DIY solární kombinační skříň: Proč je většina domácích návrhů nebezpečná z hlediska požáru (a co skutečně potřebujete)

Oblouk, který nechce zemřít: Proč DC ničí AC zařízení

V okamžiku, kdy přepnete AC jistič otevřený pod zátěží, vytvoří se mezi oddělujícími se kontakty elektrický oblouk. Je to plazma – ionizovaný plyn, který nese tisíce ampérů skrz to, co býval vzduch, a generuje teploty, které dosahují 35 000 °F, což je pro srovnání čtyřikrát více než teplota povrchu Slunce.

Ale tady je to, co se týče AC oblouků: umírají samy od sebe.

Šedesátkrát za sekundu standardní AC proud prochází nulou voltů, jak se proud střídá. V tom přesném okamžiku – trvajícím jen milisekundy – oblouk ztrácí svůj zdroj energie a zhasne. Kontakty se stále vzdalují. Obvod se otevírá. Hotovo.

DC to nedělá.

Když přerušíte 93,4 voltů DC, tento oblouk se rozsvítí a zůstane svítit tak dlouho, dokud jsou kontakty dostatečně blízko, aby ho udržely. Neexistuje žádný průchod nulou. Žádné přirozené přerušení. Jen nepřetržitý, neúprosný proud, který se snaží překlenout tuto mezeru řekou plazmy, která taví kov, zapaluje izolaci a hoří, dokud se kontakty fyzicky neoddělí dostatečně daleko – obvykle 3-4krát dále, než pro co je AC zařízení navrženo.

Toto je “Oblouk, který nechce zemřít”, a proto každá součást uvnitř skutečného slučovacího boxu s DC jmenovitým napětím vypadá jinak než AC zařízení. Rozteč kontaktů je širší. Obloukové žlaby (ty cikcakové kovové desky, které natahují a ochlazují oblouk) jsou delší. Některé DC jističe dokonce používají magnetické cívky k fyzickému sfouknutí oblouku, jako když se hasí svíčka.

Váš AC podpanel nemá nic z toho.

Jeho jističe jsou navrženy za předpokladu, že oblouk přirozeně zhasne do 8 milisekund. Pusťte jimi 93 voltů DC a tento předpoklad se stane zátěží. Kontakty se pokusí otevřít, vytvoří se oblouk, a místo aby zemřel při průchodu nulou, prostě… pokračuje. Obloukové žlaby jističe nejsou dostatečně dlouhé. Oddělení kontaktů není dostatečně široké. Materiály nejsou dimenzovány na trvalé DC obloukové výboje.

Nakonec se stane jedna ze dvou věcí: kontakty se svaří dohromady (trvale uzavřou obvod, i když si myslíte, že je “vypnutý”), nebo se vnitřní součásti jističe roztaví a katastrofálně selžou. Ani jeden z těchto výsledků nezahrnuje bezpečné vypnutí vašeho solárního systému, když to potřebujete.

Zmatek s 48V: Napětí vaší baterie ≠ Napětí vašeho stringu

Zde se většina plánů DIY solárních slučovacích boxů zvrtne.

Ve svých plánovacích dokumentech vidíte “48V systém”. Najdete AC podpanel dimenzovaný na “48 voltů”. Perfektní shoda, že?

Chyba ve třech bodech.

Za prvé: Toto jmenovité napětí 48V je nominální napětí – průměrný provozní bod. Vaše 48V baterie ve skutečnosti pracuje mezi 40V (vybitá) a 58V (nabíjení). Není relevantní pro dimenzování slučovacího boxu, ale je důležité vědět, že se čísla pohybují.

Za druhé: Vaše solární stringy se nestarají o to, na jakém napětí běží vaše baterie. Každý panel REC 350W má napětí naprázdno (Voc) 46,7V. Dva panely v sérii? To je 93,4 voltů – téměř dvojnásobek napětí vaší baterie – a to je číslo, které musí váš DIY slučovací box zvládnout. Neslučujete 48V; slučujete pět samostatných 93,4V stringů do jednoho DC výstupního obvodu.

