Por que os Sistemas Solares de Montagem no Solo Exigem um Design Elétrico Superior
As instalações solares de montagem no solo apresentam um desafio elétrico único que separa as instalações amadoras dos sistemas de nível profissional: distância. Ao contrário dos painéis de telhado, onde o inversor fica a 6-9 metros de distância, os sistemas de montagem no solo geralmente exigem 30-90 metros de cabos CC do painel ao edifício. Essa distância introduz duas considerações de design críticas que podem fazer ou quebrar o desempenho do sistema: Queda de tensão e proteção contra sobrecorrente.
Cada metro de cabo entre o seu painel solar e o inversor atua como resistência, roubando watts da sua colheita de energia. Simultaneamente, cabos mais longos aumentam os riscos de corrente de falha, tornando o dimensionamento adequado não apenas um requisito do código, mas uma necessidade de prevenção de incêndios. Este guia fornece aos empreiteiros elétricos e instaladores solares os métodos de cálculo, as especificações em conformidade com o NEC e os fluxos de trabalho práticos necessários para projetar sistemas fotovoltaicos de montagem no solo seguros e eficientes. fusível Figura 1: Caixa de junção solar VIOX com classificação IP66 instalada em painel fotovoltaico de montagem no solo com proteção de fusível CC.
A Física da Perda de Potência
A queda de tensão não é teórica – é dinheiro saindo do seu sistema como calor. Quando a corrente CC flui através de condutores de cobre, a resistência do fio converte energia elétrica em energia térmica seguindo a Lei de Ohm. Para instalações de montagem no solo, isso importa porque:
Um cabo de 45 metros tem
- seis vezes a resistência de um cabo de telhado de 7,5 metros A queda de tensão aumenta com a corrente; dobrar o tamanho do painel pode quadruplicar as perdas se o fio não for aumentado
- Os sistemas CC não têm as vantagens de transformação de tensão da distribuição CA
- Normas de Queda de Tensão do NEC
Embora o Código Elétrico Nacional (NEC) não determine limites específicos de queda de tensão para segurança,
Nota Informativa nº 4 do NEC 210.19(A), recomenda manter a queda de tensão abaixo de 2% para circuitos CC . A indústria solar adotou isso como um padrão de projeto para circuitos de fonte fotovoltaica (painel para combinador) e circuitos de saída fotovoltaica (combinador para inversor).. Por que 2%? Porque a queda de tensão reduz diretamente a eficiência do Rastreamento do Ponto de Potência Máxima (MPPT). Se o seu inversor espera 400 V CC, mas recebe 392 V devido a perdas no cabo, o algoritmo MPPT tem dificuldades para manter o ponto de operação ideal, custando de 3 a 5% da produção anual de energia.
Fórmula de Cálculo da Queda de Tensão.
A fórmula padrão para queda de tensão CC é:
VD% = (2 × L × I × R) / V × 100
VD%
Onde:
- = Queda de tensão percentual = Comprimento do cabo de sentido único (metros)
- L = Corrente em amperes (normalmente string Imp ou corrente total do painel)
- I = Resistência do condutor por 300 metros a 75°C (do Capítulo 9 do NEC, Tabela 8)
- R = Tensão do sistema (Vmp para painel, Voc para conformidade com o código)
- V = Leva em conta os condutores positivo e negativo (distância de ida e volta)
- 2 Exemplo Prático:
Você tem um painel de montagem no solo de 10kW, a 36 metros do inversor, operando a 400V com corrente de 25A. Usando fio de cobre 10 AWG (R = 0,407 Ω por 300 metros a 75°C):
VD% = (2 × 36 × 25 × 0,407) / (400 × 300) × 100 =
✓ (Aceitável) 1.86% Se você usasse 12 AWG em vez disso (R = 0,650 Ω por 300 metros):
VD% = (2 × 36 × 25 × 0,650) / (400 × 300) × 100 =
✗ (Excede o limite de 2%) 2.97% Tabela de Referência de Queda de Tensão
Resistência (Ω/300m @ 75°C)
| Tamanho AWG | Distância Máxima para Queda de Tensão de 2% (25A @ 400V) | Distância Máxima para Queda de Tensão de 3% (25A @ 400V) | 99 metros |
|---|---|---|---|
| 6 AWG | 0.491 | 149 metros | 63 metros |
| 8 AWG | 0.778 | 94 metros | 39 metros |
| 10 AWG | 1.24 | 59 metros | 25 metros |
| 12 AWG | 1.98 | 37 metros | 16 metros |
| 14 AWG | 3.14 | 23 metros | A tabela assume condutores de cobre, tensão do sistema de 400V, corrente de 25A. Para parâmetros diferentes, use a fórmula acima. |
Figura 2: Esquema de cálculo da queda de tensão CC para instalação solar de montagem no solo mostrando um cabo de 45 metros do painel ao inversor.
