Scatola di giunzione solare fai-da-te: perché la maggior parte dei design fatti in casa sono pericoli di incendio (e ciò di cui hai realmente bisogno)

L'arco che non muore: perché la CC distrugge le apparecchiature CA

Nel momento in cui si apre un interruttore CA sotto carico, si forma un arco elettrico tra i contatti che si separano. È plasma: gas ionizzato che trasporta migliaia di ampère attraverso quello che prima era aria, generando temperature che raggiungono i 19.400°C, che per riferimento sono quattro volte più calde della superficie del sole.

Ma ecco la cosa degli archi CA: muoiono da soli.

Sessanta volte al secondo, la corrente CA standard attraversa lo zero volt mentre la corrente alterna direzione. In quel preciso momento, che dura solo millisecondi, l'arco perde la sua fonte di energia e si spegne. I contatti continuano ad allontanarsi. Il circuito si apre. Fatto.

La CC non lo fa.

Quando si interrompono 93,4 volt CC, quell'arco si accende e rimane acceso finché i contatti sono abbastanza vicini da sostenerlo. Non c'è attraversamento dello zero. Nessuna interruzione naturale. Solo corrente continua e implacabile che cerca di colmare quel divario con un fiume di plasma che fonde il metallo, infiamma l'isolamento e continua a bruciare finché i contatti non si sono fisicamente separati abbastanza, in genere 3-4 volte più lontano di quanto le apparecchiature CA siano progettate.

Questo è “L'arco che non muore” ed è per questo che ogni componente all'interno di una vera scatola di giunzione con classificazione CC sembra diverso dalle apparecchiature CA. La distanza tra i contatti è maggiore. I condotti di scarico dell'arco (quelle piastre metalliche a zigzag che allungano e raffreddano l'arco) sono più lunghi. Alcuni interruttori CC utilizzano persino bobine magnetiche per spegnere fisicamente l'arco, come spegnere una candela.

Il tuo sottopanello CA da $60 non ha nulla di tutto ciò.

I suoi interruttori sono progettati presupponendo che l'arco si spenga naturalmente entro 8 millisecondi. Metti 93 volt CC attraverso di essi e tale presupposto diventa una responsabilità. I contatti cercano di aprirsi, l'arco si forma e, invece di morire all'attraversamento dello zero, semplicemente... continua. I condotti di scarico dell'arco dell'interruttore non sono abbastanza lunghi. La separazione dei contatti non è abbastanza ampia. I materiali non sono adatti per l'arco CC prolungato.

Alla fine, si verifica una di queste due cose: i contatti si saldano insieme (chiudendo permanentemente il circuito anche quando si pensa che sia “spento”) oppure i componenti interni dell'interruttore si fondono e si guastano catastroficamente. Nessuno dei due risultati prevede che il tuo sistema solare si spenga in sicurezza quando ne hai bisogno.

La confusione dei 48 V: la tensione della batteria ≠ la tensione della stringa

È qui che la maggior parte dei piani di scatole di giunzione solari fai-da-te vanno male.

Vedi “sistema a 48 V” nei tuoi documenti di pianificazione. Trovi un sottopanello CA con una potenza nominale di “48 volt”. Abbinamento perfetto, giusto?

Sbagliato su tre punti.

Primo: Quella potenza nominale della batteria da 48 V è la nominale tensione: il punto di funzionamento medio. La tua batteria da 48 V funziona effettivamente tra 40 V (scarica) e 58 V (in carica). Non è rilevante per il dimensionamento della scatola di giunzione, ma è importante sapere che i numeri si spostano.

Secondo: Alle tue stringhe solari non importa a quale tensione funzionano le tue batterie. Ogni pannello REC da 350 W ha una tensione a circuito aperto (Voc) di 46,7 V. Due pannelli in serie? Sono 93,4 volt, quasi il doppio della tensione della batteria, ed è questo il numero che la tua scatola di giunzione fai-da-te deve gestire. Non stai combinando 48 V; stai combinando cinque stringhe separate da 93,4 V in un unico circuito di uscita CC.

