Czym są kable solarne i czym się charakteryzują?

Jeśli chodzi o fotowoltaikę, to większość uwagi skupia się na modułach i falownikach, jednak równie istotne są kable solarne. Ich rolą jest transportowanie wyprodukowanej energii z paneli do falownika. Ich wybór jest zatem bardzo ważny. Jakie kable i przewody do fotowoltaiki wybrać? Jaki powinny mieć przekrój?

Przeczytaj także:

Dlaczego kable i przewody solarne są ważne w instalacjach fotowoltaicznych?

W internecie można znaleźć wiele informacji na temat parametrów paneli fotowoltaicznych i doboru falowników, jednak przewody solarne w instalacjach fotowoltaicznych często są zaniedbywane. Co gorsza, mimo że stanowią one niewielki ułamek kosztów systemu, wielu inwestorów i wykonawców próbuje na nich oszczędzać.

To podejście jest błędne, ponieważ kable solarne są istotnym elementem całego systemu. Ich jakość i odpowiedni dobór wpływają na stabilność pracy i wydajność instalacji. Na przykład, problemy z wyłączaniem się fotowoltaiki przy wysokim napięciu mogą być spowodowane nie tylko nieprawidłowymi parametrami pracy sieci, ale także źle dobranymi przekrojami przewodów elektrycznych w tym przypadku po stronie AC — zmiennoprądowej.

Przewody solarne odgrywają również ogromną rolę w kwestiach związanych z bezpieczeństwem. Ich uszkodzenia spowodowane niską jakością mogą prowadzić do powstania łuku elektrycznego, który z kolei może wywołać pożary instalacji fotowoltaicznych. Dlatego kable solarne, choć często są niedoceniane, to jednak są ważnym elementem systemów fotowoltaicznych, mającym znaczny wpływ na ich efektywność i bezpieczeństwo.

Czym się charakteryzują kable do fotowoltaiki?

Przed szczegółowym omówieniem cech użytkowych kabli fotowoltaicznych, warto najpierw wyjaśnić, co dokładnie oznacza termin “kable do fotowoltaiki”. W tej kategorii mieszczą się przewody używane do łączenia poszczególnych modułów między sobą, kable do łączenia ciągów modułów oraz przewody doprowadzające prąd z paneli do falownika.

Wszystkie te przewody dotyczą kabli typu DC, czyli przewodzących prąd stały. Ich znaczenie w systemach fotowoltaicznych jest tak duże, że opracowano dla nich specjalną normę: PN EN 50618:2015-03 “Kable i przewody elektryczne do systemów fotowoltaicznych”. Norma ta dotyczy przede wszystkim kabli i przewodów jednożyłowych stosowanych po stronie DC.

Jakie warunki muszą spełniać kable solarne?

Przewody do fotowoltaiki powinny być wykonane z giętkich, miedzianych, ocynowanych drutów tworzących jedną żyłę, zanurzoną w podwójnej izolacji. Jakie normy określone w PN EN 50618:2015-03 “Kable i przewody elektryczne do systemów fotowoltaicznych” muszą spełniać?

Kable solarne muszą mieć podwójną izolację, co oznacza, że posiadają zarówno izolację podstawową, jak i dodatkową, aby w razie uszkodzenia jednej warstwy druga mogła nadal chronić przed porażeniem, łukiem elektrycznym oraz pożarem. Materiał izolacji musi być wytrzymały, aby sprostać trudnym warunkom otoczenia, takim jak wysokie temperatury i żrące substancje. Przykłady takich materiałów to polietylen usieciowany (XLPE) lub guma termoutwardzalna bezhalogenowa (LSZH).

Przewody powinny wytrzymywać temperaturę pracy żył do 90°C, a przez krótszy czas nawet do 120°C w otoczeniu o temperaturze 90°C. Muszą być także odporne na ujemne temperatury – co najmniej do -40°C. Norma przewiduje, że kable PV powinny być wytrzymałe na eksploatację przez co najmniej 25 lat i odporne na promieniowanie UV. Żyły powinny być klasy 5 lub 6, a sam przewód powinien mieć duży promień zgięcia, aby nie był podatny na uszkodzenia i był łatwy w montażu.

Wysokiej jakości przewody fotowoltaiczne powinny być odporne na rozprzestrzenianie się ognia zgodnie z normami UNE-EN 60332-1 oraz IEC 60332-1. Powinny również zapewniać niską emisję gęstych dymów i nie wydzielać gazów korozyjnych w razie zapłonu, zgodnie z normami UNE-EN 60754-2 oraz IEC 60754-2. Dodatkowo, izolacja przewodów fotowoltaicznych nie powinna zawierać halogenów, takich jak fluor, chlor, jod czy brom.