O Problema da Dupla Restrição
Selecionar a bitola do fio para instalações fotovoltaicas de montagem no solo requer satisfazer
dois critérios independentes : O fio deve suportar a corrente máxima sem superaquecer (NEC 690.8):
- Ampacidade: O fio deve limitar as perdas resistivas a ≤2% para eficiência
- Queda de tensãoO erro que os instaladores cometem? Escolher o fio com base apenas nas tabelas de ampacidade e, em seguida, descobrir que a queda de tensão excede os limites aceitáveis após a instalação.
Passo 1: Calcular o Requisito Mínimo de Ampacidade.
Por
Per NEC 690.8(A)(1), os condutores do circuito de fonte fotovoltaica devem ser dimensionados em 125% da corrente de curto-circuito (Isc) do módulo antes de aplicar quaisquer fatores de correção:
Ampacidade Mínima = 1,25 × Isc
Para strings paralelas, multiplique pelo número de strings. Adicionalmente, NEC 690.8(B)(1) exige que os condutores do circuito de saída fotovoltaica (combinador para inversor) suportem 125% da corrente combinada.
Exemplo: Três strings paralelas, cada uma com Isc = 11A:
- Isc Combinada = 33A
- Ampacidade mínima do condutor = 33A × 1,25 = 41,25A
- Da Tabela 310.16 da NEC (coluna de 75°C), cobre 8 AWG = ampacidade de 50A ✓
Passo 2: Aplicar Fatores de Correção de Temperatura
Instalações montadas no solo expõem os condutores a temperaturas extremas. Se a temperatura ambiente exceder 30°C (86°F), você deve reduzir a ampacidade usando Tabela 310.15(B)(1) da NEC:
| Temperatura ambiente | Fator de Correção (isolamento de 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 |
Para o nosso exemplo de 41,25A em um ambiente de 50°C:
- Ampacidade necessária após a correção = 41,25A / 0,75 = 55A
- 8 AWG (50A) agora é insuficiente; deve atualizar para 6 AWG (65A) ✓
Passo 3: Verificar a Queda de Tensão
Usando nosso fio 6 AWG corrigido para uma extensão de 150 pés a 33A e 400V:
VD% = (2 × 150 × 33 × 0,491) / (400 × 1.000) × 100 = 1.21% ✓ (Excelente)
Matriz de Decisão de Dimensionamento de Cabos
| Corrente do Array | Distância | AWG Mínimo (Apenas Ampacidade) | AWG Recomendado (Limite de VD de 2%) | Compatibilidade com Terminais de Cabo VIOX |
|---|---|---|---|---|
| 15-20A | <100 pés | 12 AWG | 10 AWG | Série CL-10 |
| 20-30A | <150 pés | 10 AWG | 8 AWG | Série CL-8 |
| 30-45A | <200 pés | 8 AWG | 6 AWG | Série CL-6 |
| 45-65A | <250 pés | 6 AWG | 4 AWG | Série CL-4 |
| 65-85A | <300 pés | 4 AWG | 2 AWG | Série CL-2 |
Assume sistema de 400V, ambiente de 50°C, fio de cobre USE-2 ou PV. Sempre verifique com o cálculo da queda de tensão.
Seleção e Dimensionamento de Fusíveis para Sistemas Fotovoltaicos Montados no Solo
Por que os Fusíveis São Inegociáveis em Configurações de Strings Paralelas
Em instalações montadas no solo com múltiplas strings paralelas, fusíveis fornecem a proteção primária contra sobrecorrente contra três cenários de falha:
- Falhas de Linha a Linha: Curto-circuito entre condutores positivo e negativo
- Falhas à terra: Caminho não intencional para o aterramento
- Corrente Reversa: Quando uma string realimenta corrente em uma string sombreada ou danificada
NEC 690.9(A) declara: “Os sistemas fotovoltaicos solares devem ser protegidos contra sobrecorrente.” Os fusíveis servem como o elemento de sacrifício que abre o circuito antes que o isolamento do cabo derreta ou os módulos sofram falha catastrófica.
