Nástup bifaciální fotovoltaické (FV) technologie způsobil revoluci v solárním průmyslu a nabízí zvýšení energetického výnosu až o 30 % díky zachycování odraženého světla na zadní straně modulu. Tato “bonusová” energie však přináší zásadní technickou výzvu: Zvýšení proudu. Pro elektrotechniky a projektanty systémů proměnlivá povaha ozáření zadní strany znamená, že standardní pravidla pro dimenzování nadproudové ochrany často nestačí.
Pokud dimenzujete pojistky pouze na základě jmenovitých hodnot přední strany za standardních testovacích podmínek (STC), riskujete nepříjemné vypínání, únavu zařízení a potenciální nebezpečí požáru během špičkových událostí albeda. Jako přední výrobce zařízení pro elektrickou ochranu společnost VIOX Electric chápe, že správné dimenzování pojistek pro bifaciální pole vyžaduje jemné pochopení jak National Electrical Code (NEC), tak fyziky odraženého ozáření.
Fyzika bifaciálního zvýšení proudu
Na rozdíl od tradičních monofaciálních modulů mají bifaciální panely průhlednou zadní stranu nebo konstrukci s dvojitým sklem, která umožňuje světlu dopadat na solární články zezadu. Zadní strana přispívá k celkovému výkonu, ale co je důležitější pro ochranu obvodu, přispívá přímo ke zkratovému proudu (I_{sc}).
Množství generovaného proudu navíc silně závisí na albedu (odrazivosti) povrchu pod panely a výšce instalace. Panel nad bílou komerční střechou (vysoké albedo) bude generovat výrazně více proudu než panel nad asfaltem nebo trávou.
Koeficient bifaciality a faktor zesílení
Pro správné dimenzování ochrany musíme toto zesílení kvantifikovat.
- Koeficient bifaciality: Poměr účinnosti zadní strany k účinnosti přední strany (typicky 70-80 % pro moderní články PERC nebo TOPCon).
- Faktor bifaciálního zesílení (BGF): Skutečné procentuální zvýšení proudu během provozu. Zatímco výrobci mohou uvádět “referenční” zesílení, skutečný BGF se obvykle pohybuje od 10 % do 15 %, s nárůsty až na 25-30 % v optimalizovaných podmínkách (např. sníh nebo bílé membrány).
Inženýři nemohou tento proud navíc jednoduše ignorovat. Pojistka musí být schopna zvládnout Celkový kombinovaný I_{sc} bez zhoršení stavu a zároveň chránit vodič a modul před poruchami.
NEC 690.8 a pravidlo 1,56: Upraveno pro bifaciální
National Electrical Code (NEC) poskytuje rámec pro dimenzování FV obvodů, ale bifaciální moduly přidávají vrstvu složitosti k článku 690.8.
Standardní dimenzování se řídí “pravidlem 1,56”:
I_{pojistky} \ge I_{sc} \times 1,25 \text{ (Faktor ozáření)} \times 1,25 \text{ (Faktor trvalého zatížení)}
Pro podrobné pokyny ke standardnímu dimenzování se podívejte na naši Příručku pro dimenzování odpojovačů FV pojistek (pravidlo NEC 1,56).
Nicméně pro bifaciální moduly, I_{sc} není statické číslo. NEC 690.8(A)(2) umožňuje výpočet na základě “nejvyššího 3hodinového průměru proudu”, ale běžnější a bezpečnější inženýrskou praxí je upravit základní I_{sc} před použitím bezpečnostních faktorů.
