The rise of bifacial photovoltaic (PV) technology has revolutionized the solar industry, offering energy yield increases of up to 30% by capturing reflected light on the rear side of the module. However, this “bonus” energy comes with a critical engineering challenge: current gain. For electrical engineers and system designers, the variable nature of rear-side irradiance means that standard overcurrent protection sizing rules often fall short.
If you size fuses based solely on the front-side Standard Test Conditions (STC) rating, you risk nuisance tripping, equipment fatigue, and potential fire hazards during peak albedo events. As a leading manufacturer of electrical protection equipment, VIOX Electric understands that properly sizing fuses for bifacial arrays requires a nuanced understanding of both the National Electrical Code (NEC) and the physics of reflected irradiance.
The Physics of Bifacial Current Gain
Unlike traditional monofacial modules, bifacial panels feature a transparent backsheet or dual-glass design that allows light to reach the solar cells from the back. The rear side contributes to the total power output, but more importantly for circuit protection, it contributes directly to the Short Circuit Current ($I_{sc}$).
The amount of extra current generated depends heavily on the albedo (reflectivity) of the surface beneath the panels and the installation height. A panel over white commercial roofing (high albedo) will generate significantly more current than one over asphalt or grass.
Bifaciality Coefficient and Gain Factor
To size protection correctly, we must quantify this gain.
- Bifaciality Coefficient: The ratio of the rear-side efficiency to the front-side efficiency (typically 70-80% for modern PERC or TOPCon cells).
- Bifacial Gain Factor (BGF): The actual percentage increase in current during operation. While manufacturers may list a “reference” gain, real-world BGF typically ranges from 10% to 15%, with spikes up to 25-30% in optimized conditions (e.g., snow or white membranes).
Engineers cannot simply ignore this extra current. The fuse must be able to handle the Total Combined $I_{sc}$ without deteriorating, while still protecting the wire and module from faults.
NEC 690.8 and the 1.56 Rule: Adapted for Bifacial
The National Electrical Code (NEC) provides the framework for sizing PV circuits, but bifacial modules add a layer of complexity to Article 690.8.
Standard sizing follows the “1.56 Rule”:
$$I_{fuse} \ge I_{sc} \times 1.25 \text{ (Irradiance Factor)} \times 1.25 \text{ (Continuous Duty Factor)}$$
For detailed guidance on standard sizing, refer to our PV Fuse Disconnect Sizing Guide (NEC 1.56 Rule).
However, for bifacial modules, $I_{sc}$ is not a static number. NEC 690.8(A)(2) allows for calculation based on the “highest 3-hour current average,” but a more common and safer engineering practice is to adjust the base $I_{sc}$ before applying safety factors.
The Adjusted Formula
To ensure compliance and safety, use the adjusted $I_{sc}$:
$$I_{sc, adjusted} = I_{sc, front} \times (1 + \text{Bifacial Gain})$$
Then apply the standard protection factors:
$$\text{Minimum Fuse Rating} = I_{sc, adjusted} \times 1.56$$
Table 1: Bifacial vs. Monofacial Current Calculation Comparison
| پارامتر | Monofacial Module | Bifacial Module (15% Gain) |
|---|---|---|
| Rated $I_{sc}$ (Front) | 13.0 A | 13.0 A |
| Rear Side Gain | 0 A | +1.95 A (13.0 × 0.15) |
| Effective $I_{sc}$ | 13.0 A | 14.95 A |
| NEC Multiplier | 1.56 | 1.56 |
| Calculated Min. Fuse | 20.28 A | 23.32 A |
| اندازه فیوز استاندارد | 20 آمپر یا 25 آمپر | 25A or 30A |
Note how the bifacial gain pushes the requirement to the next standard fuse size.
IEC 60269-6 and gPV Fuse Requirements
While sizing calculation is vital, the نوع of fuse selected is equally critical. For photovoltaic applications, you must use fuses with a gPV characteristic according to IEC 60269-6.
Unlike standard AC fuses or general-purpose DC fuses, gPV fuses are designed to interrupt low overcurrents (typically 1.35x to 2x rated current) that are common in PV strings during shading or mismatch events.
