Pourquoi les systèmes solaires au sol exigent une conception électrique supérieure
Les installations solaires au sol présentent un défi électrique unique qui sépare les installations amateurs des systèmes de qualité professionnelle : distance. Contrairement aux panneaux de toit où l'onduleur se trouve à 6 à 9 mètres, les systèmes au sol nécessitent souvent des câbles CC de 30 à 90 mètres entre le panneau et le bâtiment. Cette distance introduit deux considérations de conception essentielles qui peuvent faire ou défaire les performances du système : chute de tension et protection contre les surintensités.
Chaque mètre de câble entre votre panneau solaire et votre onduleur agit comme une résistance, volant des watts à votre récolte d'énergie. Simultanément, des câbles plus longs augmentent les risques de courant de défaut, ce qui rend le dimensionnement approprié non seulement une exigence du code, mais aussi une nécessité de prévention des incendies. Ce guide fournit aux entrepreneurs électriciens et aux installateurs solaires les méthodes de calcul, les spécifications conformes au NEC et les flux de travail pratiques nécessaires pour concevoir des systèmes photovoltaïques au sol sûrs et efficaces. fusible Figure 1 : Boîtier de raccordement solaire VIOX IP66 installé sur un panneau photovoltaïque au sol avec protection par fusible CC.
La physique de la perte de puissance
La chute de tension n'est pas théorique : c'est de l'argent qui quitte votre système sous forme de chaleur. Lorsque le courant CC circule dans des conducteurs en cuivre, la résistance du fil convertit l'énergie électrique en énergie thermique conformément à la loi d'Ohm. Pour les installations au sol, cela est important car :
Un câble de 45 mètres a
- six fois la résistance d'un câble de toit de 7,5 mètres La chute de tension s'aggrave avec le courant ; doubler la taille du panneau peut quadrupler les pertes si le fil n'est pas surdimensionné
- Les systèmes CC n'ont pas les avantages de transformation de tension de la distribution CA
- Normes NEC relatives à la chute de tension
Bien que le National Electrical Code (NEC) n'impose pas de limites spécifiques de chute de tension pour la sécurité,
Note d'information n° 4 de la norme NEC 210.19(A), recommande de maintenir la chute de tension en dessous de 2 % pour les circuits CC . L'industrie solaire a adopté cette norme de conception pour les circuits de source photovoltaïque (panneau au combinateur) et les circuits de sortie photovoltaïque (combinateur à l'onduleur).. Pourquoi 2 % ? Parce que la chute de tension réduit directement l'efficacité du suivi du point de puissance maximale (MPPT). Si votre onduleur s'attend à 400 V CC, mais reçoit 392 V en raison des pertes de câble, l'algorithme MPPT a du mal à maintenir le point de fonctionnement optimal, ce qui vous coûte 3 à 5 % de la production d'énergie annuelle.
Formule de calcul de la chute de tension.
La formule standard pour la chute de tension CC est :
VD % = (2 × L × I × R) / V × 100
VD %
Où ?