Upravený vzorec
Pro zajištění shody a bezpečnosti použijte upravený I_{sc}:
I_{sc, upravený} = I_{sc, přední} \times (1 + \text{Bifaciální zesílení})
Poté použijte standardní ochranné faktory:
\text{Minimální jmenovitý proud pojistky} = I_{sc, upravený} \times 1,56
Tabulka 1: Srovnání výpočtu proudu bifaciálního vs. monofaciálního modulu
| Parametr | Monofaciální modul | Bifaciální modul (zesílení 15 %) |
|---|---|---|
| Jmenovitý I_{sc} (přední) | 13,0 A | 13,0 A |
| Zesílení zadní strany | 0 A | +1,95 A (13,0 × 0,15) |
| Efektivní I_{sc} | 13,0 A | 14,95 A |
| Multiplikátor NEC | 1.56 | 1.56 |
| Vypočtená min. pojistka | 20,28 A | 23,32 A |
| Standardní velikost pojistky | 20 A nebo 25 A | 25A nebo 30A |
Všimněte si, jak bifaciální zesílení posouvá požadavek na další standardní velikost pojistky.
IEC 60269-6 a požadavky na pojistky gPV
Zatímco výpočet dimenzování je zásadní, typem typ vybrané pojistky je stejně důležitý. Pro fotovoltaické aplikace musíte používat pojistky s gPV charakteristikou podle IEC 60269-6.
Na rozdíl od standardních AC pojistek nebo univerzálních DC pojistek jsou pojistky gPV navrženy tak, aby přerušily nízké nadproudy (typicky 1,35x až 2x jmenovitý proud), které jsou běžné v FV stringech během zastínění nebo nesouladu.
Proč záleží na gPV pro bifaciální
Bifaciální moduly mohou udržovat proudy mírně nad svým jmenovitým proudem po dlouhou dobu během dnů s vysokým albedem. Pojistka bez gPV se může při tomto trvalém tepelném zatížení unavit, což vede k předčasnému selhání. Kromě toho vysoké DC napětí (1000 V nebo 1500 V) vyžaduje specifické schopnosti zhášení oblouku, které se nacházejí v keramických pojistkách gPV.
Pro hlubší srovnání materiálů pojistek si přečtěte náš článek o Bezpečnostní příručka pro skleněné vs. keramické pojistky.
Komplexní metodika výpočtu
Pro dimenzování pojistek pro bifaciální systém postupujte podle tohoto krok za krokem inženýrského procesu.
Krok 1: Určete Referenční $I_{sc}$
Nahlédněte do datového listu modulu. Hledejte “Bifacial Nameplate Irradiance” nebo specifické datové tabulky zobrazující $I_{sc}$ při různých úrovních zisku (např. 10%, 20%, 30%). Pokud tato data nejsou k dispozici, konzervativní inženýr obvykle předpokládá 20-25% zisk pro výpočty, aby byla zajištěna bezpečnost, pokud modelování albeda specifické pro dané místo neprokáže jinak.
Krok 2: Použijte faktory NEC 690.8
Vypočítejte minimální jmenovitý proud nadproudového ochranného zařízení (OCPD).
$$I_{OCPD} = I_{sc, bifacial} \times 1.25 \times 1.25$$
Krok 3: Zkontrolujte maximální jmenovitý proud sériové pojistky modulu
Zásadní je, že vybraná pojistka nesmí překročit “Maximum Series Fuse Rating” uvedený v datovém listu modulu. To vytváří návrhové okno:
- Spodní hranice: Vypočtená minimální velikost OCPD (aby se zabránilo rušivému vypínání).
- Horní hranice: Maximální jmenovitý proud sériové pojistky modulu (pro ochranu modulu).
Pokud vypočtená hodnota překročí maximální jmenovitý proud modulu, nemůžete jednoduše zvětšit velikost pojistky. Možná budete muset zvýšit počet stringů (snížit paralelní zapojení) nebo se poradit s výrobcem modulu ohledně aktualizovaných certifikací.
U systémů kombinujících více stringů se ujistěte, že rozumíte požadavkům na paralelní zapojení uvedeným v naší příručce: Požadavky na pojistky pro solární FV: NEC 690.9 Paralelní stringy.