Why gPV Matters for Bifacial
Bifacial modules can sustain currents slightly above their rating for long periods during high-albedo days. A non-gPV fuse might fatigue under this continuous thermal load, leading to premature failure. Furthermore, the high DC voltages (1000V or 1500V) require specific arc-quenching capabilities found in ceramic gPV fuses.
For a deeper comparison of fuse materials, read our article on Glass Fuse vs. Ceramic Fuse Safety Guide.
Comprehensive Calculation Methodology
To size fuses for a bifacial system, follow this step-by-step engineering process.
مرحله 1: تعیین مقدار مرجع $I_{sc}$
به دیتاشیت ماژول مراجعه کنید. به دنبال “تابش نامی دوطرفه” یا جداول داده خاصی باشید که $I_{sc}$ را در سطوح بهره مختلف (به عنوان مثال، 10%، 20%، 30%) نشان می دهد. اگر این داده ها در دسترس نباشد، یک مهندس محافظه کار معمولاً یک بهره 20-25% را برای محاسبات در نظر می گیرد تا از ایمنی اطمینان حاصل شود، مگر اینکه مدل سازی آلبدوی خاص سایت خلاف آن را ثابت کند.
مرحله 2: اعمال فاکتورهای NEC 690.8
حداقل مقدار نامی دستگاه حفاظت در برابر جریان اضافه (OCPD) را محاسبه کنید.
$$I_{OCPD} = I_{sc, bifacial} \times 1.25 \times 1.25$$
مرحله 3: بررسی حداکثر مقدار نامی فیوز سری ماژول
نکته مهم این است که فیوز انتخاب شده نباید از “حداکثر مقدار نامی فیوز سری” ذکر شده در دیتاشیت ماژول تجاوز کند. این یک پنجره طراحی ایجاد می کند:
- کف: اندازه OCPD حداقل محاسبه شده (برای جلوگیری از قطع ناخواسته).
- سقف: حداکثر مقدار نامی فیوز سری ماژول (برای محافظت از ماژول).
اگر مقدار محاسبه شده از حداکثر مقدار نامی ماژول بیشتر شود، نمی توانید به سادگی اندازه فیوز را افزایش دهید. ممکن است لازم باشد تعداد رشته ها را افزایش دهید (اتصالات موازی را کاهش دهید) یا برای گواهینامه های به روز شده با سازنده ماژول مشورت کنید.
برای سیستم هایی که چندین رشته را ترکیب می کنند، اطمینان حاصل کنید که الزامات مربوط به اتصالات موازی را که در راهنمای ما ذکر شده است، درک می کنید: الزامات فیوز PV خورشیدی: رشته های موازی NEC 690.9.
جدول 2: نمونه هایی از اندازه فیوز برای مقادیر نامی مختلف ماژول دوطرفه
| جلوی ماژول $I_{sc}$ | بهره دوطرفه استفاده شده | $I_{sc}$ تنظیم شده | حداقل محاسبه فیوز ($I \times 1.56$) | اندازه فیوز استاندارد بعدی |
|---|---|---|---|---|
| 10 آمپر | 10% | 11.0 A | 17.16 A | 20 آمپر |
| 15 آمپر | 15% | 17.25 A | 26.91 A | 30 آمپر |
| 18 A | 20% | 21.6 A | 33.70 A | 35 A یا 40 A |
| 20 آمپر | 25% | 25.0 A | 39.00 A | 40 آمپر |
کاهش توان بر اساس دما: قاتل خاموش فیوز
فیوزها دستگاه های حرارتی هستند. آنها با ذوب شدن در هنگام گرم شدن بیش از حد کار می کنند. در نتیجه، دمای بالای محیط بر قابلیت حمل جریان آنها تأثیر می گذارد. تاسیسات خورشیدی پشت بام اغلب دمایی بالاتر از 60 درجه سانتیگراد یا 70 درجه سانتیگراد را تجربه می کنند.
برای ماژول های دوطرفه، جریان اضافی گرمای بیشتری را در داخل پیوند فیوز ایجاد می کند ($P = I^2R$). اگر یک فیوز با مقدار نامی 25 آمپر را در یک جعبه ترکیب کننده نصب کنید که به 60 درجه سانتیگراد می رسد، ممکن است آن فیوز به طور موثر تا 20 آمپر یا کمتر کاهش یابد.
