Ottimizzare la gestione dei cavi per garantire sicurezza ed efficienza degli impianti fotovoltaici su scala industriale

I sistemi fotovoltaici (PV) su scala industriale generano tipicamente diversi megawatt (MW) di energia elettrica e contribuiscono in modo determinante all'energia da fonti rinnovabili e alla sostenibilità. Ogni MW richiede circa 2.900 pannelli solari installati su diversi ettari di terreno, uno o più inverter e regolatori, oltre alle apparecchiature di connessione alla rete. Collegare tutti questi elementi a un impianto fotovoltaico può richiedere chilometri di cavi di alimentazione e monitoraggio e decine di migliaia di componenti di gestione. Se non implementati correttamente, i componenti di cablaggio e la gestione dei cavi possono diventare letteralmente l'anello debole del sistema, riducendo l'efficienza, limitando la disponibilità, aumentando i rischi per la sicurezza e facendo lievitare i costi di installazione e quelli operativi.

La progettazione di impianti di gestione dei cavi sicuri ed efficienti è complessa. Include fissacavi per la protezione dai cortocircuiti del cablaggio di potenza, cacciaviti cercafase per proteggere il personale addetto alla manutenzione dell'installazione, fascette di cablaggio per connessioni di segnalazione e monitoraggio affidabili e connettori a capocorda a compressione per l'alimentazione e la messa a terra. Inoltre, questi componenti devono soddisfare vari standard internazionali, ad esempio i fissacavi devono essere conformi alla norma IEC 61914:2015 per garantire la resistenza a un guasto a terra, i cacciaviti cercafase devono funzionare come richiesto dalla National Fire Protection Association (NFPA) e dagli standard di sicurezza UL e CSA e i requisiti generali per i componenti solari che devono resistere alle condizioni esterne come definito nella norma IEC 61215 per gli impianti fotovoltaici.

Questo articolo analizza gli elementi di un impianto fotovoltaico su scala industriale, concentrandosi in particolare sul gran numero di componenti di gestione dei cavi necessari, illustra alcuni degli standard di sicurezza internazionali correlati e passa in rassegna i requisiti per il funzionamento in ambienti difficili e per un'installazione economicamente vantaggiosa. La trattazione evidenzia prodotti esemplari di Panduit.

La crescente importanza del BOS

Nelle installazioni fotovoltaiche, l'equilibrio del sistema (BOS) comprende tutto ciò che non è il pannello fotovoltaico, come rack, cavi, gestione dei cavi, inverter e altri dispositivi di sistema, oltre a manodopera e software. Con il miglioramento della tecnologia dei pannelli fotovoltaici, i prezzi sono scesi più rapidamente rispetto a quelli dei componenti BOS. Secondo un'analisi dell'Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili (IRENA), il 62% della riduzione dei costi degli impianti fotovoltaici è dovuto al calo dei prezzi dei pannelli e degli inverter¹.

Il calo dei costi dei pannelli fotovoltaici e degli inverter ha messo in evidenza i componenti BOS. Secondo IRENA, il BOS rappresenta una percentuale crescente del costo degli impianti fotovoltaici, passando dal 58% nel 2007 all'80% nel 2017 (Figura 1). Allo stesso tempo, il potenziamento del bus di distribuzione a 1 kV_c.c. e oltre ha aumentato l'importanza dei componenti BOS in relazione all'efficienza e alla sicurezza del sistema. In futuro, i componenti BOS saranno sempre più importanti per ridurre i costi e migliorare l'operatività, anche per aumentare la sicurezza e l'efficienza dei sistemi fotovoltaici su scala di rete.

Figura 1: La percentuale dei costi installati rappresentata dai pannelli fotovoltaici è diminuita, aumentando l'importanza del BOS negli impianti fotovoltaici. (Immagine per gentile concessione di Panduit)

La gestione dei cavi è un aspetto critico del BOS negli impianti fotovoltaici su scala di rete. Ha un impatto significativo sulla sicurezza, sui costi e sull'efficienza. I fissacavi sono un buon esempio dei vantaggi di una gestione ottimizzata dei cavi, dato che forniscono protezione dai cortocircuiti ai cavi di alimentazione. Senza una protezione adeguata, le correnti elevate che si verificano durante un cortocircuito possono riscaldare i conduttori, con conseguente possibilità di incendi o esplosioni. Le correnti di cortocircuito provocano anche grandi sollecitazioni elettromeccaniche sui cavi di distribuzione dell'energia.

Per la massima sicurezza, i fissacavi devono soddisfare i requisiti della norma IEC 61914:2015. La massima sollecitazione elettromeccanica si verifica durante un evento di cortocircuito dopo circa 5 millisecondi. Questo avviene ben prima dei 60-100 ms necessari per la reazione dei dispositivi di protezione dei circuiti, come gli interruttori. La norma IEC 61914:2015 specifica una durata di prova di cortocircuito di 100 ms per i fissacavi, talvolta anche detti serracavi. Panduit utilizza un software di simulazione per progettare i fissacavi che poi sottopone a un test di guasto di cortocircuito sotto tensione per verificarne la conformità alla norma IEC 61914:2015 (Figura 2).