Terzo, e questo è la trappola della tensione nominale: Quando un pannello con classificazione CA dice “48 volt”, significa 48 volt AC. Se ha una classificazione CC (la maggior parte non ce l'ha), è sepolta nelle note a piè di pagina ed è notevolmente inferiore. Un interruttore automatico con una potenza nominale di 240 V CA potrebbe essere sicuro solo fino a 48 V CC. Un pannello con una potenza nominale di 480 V CA? Forse 60-80 V CC se sei fortunato.

Perché l'enorme differenza? Torniamo a L'arco che non muore. Le tensioni nominali CA presuppongono che l'arco si spenga naturalmente. Le tensioni nominali CC presuppongono che l'arco reagisca e cerchi di sostenersi attraverso spazi più ampi. Maggiore è la tensione CC, maggiore è lo spazio che può saltare e più robusto deve essere il meccanismo di interruzione.

Quindi quel pannello Square D “con una potenza nominale di 48 V”? Anche se si tratta di una classificazione CC (controlla la scheda tecnica, aspetterò), stai cercando di spingere 93,4 V attraverso di esso. Stai operando al 195% della sua tensione di progetto. Non è un margine di sicurezza; è un conto alla rovescia.

Cosa ti offre effettivamente $240: all'interno della certificazione UL 1741

“È solo un adesivo UL”, potresti pensare. “Posso saltarlo per una configurazione fai-da-te.”

Ma UL 1741, lo standard per le scatole di giunzione solari e le apparecchiature di interconnessione, non sta controllando se la tua scatola ha angoli arrotondati e una bella verniciatura. Sta testando se la tua apparecchiatura sopravvive alle esatte modalità di guasto che si verificano nei sistemi fotovoltaici reali.

Ecco cosa deve superare una scatola di giunzione per ottenere la certificazione UL 1741:

Test di guasto dell'arco CC: Gli interruttori automatici possono interrompere un arco alla piena tensione della stringa con la corrente massima? Lo testano centinaia di volte. Gli interruttori automatici del tuo pannello CA? Mai testati per l'arco CC. Zero volte.

Test di corrente di cortocircuito: Cosa succede quando due stringhe si cortocircuitano accidentalmente, scaricando 90 ampère attraverso una barra collettrice con una potenza nominale di 20? Il test espone ogni punto di connessione a correnti di guasto 10-20 volte superiori alla corrente di funzionamento normale. Tutto ciò che si fonderà, si fonde in laboratorio invece che sul tuo tetto.

Cicli di temperatura: Le scatole di giunzione sul tetto oscillano da notti invernali a -40°C a giornate estive a 60°C sotto la luce diretta del sole. UL sottopone l'apparecchiatura a questi estremi mentre è completamente carica. Le connessioni che si allenterebbero dopo tre anni di espansione termica? Falliscono nella camera di prova.

Protezione dell'ambiente: Quella classificazione NEMA 3R non è decorativa. Significa che la scatola sopravvive alla pioggia orizzontale, non accumula ghiaccio che blocca la ventilazione e mantiene la polvere lontana dalle barre collettrice anche quando è montata in un ambiente industriale polveroso. Il tuo sottopanello da garage è NEMA 1, progettato per un uso interno pulito e piacevole a temperatura ambiente.

Il costo reale di quell'aggiornamento di $240 non sono i materiali. Un interruttore automatico con classificazione CC costa forse $30 invece di $12 per un interruttore automatico CA. L'involucro metallico costa altri $50. Il resto? Sono le ore di progettazione dedicate a garantire che questi componenti funzionino insieme in modo affidabile nelle condizioni peggiori e i test per dimostrarlo.

Quando salti UL 1741, non ti perdi solo un adesivo. Ti perdi 10.000 ore di test distruttivi che hanno identificato ogni singola modalità di guasto che la tua scatola montata sul tetto dovrà affrontare nei prossimi 20 anni. Stai testando tu stesso queste modalità di guasto.

In tempo reale.

Sul tuo tetto.

4 Requisiti non negoziabili per una scatola di giunzione solare fai-da-te sicura

Sia chiaro: costruire la propria scatola di giunzione solare è tecnicamente possibile. Ma vale la pena farlo solo se soddisfi ognuno di questi requisiti. Se ne salti anche solo uno, faresti meglio ad acquistare la scatola prefabbricata.