Za třetí – a to je past s jmenovitým napětím: Když panel s AC jmenovitým napětím říká “48 voltů”, znamená to 48 voltů AC. Pokud má vůbec nějaké DC jmenovité napětí (většina ne), je to pohřbeno v drobném písmu a dramaticky nižší. Jistič dimenzovaný na 240VAC může být bezpečný pouze do 48VDC. Panel dimenzovaný na 480VAC? Možná 60-80VDC, pokud máte štěstí.

Proč ten masivní rozdíl? Zpět k Oblouku, který nechce zemřít. AC jmenovité napětí předpokládá, že oblouk přirozeně zhasne. DC jmenovité napětí předpokládá, že oblouk bojuje zpět a snaží se udržet přes širší mezery. Čím vyšší je DC napětí, tím širší mezeru může přeskočit a tím robustnější musí být mechanismus přerušení.

Takže ten panel Square D “dimenzovaný na 48V”? I když je to DC jmenovité napětí (zkontrolujte datový list – počkám), snažíte se jím protlačit 93,4V. Provozujete na 195 % jeho návrhového napětí. To není bezpečnostní rezerva; to je odpočítávací časovač.

Co vám vlastně koupí: Uvnitř certifikace UL 1741

“Je to jen nálepka UL,” můžete si myslet. “To můžu u DIY instalace přeskočit.”

Ale UL 1741 – norma pro solární slučovací boxy a propojovací zařízení – nekontroluje, zda má váš box zaoblené rohy a pěkný lak. Testuje, zda vaše zařízení přežije přesně ty poruchové režimy, které se vyskytují v reálných FV systémech.

Zde je to, čím slučovací box prochází, aby získal zápis UL 1741:

Testování DC obloukového zkratu: Dokážou jističe přerušit oblouk při plném napětí stringu při maximálním proudu? Testují to stokrát. Jističe vašeho AC panelu? Nikdy netestováno na DC obloukové výboje. Nula krát.

Testování zkratového proudu: Co se stane, když se dva stringy náhodně zkratují a vypustí 90 ampérů skrz sběrnici dimenzovanou na 20? Test vystavuje každý bod připojení poruchovým proudům 10-20× normální provozní proud. Všechno, co se roztaví, se roztaví v laboratoři místo na vaší střeše.

Teplotní cyklování: Střešní slučovací boxy se pohybují od -40 °F zimních nocí do 140 °F letních dnů pod přímým sluncem. UL cykluje zařízení těmito extrémy při plném zatížení. Připojení, která by se uvolnila po třech letech tepelné roztažnosti? Selžou v testovací komoře.

Ochrana životního prostředí: To hodnocení NEMA 3R není dekorativní. Znamená to, že box přežije horizontální déšť, nehromadí se v něm led, který blokuje ventilaci, a udržuje prach mimo sběrnice, i když je namontován v prašném průmyslovém prostředí. Váš garážový podpanel je NEMA 1 – navržen pro pěkné, čisté vnitřní použití při pokojové teplotě.

Skutečná cena tohoto upgradu není materiál. DC jistič stojí možná místo za AC jistič. Kovová skříň stojí dalších . Zbytek? Jsou to hodiny inženýrské práce strávené ujišťováním se, že tyto komponenty spolehlivě fungují společně za nejhorších podmínek, a testování, které to dokazuje.

Když přeskočíte UL 1741, neztrácíte jen nálepku. Ztrácíte 10 000 hodin destruktivního testování, které identifikovalo každý jednotlivý poruchový režim, kterému bude váš střešní box čelit během příštích 20 let. Sami beta-testujete tyto poruchové režimy.

V reálném čase.

Na vaší střeše.

4 Nepostradatelné požadavky pro bezpečný DIY solární slučovací box

Aby bylo jasno: sestavení vlastního solárního slučovacího boxu je technicky možné. Ale stojí to za to pouze tehdy, pokud splníte každý jeden z těchto požadavků. Přeskočte i jeden a bylo by lepší koupit si hotový box.