A Regra de Dimensionamento de 1,56× Isc Explicada
A pedra angular do dimensionamento de fusíveis fotovoltaicos é o multiplicador de 1,56 aplicado à corrente de curto-circuito do módulo. Isso vem de NEC 690.8(A)(1) que exige:
Classificação Mínima do Fusível ≥ 1,56 × Isc (por string)
De onde vem o 1,56?
- 1,25 = Fator de segurança para corrente contínua
- 1,25 = Fator adicional para condições de irradiância que excedem as Condições de Teste Padrão (STC)
- 1,25 × 1,25 = 1.5625 (arredondado para 1,56)
Exemplo De Cálculo:
A folha de dados do módulo mostra Isc = 11,5A
- Calcular a classificação mínima do fusível: 11,5A × 1,56 = 17,94A
- Selecione o próximo tamanho de fusível padrão: 20A (classificações padrão: 10A, 15A, 20A, 25A, 30A)
- Verifique em relação à classificação máxima do fusível em série do módulo (da folha de dados): Se listado como 25A, então 20A ✓
Verificação Crítica: O fusível selecionado também deve ser ≤ capacidade de condução do condutor. Se o seu fio 10 AWG for classificado como 30A, um fusível de 20A fornece proteção adequada para o fio ✓
Fusível de String vs. Fusível de Saída do Combinador
Os sistemas de montagem no solo normalmente exigem dois níveis de proteção contra sobrecorrente:
Fusíveis de Nível de String (Dentro da Caixa Combinadora):
- Propósito: Proteger os condutores de string individuais da corrente reversa
- Localização: Um fusível por condutor positivo de string
- Dimensionamento: 1,56 × Isc por string
- Exemplo: Para Isc = 11A, use Fusível DC classificado como gPV de 15A
Fusível de Saída do Combinador (Entre o Combinador e o Inversor):
- Propósito: Proteger o cabo alimentador DC principal
- Localização: Após o ponto de conexão paralela
- Dimensionamento por NEC 690.8(B)(1): 1,25 × (soma de todos os valores de Isc da string)
- Exemplo: 6 strings × 11A = 66A combinados; 66A × 1,25 = 82,5A → use Fusível de 90A ou 100A
Especificações do Porta-Fusível VIOX para Aplicações de Montagem no Solo
A VIOX fabrica porta-fusíveis DC classificados como gPV especificamente projetados para aplicações fotovoltaicas:
| Série do Produto | Tensão Nominal | Classificação atual | Classificação IP | Caraterísticas |
|---|---|---|---|---|
| VIOX FH-15DC | 1000V CC | 15-30A | IP66 | À prova de toque, indicador de falha LED |
| VIOX FH-30DC | 1000V CC | 30-60A | IP66 | Mecanismo de liberação rápida, polo duplo |
| VIOX FH-100DC | 1500V DC | 60-125A | IP66 | Barramento integrado, adequado para sistemas de 1500V |
Todos os porta-fusíveis VIOX atendem UL 248-14 (para fusíveis gPV) e IEC 60947-3 padrões, garantindo compatibilidade com os principais fabricantes de fusíveis (Mersen, Littelfuse, Bussmann).
Referência Rápida para Seleção de Fusíveis
| Isc do Módulo | Classificação Mínima do Fusível (1,56× Isc) | Tamanho padrão do fusível | Proteção Máxima do Condutor |
|---|---|---|---|
| 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) |
Sempre verifique a folha de dados do módulo “Classificação Máxima do Fusível em Série” antes da seleção final.