- = Chute de tension en pourcentage = Longueur du câble aller simple (en pieds)
- L = Courant en ampères (généralement Imp de chaîne ou courant total du panneau)
- I = Résistance du conducteur par 1 000 pieds à 75 °C (tirée du chapitre 9, tableau 8 du NEC)
- R = Tension du système (Vmp pour le panneau, Voc pour la conformité au code)
- V = Tient compte des conducteurs positifs et négatifs (distance aller-retour)
- 2 Exemple pratique :
Vous avez un panneau au sol de 10 kW, à 36 mètres de l'onduleur, fonctionnant à 400 V avec un courant de 25 A. En utilisant un fil de cuivre de calibre 10 AWG (R = 1,24 Ω par 1 000 pieds à 75 °C) :
VD % = (2 × 120 × 25 × 1,24) / (400 × 1 000) × 100 =
✓ (Acceptable) 1.86% Si vous utilisiez plutôt un fil de calibre 12 AWG (R = 1,98 Ω par 1 000 pieds) :
VD % = (2 × 120 × 25 × 1,98) / (400 × 1 000) × 100 =
✗ (Dépasse la limite de 2 %) 2.97% Tableau de référence de la chute de tension
Résistance (Ω/1 000 pieds à 75 °C)
| Calibre AWG | Distance maximale pour une chute de tension de 2 % (25 A à 400 V) | Distance maximale pour une chute de tension de 3 % (25 A à 400 V) | 99 mètres |
|---|---|---|---|
| 6 AWG | 0.491 | 149 mètres | 63 mètres |
| 8 AWG | 0.778 | 94 mètres | 39 mètres |
| 10 AWG | 1.24 | 59 mètres | 25 mètres |
| 12 AWG | 1.98 | 37 mètres | 15 mètres |
| 14 AWG | 3.14 | 23 mètres | Le tableau suppose des conducteurs en cuivre, une tension du système de 400 V et un courant de 25 A. Pour différents paramètres, utilisez la formule ci-dessus. |
Figure 2 : Schéma de calcul de la chute de tension CC pour une installation solaire au sol montrant un câble de 45 mètres entre le panneau et l'onduleur.
Le problème de la double contrainte
La sélection du calibre du fil pour les installations photovoltaïques au sol nécessite de satisfaire
deux critères indépendants : Le fil doit supporter le courant maximal sans surchauffe (NEC 690.8):
- Ampérage: Le fil doit limiter les pertes résistives à ≤ 2 % pour l'efficacité
- Chute de tensionL'erreur que commettent les installateurs ? Choisir le fil en se basant uniquement sur les tableaux d'ampérage, puis découvrir que la chute de tension dépasse les limites acceptables après l'installation.
Étape 1 : Calculer l'exigence d'ampérage minimale.
Par
Per NEC 690.8(A)(1), les conducteurs du circuit source PV doivent être dimensionnés à 125 % du courant de court-circuit (Isc) du module avant d'appliquer tout facteur de correction :
Ampérage minimal = 1,25 × Isc
Pour les chaînes parallèles, multiplier par le nombre de chaînes. De plus, NEC 690.8(B)(1) exige que les conducteurs du circuit de sortie PV (combinateur à onduleur) puissent supporter 125 % du courant combiné.
Exemple: Trois chaînes parallèles, chacune avec Isc = 11A :
- Isc combiné = 33A
- Ampérage minimal du conducteur = 33A × 1,25 = 41,25A
- D'après le tableau 310.16 de la norme NEC (colonne 75 °C), cuivre 8 AWG = ampérage de 50 A ✓
Étape 2 : Appliquer les facteurs de correction de température
Les installations au sol exposent les conducteurs à des températures extrêmes. Si la température ambiante dépasse 30 °C (86 °F), vous devez réduire l'ampérage à l'aide du Tableau 310.15(B)(1) de la norme NEC:
| Température ambiante | Facteur de correction (isolation 75 °C) |
|---|---|
| 30°C (86°F) | 1.00 |
| 40°C (104°F) | 0.88 |
| 50 °C (122 °F) | 0.75 |
| 60 °C (140 °F) | 0.58 |
Pour notre exemple de 41,25 A dans un environnement à 50 °C :
- Ampérage requis après correction = 41,25 A / 0,75 = 55A
- 8 AWG (50 A) est maintenant insuffisant ; il faut passer à 6 AWG (65 A) ✓
Étape 3 : Vérifier la chute de tension
En utilisant notre fil 6 AWG corrigé pour une longueur de 150 pieds à 33 A et 400 V :
VD = (2 × 150 × 33 × 0,491) / (400 × 1 000) × 100 = 1.21% ✓ (Excellent)
Matrice de décision pour le dimensionnement des câbles
| Courant du réseau | Distance | AWG minimal (ampérage uniquement) | AWG recommandé (limite de VD de 2 %) | Compatibilité des cosses de câble VIOX |
|---|---|---|---|---|
| 15-20A | <100 pieds | 12 AWG | 10 AWG | Série CL-10 |
| 20-30A | <150 pieds | 10 AWG | 8 AWG | Série CL-8 |
| 30-45A | <200 pieds | 8 AWG | 6 AWG | Série CL-6 |
| 45-65A | <250 pieds | 6 AWG | 4 AWG | Série CL-4 |
| 65-85A | <300 pieds | 4 AWG | 2 AWG | Série CL-2 |
Suppose un système de 400 V, une température ambiante de 50 °C, un fil de cuivre USE-2 ou PV. Toujours vérifier avec le calcul de la chute de tension.