Figura 2: Simulazione con software ANSYS delle forze elettromagnetiche sui cavi durante le fasi iniziali di un cortocircuito. (Immagine per gentile concessione di Panduit)

La norma IEC 61914:2015 non si limita alla protezione dai cortocircuiti, ma include disposizioni per:

• Temperatura nominale
• Resistenza alla propagazione delle fiamme
• Resistenza alla corrosione
• Test di carico assiale
• Test di carico laterale
• Resistenza all'impatto
• Resistenza ai raggi UV

I fissacavi Trefoil di Panduit sono realizzate in acciaio inox 316L, detto anche acciaio inox marino, con modelli che possono accettare cavi di diametro compreso tra 20 e 69 mm. Ad esempio, il modello CCSSTR6269-X può gestire cavi di diametro compreso tra 62 e 69 mm. I fissacavi possono essere installati dopo la posa del cavo mediante una staffa di montaggio di Panduit o prima della posa del cavo installandoli direttamente sul piolo della canalina portacavi attraverso un foro di fissaggio e un bullone M8 (Figura 3).

Figura 3: Come illustrato sopra, i fissacavi Trefoil di Panduit possono essere installati utilizzando una staffa di montaggio. (Immagine per gentile concessione di Panduit)

La complessità delle forze elettromeccaniche che si verificano durante un cortocircuito e i severi requisiti di prestazione della norma IEC 61914:2015 contribuiscono a rendere l'identificazione del fissacavo necessario un oneroso esercizio di matematica pura. Panduit offre l'app Cable Cleat kAlculator che raccomanda le soluzioni di cortocircuito IEC 61914:2015 tra gli oltre 60 prodotti fissacavi di Panduit, per accelerare il processo di selezione. L'utilizzo dell'app riduce la selezione dei fissacavi a un semplice processo in tre fasi:

1. Selezionare il layout del cavo.
2. Immettere il diametro del cavo.
3. Immettere la corrente di picco di cortocircuito.

L'app fornisce i consigli sui componenti e sul passo.

Alimentazione e messa a terra

Oltre ai serracavi per i cavi di alimentazione e di messa a terra, gli impianti fotovoltaici su scala industriale richiedono connettività di alimentazione e di messa a terra. I connettori a capocorda a compressione in rame possono fornire una connettività efficiente e Panduit offre gli unici capocorda a compressione in rame che soddisfano i requisiti Network Equipment Building Systems (NEBS) di livello 3, in base ai test di Telcordia Technologies. La conformità alle norme NEBS di livello 3 assicura agli utenti che i connettori a compressione Pan-Lug possono fornire prestazioni affidabili in applicazioni come il fotovoltaico su scala industriale, che richiedono interruzioni di servizio minime per tutta la durata prevista dell'apparecchiatura.

I progettisti di impianti fotovoltaici per le utenze possono optare per connettori standard a due fori per conduttori flessibili di Panduit, che possono essere utilizzati con conduttori in rame flessibili, extra-flessibili e a trefoli per una connettività di alimentazione e di messa a terra efficiente e affidabile. Ad esempio, il modello LCDX1/0-14B-X è indicato per l'uso con cavi AWG (American Wire Gauge) di sezione n. 1 e presenta due fori di fissaggio da 6,36 mm su un passo di 19 mm (Figura 4). Le caratteristiche comuni di tutti i connettori a compressione Pan-Lug includono:

• Elenco UL e certificazione CSA fino a 35 kV e temperatura nominale fino a +90 °C
• Estremità del cilindro internamente smussate per agevolare l'inserimento del conduttore
• Finestra di ispezione per garantire l'inserimento a fondo
• Corpo in rame puro al 99,9% con stagnatura per inibire la corrosione

Figura 4: I capicorda a compressione come questo possono essere utilizzati per la connessione di alimentazione e messa a terra negli impianti fotovoltaici su scala industriale. (Immagine per gentile concessione di Panduit)

Clip e fascette

Oltre al cablaggio di alimentazione, gli impianti fotovoltaici su larga scala possono includere chilometri di cablaggio per le funzioni di controllo e monitoraggio. Se non sono specificate e installate correttamente, le fascette e le clip utilizzate per la gestione dei cavi possono ridurre l'affidabilità del sistema e aumentare i costi di installazione e di funzionamento. Le clip per cavi per uso generale non sono progettate per un'esposizione prolungata alla luce solare e alle condizioni atmosferiche esterne. Se utilizzate in impianti fotovoltaici, le clip e le fascette in plastica non resistenti ai raggi ultravioletti (UV) possono infragilirsi e dovranno essere sostituite regolarmente. Inoltre, l'esposizione al sale può corrodere le clip metalliche, danneggiando i bordi zincati dei pannelli fotovoltaici. In entrambi i casi, i costi di manutenzione possono aumentare significativamente e l'affidabilità può risentirne.