Fluxo de Trabalho de Projeto Prático: Lista de Verificação Passo a Passo
Siga esta abordagem sistemática para projetar sistemas elétricos fotovoltaicos de montagem no solo eficientes e em conformidade:
Fase 1: Coleta de dados
- Obtenha a folha de dados do módulo (Voc, Vmp, Isc, Imp, coeficientes de temperatura)
- Meça a distância física do conjunto ao ponto de entrada do inversor
- Determine a faixa de temperatura ambiente (use dados meteorológicos locais para o pior caso)
- Identifique a tensão do sistema (12V, 24V, 48V off-grid; 300-600V grid-tied)
- Conte o número total de strings em configuração paralela
Fase 2: Dimensionamento de Cabos
- Calcule a ampacidade mínima: 1,25 × Isc × número de strings paralelas
- Aplique o fator de redução de corrente por temperatura (Tabela NEC 310.15(B)(1))
- Selecione o tamanho AWG preliminar da Tabela NEC 310.16
- Calcule a queda de tensão usando a fórmula: VD = (2 × L × I × R) / V × 100
- Se VD > 2%, aumente a bitola do condutor e recalcule
- Verifique se o AWG final atende aos critérios de ampacidade E queda de tensão
Fase 3: Especificação do Fusível
- Dimensionamento do fusível de string: 1,56 × Isc por string → selecione o próximo tamanho padrão
- Verifique se o fusível ≤ ampacidade do condutor (por exemplo, fusível de 20A ≤ condutor de 30A)
- Verifique se o fusível ≤ classificação máxima de fusível em série do módulo (da folha de dados)
- Fusível de saída do combinador: 1,25 × (soma de todos os Isc da string) → selecione o próximo tamanho padrão
- Especifique fusíveis DC com classificação gPV com capacidade de interrupção ≥ corrente de falta disponível
Fase 4: Seleção de Componentes
- Selecione a caixa combinadora VIOX com classificação IP66 (tamanho com base na contagem de strings)
- Especifique porta-fusíveis VIOX (classificações de tensão e corrente)
- Selecione a chave seccionadora com classificação DC (deve suportar Voc do sistema)
- Especifique terminais de cabo compatíveis com o tamanho AWG (série VIOX CL)
- Inclua dispositivo de proteção contra surtos (DPS) se exigido pelo código local
Erros Comuns de Projeto a Evitar
| Erro | Consequência | Solução |
|---|---|---|
| Dimensionar o fio apenas pela ampacidade | Queda de tensão excessiva (>3%), ineficiência do MPPT | Sempre calcule VD; priorize os limites de VD em relação à ampacidade |
| Usar fusíveis com classificação AC em circuitos DC | O fusível não consegue interromper o arco DC; risco de incêndio | Especificar com classificação gPV fusíveis (listados na UL 248-14) |
| Ignorar a redução de corrente por temperatura | O fio superaquece no verão; violação do código | Aplique os fatores de correção da Tabela NEC 310.15(B)(1) |
| Misturar condutores de alumínio e cobre | Corrosão galvânica nas conexões | Use cobre em toda a extensão OU use composto antioxidante com alumínio |
| Superdimensionar fusíveis “para ser seguro” | O isolamento do fio derrete antes que o fusível queime | A classificação do fusível deve ser ≤ ampacidade do fio |
Referência Rápida dos Parâmetros de Projeto
| Parâmetro | Alcance típico | Referência de código | Linha de Produtos VIOX |
|---|---|---|---|
| Limite de Queda de Tensão | ≤2% (3% máximo) | NEC 210.19(A) Nota 4 | N/A |
| Fusível de String | 15-30A (residencial) | NEC 690.9 | FH-15DC, FH-30DC |
| Fusível do Combinador | 60-125A (residencial) | NEC 690.8(B) | FH-100DC |
| AWG do Cabo | 6-10 AWG (típico) | NEC 310.16 | Terminais CL-6, CL-8, CL-10 |
| Classificação da Caixa Combinadora | IP65 mínimo (IP66 recomendado) | NEC 690.31(E) | Séries CB-6, CB-12, CB-18 |
Perguntas Frequentes
P: Preciso de fusíveis se tiver apenas duas strings de painéis solares em paralelo?
R: De acordo com Exceção NEC 690.9(A), os fusíveis não são necessários quando apenas duas strings se conectam em paralelo, porque a corrente reversa máxima de uma string não pode exceder a ampacidade do condutor. No entanto, muitos instaladores profissionais adicionam fusíveis mesmo assim por três razões: (1) solução de problemas e isolamento mais fáceis, (2) capacidade de expansão futura sem refiação e (3) proteção adicional contra falhas de aterramento. A VIOX recomenda a fusão de todas as configurações paralelas em sistemas de montagem no solo devido a cabos mais longos e maior exposição à corrente de falha.
P: Posso usar fusíveis CA padrão no meu sistema solar CC?
A: Nunca use fusíveis com classificação CA em aplicações CC. A corrente CC mantém a polaridade constante, criando arcos elétricos sustentados que os fusíveis CA não podem interromper com segurança. Os sistemas fotovoltaicos exigem fusíveis com classificação gPV (listado na UL 248-14) projetado especificamente para aplicações fotovoltaicas CC. Esses fusíveis têm materiais especializados para extinção de arco e classificações de interrupção mais altas (normalmente 20kA-50kA a 1000V CC). Os porta-fusíveis VIOX são projetados exclusivamente para fusíveis gPV e atendem à categoria de utilização IEC 60947-3 DC-PV2.
