи да намаляват капиталовите разходи, което води до избора на продукти с по-ниски цени и/или такива с различен (най-често по-лош) от оптималния дизайн.

Макар да не са най-скъпият компонент от оборудването на една PV инсталация, DC кабелите оказват съществено влияние върху ефективността й. Ето защо подборът на качествени кабели и конектори е важна стъпка от процеса по проектиране и планиране на фотоволтаичните централи.

DC кабелите свързват PV модулите с инверторите и най-общо се подразделят на два вида. Стринговите DC кабели се използват за свързване на соларните модули един към друг и за осъществяване на кабелна връзка между групата модули и стринговите обединителни кутии или обединителните кутии на масива.

Продуктите за окабеляване на фотоволтаичните модули помежду им обикновено са достъпни фабрично свързани с модулите, докато кабелите, свързващи стринговете и осъществяващи връзката с обединителните кутии, се предлагат в търговската мрежа поотделно.

Стринговите DC кабели пренасят ток с големина едва около 10 А и за тази цел е достатъчно малко напречно сечение (от 2,5 до 10 кв. мм).

Главните DC кабели имат за цел да свържат обединителните кутии на соларните масиви с инверторите. Тези кабели пренасят ток с големина от порядъка на 200-600 A в индустриални или комунални проекти и изискват по-голямо сечение (от 95 до 400 кв. мм).

DC кабелите, с изключение на фабрично свързаните с модулите, представляват около 2% от цената за изграждането на една соларна централа, но от тях до голяма степен зависят мощността и производителността на съоръжението.

Неподходящият дизайн или неадекватният подбор на кабели и конектори би могъл да доведе до рискове по отношение на сигурността и безопасността, намалена мощност и влошаване на други показатели, свързани с производителността.

Експертите в областта твърдят, че загубите на мощност вследствие на неправилно подбрани DC кабели могат да достигнат 15%, но е трудно и времеемко емпирично да се изолира и количествено да се определи ролята на постояннотоковите кабели по отношение на влошената производителност.

В допълнение, спадът на напрежение в кабелите обикновено е причина за прегряване и възникване на риск от пожар. Загубите на мощност при DC кабелите обикновено се измерват посредством спада на напрежението от модула до инвертора. Тъй като големината на тока по проводника остава постоянна, спадът на напрежение предполага пропорционална загуба на мощност.

Кабели за високо и ниско напрежение

Кабелите за ниско (НН) и високо (ВН) напрежение са AC кабели с по-високо номинално напрежение. Тези кабели се използват за свързване на инверторите към трансформатор и на трансформатора към подстанцията на обекта. Понастоящем за тази цел обикновено се използват кабели с номинално напрежение 1000 V, но все повече проектанти избират 1500-волтови кабели.

Кабелите ВН служат за пренос на електроенергия при високо напрежение от локалната подстанция на обекта до подстанциите в преносната мрежа. В зависимост от капацитета на проекта, номиналното напрежение на тези кабели може да варира от 11 000 V до 33 000 V.

Кабелите за високо и ниско напрежение се използват широко в енергетиката както в конвенционални, така и във ВЕИ централи. DC кабелите се използват предимно в соларни проекти.

В променливотоковите кабели масово използван токопроводим материал е алуминият. Тези кабели имат експлоатационен живот от над 35 години и са в употреба от десетилетия в много и различни енергийни системи по целия свят.

При AC кабелите токът обикновено е непрекъснат, при което кабелът достига стабилно състояние с минимално топлинно напрежение. Работата в соларна инсталация, от друга страна, е свързана с прекъсвания поради постоянно променящата се слънчева радиация.

Спецификации по отношение на кабелите

Рентабилното производство на електроенергия от възобновяеми източници изисква специално проектирана система за окабеляване, която да оптимизира ефективността и да сведе до минимум загубите на енергия.

Това позволява повече генерирана мощност да достига до подстанциите, откъдето се предава към мрежата. За да се оптимизира ефективността, кабелите, използвани в точките на генериране на ток от слънчевата енергия, са с по-високо номинално напрежение (до 2000 V) в сравнение със стандартния (600 V) клас за конвенционални приложения.

Кабелите СН (средно напрежение), които свързват трансформаторите и подстанциите, се подлагат на реинженеринг, за да осигурят по-добра ефективност по време на експлоатационния цикъл чрез охлаждане и понижаване на енергийните загуби при пренос.

В соларни централи на открито типично се използват кабели, които са устойчиви на ултравиолетови лъчи и атмосферни влияния и могат да бъдат експлоатирани в голям температурен диапазон.

Стандартно за такива приложения проектантите избират едножилни кабели с максимално допустимо DC напрежение 1,8 kV и температурен диапазон на работа от -40 до +90°C.

Кабелите с изолация от омрежен метал се отличават с подобрено екраниране и защита от пренапрежение, а изолационният слой ги защитава не само от топлинни, но и от механични въздействия.

Напречното сечение на кабелите трябва да бъде пропорционално, така че загубите при номинална работа да не надвишават 1%. Стринговите кабели обикновено имат напречно сечение от 4-6 кв. мм.

Кабелите, използвани във фотоволтаични централи, са проектирани така, че да издържат на дългосрочно излагане на слънчева светлина.

За да поддържат устойчиво висока производителност и надеждност по време на експлоатационния цикъл, кабелите за соларни инсталации са разработени с висока устойчивост на озон, влага и други разрушителни атмосферни влияния, както и да осигуряват отлична гъвкавост при условия на понижено налягане и устойчивост на деформация при продължително излагане при високи температури.

Предвид често екстремните среди, в които се инсталират и функционират соларните системи, съчетани с необходимостта от спестяване на време и гарантиране на надеждност на окабеляването, са разработени предварително свързани с конектори кабелни решения.