Požadavek č. 1: DC komponenty se správným jmenovitým napětím

Váš nákupní seznam pro DIY solární slučovací box začíná zde: každý jistič, pojistka, sběrnice, svorkovnice, a odpojovač uvnitř tohoto boxu musí být výslovně dimenzován pro DC napětí a alespoň pro 600 voltů DC.

Ne 600VAC. Ne “vhodné pro solární”. Ne “pravděpodobně v pořádku”. Datový list musí uvádět: “600VDC” v prostém textu.

Proč 600V, když mají vaše stringy pouze 93,4V? Dva důvody. Za prvé, NEC článek 690.7 vyžaduje výpočty napětí založené na nejchladnější očekávané teplotě ve vaší lokalitě. Solární panely produkují vyšší napětí, když je chladno – až o 10-15 % vyšší než jmenovité Voc v závislosti na vaší klimatické zóně. Vaše 46,7V panely mohou dosáhnout 53V každý za lednového rána. Dva v sérii? 106 voltů na string.

Za druhé, potřebujete bezpečnostní rezervu pro přechodné napěťové špičky během efektů okraje oblaku (když se intenzita slunečního světla rychle mění) a pro degradaci zařízení v průběhu času. Průmyslový standard: pokud je vaše maximální systémové napětí pod 150VDC, použijte komponenty dimenzované na 600VDC. Není to přehnané; je to minimum pro 25letou životnost.

Kde získat DC komponenty:

• DC jističe: Výrobci jako ABB, Eaton, Mersen a Littelfuse vyrábějí DC jističe v lisovaném pouzdře (MCCB). Očekávejte, že zaplatíte za jistič vs za ekvivalentní AC jističe. Zkontrolujte “UL 489 supplement” DC hodnocení nebo označení “IEC 60947-2 DC”.
• Pojistky: Ferraz Shawmut, Mersen a Littelfuse nabízejí pojistky dimenzované pro FV s hodnocením 600VDC až 1000VDC. Použijte 15A pojistky pro standardní 350W panely (vypočteno jako Isc × 1,56 podle NEC 690.8). Cena: za pojistku plus za držák pojistky.
• Sběrnice: Měď nebo hliník dimenzovaný na minimálně 90 °C. Mnoho AC sběrnic funguje dobře, ale ověřte, zda specifikace materiálu zvládne hustotu DC proudu (1,5-2,0 A/mm² pro měď).

Pro-Tip #1: To označení “48V” na AC zařízení? Odkazuje na napětí vaší baterie, nikoli na napětí stringu panelu. Váš 48V bateriový systém má 93,4V stringy, které potřebují správné DC zařízení dimenzované na 600VDC.

Požadavek #2: UL 1741-Seznam skříní nebo ekvivalentní ochrana

Kovová skříň samotná je důležitější, než si myslíte, při stavbě svépomocného solárního slučovače.

Pro instalaci na střechu potřebujete minimálně NEMA 3R (vodotěsnou) nebo IP54 (prachotěsnou a proti stříkající vodě) skříň. Vnitřní panely NEMA 1 nejsou vhodné. Skříň musí:

Zvládat tepelné cykly: Teploty na střeše se denně mění o 80-100 °F. Skříň potřebuje těsnění, která si udrží těsnost, vylamovací otvory, které nepraskají v důsledku rozpínání/smršťování, a barvu, která se neodlupuje a nekontaminuje elektrické spoje.

Zajistit dostatečné větrání: DC jističe generují teplo při průchodu proudu. Bez řádného větrání mohou vnitřní teploty překročit jmenovité hodnoty komponent, i když je okolní teplota přijatelná. Hledejte skříně s větráním vypočítaným alespoň o 30% více tepelné zátěže, než je váš maximální proud řetězce.

Zahrnovat řádná uzemňovací opatření: Vaše skříň potřebuje vyhrazené zemnicí přípojnice s mechanickými oky (ne pružinovými svorkami) dimenzované minimálně na měděný vodič #6 AWG. Každý kovový povrch uvnitř skříně musí být spojen se zemí. To není volitelné – vyžaduje to NEC 690.43.