هنگام تعیین اندازه برای سیستم های دوطرفه، یک ضریب کاهش توان بر اساس دما ($K_t$) را از دیتاشیت سازنده فیوز اعمال کنید:
$$I_{fuse, final} = \frac{\text{جریان حداقل محاسبه شده}}{K_t}$$
عدم توجه به دما یکی از دلایل اصلی خستگی فیوز در آب و هوای گرم است. در راهنمای ما درباره محافظت از کابل کشی و فیوزها در محیط های سخت بیشتر بیاموزید راهنمای تعیین اندازه فیوز کابل خورشیدی نصب شده روی زمین.
ملاحظات طراحی دنیای واقعی
جدول 3: عوامل بهره دوطرفه بر اساس نوع نصب و آلبدو
| جنس سطح | آلبدو (%) | بهره جریان معمولی | حاشیه ایمنی توصیه شده |
|---|---|---|---|
| چمن / خاک | 15-20% | 5-7% | کم |
| بتن / شن | 20-30% | 7-10% | متوسط |
| سقف غشایی سفید | 60-80% | 15-20% | بالا |
| برف | 80-90% | 20-30%+ | بسیار بالا |
انتخاب جعبه ترکیب کننده
جریان اضافی از ماژول های دوطرفه نیز بر شینه ها و مدیریت حرارتی جعبه ترکیب کننده تأثیر می گذارد. هنگام انتخاب جعبه ترکیب کننده، اطمینان حاصل کنید که رتبه بندی محفظه و شینه های داخلی برای جریان کل دوطرفه، نه فقط مقدار نامی سمت جلو، تعیین شده اند. برای برنامه ریزی توسعه، به راهنمای تعیین اندازه جعبه ترکیب کننده خورشیدی ما مراجعه کنید.
جریان اضافه در مقابل اتصال کوتاه
مهم است که بین حفاظت اضافه بار و حفاظت اتصال کوتاه تمایز قائل شویم. بهره دوطرفه جریان عملیاتی را به آستانه اضافه بار نزدیکتر می کند. استفاده از قطع کننده ها یا فیوزها با تنظیمات تریپ قابل تنظیم گاهی اوقات می تواند انعطاف پذیری بیشتری نسبت به فیوزهای ثابت ارائه دهد. برای مقایسه دستگاه های حفاظتی، به حفاظت DC PV توضیح داده شد: MCB ها، فیوزها و SPD ها مراجعه کنید.
اشتباهات معمول برای جلوگیری از
- نادیده گرفتن بهره سمت عقب: تعیین سایز صرفاً بر اساس برچسب جلویی، خطای #1 است. همیشه بهره دوجانبه مورد انتظار را اضافه کنید.
- شمارش مضاعف فاکتورهای ایمنی: برخی از مهندسان به طور غیرضروری فاکتور 1.25 را دو بار اعمال میکنند. به فرمول زیر پایبند باشید: $I_{sc, adjusted} \times 1.56$.
- تجاوز از حداکثر جریان فیوز سری ماژول: اولویت دادن به جریان بالای محاسبه شده در حالی که محدودیت ایمنی ماژول نادیده گرفته میشود، میتواند گارانتیها را باطل کرده و خطرات آتشسوزی ایجاد کند.
- غفلت از کاهش توان ناشی از دما: فیوزی که به طور کامل برای 25 درجه سانتیگراد سایز شده باشد، احتمالاً در دمای 65 درجه سانتیگراد داخل جعبه ترکیبی روی پشت بام از کار میافتد.
جدول 4: خلاصه فاکتورهای ضرب NEC
| عامل | ارزش | هدف |
|---|---|---|
| بهره دوجانبه | متغیر (1.10 – 1.30) | در نظر گرفتن تابش سمت عقب |
| تابش بالا (690.8(A)(1)) | 1.25 | در نظر گرفتن شدت خورشیدی > 1000 W/m² |
| کار مداوم (690.8(B)) | 1.25 | جلوگیری از گرم شدن/خستگی فیوز در طول >3 ساعت |
| ضریب استاندارد کل | 1.56 | فاکتور ایمنی ترکیبی برای محاسبه |
بخش سوالات متداول
س: چرا پنلهای دوجانبه به سایز فیوز متفاوتی نسبت به پنلهای تکجانبه نیاز دارند؟
پاسخ: پنلهای دوجانبه از هر دو طرف جریان تولید میکنند. این جریان اضافی، جریان اتصال کوتاه موثر ($I_{sc}$) مدار را افزایش میدهد. فیوزهایی که فقط برای خروجی سمت جلو سایز شدهاند، ممکن است در ساعات اوج نور خورشید، زمانی که انعکاس زمین زیاد است، قطع شوند.