Requisito 1: Componenti con classificazione CC con tensioni nominali adeguate

La tua lista della spesa per una scatola di giunzione solare fai-da-te inizia qui: ogni interruttore automatico, fusibile, barra collettrice, morsettiera, e il sezionatore all'interno di quella scatola devono essere esplicitamente classificati per la tensione CC e per almeno 600 volt CC.

Non 600 V CA. Non “adatto per il solare”. Non “probabilmente va bene”. La scheda tecnica deve indicare: “600 V CC” in testo semplice.

Perché 600 V quando le tue stringhe sono solo 93,4 V? Due motivi. Innanzitutto, l'articolo 690.7 del NEC richiede calcoli di tensione basati sulla più fredda temperatura prevista nella tua posizione. I pannelli solari producono una tensione più alta quando sono freddi, fino al 10-15% in più rispetto alla Voc della targa dati a seconda della tua zona climatica. I tuoi pannelli da 46,7 V potrebbero raggiungere i 53 V ciascuno in una mattinata di gennaio. Due in serie? 106 volt per stringa.

In secondo luogo, hai bisogno di un margine di sicurezza per i picchi di tensione transitori durante gli effetti del bordo della nuvola (quando l'intensità della luce solare cambia rapidamente) e per il degrado delle apparecchiature nel tempo. Standard industriale: se la tensione massima del tuo sistema è inferiore a 150 V CC, utilizza componenti con classificazione 600 V CC. Non è eccessivo; è il minimo per una durata di servizio di 25 anni.

Dove reperire componenti con classificazione CC:

• Interruttori automatici CC: Produttori come ABB, Eaton, Mersen e Littelfuse producono interruttori automatici scatolati con classificazione CC (MCCB). Aspettati di pagare $35-60 per interruttore automatico rispetto a $12-18 per interruttori automatici CA equivalenti. Controlla la classificazione CC “supplemento UL 489” o il marchio “IEC 60947-2 DC”.
• Fusibili: Ferraz Shawmut, Mersen e Littelfuse offrono fusibili con classificazione fotovoltaica con tensioni nominali da 600 V CC a 1000 V CC. Utilizza fusibili da 15 A per pannelli standard da 350 W (calcolati come Isc × 1,56 secondo NEC 690.8). Costo: $8-15 per fusibile più $25-40 per portafusibile.
• Barre collettrice: Rame o alluminio con una potenza nominale di 90°C minimo. Molte barre collettrice con classificazione CA funzionano bene, ma verifica che la specifica del materiale gestisca la densità di corrente CC (1,5-2,0 A/mm² per il rame).

Pro-Tip #1: Quel marchio “48 V” sulle apparecchiature CA? Si riferisce alla tensione della batteria, non alla tensione della stringa del pannello. Il tuo sistema di batterie da 48 V ha stringhe da 93,4 V che necessitano di apparecchiature CC adeguate con classificazione 600 V CC.

Requisito #2: UL 1741-Involucro elencato o protezione equivalente

La scatola metallica stessa conta più di quanto si pensi quando si costruisce una scatola di combinazione solare fai-da-te.

Per l'installazione sul tetto, è necessario almeno un NEMA 3R involucro (a tenuta di pioggia) o IP54 (protetto da polvere e spruzzi). I pannelli NEMA 1 per interni non sono adatti. L'involucro deve:

Gestire il ciclo termico: Le temperature del tetto oscillano quotidianamente di 80-100°F. L'involucro necessita di guarnizioni che mantengano la loro tenuta, fori che non si rompano a causa dell'espansione/contrazione e vernice che non si sfaldi e contamini i collegamenti elettrici.

Fornire un'adeguata ventilazione: Gli interruttori CC generano calore quando trasportano corrente. Senza un'adeguata ventilazione, le temperature interne possono superare i valori nominali dei componenti anche quando la temperatura ambiente è accettabile. Cercare involucri con ventilazione calcolata per almeno il 30% in più di carico termico rispetto alla corrente massima della stringa.

