การเกิดขึ้นของเทคโนโลยีโฟโตโวลตาอิก (PV) แบบสองหน้า ได้ปฏิวัติอุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์ โดยนำเสนอการเพิ่มผลผลิตพลังงานสูงถึง 30% โดยการดักจับแสงสะท้อนที่ด้านหลังของแผง อย่างไรก็ตาม พลังงาน “โบนัส” นี้มาพร้อมกับความท้าทายทางวิศวกรรมที่สำคัญ: กระแสไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น. สำหรับวิศวกรไฟฟ้าและผู้ออกแบบระบบ ลักษณะที่เปลี่ยนแปลงได้ของแสงอาทิตย์ที่ด้านหลัง หมายความว่ากฎเกณฑ์การกำหนดขนาดอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกินแบบมาตรฐานมักจะไม่ได้ผล.
หากคุณกำหนดขนาดฟิวส์โดยพิจารณาจากพิกัด Standard Test Conditions (STC) ที่ด้านหน้าเพียงอย่างเดียว คุณจะเสี่ยงต่อการทริปที่ไม่พึงประสงค์ ความล้าของอุปกรณ์ และอันตรายจากไฟไหม้ที่อาจเกิดขึ้นระหว่างเหตุการณ์ albedo สูงสุด ในฐานะผู้ผลิตอุปกรณ์ป้องกันทางไฟฟ้ารายใหญ่ VIOX Electric เข้าใจดีว่าการกำหนดขนาดฟิวส์ที่เหมาะสมสำหรับอาร์เรย์แบบสองหน้าต้องอาศัยความเข้าใจอย่างละเอียดถี่ถ้วนเกี่ยวกับ National Electrical Code (NEC) และฟิสิกส์ของแสงอาทิตย์ที่สะท้อน.
ฟิสิกส์ของการเพิ่มกระแสไฟฟ้าแบบสองหน้า
แตกต่างจากแผงโมโนเฟเชียลแบบดั้งเดิม แผงแบบสองหน้ามีแผ่นรองด้านหลังแบบโปร่งใสหรือการออกแบบกระจกสองชั้นที่ช่วยให้แสงส่องถึงเซลล์แสงอาทิตย์จากด้านหลัง ด้านหลังมีส่วนช่วยในการผลิตพลังงานทั้งหมด แต่ที่สำคัญกว่านั้นสำหรับการป้องกันวงจร คือมีส่วนช่วยโดยตรงต่อกระแสไฟฟ้าลัดวงจร (I_{sc}).
ปริมาณกระแสไฟฟ้าพิเศษที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับ albedo (การสะท้อนแสง) ของพื้นผิวใต้แผงและการติดตั้ง แผงที่อยู่เหนือหลังคาเชิงพาณิชย์สีขาว (albedo สูง) จะสร้างกระแสไฟฟ้ามากกว่าแผงที่อยู่เหนือยางมะตอยหรือหญ้าอย่างมาก.
สัมประสิทธิ์ Bifaciality และปัจจัยขยาย
เพื่อกำหนดขนาดการป้องกันอย่างถูกต้อง เราต้องวัดปริมาณการขยายนี้.
- สัมประสิทธิ์ Bifaciality: อัตราส่วนของประสิทธิภาพด้านหลังต่อประสิทธิภาพด้านหน้า (โดยทั่วไปคือ 70-80% สำหรับเซลล์ PERC หรือ TOPCon สมัยใหม่).
- ปัจจัยขยาย Bifacial (BGF): เปอร์เซ็นต์การเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจริงระหว่างการทำงาน ในขณะที่ผู้ผลิตอาจแสดงรายการการขยาย “อ้างอิง” BGF ในโลกแห่งความเป็นจริงโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 10% ถึง 15%, โดยมีจุดสูงสุดถึง 25-30% ในสภาวะที่เหมาะสม (เช่น หิมะหรือเมมเบรนสีขาว).