Sélection et dimensionnement des fusibles pour les systèmes PV au sol
Pourquoi les fusibles sont non négociables dans les configurations de chaînes parallèles
Dans les installations au sol avec plusieurs chaînes parallèles, fusibles fournir la protection primaire contre les surintensités contre trois scénarios de défaut :
- Défauts de ligne à ligne: Court-circuit entre les conducteurs positif et négatif
- Défauts de mise à la terre: Chemin involontaire vers la terre
- Courant inverse: Lorsqu'une chaîne renvoie du courant dans une chaîne ombragée ou endommagée
NEC 690.9(A) stipule : “ Les systèmes photovoltaïques solaires doivent être protégés contre les surintensités. ” Les fusibles servent d'élément sacrificiel qui ouvre le circuit avant que l'isolation des câbles ne fonde ou que les modules ne subissent une défaillance catastrophique.
La règle de dimensionnement de 1,56 × Isc expliquée
La pierre angulaire du dimensionnement des fusibles PV est le multiplicateur de 1,56 appliqué au courant de court-circuit du module. Cela vient de NEC 690.8(A)(1) qui exige :
Calibre nominal du fusible ≥ 1,56 × Icc (par chaîne)
D'où vient le chiffre 1,56 ?
- 1,25 = Facteur de sécurité pour le courant continu
- 1,25 = Facteur supplémentaire pour les conditions d'irradiance dépassant les conditions d'essai standard (STC)
- 1,25 × 1,25 = 1.5625 (arrondi à 1,56)
Exemple De Calcul:
La fiche technique du module indique Icc = 11,5A
- Calculer la calibre nominale minimale du fusible : 11,5A × 1,56 = 17,94A
- Sélectionner la taille de fusible standard suivante : 20A (calibres standard : 10A, 15A, 20A, 25A, 30A)
- Vérifier par rapport à la calibre nominale maximale du fusible en série du module (à partir de la fiche technique) : Si elle est indiquée comme 25A, alors 20A ✓
Vérification critique: Le fusible sélectionné doit également être ≤ ampérage du conducteur. Si votre fil de calibre 10 AWG est évalué à 30A, un fusible de 20A assure une protection appropriée du fil ✓
Fusible de chaîne vs. Fusible de sortie du combineur
Les systèmes montés au sol nécessitent généralement deux niveaux de protection contre les surintensités :
Fusibles au niveau de la chaîne (à l'intérieur du boîtier de combinaison) :
- Objectif : Protéger les conducteurs de chaîne individuels contre le courant inverse
- Emplacement : Un fusible par conducteur positif de chaîne
- Dimensionnement : 1,56 × Icc par chaîne
- Exemple : Pour Icc = 11A, utiliser Fusible DC de calibre 15A gPV
Fusible de sortie du combineur (entre le combineur et l'onduleur) :
- Objectif : Protéger le câble d'alimentation DC principal
- Emplacement : Après le point de connexion parallèle
- Dimensionnement par NEC 690.8(B)(1): 1,25 × (somme de toutes les valeurs Icc de la chaîne)
- Exemple : 6 chaînes × 11A = 66A combinés ; 66A × 1,25 = 82,5A → utiliser Fusible de 90A ou 100A
Spécifications des porte-fusibles VIOX pour les applications montées au sol
VIOX fabrique Porte-fusibles DC de calibre gPV spécialement conçus pour les applications photovoltaïques :
| Série de Produits | La Tension Nominale De La | Note Actuelle | Indice de protection IP | Caractéristiques |
|---|---|---|---|---|
| VIOX FH-15DC | 1000 V CC | 15-30A | IP66 | Protection contre le contact, indicateur de défaut LED |
| VIOX FH-30DC | 1000 V CC | 30-60A | IP66 | Mécanisme de dégagement rapide, bipolaire |
| VIOX FH-100DC | 1500V DC | 60-125A | IP66 | Barre omnibus intégrée, adaptée aux systèmes 1500V |
Tous les porte-fusibles VIOX sont conformes aux normes UL 248-14 (pour les fusibles gPV) et CEI 60947-3 , assurant la compatibilité avec les principaux fabricants de fusibles (Mersen, Littelfuse, Bussmann).
