A kétoldalas (bifaciális) fotovoltaikus (PV) technológia térhódítása forradalmasította a napenergia-ipart, akár 30%-os energiatermelés-növekedést kínálva a modul hátoldalán visszavert fény begyűjtésével. Ez az “extra” energia azonban egy kritikus mérnöki kihívással jár: áramnövekedés. A villamosmérnökök és rendszertervezők számára a hátoldali besugárzás változó jellege azt jelenti, hogy a szokásos túláramvédelem méretezési szabályai gyakran nem elegendőek.
Ha a biztosítékokat kizárólag az elülső oldal standard tesztkörülmények (STC) szerinti névleges teljesítménye alapján méretezi, akkor a csúcs albedó események során a nem kívánt lekapcsolás, a berendezés kifáradása és a potenciális tűzveszély kockázatát vállalja. A VIOX Electric, mint a villamos védelmi berendezések vezető gyártója, tisztában van azzal, hogy a kétoldalas tömbök biztosítékainak megfelelő méretezése a National Electrical Code (NEC) és a visszavert besugárzás fizikájának árnyalt megértését igényli.
A kétoldalas áramnövekedés fizikája
A hagyományos egyoldalas moduloktól eltérően a kétoldalas panelek átlátszó hátlappal vagy kettős üvegezésű kialakítással rendelkeznek, amely lehetővé teszi, hogy a fény hátulról érje a napelemeket. A hátoldal hozzájárul a teljes teljesítményhez, de ami még fontosabb az áramkörvédelem szempontjából, közvetlenül hozzájárul a rövidzárlati áramhoz (I_{sc}).
A termelt többletáram mennyisége nagymértékben függ a albedótól (visszaverőképesség) a panelek alatti felület és a telepítési magasság függvényében. A fehér kereskedelmi tetőfedés feletti panel (magas albedó) lényegesen több áramot termel, mint az aszfalt vagy fű feletti.
Kétoldalúsági együttható és erősítési tényező
A védelem helyes méretezéséhez számszerűsítenünk kell ezt az erősítést.
- Kétoldalúsági együttható: A hátoldali hatékonyság és az elülső oldali hatékonyság aránya (a modern PERC vagy TOPCon cellák esetében jellemzően 70-80%).
- Kétoldalas erősítési tényező (BGF): Az áram tényleges százalékos növekedése működés közben. Bár a gyártók megadhatnak egy “referencia” erősítést, a valós BGF jellemzően 10%-tól 15%-ig, terjed, optimalizált körülmények között (pl. hó vagy fehér membránok) akár 25-30%-os csúcsokkal.
A mérnökök egyszerűen nem hagyhatják figyelmen kívül ezt a többletáramot. A biztosítéknak képesnek kell lennie a Teljes kombinált I_{sc} kezelésére anélkül, hogy károsodna, miközben továbbra is védi a vezetéket és a modult a hibáktól.
NEC 690.8 és az 1,56-os szabály: Kétoldalasra adaptálva
A National Electrical Code (NEC) biztosítja a PV áramkörök méretezésének keretrendszerét, de a kétoldalas modulok egy rétegnyi összetettséget adnak a 690.8 cikkhez.
A standard méretezés az “1,56-os szabályt” követi:
I_{biztosíték} \ge I_{sc} \times 1,25 \text{ (Besugárzási tényező)} \times 1,25 \text{ (Folyamatos üzemeltetési tényező)}
A standard méretezéssel kapcsolatos részletes útmutatásért tekintse meg a PV biztosíték leválasztó méretezési útmutatót (NEC 1,56-os szabály).
Kétoldalas modulok esetében azonban az, I_{sc} nem statikus szám. A NEC 690.8(A)(2) lehetővé teszi a számítást a “legmagasabb 3 órás áramátlag” alapján, de egy gyakoribb és biztonságosabb mérnöki gyakorlat az alap I_{sc} beállítása a biztonsági tényezők alkalmazása előtt.
A korrigált képlet
A megfelelőség és a biztonság érdekében használja a korrigált I_{sc}-t:
I_{sc, korrigált} = I_{sc, elülső} \times (1 + \text{Kétoldalas erősítés})
Ezután alkalmazza a standard védelmi tényezőket:
\text{Minimális biztosíték névleges érték} = I_{sc, korrigált} \times 1,56
1. táblázat: Kétoldalas és egyoldalas áramszámítás összehasonlítása
| Paraméter | Egyoldalas modul | Kétoldalas modul (15% erősítés) |
|---|---|---|
| Névleges I_{sc} (elülső) | 13,0 A | 13,0 A |
| Hátoldali erősítés | 0 A | +1,95 A (13,0 × 0,15) |
| Effektív I_{sc} | 13,0 A | 14,95 A |
| NEC szorzó | 1.56 | 1.56 |
| Számított min. biztosíték | 20,28 A | 23,32 A |
| Standard biztosítékméret | 20A vagy 25A | 25A vagy 30A |
Figyelje meg, hogy a kétoldalas erősítés hogyan tolja a követelményt a következő standard biztosítékméretre.
IEC 60269-6 és gPV biztosíték követelmények
Bár a méretezési számítás létfontosságú, a típus kiválasztott biztosíték típusa ugyanolyan kritikus. Fotovoltaikus alkalmazásokhoz olyan biztosítékokat kell használnia, amelyek gPV gPV IEC 60269-6.
jellemzőkkel rendelkeznek a.
3. ábra: Egy gPV névleges napelem biztosíték belső szerkezete ívoltó szilícium-dioxiddal.
Miért fontos a gPV a kétoldalas számára.
A kétoldalas modulok magas albedójú napokon hosszú ideig képesek a névleges értékük feletti áramot fenntartani. Egy nem gPV biztosíték elfáradhat e folyamatos hőterhelés alatt, ami idő előtti meghibásodáshoz vezethet. Ezenkívül a magas DC feszültségek (1000V vagy 1500V) speciális ívoltó képességeket igényelnek, amelyek a kerámia gPV biztosítékokban találhatók. A biztosíték anyagok mélyebb összehasonlításához olvassa el a.
Üveg biztosíték vs. kerámia biztosíték biztonsági útmutatót
Átfogó számítási módszertan.
1. lépés: A $I_{sc}$ referencia meghatározása
Tekintse meg a modul adatlapját. Keresse meg a “Bifacial Nameplate Irradiance” (Kétoldalas névleges besugárzás) vagy azokat a konkrét adattáblákat, amelyek a $I_{sc}$ értéket mutatják különböző erősítési szinteken (pl. 10%, 20%, 30%). Ha ezek az adatok nem állnak rendelkezésre, egy konzervatív mérnök általában 20-25% erősítéssel számol a biztonság érdekében, hacsak a helyspecifikus albedó modellezés nem bizonyítja az ellenkezőjét.
2. lépés: Alkalmazza az NEC 690.8 tényezőit
Számítsa ki a minimális túláramvédelmi eszköz (OCPD) névleges értékét.
$$I_{OCPD} = I_{sc, bifacial} \times 1.25 \times 1.25$$
3. lépés: Ellenőrizze a modul maximális soros biztosítékának névleges értékét
Lényeges, hogy a kiválasztott biztosíték nem haladhatja meg a modul adatlapján feltüntetett “Maximum Series Fuse Rating” (Maximális soros biztosíték névleges értéke) értéket. Ez egy tervezési ablakot hoz létre:
- Alsó határ: A számított minimális OCPD méret (a zavaró lekapcsolások elkerülése érdekében).
- Felső határ: A modul maximális soros biztosítékának névleges értéke (a modul védelme érdekében).
Ha a számított érték meghaladja a modul maximális névleges értékét, nem növelheti egyszerűen a biztosíték méretét. Lehet, hogy növelnie kell a stringek számát (csökkentenie kell a párhuzamos kapcsolatokat), vagy konzultálnia kell a modul gyártójával a frissített tanúsítványokért.
Több stringet kombináló rendszerek esetében győződjön meg arról, hogy ismeri a párhuzamos kapcsolatokra vonatkozó követelményeket a következő útmutatónkban: Napelemes PV biztosíték követelmények: NEC 690.9 Párhuzamos stringek.
2. táblázat: Biztosíték méretezési példák különböző kétoldalas modul névleges értékekhez
| Modul elülső $I_{sc}$ | Használt kétoldalas erősítés | Korrigált $I_{sc}$ | Minimális biztosíték számítás ($I \times 1.56$) | Következő szabványos biztosíték méret |
|---|---|---|---|---|
| 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 vagy 40 A |
| 20 A | 25% | 25.0 A | 39.00 A | 40 A |
Hőmérsékleti csökkentés: A csendes biztosítékgyilkos
A biztosítékok termikus eszközök; úgy működnek, hogy megolvadnak, ha túlmelegednek. Következésképpen a magas környezeti hőmérséklet befolyásolja az áramvezető képességüket. A tetőtéri napelem rendszerek gyakran 60°C vagy 70°C feletti hőmérsékletet tapasztalnak.
Kétoldalas modulok esetében a többletáram többlethőt termel a biztosítékon belül ($P = I^2R$). Ha egy 25A-re méretezett biztosítékot szerel be egy 60°C-ot elérő kombináló dobozba, akkor a biztosíték ténylegesen 20A-re vagy kevesebbre csökkenhet.
Kétoldalas rendszerek méretezésekor alkalmazzon egy hőmérsékleti csökkentési tényezőt ($K_t$) a biztosíték gyártójának adatlapjáról:
$$I_{fuse, final} = \frac{\text{Számított min. áram}}{K_t}$$
A hőmérséklet figyelmen kívül hagyása a biztosítékfáradás elsődleges oka a forró éghajlaton. Tudjon meg többet a kábelezés és a biztosítékok védelméről zord környezetben a mi Földre szerelt napelem kábel biztosíték méretezési útmutatónkban.
Valós tervezési szempontok
3. táblázat: Kétoldalas erősítési tényezők telepítési típus és albedó szerint
| Felületi anyag | Albedó (%) | Tipikus áramerősség növekedés | Ajánlott biztonsági ráhagyás |
|---|---|---|---|
| Fű / Talaj | 15-20% | 5-7% | Alacsony |
| Beton / Homok | 20-30% | 7-10% | Közepes |
| Fehér membrán tető | 60-80% | 15-20% | Magas |
| Hó | 80-90% | 20-30%+ | Nagyon Magas |
Kombináló doboz kiválasztása
A kétoldalas modulokból származó többletáram a kombináló doboz gyűjtősínjeit és hőkezelését is befolyásolja. A kombináló doboz kiválasztásakor győződjön meg arról, hogy a ház besorolása és a belső gyűjtősínek a kétoldalas teljes áramerősségre vannak méretezve, nem csak az elülső oldal névleges értékére. A bővítési tervezéshez tekintse meg a mi Napelemes kombináló doboz méretezési útmutatónkat.
Túláram vs. Rövidzárlat
Fontos különbséget tenni a túlterhelés elleni védelem és a rövidzárlat elleni védelem között. A kétoldalas erősítés az üzemi áramot közelebb viszi a túlterhelési küszöbhöz. Az állítható kioldási beállításokkal rendelkező megszakítók vagy biztosítékok néha nagyobb rugalmasságot kínálnak, mint a fix biztosítékok. A védelmi eszközök összehasonlításához tekintse meg a PV DC védelem magyarázata: MCB-k, biztosítékok és SPD-k.
Gyakori hibák elkerülése
- A hátoldali erősítés figyelmen kívül hagyása: A méretezés szigorúan a címke alapján az #1 hiba. Mindig adja hozzá a várható bifaciális nyereséget.
- Dupla biztonsági tényezők számítása: Néhány mérnök szükségtelenül kétszer alkalmazza az 1,25-ös tényezőt. Tartsa be a következő képletet: $I_{sc, korrigált} \times 1,56$.
- A modul maximális soros biztosítékértékének túllépése: A számított magas áram előtérbe helyezése a modul biztonsági határának figyelmen kívül hagyása mellett érvénytelenítheti a garanciát és tűzveszélyt okozhat.
- A hőmérsékleti csökkentés figyelmen kívül hagyása: A 25°C-ra tökéletesen méretezett biztosíték valószínűleg meghibásodik 65°C-on egy tetőtéri kombináló dobozban.
4. táblázat: NEC szorzótényezők összefoglalója
| Tényező | Érték | Cél |
|---|---|---|
| Bifaciális nyereség | Változó (1,10 – 1,30) | Figyelembe veszi a hátsó oldali besugárzást |
| Magas besugárzás (690.8(A)(1)) | 1.25 | Figyelembe veszi a 1000 W/m² feletti napenergia intenzitást |
| Folyamatos üzem (690.8(B)) | 1.25 | Megakadályozza a biztosíték felmelegedését/fáradását >3 órán keresztül |
| Teljes standard szorzó | 1.56 | Kombinált biztonsági tényező a számításhoz |
GYIK Szekció
K: Miért van szükség a bifaciális panelekhez eltérő biztosítékméretezésre, mint a monofaciális panelekhez?
V: A bifaciális panelek mindkét oldalról áramot termelnek. Ez a többletáram megnöveli az áramkör effektív rövidzárlati áramát ($I_{sc}$). A csak az elülső oldal kimenetére méretezett biztosítékok kioldhatnak a csúcsfényidőben, amikor a talaj visszaverődése magas.
K: Hogyan határozhatom meg a projektemhez a megfelelő bifaciális nyereségtényezőt (BGF)?
V: Ideális esetben használjon helyspecifikus szimulációs szoftvert (például PVSyst), amely figyelembe veszi az albedót, a dőlésszöget és a magasságot. Szimuláció nélkül a biztonsági berendezések méretezéséhez gyakran ajánlott egy konzervatív, 15-20%-os nyereségbecslés, feltéve, hogy az a modul maximális értékein belül marad.
K: Mi a teendő, ha a számított biztosítékméret meghaladja a modul maximális soros biztosítékértékét?
V: Nem szerelhet be a modul névleges értékénél nagyobb biztosítékot. Újra kell terveznie a string konfigurációt (pl. kevesebb string párhuzamosan), vagy ki kell választania egy magasabb soros biztosítékértékkel rendelkező modult.
K: Használhatok szabványos AC biztosítékokat bifaciális napelemekhez?
V: Nem. DC-re (általában 1000 V vagy 1500 V) méretezett, gPV karakterisztikájú biztosítékokat kell használnia. Az AC biztosítékok nem képesek megbízhatóan eloltani a DC íveket, és katasztrofálisan meghibásodhatnak.
K: Hogyan befolyásolja a hőmérséklet a biztosíték kiválasztását?
V: A biztosítékok termikus eszközök. Magas környezeti hőmérsékleten (ami a napelemeknél gyakori) alacsonyabb áramerősségnél oldanak ki. A megfelelő biztosíték áramerősségének kiválasztásához a számított áramot el kell osztania a gyártó hőmérsékleti csökkentési tényezőjével.
K: Az 1,56-os tényező, amelyet a NEC 690.8 előír, elegendő a bifaciális panelekhez?
V: Az 1,56-os tényező a modul áramára. vonatkozik. Bifaciális panelek esetén ezt a tényezőt a korrigált áramra (elülső $I_{sc}$ + hátsó nyereség) kell alkalmazni, nem csak az elülső oldali $I_{sc}$-re.
A legfontosabb tudnivalók
- A bifaciális nyereség valós áramerősség: A hátsó oldali nyereséget folyamatos áramként kezelje, amely hozzájárul a hőhöz és a terheléshez, nem csak ideiglenes csúcsként.
- Először korrigálja az $I_{sc}$-t: Számítsa ki a teljes effektív $I_{sc}$-t (elülső + hátsó) a NEC 1,56 biztonsági tényezőinek alkalmazása előtt.
- Ügyeljen a hézagra: Győződjön meg arról, hogy a biztosíték névleges értéke elég magas ahhoz, hogy megakadályozza a zavaró kioldást, de elég alacsony ahhoz, hogy megfeleljen a modul maximális soros biztosítékértékének.
- A gPV kötelező: Mindig ellenőrizze, hogy a biztosítékok megfelelnek-e az IEC 60269-6 szabványoknak a fotovoltaikus alkalmazásokhoz; soha ne helyettesítse azokat szabványos terhelésekkel.
- Az albedó számít: Minél világosabb a talajfelszín (pl. fehér tetők, hó), annál nagyobb az áramnyereség – ennek megfelelően méretezze az OCPD-t.
- Figyelje a hőt: A kombináló dobozokban lévő környezeti hőmérséklet jelentősen csökkenti a biztosíték kapacitását; alkalmazzon csökkentési tényezőket a fáradásos meghibásodás elkerülése érdekében.