วิศวกรไม่สามารถละเลยกระแสไฟฟ้าพิเศษนี้ได้ ฟิวส์ต้องสามารถรองรับ กระแสไฟฟ้ารวมทั้งหมด I_{sc} โดยไม่เสื่อมสภาพ ในขณะที่ยังคงปกป้องสายไฟและโมดูลจากความผิดพลาด.
NEC 690.8 และกฎ 1.56: ปรับให้เข้ากับ Bifacial
National Electrical Code (NEC) เป็นกรอบสำหรับการกำหนดขนาดวงจร PV แต่โมดูลแบบสองหน้าเพิ่มความซับซ้อนให้กับ Article 690.8.
การกำหนดขนาดมาตรฐานเป็นไปตาม “กฎ 1.56”:
I_{fuse} \ge I_{sc} \times 1.25 \text{ (ปัจจัยการแผ่รังสี)} \times 1.25 \text{ (ปัจจัยการทำงานต่อเนื่อง)}
สำหรับคำแนะนำโดยละเอียดเกี่ยวกับการกำหนดขนาดมาตรฐาน โปรดดูที่ คู่มือการกำหนดขนาดตัวตัดการเชื่อมต่อฟิวส์ PV (กฎ NEC 1.56).
อย่างไรก็ตาม สำหรับโมดูลแบบสองหน้า, I_{sc} ไม่ใช่ตัวเลขคงที่. NEC 690.8(A)(2) อนุญาตให้คำนวณโดยอิงจาก “ค่าเฉลี่ยกระแสไฟฟ้าสูงสุด 3 ชั่วโมง” แต่แนวทางปฏิบัติทางวิศวกรรมที่พบบ่อยและปลอดภัยกว่าคือการปรับ I_{sc} ฐานก่อนที่จะใช้ปัจจัยด้านความปลอดภัย.
สูตรที่ปรับแล้ว
เพื่อให้มั่นใจถึงการปฏิบัติตามข้อกำหนดและความปลอดภัย ให้ใช้ I_{sc} ที่ปรับแล้ว:
I_{sc, adjusted} = I_{sc, front} \times (1 + \text{Bifacial Gain})
จากนั้นใช้ปัจจัยการป้องกันมาตรฐาน:
\text{อัตราฟิวส์ขั้นต่ำ} = I_{sc, adjusted} \times 1.56
ตารางที่ 1: การเปรียบเทียบการคำนวณกระแสไฟฟ้าแบบ Bifacial กับ Monofacial
| พารามิเตอร์ | โมดูล Monofacial | โมดูล Bifacial (ขยาย 15%) |
|---|---|---|
| พิกัด I_{sc} (ด้านหน้า) | 13.0 A | 13.0 A |
| การขยายด้านหลัง | 0 A | +1.95 A (13.0 × 0.15) |
| I_{sc} ที่มีประสิทธิภาพ | 13.0 A | 14.95 A |
| ตัวคูณ NEC | 1.56 | 1.56 |
| ฟิวส์ขั้นต่ำที่คำนวณได้ | 20.28 A | 23.32 A |
| ขนาดฟิวส์มาตรฐาน | 20A หรือ 25A | 25A หรือ 30A |
สังเกตว่าการขยายแบบสองหน้าผลักดันข้อกำหนดไปยังขนาดฟิวส์มาตรฐานถัดไปอย่างไร.
ข้อกำหนด IEC 60269-6 และ gPV Fuse
ในขณะที่การคำนวณขนาดมีความสำคัญ พิมพ์ ชนิดของฟิวส์ที่เลือกมีความสำคัญเท่าเทียมกัน สำหรับการใช้งานโฟโตโวลตาอิก คุณต้องใช้ฟิวส์ที่มี gPV ลักษณะเฉพาะตาม IEC 60269-6.
แตกต่างจากฟิวส์ AC มาตรฐานหรือฟิวส์ DC ทั่วไป ฟิวส์ gPV ได้รับการออกแบบมาเพื่อขัดขวางกระแสเกินต่ำ (โดยทั่วไปคือ 1.35x ถึง 2x ของกระแสที่กำหนด) ซึ่งพบได้บ่อยในสตริง PV ระหว่างเหตุการณ์การแรเงาหรือไม่ตรงกัน.