Includere adeguate predisposizioni di messa a terra: L'involucro necessita di barre di messa a terra dedicate con capicorda meccanici (non clip a molla) nominali per rame AWG 6 minimo. Ogni superficie metallica all'interno della scatola deve essere collegata a terra. Questo non è opzionale: NEC 690.43 lo richiede.

Controllo di realtà dei costi: Un involucro NEMA 3R adeguato dimensionato per 5-6 stringhe (circa 12″ × 16″ × 6″) costa $80-150. Un involucro resistente alle intemperie per esterni con i fori, le barre di distribuzione e l'hardware di montaggio giusti? $120-200. Questo è il 50-60% del costo totale della scatola di combinazione fai-da-te.

Se stai pensando “Userò semplicemente il pannello CA e aggiungerò una copertura resistente alle intemperie”, fermati. Quelle coperture sono progettate per proteggere gli interruttori dalla pioggia durante l'uso momentaneo, non per fornire una protezione NEMA 3R continua per le apparecchiature che vivono all'aperto 24 ore su 24, 7 giorni su 7 per 25 anni.

Requisito #3: Protezione da guasto d'arco (conformità NEC 690.11)

Ecco dove la maggior parte delle costruzioni di scatole di combinazione solare fai-da-te fallisce l'ispezione del codice.

NEC 690.11 impone interruttori di circuito per guasto d'arco (AFCI) per qualsiasi sistema fotovoltaico con circuiti CC che operano a 80 volt o superiore. Le tue stringhe da 93,4 V? Sei oltre la soglia del 17%. L'AFCI non è negoziabile.

Cosa fa effettivamente l'AFCI: Monitora la firma elettrica della corrente che scorre attraverso i circuiti CC e rileva lo specifico schema di rumore di un guasto d'arco: il segnale caotico ad alta frequenza che appare quando la corrente salta attraverso un gap. Quando viene rilevato, interrompe immediatamente il circuito prima che l'arco possa incendiare i materiali vicini.

Ricordi L'arco che non muore? L'AFCI è specificamente progettato per ucciderlo.

Le tue due opzioni:

Opzione 1 – Inverter con AFCI integrato: La maggior parte degli inverter di stringa moderni (SMA, SolarEdge, Fronius, ecc.) hanno il rilevamento di guasto d'arco integrato secondo UL 1741. Se il tuo inverter ha questo, non hai bisogno di AFCI separato nella tua scatola di combinazione fai-da-te. Verificalo controllando la scheda tecnica del tuo inverter per “UL 1741 AFCI compliant” o “NEC 690.11 arc fault protection”.”

Opzione 2 – Dispositivo AFCI autonomo: Se il tuo inverter non include AFCI, hai bisogno di un rilevatore di guasto d'arco elencato installato nella tua scatola di combinazione o entro 6 piedi da essa. Questi costano $200-400 e richiedono cablaggi aggiuntivi. I marchi includono Sensata, Eaton e Mersen. Questo da solo potrebbe rendere la tua scatola di combinazione fai-da-te più costosa dell'acquisto di una prefabbricata.

Excepción: Se il tuo cablaggio CC corre in condotti metallici o cavi rivestiti in metallo e non esce mai da quella canalina metallica tra i pannelli e l'inverter, puoi saltare l'AFCI. Ma realisticamente? Le installazioni sul tetto utilizzano cavi fotovoltaici esposti con connettori MC4, il che significa che l'AFCI è richiesto.

Pro-Tip #2: Gli archi CC non muoiono quando si spegne l'interruttore: continuano a bruciare a 35.000°F fino a quando non vengono fisicamente soppressi. L'AFCI è il modo in cui li sopprimi prima che inizino incendi.

Requisito #4: Etichettatura e documentazione adeguate (NEC 690.7, 690.15)

Gli ispettori del codice contrassegneranno la tua installazione di scatola di combinazione solare fai-da-te per etichette mancanti più velocemente che per scelte di componenti discutibili.

Etichette richieste sulla tua scatola di combinazione fai-da-te:

1. Etichetta di tensione CC massima (NEC 690.7):

TENSIONE CC MASSIMA: 106V

Questa etichetta deve essere posizionata all'esterno della scatola di combinazione e visibile senza aprire l'involucro.