Jak wybrać przewód DC do instalacji PV?

Jednym z istotnych aspektów w przypadku kabli do fotowoltaiki jest właściwy dobór przekroju przewodu. Istnieją dwie podstawowe zasady dotyczące przewodów solarnych.

Pierwsza zasada mówi, że dopuszczalne natężenie prądu określone dla przewodu musi być wyższe niż maksymalny prąd, który będzie przez niego płynął. Jest to kwestia bezpieczeństwa, ponieważ przeciążenie przewodów prowadzi do wydzielania się ciepła, które może spowodować pożar.

Druga zasada dotyczy spadku napięcia w obwodzie, który nie powinien być większy niż 1%. Jest to związane z efektywnością pracy instalacji fotowoltaicznej, ponieważ spadek napięcia prowadzi do spadku mocy. Odstępstwo od tej zasady jest możliwe jedynie w przypadku bardzo długich obwodów, gdzie koszty okablowania przewyższyłyby zyski z zachowania zasady 1% spadku napięcia. W takich sytuacjach spadek napięcia nie powinien przekroczyć 3%.

Ograniczanie spadku napięcia zależy od natężenia prądu, długości obwodu, przekroju przewodów oraz napięcia i przewodności właściwej żyły kabla. Ważne jest, aby wszystkie te czynniki były odpowiednio uwzględnione przy projektowaniu instalacji fotowoltaicznej. Straty mocy można obliczyć za pomocą wzoru:

Strata mocy = (I * n ) / ( U2 * k * A ) * 100%

n – całkowita długość obwodu w metrach,
I – natężenie prądu IMpp w warunkach NOCT (w amperach),
U – napięcie obowdu UMPP w warunkach NOCT (w woltach),
k – przewodność właściwa materiału, z którego wykonano przewód (np. miedź 48-54 m/ohm * mm),
A – przekrój przewodu (w mm2).

Aby zminimalizować straty, można zwiększyć liczbę modułów w stringu. Jeśli nie jest to możliwe, należy zwiększyć przekrój poprzeczny przewodu fotowoltaicznego.

Jaki przekrój powinien mieć przewód po stronie DC?

Aby to ustalić, wystarczy skorzystać z kalkulatora przekroju kabla do fotowoltaiki. Można również samodzielnie przeprowadzić obliczenia według wzoru:

Przekrój przewodu (w mm2) = (I * n) / U * k * 0,01

Do obliczeń przekroju przewodów w kontekście napięcia używa się parametrów paneli fotowoltaicznych dla NOCT, a nie STC, ponieważ moduły PV rzadko osiągają parametry określone według STC. Przewymiarowanie przewodów solarnych nie ma więc ekonomicznego uzasadnienia. Podobna zasada dotyczy doboru falownika fotowoltaicznego.

Wyjątkiem od tej reguły są obliczenia dotyczące obciążalności prądowej przewodów DC. W tym przypadku, ze względu na kwestie bezpieczeństwa, należy uwzględniać możliwie największy prąd (prąd zwarciowy ISC dla warunków STC). W obliczeniach należy także uwzględnić współczynnik bezpieczeństwa na poziomie 1,25, który uwzględnia ryzyko zwiększonego promieniowania słonecznego ponad warunki przyjęte w STC.

Jaki przekrój powinien mieć przewód po stronie AC?

W przypadku kabli do fotowoltaiki po stronie AC (prądu zmiennego) również należy kierować się zasadą ograniczenia spadku napięcia do 1%. Dlatego falownik powinien być zamontowany jak najbliżej rozdzielni głównej. Zbyt duża odległość w połączeniu z niewłaściwym przekrojem przewodów może prowadzić do zwiększenia napięcia w sieci w miejscu przyłączenia, co skutkuje wyłączaniem się fotowoltaiki. Przekrój poprzeczny przewodów pod względem napięcia oblicza się inaczej dla falownika jednofazowego i trójfazowego.

Dla inwertera jednofazowego:

Przekrój (w mm2) = (P * 2 * n)/ (Uf2 * k * 0,01)

Dla inwertera trójfazowego:

Przekrój (w mm2) = (P * n)/ (Us2 * k * 0,01)

P – moc czynna obwodu dla NOCT łącznej mocy łańcuchów (w watach),
n – całkowita długość przewodu w metrach (od falownika do punktu przyłączenia),
Uf – napięcie 230 V,
Us – napięcie 400 V,
k – przewodność właściwa materiału, z którego wykonano przewód (np. miedź 48-54 m/ohm * mm2),
0,01 – dopuszczalne straty na obwodach (przyjęte 1%, czyli 0,01).