ทำไม gPV ถึงมีความสำคัญสำหรับ Bifacial
โมดูลแบบสองหน้าสามารถรักษากระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าพิกัดเล็กน้อยได้เป็นเวลานานในช่วงวันที่ albedo สูง ฟิวส์ที่ไม่ใช่ gPV อาจล้าภายใต้ภาระทางความร้อนต่อเนื่องนี้ ซึ่งนำไปสู่ความล้มเหลวก่อนเวลาอันควร นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้า DC สูง (1000V หรือ 1500V) ต้องใช้ความสามารถในการดับอาร์คเฉพาะที่พบในฟิวส์ gPV เซรามิก.
สำหรับการเปรียบเทียบวัสดุฟิวส์ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น โปรดอ่านบทความของเราเกี่ยวกับ คู่มือความปลอดภัยฟิวส์แก้วเทียบกับฟิวส์เซรามิก.
วิธีการคำนวณที่ครอบคลุม
ในการกำหนดขนาดฟิวส์สำหรับระบบแบบสองหน้า ให้ทำตามขั้นตอนทางวิศวกรรมทีละขั้นตอน.
ขั้นตอนที่ 1: กำหนดค่าอ้างอิง $I_{sc}$
ศึกษาจากเอกสารข้อมูลของโมดูล มองหา “Bifacial Nameplate Irradiance” หรือตารางข้อมูลเฉพาะที่แสดง $I_{sc}$ ที่ระดับอัตราขยายที่แตกต่างกัน (เช่น 10%, 20%, 30%) หากไม่มีข้อมูลนี้ วิศวกรที่ระมัดระวังโดยทั่วไปจะถือว่า อัตราขยาย 20-25% สำหรับการคำนวณเพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัย เว้นแต่การสร้างแบบจำลอง albedo เฉพาะไซต์จะพิสูจน์เป็นอย่างอื่น.
ขั้นตอนที่ 2: ใช้ปัจจัย NEC 690.8
คำนวณพิกัดอุปกรณ์ป้องกันกระแสเกิน (OCPD) ขั้นต่ำ.
$$I_{OCPD} = I_{sc, bifacial} \times 1.25 \times 1.25$$
ขั้นตอนที่ 3: ตรวจสอบพิกัดฟิวส์อนุกรมสูงสุดของโมดูล
ที่สำคัญ ฟิวส์ที่เลือก ต้องไม่เกิน “พิกัดฟิวส์อนุกรมสูงสุด” ที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลของโมดูล สิ่งนี้สร้างหน้าต่างการออกแบบ:
- พื้น: ขนาด OCPD ขั้นต่ำที่คำนวณได้ (เพื่อป้องกันการสะดุดที่น่ารำคาญ).
- เพดาน: พิกัดฟิวส์อนุกรมสูงสุดของโมดูล (เพื่อป้องกันโมดูล).
หากค่าที่คำนวณได้เกินพิกัดสูงสุดของโมดูล คุณไม่สามารถเพิ่มขนาดฟิวส์ได้ คุณอาจต้องเพิ่มจำนวนสตริง (ลดการเชื่อมต่อแบบขนาน) หรือปรึกษาผู้ผลิตโมดูลเพื่อขอการรับรองที่อัปเดต.
สำหรับระบบที่รวมสตริงหลายชุด ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณเข้าใจข้อกำหนดสำหรับการเชื่อมต่อแบบขนานที่ระบุไว้ในคู่มือของเรา: ข้อกำหนดฟิวส์ PV พลังงานแสงอาทิตย์: NEC 690.9 สตริงขนาน.