Tabulka 2: Příklady dimenzování pojistek pro různé jmenovité hodnoty bifaciálních modulů
| Přední strana modulu $I_{sc}$ | Použitý bifaciální zisk | Upravený $I_{sc}$ | Minimální výpočet pojistky ($I \times 1.56$) | Další standardní velikost pojistky |
|---|---|---|---|---|
| 10 A | 10% | 11.0 A | 17.16 A | 20 A |
| 15 A | 15% | 17.25 A | 26.91 A | 30 A |
| 18 A | 20% | 21.6 A | 33.70 A | 35 A nebo 40 A |
| 20 A | 25% | 25.0 A | 39.00 A | 40 A |
Snížení jmenovitého proudu v závislosti na teplotě: Tichý zabiják pojistek
Pojistky jsou tepelná zařízení; fungují tak, že se roztaví, když se příliš zahřejí. Vysoké okolní teploty proto ovlivňují jejich proudovou zatížitelnost. Střešní solární instalace často zažívají teploty přesahující 60 °C nebo 70 °C.
U bifaciálních modulů vytváří extra proud extra teplo uvnitř pojistkového článku ($P = I^2R$). Pokud nainstalujete pojistku dimenzovanou na 25 A do slučovací skříně, která dosahuje 60 °C, může se jmenovitý proud této pojistky účinně snížit na 20 A nebo méně.
Při dimenzování pro bifaciální systémy použijte teplotní redukční faktor ($K_t$) z datového listu výrobce pojistky:
$$I_{fuse, final} = \frac{\text{Vypočtený Min Proud}}{K_t}$$
Nezohlednění teploty je hlavní příčinou únavy pojistek v horkém klimatu. Zjistěte více o ochraně kabeláže a pojistek v drsném prostředí v naší Příručka pro dimenzování pojistek kabelů pro pozemní solární instalace.
Úvahy o návrhu v reálném světě
Tabulka 3: Faktory bifaciálního zisku podle typu instalace a albeda
| Materiál povrchu | Albedo (%) | Typický proudový zisk | Doporučená bezpečnostní rezerva |
|---|---|---|---|
| Tráva / Půda | 15-20% | 5-7% | Nízká |
| Beton / Písek | 20-30% | 7-10% | Střední |
| Bílá membránová střecha | 60-80% | 15-20% | Vysoká |
| Sníh | 80-90% | 20-30%+ | Velmi vysoká |
Výběr slučovací skříně
Extra proud z bifaciálních modulů také ovlivňuje přípojnice a tepelný management slučovací skříně. Při výběru slučovací skříně se ujistěte, že jmenovitý proud krytu a vnitřních přípojnic je dimenzován pro bifaciální celkový proud, nejen pro jmenovitý proud přední strany. Pro plánování rozšíření viz naše Příručka pro dimenzování solární slučovací skříně.
Nadproud vs. Zkrat
Je důležité rozlišovat mezi ochranou proti přetížení a ochranou proti zkratu. Bifaciální zisk zvyšuje provozní proud blíže k prahu přetížení. Použití jističů nebo pojistek s nastavitelným vypínacím nastavením může někdy nabídnout větší flexibilitu než pevné pojistky. Pro srovnání ochranných zařízení se podívejte na Vysvětlení DC ochrany FV: MCB, pojistky a SPD.
Nejčastější chyby, kterých se vyvarujte
- Ignorování zisku ze zadní strany: Dimenzování striktně podle předního štítku je chyba #1. Vždy přidejte očekávaný bifaciální zisk.
- Dvojí započítávání bezpečnostních faktorů: Někteří inženýři zbytečně aplikují faktor 1,25 dvakrát. Držte se vzorce: $I_{sc, upravený} \times 1,56$.
- Překročení maximálního sériového jištění modulu: Upřednostňování vypočítaného vysokého proudu při ignorování bezpečnostního limitu modulu může zrušit záruky a vytvořit riziko požáru.
- Zanedbání snížení výkonu v závislosti na teplotě: Pojistka dimenzovaná perfektně pro 25 °C pravděpodobně selže při 65 °C uvnitř střešní slučovací skříně.