Kontrola reality nákladů: Správná skříň NEMA 3R dimenzovaná pro 5-6 řetězců (přibližně 12″ × 16″ × 6″) stojí $80-150. Skříň odolná proti povětrnostním vlivům s vhodnými vylamovacími otvory, přípojnicemi a montážním hardwarem? $120-200. To je 50-60% z celkových nákladů na vaši svépomocnou slučovací skříň.

Pokud si myslíte: “Prostě použiju AC panel a přidám kryt odolný proti povětrnostním vlivům,” zastavte se. Tyto kryty jsou navrženy tak, aby chránily spínače před deštěm během krátkodobého používání – neposkytují nepřetržitou ochranu NEMA 3R pro zařízení, které je venku 24 hodin denně, 7 dní v týdnu po dobu 25 let.

Požadavek #3: Ochrana proti obloukovému zkratu (soulad s NEC 690.11)

Zde většina svépomocných konstrukcí solárních slučovacích skříní neprojde kontrolou podle předpisů.

NEC 690.11 nařizuje jističe s ochranou proti obloukovému zkratu (AFCI) pro jakýkoli FV systém s DC obvody pracujícími při 80 voltech nebo vyšším. Vaše řetězce s napětím 93,4 V? Jste 17% nad prahem. AFCI je nevyjednatelné.

Co AFCI vlastně dělá: Monitoruje elektrický podpis proudu protékajícího DC obvody a detekuje specifický šumový vzor obloukového zkratu – chaotický vysokofrekvenční signál, který se objeví, když proud přeskočí mezeru. Při detekci okamžitě přeruší obvod dříve, než oblouk zapálí okolní materiály.

Pamatujete si na oblouk, který nechce zemřít? AFCI je speciálně navrženo k jeho zničení.

Vaše dvě možnosti:

Možnost 1 – Měnič s integrovaným AFCI: Většina moderních řetězcových měničů (SMA, SolarEdge, Fronius atd.) má vestavěnou detekci obloukového zkratu podle UL 1741. Pokud to váš měnič má, nepotřebujete samostatné AFCI ve vaší svépomocné slučovací skříni. Ověřte to kontrolou specifikace vašeho měniče, zda je uvedeno “UL 1741 AFCI compliant” nebo “NEC 690.11 arc fault protection.”

Možnost 2 – Samostatné zařízení AFCI: Pokud váš měnič neobsahuje AFCI, potřebujete detektor obloukového zkratu instalovaný ve vaší slučovací skříni nebo do 6 stop od ní. Ty stojí $200-400 a vyžadují další kabeláž. Mezi značky patří Sensata, Eaton a Mersen. Už jen to může vaši svépomocnou slučovací skříň prodražit více, než kdybyste si koupili hotovou.

Výjimka: Pokud vaše DC kabeláž vede v kovové trubce nebo kabelu s kovovým pláštěm a nikdy neopustí tuto kovovou kabelovou trasu mezi panely a měničem, můžete AFCI přeskočit. Ale realisticky? Střešní instalace používají exponovaný PV vodič s konektory MC4, což znamená, že AFCI je vyžadováno.

Pro-Tip #2: DC oblouky nezemřou, když přepnete vypínač – hoří při 35 000 °F, dokud nejsou fyzicky potlačeny. AFCI je způsob, jak je potlačit dříve, než způsobí požár.

Požadavek #4: Správné označení a dokumentace (NEC 690.7, 690.15)

Revizoři vás za chybějící štítky na vaší svépomocné instalaci solární slučovací skříně označí červenou kartou rychleji než za sporné volby komponent.

Požadované štítky na vaší svépomocné slučovací skříni:

1. Štítek s maximálním DC napětím (NEC 690.7):

MAXIMÁLNÍ DC NAPĚTÍ: 106V

Tento štítek musí být umístěn na vnější straně slučovací skříně a viditelný bez otevření skříně.