Invece di utilizzare fascette e clip per uso generale, i progettisti di impianti fotovoltaici possono ricorrere a fascette serracavo con clip per bordo come il modello CMSA12-2S-C300 di Panduit, realizzato con nylon 6.6 termostabilizzato, resistente alle intemperie e clip in metallo zincato e testato secondo gli standard IEC 61215 per le installazioni fotovoltaiche all'aperto (Figura 5). Le altre caratteristiche includono:

• Classe di infiammabilità UL94V-2
• Funzionamento continuo da -40 a +115 °C
• Soddisfacimento dei requisiti di protezione antincendio EN45545-2 secondo i criteri di classificazione R22:HL3 e R23:HL3
• Vita prevista a fatica esposti a UV di 7-9 anni

Figura 5: Questa fascetta serracavo con clip per bordo in nylon 6.6 è resistente alle intemperie e presenta clip in acciaio zincato per garantire un'elevata affidabilità in condizioni esterne difficili. (Immagine per gentile concessione di Panduit)

Questi attacchi per fascette serracavo con clip per bordo fissano i fasci di cavi senza ricorrere ad adesivi o fori. Sono preassemblati con una fascetta e una clip che possono essere montate sui bordi dei pannelli con spessori da 0,7 a 3 mm, a seconda del modello. La clip metallica garantisce una presa sicura e può essere installata a mano senza bisogno di attrezzi.

Sono progettati per una rapida installazione. Rispetto a una fascetta tradizionale, che può richiedere circa 21 secondi di installazione, queste clip per bordo possono essere installate in 11 secondi, con un risparmio di 10 secondi per clip. Non è poco. In una tipica installazione fotovoltaica su scala pubblica con 2.900 pannelli fotovoltaici per MW e tre clip per pannello, il risparmio di manodopera può essere di 24,17 ore, ovvero del 47% (50,75 ore per installare le fascette convenzionali contro 26,58 ore per installare le clip per bordo sui cavi solari di Panduit) (Figura 6).

Figura 6: L'utilizzo delle clip per cavi solari può ridurre i tempi di installazione del 47%. (Immagine per gentile concessione di Panduit)

Manutenzione del fotovoltaico su scala di rete

Quando si effettua la manutenzione di impianti fotovoltaici su scala di rete, in particolare quando si effettua la manutenzione dei cavi di distribuzione dell'energia elettrica, le norme di sicurezza richiedono un test per convalidare l'assenza di tensioni pericolose. Ad esempio, la normativa NFPA-70E della National Fire Protection Association (NFPA) richiede che sia verificata l'assenza di tensioni elevate all'interno degli armadi delle apparecchiature prima che il personale addetto alla manutenzione possa eseguire qualsiasi lavoro all'interno dell'armadio. L'analisi dell'assenza di tensione (AVT) mediante strumenti portatili è complicata, passibile di imprecisioni e richiede molto tempo. Gli AVT VeriSafe di Panduit sono una soluzione automatizzata che verifica la presenza di tensioni pericolose all'interno di un armadio per apparecchiature prima di aprire lo sportello. L'utilizzo di una soluzione di test automatizzata comporta diversi vantaggi, tra cui:

• L'affidabilità migliora la sicurezza e riduce i rischi
• La semplicità aumenta la produttività e garantisce la conformità alle norme di sicurezza
• La flessibilità migliora l'implementazione

Gli AVT VeriSafe, come il modello VS-AVT-C02-L03, sono costituiti da diversi elementi, tra cui un modulo di isolamento montato all'interno dell'involucro che collega i conduttori per sensore ridondanti alle aree ad alta tensione, nonché alle linee del neutro e di terra. Il modulo di isolamento si collega saldamente a un modulo indicatore alimentato a batteria, visibile quando lo sportello dell'involucro è chiuso, e ai cavi che collegano i due moduli (Figura 7).

Figura 7: Un sistema AVT è composto da un cavo di sistema (a sinistra), un modulo indicatore (al centro) e un modulo di isolamento con conduttori per sensore (a destra). (Immagine per gentile concessione di Panduit)

Quando si avvia un test con un sistema AVT VeriSafe, si preme il pulsante di test sul modulo indicatore e il sistema esegue un autotest. I LED rossi e la fine del test indicano che l'autotest ha avuto esito negativo. Se l'autotest viene superato, il modulo di isolamento verifica la presenza di tensioni e guasti a terra. La fase finale consiste nell'esecuzione di un secondo autotest da parte dell'AVT. Solo se il secondo autotest viene superato e non è presente tensione, l'AVT indica che il personale può aprire l'armadio e intervenire sul sistema.

Conclusione

I componenti BOS rappresentano una percentuale crescente del costo degli impianti fotovoltaici su scala industriale. La gestione dei cavi è un aspetto importante della progettazione BOS e la scelta di serracavi, capicorda di alimentazione e di messa a terra e fascette con clip per bordo ottimizzati può migliorare significativamente il funzionamento e la sicurezza di queste installazioni. L'aggiunta di test automatizzati sull'assenza di tensione supporta le attività di manutenzione continua, aumentando la sicurezza e riducendo i costi operativi.

Bibliografia:

1. Costi di generazione delle energie rinnovabili nel 2019, Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili