L'ascesa della tecnologia fotovoltaica (FV) bifacciale ha rivoluzionato l'industria solare, offrendo aumenti della resa energetica fino al 30% catturando la luce riflessa sul lato posteriore del modulo. Tuttavia, questa energia “bonus” comporta una sfida ingegneristica critica: guadagno di corrente. Per gli ingegneri elettrici e i progettisti di sistemi, la natura variabile dell'irradianza sul lato posteriore significa che le regole standard di dimensionamento della protezione da sovracorrente spesso non sono sufficienti.
Se si dimensionano i fusibili basandosi esclusivamente sulla potenza nominale del lato anteriore in condizioni di prova standard (STC), si rischia lo scatto intempestivo, l'affaticamento delle apparecchiature e potenziali rischi di incendio durante gli eventi di picco di albedo. In qualità di produttore leader di apparecchiature di protezione elettrica, VIOX Electric comprende che il corretto dimensionamento dei fusibili per gli array bifacciali richiede una comprensione sfumata sia del National Electrical Code (NEC) sia della fisica dell'irradianza riflessa.
La fisica del guadagno di corrente bifacciale
A differenza dei tradizionali moduli monofacciali, i pannelli bifacciali sono caratterizzati da un foglio posteriore trasparente o da un design a doppio vetro che consente alla luce di raggiungere le celle solari dal retro. Il lato posteriore contribuisce alla potenza totale, ma, cosa più importante per la protezione del circuito, contribuisce direttamente alla corrente di cortocircuito (I_{sc}).
La quantità di corrente extra generata dipende fortemente da albedo (riflettività) della superficie sotto i pannelli e l'altezza di installazione. Un pannello su un tetto commerciale bianco (alto albedo) genererà significativamente più corrente di uno su asfalto o erba.
Coefficiente di bifaccialità e fattore di guadagno
Per dimensionare correttamente la protezione, dobbiamo quantificare questo guadagno.
- Coefficiente di bifaccialità: Il rapporto tra l'efficienza del lato posteriore e l'efficienza del lato anteriore (tipicamente 70-80% per le moderne celle PERC o TOPCon).
- Fattore di guadagno bifacciale (BGF): L'aumento percentuale effettivo della corrente durante il funzionamento. Mentre i produttori possono elencare un guadagno di “riferimento”, il BGF nel mondo reale varia tipicamente da 10% a 15%, con picchi fino al 25-30% in condizioni ottimizzate (ad esempio, neve o membrane bianche).
Gli ingegneri non possono semplicemente ignorare questa corrente extra. Il fusibile deve essere in grado di gestire la I_{sc} totale combinata senza deteriorarsi, proteggendo al contempo il cavo e il modulo dai guasti.
NEC 690.8 e la regola 1.56: Adattato per bifacciale
Il National Electrical Code (NEC) fornisce il quadro per il dimensionamento dei circuiti FV, ma i moduli bifacciali aggiungono un livello di complessità all'articolo 690.8.
Il dimensionamento standard segue la “regola 1.56”:
I_{fusibile} \ge I_{sc} \times 1.25 \text{ (Fattore di irradianza)} \times 1.25 \text{ (Fattore di servizio continuo)}
Per una guida dettagliata sul dimensionamento standard, fare riferimento alla nostra Guida al dimensionamento del sezionatore di fusibili FV (regola NEC 1.56).
Tuttavia, per i moduli bifacciali, I_{sc} non è un numero statico. NEC 690.8(A)(2) consente il calcolo basato sulla “media della corrente più alta di 3 ore”, ma una pratica ingegneristica più comune e sicura è quella di regolare la I_{sc} di base prima di applicare i fattori di sicurezza.