Référence rapide pour la sélection des fusibles
| Isc du module | Calibre nominale minimale du fusible (1,56× Icc) | Taille de fusible standard | Protection maximale du conducteur |
|---|---|---|---|
| 9A | 14,0A | 15A | 12 AWG (20A) |
| 11A | 17,2A | 20A | 10 AWG (30A) |
| 13A | 20,3A | 25A | 10 AWG (30A) |
| 15A | 23,4A | 25A | 8 AWG (40A) |
| 18A | 28,1A | 30A | 8 AWG (40A) |
Toujours vérifier la fiche technique du module “ Calibre nominale maximale du fusible en série ” avant la sélection finale.
Flux de travail de conception pratique : Liste de contrôle étape par étape
Suivez cette approche systématique pour concevoir des systèmes électriques PV montés au sol conformes et efficaces :
Phase 1 : Collecte de données
- Obtenir la fiche technique du module (Voc, Vmp, Isc, Imp, coefficients de température)
- Mesurer la distance physique entre le champ photovoltaïque et le point d'entrée de l'onduleur
- Déterminer la plage de température ambiante (utiliser les données météorologiques locales pour le cas le plus défavorable)
- Identifier la tension du système (12V, 24V, 48V hors réseau ; 300-600V raccordé au réseau)
- Compter le nombre total de chaînes en configuration parallèle
Phase 2 : Dimensionnement des câbles
- Calculer l'intensité minimale admissible : 1,25 × Isc × nombre de chaînes parallèles
- Appliquer le facteur de réduction de courant en fonction de la température (Tableau 310.15(B)(1) du NEC)
- Sélectionner la taille AWG préliminaire à partir du Tableau 310.16 du NEC
- Calculer la chute de tension à l'aide de la formule : VD = (2 × L × I × R) / V × 100
- Si VD > 2%, augmenter la section du conducteur et recalculer
- Vérifier que la taille AWG finale répond aux critères d'intensité admissible ET de chute de tension
Phase 3 : Spécification des fusibles
- Dimensionnement du fusible de chaîne : 1,56 × Isc par chaîne → sélectionner la taille standard supérieure
- Vérifier que le fusible ≤ l'intensité admissible du conducteur (par exemple, fusible de 20A ≤ conducteur de 30A)
- Vérifier que le fusible ≤ le courant maximal admissible en série du module (à partir de la fiche technique)
- Fusible de sortie du combinateur : 1,25 × (somme de tous les Isc des chaînes) → sélectionner la taille standard supérieure
- Spécifier des fusibles DC de type gPV avec un pouvoir de coupure ≥ au courant de défaut disponible
Phase 4 : Sélection des composants
- Sélectionner un boîtier de combinaison VIOX IP66 (taille basée sur le nombre de chaînes)
- Spécifier les porte-fusibles VIOX (tensions et courants nominaux)
- Sélectionner un sectionneur DC (doit supporter la Voc du système)
- Spécifier des cosses de câble compatibles avec la taille AWG (série VIOX CL)
- Inclure un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) si requis par le code local
Erreurs de conception courantes à éviter
| Erreur | Conséquence | Solution |
|---|---|---|
| Dimensionner les câbles uniquement en fonction de l'intensité admissible | Chute de tension excessive (>3%), inefficacité du MPPT | Toujours calculer la VD ; privilégier les limites de VD par rapport à l'intensité admissible |
| Utiliser des fusibles AC dans des circuits DC | Le fusible ne parvient pas à interrompre l'arc DC ; risque d'incendie | Spécifier Type gPV Fusibles (listés UL 248-14) |
