Dimensionamento cavo fotovoltaico pt. 2: Ridurre in modo sicuro le dimensioni dei cavi per massimizzare i rendimenti del progetto

Di Billy Ludt | 6 aprile 2023

Di Joe Jancauskas, Ingegnere elettrico senior presso Castillo Engineering

Mentre un moderato sovradimensionamento dei cavi del pannello solare può garantire la sicurezza antincendio e aiutarti a soddisfare i criteri di caduta di tensione, sovradimensionare notevolmente i cavi e aderire rigorosamente a un mandato di caduta di tensione potrebbe ridurre inutilmente la redditività a lungo termine dei tuoi progetti solari.

In questa seconda parte della nostra serie sul dimensionamento dei cavi fotovoltaici, diamo uno sguardo al motivo per cui i cavi fotovoltaici sono così sovradimensionati e come è possibile calcolare meglio le dimensioni dei cavi per garantire la sicurezza massimizzando allo stesso tempo i rendimenti del progetto.

Perché i cavi fotovoltaici sono così sovradimensionati?

Credito: Castillo Ingegneria

Per comprendere il motivo per cui i cavi sono così sovradimensionati, è necessario tenere presente che il cablaggio in ingresso di corrente continua (CC) all'inverter è generalmente suddiviso in due termini dal National Electrical Code (NEC): il cablaggio della stringa fotovoltaica è indicato come "sorgente fotovoltaica circuiti", mentre il cablaggio di uscita dalle scatole combinatrici viene definito "circuito di uscita fotovoltaico". Se viene utilizzato un ricombinatore, il suo cablaggio di uscita viene definito "circuito di ingresso dell'inverter".

Innanzitutto, parte del motivo per cui i cavi fotovoltaici sono così sovradimensionati è perché la NEC presuppone che il fotovoltaico sia un carico continuo. Questo è spesso un presupposto conservativo poiché una fonte di energia variabile come il sole non è spesso a piena potenza per più di tre ore, secondo la definizione NEC di carico continuo. Molti progetti solari utilizzano molto più rame di quanto sia necessario per mantenere la sicurezza, con conseguenti costi inutili e minori rendimenti del progetto.

In secondo luogo, oltre al normale fattore di dimensionamento del 125% per i carichi continui, viene aggiunto un ulteriore fattore di dimensionamento del 125% per tenere conto del fatto che la produzione FV occasionalmente è maggiore di quella indicata sulla targa per quelle rare combinazioni di irradianza e temperatura che sono migliori delle condizioni di prova standard, per un risultante fattore di dimensionamento del 156% applicato alla corrente a pieno carico dei circuiti di uscita fotovoltaici.

Un altro motivo per cui i cavi fotovoltaici sono notevolmente sovradimensionati è perché i valori nominali dei moduli solari si basano su 1.000 W/m2 di irradianza solare, che viene superata solo in rare occasioni in ambienti terrestri. Di conseguenza, molti spesso pensano che questo incidente poco frequente debba essere pianificato come caso peggiore di progettazione, ma è davvero sempre necessario? Molte preoccupazioni di progettazione derivano da una fissazione sulle classificazioni delle apparecchiature "targhetta", anche se tali classificazioni non sono rilevanti negli scenari del mondo reale.

Per calcolare la classificazione nominale di un componente elettrico, è necessario stabilire una serie specifica di condizioni, ad esempio un carico al 100% per 40 anni a una temperatura ambiente di 30 °C (86 °F). Questa combinazione di condizioni, tuttavia, non si verifica quasi mai, motivo per cui molti trasformatori e sistemi di cavi sono ancora in servizio molto tempo dopo i primi 40 anni di vita utile prevista.

I valori nominali riportati sulla targhetta in tempo reale non sono valori fissi ma fluttuano con i cambiamenti delle condizioni ambientali e di carico. Per trasformatori e cavi, la preoccupazione maggiore riguardo all'invecchiamento e alla fine del ciclo di vita è il degrado dei materiali isolanti a base organica. Diamo un'occhiata ad alcune delle condizioni di valutazione per i principali elementi del progetto fotovoltaico quali trasformatori, cavi, linee di trasmissione e moduli fotovoltaici.

Valutazioni del trasformatore

I trasformatori FV senza accumulatore di energia della batteria (BESS) non possono essere sempre caricati, ma i sovraccarichi minori di breve durata non dovrebbero rappresentare un problema. Anche lo standard IEEE C57.91-20 riconosce che in determinate condizioni possono essere possibili sovraccarichi a breve termine fino al 200% del valore nominale di targa senza perdite significative di vite umane. Alcuni dei principali servizi di pubblica utilità hanno adottato valori nominali di sovraccarico di emergenza per quattro ore pari al 200% rispetto a quelli riportati sulla targa poiché il costo di capitale per fornire il doppio della potenza nominale dell'apparecchiatura, che verrebbe utilizzata raramente, è proibitivo.

Molti progetti fotovoltaici non traggono vantaggio dall’utilizzo di un set di ventole di raffreddamento per acquistare un trasformatore di potenza inferiore e risparmiare sui costi di capitale. Ad esempio, quando Florida Power & Light sta progettando un sistema da 85 MVA (75 MW di fotovoltaico e 10 MVAr di condensatori), acquista un trasformatore da 51 MVA. Il primo stadio di ventilatori aggiunti porta la potenza nominale a 68 MVA mentre il secondo set di ventilatori porta la potenza nominale a 85 MVA.