La formula corretta
Per garantire conformità e sicurezza, utilizzare la I_{sc} corretta:
I_{sc, corretto} = I_{sc, anteriore} \times (1 + \text{Guadagno bifacciale})
Quindi applicare i fattori di protezione standard:
\text{Corrente nominale minima del fusibile} = I_{sc, corretto} \times 1.56
Tabella 1: Confronto tra il calcolo della corrente bifacciale e monofacciale
| Parametro | Modulo monofacciale | Modulo bifacciale (guadagno del 15%) |
|---|---|---|
| I_{sc} nominale (anteriore) | 13.0 A | 13.0 A |
| Guadagno lato posteriore | 0 A | +1.95 A (13.0 × 0.15) |
| I_{sc} efficace | 13.0 A | 14.95 A |
| Moltiplicatore NEC | 1.56 | 1.56 |
| Fusibile minimo calcolato | 20.28 A | 23.32 A |
| Dimensioni standard del fusibile | 20A o 25A | 25A o 30A |
Si noti come il guadagno bifacciale spinga il requisito alla successiva dimensione standard del fusibile.
IEC 60269-6 e requisiti del fusibile gPV
Mentre il calcolo del dimensionamento è vitale, il tipo tipo di fusibile selezionato è altrettanto critico. Per le applicazioni fotovoltaiche, è necessario utilizzare fusibili con un gPV caratteristica secondo IEC 60269-6.
A differenza dei fusibili CA standard o dei fusibili CC per uso generale, i fusibili gPV sono progettati per interrompere le basse sovracorrenti (tipicamente da 1,35x a 2x la corrente nominale) che sono comuni nelle stringhe FV durante eventi di ombreggiamento o disallineamento.
Perché gPV è importante per bifacciale
I moduli bifacciali possono sostenere correnti leggermente superiori alla loro corrente nominale per lunghi periodi durante i giorni ad alto albedo. Un fusibile non gPV potrebbe affaticarsi sotto questo carico termico continuo, portando a un guasto prematuro. Inoltre, le alte tensioni CC (1000 V o 1500 V) richiedono specifiche capacità di spegnimento dell'arco presenti nei fusibili gPV in ceramica.
Per un confronto più approfondito dei materiali dei fusibili, leggi il nostro articolo su Guida alla sicurezza dei fusibili in vetro rispetto ai fusibili in ceramica.
Metodologia di calcolo completa
Per dimensionare i fusibili per un sistema bifacciale, seguire questo processo ingegneristico passo dopo passo.
Fase 1: Determinare il riferimento $I_{sc}$
Consultare la scheda tecnica del modulo. Cercare la “Irradianza della targhetta bifacciale” o tabelle dati specifiche che mostrano $I_{sc}$ a diversi livelli di guadagno (ad esempio, 10%, 20%, 30%). Se questi dati non sono disponibili, un ingegnere prudente in genere presume un guadagno del 20-25% per i calcoli per garantire la sicurezza, a meno che la modellazione dell'albedo specifica del sito non dimostri diversamente.
Fase 2: Applicare i fattori NEC 690.8
Calcolare la corrente nominale minima del dispositivo di protezione da sovracorrente (OCPD).
$$I_{OCPD} = I_{sc, bifacciale} \times 1.25 \times 1.25$$
Fase 3: Verificare la corrente nominale massima del fusibile in serie del modulo
Fondamentalmente, il fusibile selezionato non deve superare la “Corrente nominale massima del fusibile in serie” elencata nella scheda tecnica del modulo. Questo crea una finestra di progettazione:
- Inferiore: Dimensione minima calcolata dell'OCPD (per evitare interventi intempestivi).
- Superiore: Corrente nominale massima del fusibile in serie del modulo (per proteggere il modulo).
Se il valore calcolato supera la corrente nominale massima del modulo, non è possibile aumentare semplicemente la dimensione del fusibile. Potrebbe essere necessario aumentare il numero di stringhe (ridurre le connessioni parallele) o consultare il produttore del modulo per certificazioni aggiornate.
Per i sistemi che combinano più stringhe, assicurarsi di comprendere i requisiti per le connessioni parallele descritti nella nostra guida: Requisiti dei fusibili per impianti fotovoltaici solari: NEC 690.9 Stringhe parallele.