| Ignorer la réduction de courant en fonction de la température | Le câble surchauffe en été ; violation du code | Appliquer les facteurs de correction du Tableau 310.15(B)(1) du NEC |
| Mélanger les conducteurs en aluminium et en cuivre | Corrosion galvanique aux connexions | Utiliser du cuivre partout OU utiliser un composé anti-oxydant avec l'aluminium |
| Surdimensionner les fusibles “pour plus de sécurité” | L'isolation du câble fond avant que le fusible ne saute | Le calibre du fusible doit être ≤ l'intensité admissible du câble |
Référence rapide des paramètres de conception
| Paramètre | Gamme typique | Référence du code | Gamme de produits VIOX |
|---|---|---|---|
| Limite de chute de tension | ≤2% (3% maximum) | NEC 210.19(A) Note 4 | N/A |
| Fusible de chaîne | 15-30A (résidentiel) | NEC 690.9 | FH-15DC, FH-30DC |
| Fusible de combinateur | 60-125A (résidentiel) | NEC 690.8(B) | FH-100DC |
| Taille AWG du câble | 6-10 AWG (typique) | NEC 310.16 | Cosses CL-6, CL-8, CL-10 |
| Indice de protection du boîtier de combinaison | IP65 minimum (IP66 recommandé) | NEC 690.31(E) | Séries CB-6, CB-12, CB-18 |
Foire Aux Questions
Q : Ai-je besoin de fusibles si je n'ai que deux chaînes de panneaux solaires en parallèle ?
R : Selon NEC 690.9(A) Exception, les fusibles ne sont pas nécessaires lorsque seulement deux chaînes sont connectées en parallèle, car le courant inverse maximal d'une chaîne ne peut pas dépasser l'ampérage du conducteur. Cependant, de nombreux installateurs professionnels ajoutent des fusibles de toute façon pour trois raisons : (1) un dépannage et une isolation plus faciles, (2) une capacité d'expansion future sans recâblage, et (3) une protection supplémentaire contre les défauts à la terre. VIOX recommande de fusionner toutes les configurations parallèles dans les systèmes montés au sol en raison des longueurs de câbles plus longues et d'une exposition plus élevée au courant de défaut.
Q : Puis-je utiliser des fusibles AC standard dans mon système solaire DC ?
A : N'utilisez jamais de fusibles AC dans les applications DC. Le courant DC maintient une polarité constante, créant des arcs électriques soutenus que les fusibles AC ne peuvent pas interrompre en toute sécurité. Les systèmes PV nécessitent Fusibles à tension nominale gPV (listé UL 248-14) spécialement conçus pour les applications photovoltaïques DC. Ces fusibles ont des matériaux d'extinction d'arc spécialisés et des pouvoirs de coupure plus élevés (généralement 20kA-50kA à 1000V DC). Les porte-fusibles VIOX sont conçus exclusivement pour les fusibles gPV et répondent à la catégorie d'utilisation IEC 60947-3 DC-PV2.
Q : Comment puis-je calculer la chute de tension si mon réseau a plusieurs chaînes à différentes distances ?
R : Calculez la chute de tension pour le chemin de câble le plus long dans votre système - cela devient votre scénario le plus défavorable. Pour les configurations complexes avec des boîtes de jonction intermédiaires, additionnez les chutes de tension de chaque segment : Réseau → Jonction intermédiaire (VD1%) + Jonction intermédiaire → Jonction principale (VD2%) + Jonction principale → Onduleur (VD3%). Le VD% total doit rester ≤2%. Si les chaînes varient considérablement en distance, envisagez plusieurs boîtes de jonction plus proches des sections du réseau plutôt qu'une seule jonction centralisée.