س: چگونه میتوانم فاکتور بهره دوجانبه (BGF) صحیح را برای پروژه خود تعیین کنم؟
پاسخ: در حالت ایدهآل، از نرمافزار شبیهسازی خاص سایت (مانند PVSyst) استفاده کنید که آلبدو، شیب و ارتفاع را در نظر میگیرد. بدون شبیهسازی، یک تخمین محافظهکارانه از بهره 15-20% اغلب برای سایزینگ تجهیزات ایمنی توصیه میشود، به شرطی که در محدوده حداکثر رتبهبندیهای ماژول باقی بماند.
س: اگر سایز فیوز محاسبه شده از حداکثر جریان فیوز سری ماژول بیشتر شود، چه؟
پاسخ: شما نمیتوانید فیوزی بزرگتر از رتبهبندی ماژول نصب کنید. شما باید پیکربندی رشته را دوباره طراحی کنید (به عنوان مثال، رشتههای کمتری به صورت موازی) یا ماژولی با رتبهبندی فیوز سری بالاتر انتخاب کنید.
س: آیا میتوانم از فیوزهای AC استاندارد برای پنلهای خورشیدی دوجانبه استفاده کنم؟
پاسخ: خیر. شما باید از فیوزهایی استفاده کنید که برای DC (معمولاً 1000 ولت یا 1500 ولت) با مشخصه gPV رتبهبندی شدهاند. فیوزهای AC نمیتوانند به طور قابل اعتماد قوسهای DC را خاموش کنند و ممکن است به طور فاجعهباری از کار بیفتند.
س: دما چگونه بر انتخاب فیوز من تأثیر میگذارد؟
پاسخ: فیوزها دستگاههای حرارتی هستند. در دماهای بالای محیط (که در خورشیدی رایج است)، آنها در جریانهای پایینتری قطع میشوند. شما باید جریان محاسبه شده خود را بر ضریب کاهش توان ناشی از دمای سازنده تقسیم کنید تا آمپراژ فیوز صحیح را انتخاب کنید.
س: آیا فاکتور 1.56 مورد نیاز NEC 690.8 برای پنلهای دوجانبه کافی است؟
پاسخ: فاکتور 1.56 برای جریان ماژول. اعمال میشود. برای پنلهای دوجانبه، شما باید این فاکتور را برای جریان تنظیم شده (جریان سمت جلو $I_{sc}$ + بهره سمت عقب) اعمال کنید، نه فقط $I_{sc}$ سمت جلو.
نکات کلیدی
- بهره دوجانبه آمپراژ واقعی است: با بهره سمت عقب به عنوان جریان مداومی رفتار کنید که به گرما و بار کمک میکند، نه فقط یک پیک موقت.
- ابتدا $I_{sc}$ را تنظیم کنید: قبل از اعمال فاکتورهای ایمنی NEC 1.56، جریان موثر کل $I_{sc}$ (جلو + عقب) را محاسبه کنید.
- مراقب شکاف باشید: اطمینان حاصل کنید که رتبهبندی فیوز شما به اندازه کافی بالا است تا از قطع مزاحم جلوگیری شود، اما به اندازه کافی پایین است که از حداکثر جریان فیوز سری ماژول پیروی کند.
- gPV اجباری است: همیشه تأیید کنید که فیوزها استانداردهای IEC 60269-6 را برای کاربردهای فتوولتائیک برآورده میکنند. هرگز با بارهای استاندارد جایگزین نکنید.
- آلبدو مهم است: هرچه سطح زمین روشنتر باشد (به عنوان مثال، سقفهای سفید، برف)، بهره جریان بالاتر است - OCPD خود را بر این اساس سایز کنید.
- مراقب گرما باشید: دمای محیط در جعبههای ترکیبی به طور قابل توجهی ظرفیت فیوز را کاهش میدهد. برای جلوگیری از خرابی ناشی از خستگی، فاکتورهای کاهش توان را اعمال کنید.