Tabella 2: Esempi di dimensionamento dei fusibili per diverse correnti nominali dei moduli bifacciali
| Modulo anteriore $I_{sc}$ | Guadagno bifacciale utilizzato | $I_{sc}$ regolato | Calcolo minimo del fusibile ($I \times 1.56$) | Dimensione standard successiva del fusibile |
|---|---|---|---|---|
| 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 o 40 A |
| 20 A | 25% | 25.0 A | 39.00 A | 40 A |
Derating della temperatura: il killer silenzioso dei fusibili
I fusibili sono dispositivi termici; funzionano fondendo quando diventano troppo caldi. Di conseguenza, le alte temperature ambiente influiscono sulla loro capacità di trasporto della corrente. Le installazioni solari sui tetti spesso sperimentano temperature superiori a 60°C o 70°C.
Per i moduli bifacciali, la corrente extra genera calore extra all'interno del collegamento del fusibile ($P = I^2R$). Se si installa un fusibile da 25 A in una scatola di combinazione che raggiunge i 60°C, tale fusibile potrebbe effettivamente subire un derating a 20 A o meno.
Quando si dimensiona per sistemi bifacciali, applicare un fattore di derating della temperatura ($K_t$) dalla scheda tecnica del produttore del fusibile:
$$I_{fuse, final} = \frac{\text{Corrente minima calcolata}}{K_t}$$
La mancata considerazione della temperatura è una delle principali cause di affaticamento dei fusibili nei climi caldi. Ulteriori informazioni sulla protezione di cavi e fusibili in ambienti difficili nella nostra Guida al dimensionamento dei fusibili per cavi solari a montaggio a terra.
Considerazioni di progettazione nel mondo reale
Tabella 3: Fattori di guadagno bifacciale per tipo di installazione e albedo
| Materiale della superficie | Albedo (%) | Guadagno di corrente tipico | Margine di sicurezza consigliato |
|---|---|---|---|
| Erba / Suolo | 15-20% | 5-7% | Basso |
| Cemento / Sabbia | 20-30% | 7-10% | Medio |
| Tetto a membrana bianca | 60-80% | 15-20% | Alta |
| Neve | 80-90% | 20-30%+ | Molto alto |
Selezione della scatola di combinazione
La corrente extra dei moduli bifacciali influisce anche sulle barre colletrici e sulla gestione termica della scatola di combinazione. Quando si seleziona una scatola di combinazione, assicurarsi che la corrente nominale dell'involucro e le barre colletrici interne siano dimensionate per la bifacciale corrente totale, non solo la corrente nominale del lato anteriore. Per la pianificazione dell'espansione, vedere la nostra Guida al dimensionamento della scatola di combinazione solare.
Sovracorrente vs. Cortocircuito
È importante distinguere tra protezione da sovraccarico e protezione da cortocircuito. Il guadagno bifacciale aumenta la corrente di esercizio più vicino alla soglia di sovraccarico. L'utilizzo di interruttori o fusibili con impostazioni di intervento regolabili a volte può offrire maggiore flessibilità rispetto ai fusibili fissi. Per un confronto dei dispositivi di protezione, fare riferimento a Protezione FV CC spiegata: MCB, fusibili e SPD.
Errori comuni da Evitare
- Ignorare il guadagno del lato posteriore: Dimensionare strettamente in base all'etichetta frontale è l'errore #1. Aggiungere sempre il guadagno bifacciale previsto.
- Doppio conteggio dei fattori di sicurezza: Alcuni ingegneri applicano il fattore 1,25 due volte inutilmente. Attenersi alla formula: $I_{sc, adjusted} \times 1.56$.
- Superamento della corrente massima di fusibile in serie del modulo: Dare priorità all'elevata corrente calcolata ignorando il limite di sicurezza del modulo può invalidare le garanzie e creare rischi di incendio.
- Trascurare la riduzione di potenza dovuta alla temperatura: Un fusibile dimensionato perfettamente per 25°C probabilmente si guasterà a 65°C all'interno di una scatola di giunzione sul tetto.