ตารางที่ 2: ตัวอย่างการปรับขนาดฟิวส์สำหรับพิกัดโมดูลสองหน้าที่แตกต่างกัน
| โมดูลด้านหน้า $I_{sc}$ | อัตราขยายสองหน้าที่ใช้ | ปรับ $I_{sc}$ | การคำนวณฟิวส์ขั้นต่ำ ($I \times 1.56$) | ขนาดฟิวส์มาตรฐานถัดไป |
|---|---|---|---|---|
| 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 หรือ 40 A |
| 20 A | 25% | 25.0 A | 39.00 A | 40 A |
การลดพิกัดอุณหภูมิ: ตัวฆ่าฟิวส์เงียบ
ฟิวส์เป็นอุปกรณ์ระบายความร้อน พวกมันทำงานโดยการหลอมละลายเมื่อร้อนเกินไป ดังนั้น อุณหภูมิแวดล้อมที่สูงจึงส่งผลต่อความสามารถในการนำกระแสไฟฟ้า การติดตั้งโซลาร์เซลล์บนชั้นดาดฟ้ามักมีอุณหภูมิสูงเกิน 60°C หรือ 70°C.
สำหรับโมดูลสองหน้า กระแสไฟพิเศษจะสร้างความร้อนพิเศษภายในลิงก์ฟิวส์ ($P = I^2R$) หากคุณติดตั้งฟิวส์ที่มีพิกัด 25A ในกล่องรวมสัญญาณที่อุณหภูมิสูงถึง 60°C ฟิวส์นั้นอาจลดพิกัดลงเหลือ 20A หรือน้อยกว่า.
เมื่อปรับขนาดสำหรับระบบสองหน้า ให้ใช้ ปัจจัยลดพิกัดอุณหภูมิ ($K_t$) จากเอกสารข้อมูลของผู้ผลิตฟิวส์:
$$I_{fuse, final} = \frac{\text{กระแสไฟขั้นต่ำที่คำนวณได้}}{K_t}$$
ความล้มเหลวในการคำนึงถึงอุณหภูมิเป็นสาเหตุหลักของความล้าของฟิวส์ในสภาพอากาศร้อน เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการปกป้องสายเคเบิลและฟิวส์ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงในของเรา คู่มือการปรับขนาดฟิวส์สายเคเบิลโซลาร์เซลล์แบบติดตั้งบนพื้นดิน.
ข้อควรพิจารณาในการออกแบบในโลกแห่งความเป็นจริง
ตารางที่ 3: ปัจจัยอัตราขยายสองหน้าตามประเภทการติดตั้งและ Albedo
| วัสดุพื้นผิว | Albedo (%) | อัตราขยายกระแสไฟทั่วไป | ส่วนต่างความปลอดภัยที่แนะนำ |
|---|---|---|---|
| หญ้า / ดิน | 15-20% | 5-7% | ต่ำ |
| คอนกรีต / ทราย | 20-30% | 7-10% | ปานกลาง |
| หลังคาเมมเบรนสีขาว | 60-80% | 15-20% | สูง |
| หิมะ | 80-90% | 20-30%+ | สูงมาก |
การเลือกกล่องรวมสัญญาณ
กระแสไฟพิเศษจากโมดูลสองหน้ายังส่งผลต่อบัสบาร์และการจัดการความร้อนของกล่องรวมสัญญาณ เมื่อเลือกกล่องรวมสัญญาณ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพิกัดของกล่องหุ้มและบัสบาร์ภายในมีขนาดเหมาะสมสำหรับ สองหน้า กระแสไฟรวมทั้งหมด ไม่ใช่แค่พิกัดด้านหน้า สำหรับการวางแผนการขยาย โปรดดูของเรา คู่มือการปรับขนาดกล่องรวมสัญญาณโซลาร์เซลล์.
กระแสเกิน vs. ไฟฟ้าลัดวงจร
สิ่งสำคัญคือต้องแยกแยะระหว่างการป้องกันการโอเวอร์โหลดและการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร อัตราขยายสองหน้าจะเพิ่มกระแสไฟในการทำงานให้ใกล้เคียงกับเกณฑ์โอเวอร์โหลดมากขึ้น การใช้เบรกเกอร์หรือฟิวส์ที่มีการตั้งค่าการตัดวงจรที่ปรับได้ บางครั้งอาจมีความยืดหยุ่นมากกว่าฟิวส์แบบตายตัว สำหรับการเปรียบเทียบอุปกรณ์ป้องกัน โปรดดูที่ คำอธิบายการป้องกัน PV DC: MCB, ฟิวส์ และ SPD.