2. Identifikace DC slučovače (NEC 690.15):

VAROVÁNÍ:

3. Identifikace vodiče (NEC 690.31):
Každý příchozí řetězec musí být označen místem svého zdroje:

• “ŘETĚZEC 1 – POLE SEVER”
• “ŘETĚZEC 2 – POLE SEVER”
• “ŘETĚZEC 3 – POLE JIH”
• atd.

4. Štítek zemnicího elektrodového vodiče (pokud je použitelný):
Pokud váš zemnicí vodič končí ve slučovací skříni, označte jej podle NEC 690.47.

Používejte štítky určené pro venkovní použití (polyesterové štítky 3M nebo Brady s inkoustem odolným proti UV záření). Tištěné papírové štítky v pouzdrech odolných proti povětrnostním vlivům neprojdou kontrolou – příliš rychle se rozkládají.

Dokumentace, kterou potřebujete:

• Jednořádkové schéma znázorňující konfiguraci a napětí řetězce
• Datové listy komponent prokazující DC jmenovité hodnoty
• Výpočet ukazující maximální napětí NEC 690.7
• Výpočty proudu NEC 690.8

Uchovávejte kopie uvnitř slučovací skříně v pouzdře na dokumenty odolném proti povětrnostním vlivům. Revizoři je mohou vyžadovat.

Skutečná matematika: Slučovací skříň za $300 vs. Alternativa

Pojďme si promluvit o penězích. Skutečných penězích.

Váš seznam dílů pro slučovací skříň pro solární panely, která splňuje požadavky:

• Skříň NEMA 3R s držáky jističů: $120
• Pět DC jističů 15A za $45 každý: $225
• DC přípojnice a svorky: $60
• Hardware, štítky, dráty, konektory: $40
• Celkem: $445

Počkejte. Hotová slučovací skříň s certifikací UL 1741 stojí $320. Vaše “úspory svépomocí”? Ztrácíte $125 plus 6-8 hodin montáže a zapojování.

Ale to za předpokladu, že nepotřebujete samostatné AFCI. Přidáte toto zařízení za $300? Nyní jste na $745 vs. $320 za hotovou skříň, která obsahuje integrované AFCI.

Matematika nefunguje pro většinu svépomocných projektů solárních slučovacích skříní. Pokud nestavíte pro 10+ řetězců, kde jsou hotové skříně drahé (přes $800), nebo nepotřebujete vlastní konfiguraci, která není k dispozici z regálu, jsou svépomocné slučovací skříně často více dražší než nákup řádně certifikovaného zařízení.

Zde je matematika, na které opravdu záleží:

Náklady na jeden požár způsobený elektřinou: 50 000–250 000 $ v případě poškození konstrukce, v závislosti na tom, kdy dorazí hasiči.

Náklady na zvýšení pojistného pojištění domácnosti po požáru způsobeném elektřinou: zvýšení o 20–40% po dobu 3–5 let = dodatečné náklady 1 200–3 000 $.

Náklady na zamítnutí pojistné události z důvodu použití neschváleného zařízení: 100% škody = cokoli požár stojí.

Náklady na problémy s povolením, když se pokoušíte prodat svůj dům: Zpoždění, opakované kontroly, potenciální náklady dodavatele na uvedení do souladu s předpisy = 2 000–8 000 $.

Ten cenový rozdíl 240 $? Nekupujete si efektní štítek. Kupujete si klid, že každá jednotlivá součást byla podrobena zátěžovým testům pro přesné režimy selhání, ke kterým dochází na střechách. Kupujete si zařízení vyhovující pojištění, které nezruší vaši pojistku. Kupujete si hardware schválený inspektorem, který nezpozdí vaše povolení o tři měsíce.

Profesionální tip #3: Skutečná dovednost kutila nespočívá v tom, jak si všechno postavit sám – ale v tom, které rohy můžete oříznout a které se oříznou zpět. Kombinované boxy se ořezávají zpět.