Tabella 4: Riepilogo dei fattori di moltiplicazione NEC
| Fattore di | Valore | Scopo |
|---|---|---|
| Guadagno bifacciale | Variabile (1,10 – 1,30) | Tiene conto dell'irradianza sul lato posteriore |
| Alta irradianza (690.8(A)(1)) | 1.25 | Tiene conto dell'intensità solare > 1000 W/m² |
| Servizio continuo (690.8(B)) | 1.25 | Previene il riscaldamento/affaticamento del fusibile per >3 ore |
| Moltiplicatore standard totale | 1.56 | Fattore di sicurezza combinato per il calcolo |
Sezione FAQ
D: Perché i pannelli bifacciali necessitano di un dimensionamento dei fusibili diverso rispetto ai pannelli monofacciali?
R: I pannelli bifacciali generano corrente da entrambi i lati. Questa corrente aggiuntiva aumenta la corrente di cortocircuito effettiva ($I_{sc}$) del circuito. I fusibili dimensionati solo per l'uscita del lato anteriore possono scattare durante le ore di picco della luce solare quando la riflessione del suolo è elevata.
D: Come posso determinare il corretto fattore di guadagno bifacciale (BGF) per il mio progetto?
R: Idealmente, utilizzare un software di simulazione specifico per il sito (come PVSyst) che tenga conto di albedo, inclinazione e altezza. Senza simulazione, una stima prudente del guadagno del 15-20% è spesso raccomandata per il dimensionamento delle apparecchiature di sicurezza, a condizione che rimanga entro i valori nominali massimi del modulo.
D: Cosa succede se la dimensione del fusibile calcolata supera la corrente massima di fusibile in serie del modulo?
R: Non è possibile installare un fusibile più grande del valore nominale del modulo. È necessario riprogettare la configurazione della stringa (ad esempio, meno stringhe in parallelo) o selezionare un modulo con una corrente massima di fusibile in serie più elevata.
D: Posso utilizzare fusibili CA standard per pannelli solari bifacciali?
R: No. È necessario utilizzare fusibili omologati per CC (tipicamente 1000 V o 1500 V) con una caratteristica gPV. I fusibili CA non possono estinguere in modo affidabile gli archi CC e possono guastarsi in modo catastrofico.
D: In che modo la temperatura influisce sulla mia scelta del fusibile?
R: I fusibili sono dispositivi termici. Ad alte temperature ambiente (comuni nel solare), scattano a correnti inferiori. È necessario dividere la corrente calcolata per il fattore di riduzione della temperatura del produttore per selezionare il corretto amperaggio del fusibile.
D: Il fattore 1,56 richiesto da NEC 690.8 è sufficiente per i pannelli bifacciali?
R: Il fattore 1,56 si applica alla corrente del modulo. Per i pannelli bifacciali, è necessario applicare questo fattore alla corrente regolata (Frontale $I_{sc}$ + Guadagno posteriore), non solo al lato anteriore $I_{sc}$.
Punti di forza
- Il guadagno bifacciale è amperaggio reale: Trattare il guadagno sul lato posteriore come corrente continua che contribuisce al calore e al carico, non solo come un picco temporaneo.
- Regolare prima $I_{sc}$: Calcolare la $I_{sc}$ effettiva totale (anteriore + posteriore) prima di applicare i fattori di sicurezza NEC 1.56.
- Attenzione al divario: Assicurarsi che la corrente nominale del fusibile sia sufficientemente alta da impedire lo scatto indesiderato, ma sufficientemente bassa da rispettare la corrente massima di fusibile in serie del modulo.
- gPV è obbligatorio: Verificare sempre che i fusibili soddisfino gli standard IEC 60269-6 per applicazioni fotovoltaiche; non sostituire mai con carichi standard.
- L'albedo è importante: Più chiara è la superficie del terreno (ad esempio, tetti bianchi, neve), maggiore è il guadagno di corrente: dimensionare di conseguenza l'OCPD.
- Attenzione al calore: La temperatura ambiente nelle scatole di giunzione riduce significativamente la capacità del fusibile; applicare fattori di riduzione per evitare guasti per fatica.