Tabulka 4: Souhrn multiplikačních faktorů NEC
| Faktor | Hodnota | Účel |
|---|---|---|
| Bifaciální zisk | Proměnný (1,10 – 1,30) | Zohledňuje ozáření zadní strany |
| Vysoké ozáření (690.8(A)(1)) | 1.25 | Zohledňuje intenzitu slunečního záření > 1000 W/m² |
| Trvalý provoz (690.8(B)) | 1.25 | Zabraňuje zahřívání/únavě pojistky po dobu > 3 hodin |
| Celkový standardní multiplikátor | 1.56 | Kombinovaný bezpečnostní faktor pro výpočet |
Sekce FAQ
Otázka: Proč bifaciální panely potřebují jiné dimenzování pojistek než monofaciální panely?
Odpověď: Bifaciální panely generují proud z obou stran. Tento dodatečný proud zvyšuje efektivní zkratový proud ($I_{sc}$) obvodu. Pojistky dimenzované pouze pro výstup z přední strany mohou vypadnout během hodin špičkového slunečního svitu, kdy je vysoká odrazivost od země.
Otázka: Jak určím správný faktor bifaciálního zisku (BGF) pro můj projekt?
Odpověď: V ideálním případě použijte simulační software specifický pro dané místo (jako je PVSyst), který zohledňuje albedo, sklon a výšku. Bez simulace se pro dimenzování bezpečnostního vybavení často doporučuje konzervativní odhad zisku 15-20%, pokud zůstává v rámci maximálních jmenovitých hodnot modulu.
Otázka: Co když vypočítaná velikost pojistky překročí maximální sériové jištění modulu?
Odpověď: Nemůžete instalovat pojistku větší, než je jmenovitá hodnota modulu. Musíte přepracovat konfiguraci stringu (např. méně stringů paralelně) nebo vybrat modul s vyšším sériovým jištěním.
Otázka: Mohu použít standardní AC pojistky pro bifaciální solární panely?
Odpověď: Ne. Musíte použít pojistky dimenzované pro DC (obvykle 1000 V nebo 1500 V) s charakteristikou gPV. AC pojistky nemohou spolehlivě uhasit DC oblouky a mohou katastrofálně selhat.
Otázka: Jak teplota ovlivňuje výběr pojistky?
Odpověď: Pojistky jsou tepelná zařízení. Při vysokých okolních teplotách (běžné u solárních systémů) vypadnou při nižších proudech. Musíte vydělit vypočítaný proud teplotním redukčním faktorem výrobce, abyste vybrali správnou ampérovou hodnotu pojistky.
Otázka: Je faktor 1,56 vyžadovaný normou NEC 690.8 dostatečný pro bifaciální panely?
Odpověď: Faktor 1,56 platí pro proud modulu. U bifaciálních panelů musíte tento faktor aplikovat na upravený proud (Přední $I_{sc}$ + Zisk ze zadní strany), nejen na $I_{sc}$ z přední strany.
Klíčové poznatky
- Bifaciální zisk je skutečný proud: Považujte zisk ze zadní strany za trvalý proud, který přispívá k teplu a zatížení, nikoli jen za dočasný špičkový proud.
- Nejprve upravte $I_{sc}$: Vypočítejte celkový efektivní $I_{sc}$ (Přední + Zadní) před použitím bezpečnostních faktorů NEC 1,56.
- Dávejte pozor na mezeru: Ujistěte se, že jmenovitá hodnota pojistky je dostatečně vysoká, aby se zabránilo rušivému vypadávání, ale dostatečně nízká, aby vyhovovala maximálnímu sériovému jištění modulu.
- gPV je povinné: Vždy ověřte, zda pojistky splňují normy IEC 60269-6 pro fotovoltaické aplikace; nikdy je nenahrazujte standardními zátěžemi.
- Albedo je důležité: Čím světlejší je povrch země (např. bílé střechy, sníh), tím vyšší je zisk proudu – podle toho dimenzujte svůj OCPD.
- Sledujte teplo: Okolní teplota ve slučovacích skříních výrazně snižuje kapacitu pojistky; aplikujte redukční faktory, abyste se vyhnuli únavovému selhání.