Kdy má DIY skutečně smysl

Nezaměňujte tento článek s “nikdy si nic nestavte sami”. Solární instalace mají spoustu legitimních příležitostí pro kutily:

Chytré DIY projekty:

• Montáž a upevnění: Můžete si absolutně navrhnout a nainstalovat vlastní systém montáže panelů. Je to mechanické, ověřitelné a nehrozí, že by vás Arc That Won't Die zabil, pokud něco pokazíte.
• Kabelové trasy: Vedete EMT nebo PVC potrubí z vašeho kombinovaného boxu do střídače? Skvělý DIY projekt. Jen dodržujte výpočty plnění potrubí NEC.
• Monitorování systému: Přidáváte monitorování výkonu, záznam dat, dokonce i integrace IoT pro sledování vašeho systému? Jděte do toho. V nejhorším případě ztratíte nějaká data.

Bezohledné DIY projekty:

• Kombinované boxy (jak jsme diskutovali)
• DC odpojovače mezi kombinátorem a střídačem (stejné problémy: přerušení DC oblouku, jmenovité hodnoty napětí)
• Instalace střídače (komplexní elektrické připojení, AC/DC integrační body)
• Propojení servisního panelu (ve většině jurisdikcí vyžaduje licencovaného elektrikáře)

Ten vzor? Pokud vede vysokonapěťové DC nebo se připojuje k vaší hlavní elektrické službě, najměte si odborníky nebo si kupte schválené zařízení. Pokud se jedná o konstrukční, mechanické nebo nízkonapěťové monitorování, pusťte se do toho sami.

Závěr: Stavte chytře, ne jen levně

Pokud jste se dostali až sem, jste už před 90% kutilů solárních instalací. Ptáte se na správné otázky.

Zde je to, co jste se naučili:

Oblouk, který nezemře: DC oblouky samy neuhasínají jako AC oblouky. Hoří při 35 000 °F, dokud nejsou fyzicky potlačeny. AC zařízení pro to není navrženo.

Zmatek s 48 V: Napětí vaší baterie není napětí vašeho řetězce. Ten 48V systém má 93,4V řetězce, které potřebují zařízení s jmenovitým napětím 600VDC, nikoli repasované AC panely.

Past na jmenovité napětí: Jmenovité hodnoty AC napětí se nepřevádějí na DC. Jistič 240VAC může být bezpečný pouze do 48VDC. Vaše 93,4V řetězce překračují DC kapacitu většiny AC zařízení.

Náklady na shodu: Sestavení solárního kombinovaného boxu pro kutily v souladu s předpisy stojí 445–745 $. Koupě hotového boxu s certifikací UL 1741? 320 $. Matematika nepodporuje DIY, pokud nepotřebujete vlastní konfigurace.

Můžete si technicky postavit vlastní kombinovaný box? Ano. Se správnými komponenty, správnými kryty, ochranou AFCI a správným označením je to možné.

Měli byste? Pravděpodobně ne. Úspory nákladů se vypaří, jakmile si naceníte komponenty s jmenovitým napětím DC a AFCI. Časová investice (8–10 hodin pro první sestavení, 4–6 pro následující) zřídka ospravedlňuje okrajové úspory. A odpovědnost, pokud se něco pokazí – zamítnutí pojistné události, zamítnutí povolení, červená značka inspektora – smaže jakýkoli finanční prospěch.

Skutečný DIY tah? Vědět, kdy stavět a kdy kupovat.

Ušetřete svou DIY energii na montáž, monitorovací systémy, kabelové trasy, ty části solárních instalací, kde vaše úsilí skutečně znásobuje vaše peníze, místo aby jen zvyšovalo vaše riziko.

A ten 60 $ Square D panel ve vaší garáži? Použijte jej tam, kam patří – na AC obvod, kde průchod nulou dělá těžkou práci a oblouky samy uhasínají, jak mají.

Protože v solárních FV systémech není nejdražší chybou ta, která vás stojí 300 $ předem. Je to ta, která vám dnes ušetří 240 $ a stojí vás 50 000 $ za šest měsíců, když The Arc That Won't Die najde něco hořlavého.