เหมือนกันความผิดพลาดที่จะหลีกเลี่ยง
- การละเลยอัตราขยายด้านหลัง: การกำหนดขนาดโดยอิงจากฉลากด้านหน้าอย่างเคร่งครัดเป็นข้อผิดพลาด #1 ควรเพิ่มค่าเกนแบบสองหน้า (bifacial gain) ที่คาดหวังเสมอ.
- การนับซ้ำปัจจัยด้านความปลอดภัย: วิศวกรบางท่านใช้ปัจจัย 1.25 สองครั้งโดยไม่จำเป็น ยึดตามสูตร: $I_{sc, adjusted} \times 1.56$ เสมอ.
- การเกินพิกัดฟิวส์อนุกรมสูงสุดของโมดูล: การให้ความสำคัญกับกระแสไฟฟ้าสูงที่คำนวณได้โดยละเลยขีดจำกัดความปลอดภัยของโมดูล อาจทำให้การรับประกันเป็นโมฆะและก่อให้เกิดความเสี่ยงจากไฟไหม้ได้.
- การละเลยการลดพิกัดเนื่องจากอุณหภูมิ: ฟิวส์ที่มีขนาดพอดีสำหรับ 25°C มีแนวโน้มที่จะล้มเหลวที่ 65°C ภายในกล่องรวมสายบนหลังคา.
ตารางที่ 4: สรุปปัจจัยการคูณ NEC
| ปัจจั | ค่า | ดประสงค์ |
|---|---|---|
| เกนแบบสองหน้า (Bifacial Gain) | ตัวแปร (1.10 – 1.30) | คำนึงถึงการแผ่รังสีด้านหลัง |
| การแผ่รังสีสูง (690.8(A)(1)) | 1.25 | คำนึงถึงความเข้มของแสงอาทิตย์ > 1000 W/m² |
| การทำงานต่อเนื่อง (690.8(B)) | 1.25 | ป้องกันความร้อน/ความล้าของฟิวส์เมื่อใช้งาน >3 ชั่วโมง |
| ตัวคูณมาตรฐานรวม | 1.56 | ปัจจัยด้านความปลอดภัยรวมสำหรับการคำนวณ |
ส่วนคำถามที่พบบ่อย
ถาม: ทำไมแผงสองหน้าจึงต้องมีการกำหนดขนาดฟิวส์ที่แตกต่างจากแผงหน้าเดียว
ตอบ: แผงสองหน้าสร้างกระแสไฟฟ้าจากทั้งสองด้าน กระแสไฟฟ้าเพิ่มเติมนี้จะเพิ่มค่า Short Circuit Current ($I_{sc}$) ที่มีประสิทธิภาพของวงจร ฟิวส์ที่มีขนาดเฉพาะสำหรับเอาต์พุตด้านหน้าอาจตัดวงจรในช่วงเวลาที่มีแสงแดดสูงสุดเมื่อการสะท้อนจากพื้นดินสูง.
ถาม: ฉันจะกำหนดปัจจัยเกนแบบสองหน้า (BGF) ที่ถูกต้องสำหรับโครงการของฉันได้อย่างไร
ตอบ: ในอุดมคติ ควรใช้ซอฟต์แวร์จำลองเฉพาะไซต์ (เช่น PVSyst) ที่คำนึงถึงค่าอัลบีโด มุมเอียง และความสูง หากไม่มีการจำลอง การประมาณค่าแบบอนุรักษ์นิยมที่เกน 15-20% มักจะแนะนำสำหรับการกำหนดขนาดอุปกรณ์ความปลอดภัย โดยมีเงื่อนไขว่ายังคงอยู่ในพิกัดสูงสุดของโมดูล.