2. Identificazione del combinatore CC (NEC 690.15):

AVVERTENZA:

3. Identificazione del conduttore (NEC 690.31):
Ogni stringa in entrata deve essere etichettata con la sua posizione di origine:

• “STRINGA 1 – ARRAY NORD”
• “STRINGA 2 – ARRAY NORD”
• “STRINGA 3 – ARRAY SUD”
• ecc.

4. Etichetta del conduttore di messa a terra (se applicabile):
Se il tuo conduttore di messa a terra termina nella scatola di combinazione, etichettalo secondo NEC 690.47.

Utilizzare materiale per etichette per esterni (etichette in poliestere 3M o Brady con inchiostro resistente ai raggi UV). Le etichette di carta stampata in custodie resistenti alle intemperie non supereranno l'ispezione: si degradano troppo rapidamente.

Documentazione necessaria:

• Schema unifilare che mostra la configurazione e le tensioni della stringa
• Schede tecniche dei componenti che dimostrano i valori nominali CC
• Calcolo che mostra la tensione massima NEC 690.7
• Calcoli di corrente NEC 690.8

Conservare le copie all'interno della scatola di combinazione in una custodia per documenti resistente alle intemperie. Gli ispettori potrebbero richiederli.

La vera matematica: scatola di combinazione da $300 contro l'alternativa

Parliamo di soldi. Soldi veri.

La tua lista di parti conforme per la scatola di combinazione solare fai-da-te:

• Involucro NEMA 3R con supporti per interruttori: $120
• Cinque interruttori da 15 A con valore nominale CC a $45 ciascuno: $225
• Barre di distribuzione e terminali con valore nominale CC: $60
• Hardware, etichette, filo, connettori: $40
• Totale: $445

Aspetta. La scatola di combinazione prefabbricata elencata UL 1741 costa $320. Il tuo “risparmio fai-da-te”? Stai perdendo $125 più 6-8 ore di assemblaggio e cablaggio.

Ma questo presuppone che tu non abbia bisogno di AFCI separato. Aggiungi quel dispositivo da $300? Ora sei a $745 contro $320 per la scatola prefabbricata che include AFCI integrato.

La matematica non funziona per la maggior parte dei progetti di scatole di combinazione solare fai-da-te. A meno che tu non stia costruendo per 10+ stringhe dove le scatole prefabbricate diventano costose (oltre $800), o hai bisogno di una configurazione personalizzata che non è disponibile pronta all'uso, le scatole di combinazione fai-da-te sono spesso più più costoso che acquistare apparecchiature correttamente certificate.

Ecco i calcoli che contano davvero:

Costo di un incendio elettrico: da 50.000 € a 250.000 € di danni strutturali, a seconda di quando arrivano i vigili del fuoco.

Il costo del premio di assicurazione del proprietario di abitazione in aumento dopo un fuoco elettrico: 20-40% di aumento per 3-5 anni = $1,200-$3.000 a un costo aggiuntivo.

Costo del rifiuto di una richiesta di risarcimento assicurativo perché hai utilizzato apparecchiature non certificate: 100% dei danni = qualunque sia il costo dell'incendio.

Costo dei problemi di permessi quando cerchi di vendere la tua casa: ritardi, nuove ispezioni, potenziali costi dell'appaltatore per la messa a norma = 2.000 € - 8.000 €.

Quella differenza di prezzo di 240 €? Non si tratta di acquistare un'etichetta di lusso. Si tratta di acquistare la tranquillità che ogni singolo componente sia stato testato a fondo per le esatte modalità di guasto che si verificano sui tetti. Si tratta di acquistare apparecchiature conformi alle assicurazioni che non annulleranno la tua polizza. Si tratta di acquistare hardware approvato dall'ispettore che non ritarderà il tuo permesso di tre mesi.

Pro-Tip #3: La vera abilità del fai-da-te non è capire come costruire tutto da soli, ma sapere quali angoli puoi tagliare e quali ti tagliano. Le scatole di giunzione tagliano.