Podczas obliczania przekroju przewodów AC ze względu na obciążalność prądową, ze względów bezpieczeństwa, należy uwzględnić moc generatora w warunkach STC, pomnożoną przez współczynnik bezpieczeństwa 1,25, lub maksymalną moc inwertera, w zależności od tego, który parametr jest mniejszy.

Dobór przewodów fotowoltaicznych i związane z tym obliczenia najlepiej powierzyć specjalistom posiadającym odpowiednią wiedzę i kompetencje w zakresie elektryki oraz instalacji fotowoltaicznych. W przeciwnym razie ryzykuje się nie tylko wystąpieniem niższej wydajnością systemu, ale także swoim bezpieczeństwem.

Jak powinny być prowadzone przewody fotowoltaiczne?

Oprócz właściwego doboru typu i przekroju kabli do fotowoltaiki równie istotne jest prawidłowe poprowadzenie przewodów solarnych. Istnieje kilka podstawowych zasad, które należy przestrzegać przy projektowaniu i układaniu tras kablowych w instalacjach fotowoltaicznych:

Unikanie pętli – kable powinny być układane w taki sposób, aby przewód plusowy biegł blisko przewodu minusowego, nawet jeśli oznacza to większe zużycie kabli. Dzięki temu można uniknąć pętli indukcyjnych, które w połączeniu z wyładowaniami elektrostatycznymi mogą prowadzić do uszkodzenia instalacji.
Zabezpieczenia przed przesuwaniem i drganiami – przewody nie powinny leżeć luźno na dachu ani zwisać. Powinny być przymocowane opaskami zaciskowymi przeznaczonymi do użytku na zewnątrz, aby zapobiec ich przesuwaniu, które mogłoby uszkodzić izolację. Należy jednak unikać zbyt mocnego dokręcania opasek.
Odpowiednia ochrona – mimo że kable są odporne na UV, mróz i wysokie temperatury, w miejscach narażonych na bezpośrednie działanie promieni słonecznych powinny być dodatkowo osłonięte peszlami lub korytkami odpornymi na UV i warunki atmosferyczne. Takie osłony są też niezbędne, gdy kable przechodzą przez przeszkody, np. szyny lub wypusty na dachu. Nie należy jednak stosować peszli pod modułami. Ostro zakończone krawędzie powinny być spiłowane.
Bez naprężeń i obciążeń – przewody nie mogą być naciągnięte ani obciążone, również przez własną wagę.
Unikanie gięcia przewodów pod małym promieniem – stosowanie większych promieni gięcia kabli minimalizuje ryzyko uszkodzenia izolacji. Promień gięcia zależy od średnicy zewnętrznej przewodu.

Na dachach skośnych należy unikać tras biegnących w poprzek dachu, ponieważ kable mogłyby zostać uszkodzone przez napór śniegu. Prowadzenie poprzeczne jest możliwe tylko przy kalenicy lub pod dachem. Na dachach płaskich kable fotowoltaiczne powinny być układane w metalowych korytkach zamocowanych do podłoża lub konstrukcji stelaża.

Prowadzenie kabli solarnych w ziemi

W przypadku fotowoltaiki na gruncie, może zaistnieć potrzeba ułożenia kabla solarnego w ziemi. Ważne jest, aby wykop miał odpowiednią głębokość. Zgodnie z zasadami prawidłowego montażu, kable do fotowoltaiki po stronie DC powinny być prowadzone na głębokości około 50-100 cm, w zależności od miejsca prowadzenia, typu gleby oraz napięcia. Dodatkowo niezbędne jest umieszczenie folii ostrzegawczej nad kablem, aby zminimalizować ryzyko uszkodzenia podczas przyszłych prac ziemnych.

Prowadzenie kabli solarnych w kominie

Wiele wątpliwości budzi kwestia układania przewodów fotowoltaicznych w kominie, np. w kanale wentylacyjnym. Choć w przypadku domów jednorodzinnych przepisy nie są jednoznaczne (na przykład art. 268 Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie, nie dotyczy budynków jednorodzinnych), nie zaleca się układania przewodów fotowoltaicznych w kominie ani kanałach wentylacyjnych, ponieważ może to zakłócać przepływ powietrza.

Absolutnie wykluczone jest układanie przewodów fotowoltaicznych w kominie z czynnymi kanałami paleniskowymi z oczywistych względów bezpieczeństwa. Układanie przewodów w kominie z nieczynnymi kanałami również nie jest zalecane, ponieważ trudno jest zabezpieczyć je przed ocieraniem się o ściany kanału, co może prowadzić do uszkodzenia izolacji.

Czym są kable solarne i czym się charakteryzują?