ถาม: จะเกิดอะไรขึ้นหากขนาดฟิวส์ที่คำนวณได้เกินพิกัดฟิวส์อนุกรมสูงสุดของโมดูล
ตอบ: คุณไม่สามารถติดตั้งฟิวส์ที่มีขนาดใหญ่กว่าพิกัดของโมดูลได้ คุณต้องออกแบบการกำหนดค่าสตริงใหม่ (เช่น สตริงแบบขนานน้อยลง) หรือเลือกโมดูลที่มีพิกัดฟิวส์อนุกรมที่สูงกว่า.
ถาม: ฉันสามารถใช้ฟิวส์ AC มาตรฐานสำหรับแผงโซลาร์เซลล์แบบสองหน้าได้หรือไม่
ตอบ: ไม่ได้ คุณต้องใช้ฟิวส์ที่ได้รับการจัดอันดับสำหรับ DC (โดยทั่วไปคือ 1000V หรือ 1500V) ที่มีคุณลักษณะ gPV ฟิวส์ AC ไม่สามารถดับอาร์ค DC ได้อย่างน่าเชื่อถือและอาจล้มเหลวอย่างร้ายแรง.
ถาม: อุณหภูมิมีผลต่อการเลือกฟิวส์ของฉันอย่างไร
ตอบ: ฟิวส์เป็นอุปกรณ์ระบายความร้อน ในอุณหภูมิแวดล้อมสูง (ทั่วไปในระบบสุริยะ) ฟิวส์จะตัดวงจรที่กระแสไฟฟ้าที่ต่ำกว่า คุณต้องหารกระแสไฟฟ้าที่คำนวณได้ด้วยปัจจัยลดพิกัดอุณหภูมิของผู้ผลิตเพื่อเลือกค่าแอมแปร์ของฟิวส์ที่ถูกต้อง.
ถาม: ปัจจัย 1.56 ที่กำหนดโดย NEC 690.8 เพียงพอสำหรับแผงสองหน้าหรือไม่
ตอบ: ปัจจัย 1.56 ใช้กับ กระแสไฟฟ้าของโมดูล. สำหรับแผงสองหน้า คุณต้องใช้ปัจจัยนี้กับ กระแสไฟฟ้าที่ปรับแล้ว (Front $I_{sc}$ + Rear Gain) ไม่ใช่แค่ $I_{sc}$ ด้านหน้าเท่านั้น.
สิ่งสำคัญที่ต้องจดจำ
- เกนแบบสองหน้าคือแอมแปร์จริง: ถือว่าเกนด้านหลังเป็นกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องที่ส่งผลต่อความร้อนและโหลด ไม่ใช่แค่ช่วงเวลาที่เพิ่มขึ้นชั่วคราว.
- ปรับ $I_{sc}$ ก่อน: คำนวณ $I_{sc}$ ที่มีประสิทธิภาพทั้งหมด (ด้านหน้า + ด้านหลัง) ก่อนที่จะใช้ปัจจัยด้านความปลอดภัย NEC 1.56.
- ระวังช่องว่าง: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าพิกัดฟิวส์ของคุณสูงพอที่จะป้องกันการตัดวงจรที่ไม่พึงประสงค์ แต่ต่ำพอที่จะปฏิบัติตามพิกัดฟิวส์อนุกรมสูงสุดของโมดูล.
- gPV เป็นข้อบังคับ: ตรวจสอบเสมอว่าฟิวส์เป็นไปตามมาตรฐาน IEC 60269-6 สำหรับการใช้งานด้านไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ห้ามใช้แทนที่ด้วยโหลดมาตรฐาน.
- ค่าอัลบีโดมีความสำคัญ: พื้นผิวดินที่สว่างกว่า (เช่น หลังคาสีขาว หิมะ) ยิ่งทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นสูงขึ้น กำหนดขนาด OCPD ของคุณให้เหมาะสม.
- ระวังความร้อน: อุณหภูมิแวดล้อมในกล่องรวมสายช่วยลดความจุของฟิวส์ลงอย่างมาก ใช้ปัจจัยลดพิกัดเพื่อหลีกเลี่ยงความล้มเหลวจากความล้า.