Quando il fai-da-te ha davvero senso

Non confondere questo articolo con “non costruire mai niente da solo”. Le installazioni solari offrono molte opportunità legittime di fai-da-te:

Progetti fai-da-te intelligenti:

• Sistemi di montaggio: Puoi assolutamente progettare e installare il tuo sistema di montaggio dei pannelli. È meccanico, è verificabile e non c'è nessun Arco che non muore che cerca di ucciderti se sbagli qualcosa.
• Passaggi dei condotti: Stai facendo passare un condotto EMT o PVC dalla tua scatola di giunzione all'inverter? Ottimo progetto fai-da-te. Segui semplicemente i calcoli di riempimento dei condotti NEC.
• Monitoraggio del sistema: Aggiungere il monitoraggio delle prestazioni, la registrazione dei dati, persino le integrazioni IoT per tracciare il tuo sistema? Scatenati. Nel peggiore dei casi, perdi alcuni dati.

Progetti fai-da-te sconsiderati:

• Scatole di giunzione (come abbiamo discusso)
• Sezionatori CC tra la scatola di giunzione e l'inverter (stessi problemi: interruzione dell'arco CC, valori di tensione)
• Installazione dell'inverter (connessioni elettriche complesse, punti di integrazione AC/DC)
• Interconnessioni del quadro elettrico (richiede un elettricista autorizzato nella maggior parte delle giurisdizioni)

Lo schema? Se trasporta CC ad alta tensione o si collega al tuo servizio elettrico principale, assumi professionisti o acquista apparecchiature certificate. Se è strutturale, meccanico o monitoraggio a bassa tensione, fai da te.

La conclusione: costruisci in modo intelligente, non solo economico

Se sei arrivato fin qui, sei già avanti al 90% degli installatori solari fai-da-te. Stai ponendo le domande giuste.

Ecco cosa hai imparato:

L'arco che non muore: Gli archi CC non si autoestinguono come gli archi CA. Bruciano a 19.400°C fino a quando non vengono soppressi fisicamente. Le apparecchiature CA non sono progettate per questo.

La confusione dei 48 V: La tensione della tua batteria non è la tensione della tua stringa. Quel sistema a 48 V ha stringhe da 93,4 V che necessitano di apparecchiature con una tensione nominale di 600 V CC, non di pannelli CA riadattati.

La trappola della tensione nominale: Le tensioni nominali CA non si traducono in CC. Un interruttore da 240 V CA potrebbe essere sicuro solo fino a 48 V CC. Le tue stringhe da 93,4 V superano la capacità CC della maggior parte delle apparecchiature CA.

Il costo della conformità: Costruire una scatola di giunzione solare fai-da-te conforme al codice costa 445 € - 745 €. Acquistare una scatola prefabbricata certificata UL 1741? 320 €. I calcoli non supportano il fai-da-te a meno che tu non abbia bisogno di configurazioni personalizzate.

Puoi tecnicamente costruire la tua scatola di giunzione? Sì. Con i componenti giusti, involucri adeguati, protezione AFCI e un'etichettatura corretta, è possibile.

Dovresti? Probabilmente no. Il risparmio sui costi svanisce una volta che hai valutato i componenti con tensione nominale CC e l'AFCI. L'investimento di tempo (8-10 ore per la prima costruzione, 4-6 per quelle successive) raramente giustifica il risparmio marginale. E la responsabilità se qualcosa va storto - quel rifiuto di richiesta di risarcimento assicurativo, quel rifiuto di permesso, quel cartellino rosso dell'ispettore - annulla qualsiasi beneficio finanziario.

La vera mossa fai-da-te? Sapere quando costruire e quando acquistare.

Risparmia la tua energia fai-da-te per i sistemi di montaggio, i sistemi di monitoraggio, i passaggi dei condotti, le parti delle installazioni solari in cui il tuo sforzo moltiplica effettivamente i tuoi soldi invece di aumentare semplicemente il tuo rischio.

E quel pannello Square D da 60 € nel tuo garage? Usalo dove appartiene: su un circuito CA, dove l'attraversamento dello zero fa il lavoro pesante e gli archi muoiono da soli come dovrebbero.

Perché nel fotovoltaico solare, l'errore più costoso non è quello che ti costa 300 € in anticipo. È quello che ti fa risparmiare 240 € oggi e ti costa 50.000 € tra sei mesi quando l'Arco che non muore trova qualcosa di infiammabile.