P: Como calculo a queda de tensão se meu array tiver várias strings em distâncias diferentes?
R: Calcule a queda de tensão para o caminho de cabo mais longo em seu sistema - este se torna seu pior cenário. Para configurações complexas com caixas de combinação intermediárias, some as quedas de tensão de cada segmento: Array → Combinador Intermediário (VD1%) + Combinador Intermediário → Combinador Principal (VD2%) + Combinador Principal → Inversor (VD3%). O VD% total deve permanecer ≤2%. Se as strings variarem significativamente em distância, considere várias caixas de combinação mais próximas das seções do array em vez de um combinador centralizado.
P: Qual é a diferença entre a ampacidade do condutor e a classificação do fusível?
A: Ampacidade do condutor (da Tabela 310.16 do NEC) é a corrente contínua máxima que um fio pode transportar sem danificar o isolamento. Classificação do fusível é o nível de corrente no qual o fusível queimará dentro de um tempo especificado. Relação chave: A classificação do fusível deve ser ≤ ampacidade do condutor para proteger o fio. Exemplo: cobre 10 AWG = ampacidade de 30A. Você pode usar um fusível de 25A (protege o fio), mas nunca um fusível de 40A (o fio superaqueceria antes que o fusível queimasse).
P: Preciso aumentar o tamanho do meu fio terra quando aumento o tamanho dos condutores de condução de corrente?
R: Por NEC 250.122, os condutores de aterramento do equipamento (EGC) devem ser dimensionados de acordo com a classificação do dispositivo de proteção contra sobrecorrente, não o tamanho do condutor. No entanto, se você aumentar o tamanho dos condutores apenas por motivos de queda de tensão, NEC 250.122(B) requer aumento proporcional do EGC. Use o mesmo AWG para o fio terra que seus condutores de condução de corrente ou consulte a Tabela 250.122 do NEC. Para arrays de montagem no solo, a VIOX recomenda um mínimo de #6 AWG cobre desencapado para aterramento do equipamento, consistente com as melhores práticas da indústria para proteção contra raios.
P: Com que frequência devo substituir os fusíveis na minha caixa de combinação solar?
R: Fusíveis devidamente dimensionados devem nunca queimar sob condições normais de operação - eles só são ativados durante eventos de falha. Não substitua os fusíveis em um cronograma; em vez disso, realize inspeções anuais verificando: (1) corrosão nas tampas das extremidades do fusível, (2) descoloração indicando superaquecimento, (3) conexões soltas no porta-fusível. Se um fusível queimar, sempre investigue a causa raiz (módulo danificado, falha de aterramento, corrente reversa) antes da substituição. Os porta-fusíveis VIOX incluem indicadores de falha LED para identificar fusíveis queimados sem remoção.
P: Posso usar o mesmo cabo para um sistema de 400V e um sistema de 1000V?
R: Não. A classificação de tensão do cabo deve atender ou exceder o máximo do sistema tensão de circuito aberto (Voc). Padrão O fio PV é classificado como 600V ou 1000V, enquanto O cabo USE-2 é normalmente 600V. Para sistemas que se aproximam de 600V Voc, você deve usar um cabo com classificação de 1000V. Além disso, NEC 690.7 requer o cálculo da tensão máxima do circuito usando fatores corrigidos pela temperatura (a tensão aumenta em climas frios). Sempre verifique se a classificação de tensão do isolamento do cabo corresponde ou excede o Voc de clima frio do seu array. Os terminais de cabo VIOX especificam classificações de tensão compatíveis - use a série CL-HV para sistemas >600V.
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Projetar sistemas elétricos solares de montagem no solo exige precisão em três áreas: mitigação de queda de tensão, dimensionamento de condutores e proteção contra sobrecorrente. Os cálculos descritos neste guia representam a metodologia padrão da indústria alinhada com Artigo 690 do NEC requisitos.
A VIOX Electric fabrica o Balance of System (BoS) elétrico completo para instalações de montagem no solo: Caixas de combinação com classificação IP66, Porta-fusíveis CC gPV, Terminais de cabo de 1000V-1500Ve Chaves de desconexão classificadas para DC. Nossa equipe de engenharia fornece suporte técnico para configurações de array complexas e todos os produtos atendem aos padrões internacionais UL/IEC.
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