Идеални за системи в индустриални и комунални мащаби, тези системи позволяват бързи и лесни кабелни връзки, опростяващи инсталацията, като същевременно елиминират и несъответствията, свързани с терминирането на кабелите на място.

DC захранващите кабели за свързване на обединителни кутии към инвертори се предлагат като кабелни пакети в обща метална обшивка, която увеличава надеждността и премахва необходимостта от инсталирането на предпазни кутии и електромонтажни тръби за защита на окабеляването.

PV кабелите се предлагат и в широка гама от цветове с цел по-лесна идентификация на веригите на източника, изхода и инвертора, без да се налага използването на маркиращи ленти или етикети.

Технология за свързване

През последните години излезе на преден план потребността от максимално надеждна технология за свързване на кабели за фотоволтаични централи, тъй като лошият контакт може да причини електрически дъги и сериозни материални щети върху съоръженията.

Необходими са сигурни връзки, които да осигурят безпроблемна работа на инсталацията за период от 20-30 години. Връзката между кабелите трябва да е с постоянно ниско контактно съпротивление.

Тъй като са нужни много конектори/съединители, за да се захранва една фотоволтаична централа, всяка една връзка трябва да причинява възможно най-малка загуба на мощност и енергия, за да не се натрупват тези загуби и да доведат до влошаване на производителността.

Винтовите клеми и пружинните скоби (например в съединителните кутии на модулите и в кутиите за свързване към инвертора) постепенно се заменят със специални, устойчиви на удари щепселни съединители, които опростяват връзката между модулите и стринговите кабели.

Кримпването се е доказало в практиката като безопасна алтернатива за поставяне на съединители и накрайници на кабелите. Техниката може да се използва както в полеви условия, например от техниците инсталатори на дадена покривна соларна централа, така и при производството на предварително асемблирани кабели с конектори във фабрични условия.

Инженерите в областта на окабеляването за PV инсталации са разработили и алтернативен дизайн на съединител, който да позволи свързване на кабели с фиксирането им на място, без да се налага използването на специални инструменти.

При този конектор изваденият проводник влиза през кабелна скоба в пружинния съединител. Впоследствие пружината се натиска надолу с палец, докато се заключи на място. Така подсигуреният кабелен конектор осигурява траен и здрав контакт между двата кабела.

На пазара са достъпни и щепселни съединения в комбинация с гнезда, към които предварително са заварени кабели. Такива решения са подходящи за производството на предварително асемблирани кабелни системи, но не и за инсталационна работа в полеви условия.

Друга новост са предварително свързаните кръгови AC кабелни системи. Те са предназначени да улесняват инсталацията и свързването на няколко инвертора в една централа.

Вследствие на значителното увеличение на цените на медта, през последните години алуминият придоби сериозна икономическа значимост като електрически проводник. Възможно е да се спестят около 50% от стойността на даден проект чрез използване на алуминиеви кабели, особено кабели НН и СН за подземна инсталация.

Въпреки това по-слабата проводимост на алуминия означава, че за същите цели са необходими алуминиеви кабели с по-голямо сечение от медните. Специално внимание е добре да се обърне на винтовите клеми.

Ако винтовите връзки са прекалено стегнати, кабелът се охлабва с времето, което може да доведе до възникването на електрическа дъга и риск от пожар.

Стандарти в областта на “plug” конекторите

Тъй като PV модулите обикновено са снабдени с предварително сглобени щепселни съединители, няколко модула могат лесно да бъдат свързани, за да образуват низ. Свързването на стринговете към инвертора обаче невинаги е лесно.

На пазара се предлагат различни кабелни съединители и все още не са установени стандарти за тези системи, което често затруднява проектантите. Plug-in конекторите от различни производители обикновено са или напълно несъвместими помежду си, или не успяват да осигурят връзка, която да остане постоянно плътна в рамките на дългосрочна експлоатация.

Ако конекторът приляга в гнездото твърде плътно, това пък може да доведе до счупване на изолационните пластмасови части.

От друга страна, твърде свободното прилягане на конекторите един към друг създава риск от висока устойчивост на контакт. Това води до загуби в добива и загряване на зоните около връзката, като създава дори риск от електрическа дъга и стапяне на конектора.

Когато се свързва щепсел с гнездо от друг производител, се създава “кръстосана” връзка, която обикновено може да се докаже като надеждна, само ако се извършат сложни и скъпи тестове.

В допълнение към измерването на съпротивлението на контакта и определянето на здравината на връзката и точността на прилягане, е препоръчително също да се извършат изпитвания на фактори за ускоряване на стареенето и устойчивост на атмосферни влияния.

Такива тестове ще покажат ясно дали различните материали на гнездото и конектора са съвместими помежду си в дългосрочен план или не. Това се отнася както за металите, използвани за производството на контакти, така и за пластмасовите материали.

Понастоящем на пазара не се предлагат доказани “кръстосани” комбинации от конектори и гнезда, тествани в съответствие със стандарта DIN EN 50521 VDE 0126-3: 2009-10: “Конектори за фотоволтаични системи; Изисквания за безопасност и тестове” и одобрени от двата производителя (производител на гнезда A, в комбинация с производителя на щепсел B или производителя на гнездо B, в комбинация с производителя на щепсел А).

Необходим е стандарт за фотоволтаични щепселни съединители, който е с максимален международен обхват и оптимално уеднаквено съдържание, подобен на стандартите за домашни шуко щепсели.

Такава стандартизация би осигурила по-надеждно прилягане един към друг на продуктите от различни производители, а производителите биха били в състояние да предложат реципрочни гаранции за конкретни “кръстосани” комбинации от конектори и гнезда.