Q : Quelle est la différence entre l'ampérage du conducteur et le calibre du fusible ?
A : Ampérage du conducteur (du tableau NEC 310.16) est le courant continu maximal qu'un fil peut transporter sans endommager l'isolation. Calibre du fusible est le niveau de courant auquel le fusible sautera dans un délai spécifié. Relation clé : Le calibre du fusible doit être ≤ ampérage du conducteur pour protéger le fil. Exemple : cuivre 10 AWG = ampérage de 30A. Vous pouvez utiliser un fusible de 25A (protège le fil) mais jamais un fusible de 40A (le fil surchaufferait avant que le fusible ne saute).
Q : Dois-je augmenter la taille de mon fil de terre lorsque j'augmente la taille des conducteurs transportant le courant ?
R : Selon NEC 250.122, les conducteurs de mise à la terre des équipements (EGC) doivent être dimensionnés en fonction du calibre du dispositif de protection contre les surintensités, et non de la taille du conducteur. Cependant, si vous augmentez la taille des conducteurs uniquement pour des raisons de chute de tension, NEC 250.122(B) exige une augmentation proportionnelle de la taille de l'EGC. Utilisez le même AWG pour le fil de terre que vos conducteurs transportant le courant, ou consultez le tableau NEC 250.122. Pour les réseaux montés au sol, VIOX recommande un minimum de #6 AWG cuivre nu pour la mise à la terre des équipements, conformément aux meilleures pratiques de l'industrie pour la protection contre la foudre.
Q : À quelle fréquence dois-je remplacer les fusibles dans ma boîte de jonction solaire ?
R : Les fusibles correctement dimensionnés devraient ne jamais sauter dans des conditions normales de fonctionnement - ils ne s'activent que lors d'événements de défaut. Ne remplacez pas les fusibles selon un calendrier ; effectuez plutôt des inspections annuelles en vérifiant : (1) la corrosion sur les embouts des fusibles, (2) la décoloration indiquant une surchauffe, (3) les connexions lâches dans le porte-fusible. Si un fusible saute, enquêtez toujours sur la cause première (module endommagé, défaut à la terre, courant inverse) avant de le remplacer. Les porte-fusibles VIOX incluent des indicateurs de défaut LED pour identifier les fusibles grillés sans les retirer.
Q : Puis-je utiliser le même câble pour un système de 400V et un système de 1000V ?
R : Non. La tension nominale du câble doit être égale ou supérieure au maximum du système tension en circuit ouvert (Voc). Standard Le fil PV est évalué à 600V ou 1000V, alors que Le câble USE-2 est généralement de 600V. Pour les systèmes approchant 600V Voc, vous devez utiliser un câble de 1000V. De plus, NEC 690.7 exige de calculer la tension maximale du circuit en utilisant des facteurs corrigés en fonction de la température (la tension augmente par temps froid). Vérifiez toujours que la tension nominale de l'isolation du câble correspond ou dépasse la Voc par temps froid de votre réseau. Les cosses de câble VIOX spécifient les tensions nominales compatibles - utilisez la série CL-HV pour les systèmes >600V.
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La conception de systèmes électriques solaires montés au sol exige de la précision dans trois domaines : l'atténuation de la chute de tension, le dimensionnement des conducteurs et la protection contre les surintensités. Les calculs décrits dans ce guide représentent une méthodologie standard de l'industrie alignée sur NEC Article 690 exigences.
VIOX Electric fabrique l'ensemble de l'équilibre électrique du système (BoS) pour les installations montées au sol : Boîtes de jonction IP66, Porte-fusibles gPV DC, Cosses de câble 1000V-1500Vet Interrupteurs de sectionnement classés DC. Notre équipe d'ingénierie fournit un support technique pour les configurations de réseau complexes, et tous les produits répondent aux normes internationales UL/IEC.
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