סוגי מפסקים ויישומים של מערכת סולארית: מדריך מלא

מבוא

הדגש בתכנון מערכת אנרגיה סולארית עכשווית מוטה לעתים קרובות לכיוון ייצור אנרגיה - יעילות הפאנלים ושיעורי ההמרה של ממירים. אף על פי כן, הקיימות הכלכלית והתפעולית של כל התקנה סולארית מבוססת על אמצעי ההגנה שלה. מפסק המעגל לבטיחות מערכת סולארית הוא ליבת ארכיטקטורת הבטיחות הזו, ומספק שקט נפשי לבעלי המערכת.

מערכת סולארית אינה רק גנרטור, זוהי תחנת כוח בעלת זרם ישר (DC) במתח גבוה המותקנת על גגות מגורים או שדות תעשייתיים. דרישות ההגנה עולות עם קיבולת המערכת. הצורך בהגנה חזקה קיים בכל מקום, בין אם מדובר בהגנה על המעגלים ב... PV קופסת קומבינציה שבה מרוכז הכוח, או שליטה על מספר יציאות בלוחות עומס DC שבהם בעלי בתים משתמשים בזרם ישר ישירות.

הסכנות של הולכת זרם ישר זו, דהיינו קשת מתמשכת וסכנות חשמליות, אינן זהות לאלו של רשתות זרם חילופין רגילות. לכן, בחירת הגנת המעגל - של כל פתרון, בין אם תיבות קומבינציה או חלוקה ראשית - אינה בחירה מיותרת של אביזר; זוהי חישוב הנדסי חשוב.

מדריך זה הוא בחינה קפדנית של סוגי מפסקי הזרם הסולאריים, השימוש הספציפי שלהם בטופולוגיה של מערכת פוטו-וולטאית, והמודל המתמטי הדרוש לגודלם המתאים.

מהו מפסק מערכת השמש?

מפסק חשמלי של מערכת סולארית הוא התקן הגנה אוטומטי המשמש להגנה על מעגלים חשמליים מפני נזק עקב עומס יתר או קצר חשמלי הנגרם מזרם עודף. מפסק חשמלי הוא התקן מיתוג עמיד, בניגוד לנתיך פשוט, שפועל פעם אחת בלבד ויש להחליפו. ניתן לאתחל אותו (ידנית או אוטומטית) כדי להמשיך לפעולה רגילה לאחר טיפול בתקלה.

למפסק זרם ישר יש שתי מטרות עיקריות במקרה הספציפי של פוטו-וולטאיקה (PV):

• בידוד ומיתוג: הוא מציע נקודת ניתוק ידנית, המאפשרת לאנשי התחזוקה לבודד בבטחה את PV מערך, בנק סוללות או ממיר סולארי לשירות ללא סכנת מתח חי. זה חשוב במיוחד במערכות המשתמשות בממירים מבודדים עם שנאים. בתכנון אלה, סטנדרטים הנדסיים דורשים בדרך כלל מפסק DC דו-קוטבי עם יכולת הגבלת זרם של לפחות פי 1.25 מזרם הקצר (Isc) של הסולארי. PV מערך ופי 1.2 ממתח המעגל הפתוח (Voc) של הסולארי PV מערך.
• הגנה מפני זרם יתר: זהו מגן תרמי ומגנטי. כאשר הזרם הזורם דרך המעגל גדול מהזרם המדורג עקב תקלה או שגיאת חיווט, מפסק המעגל מופעל, ומנתק את המעגל כדי להבטיח שבידוד החוט לא יימס והציוד לא יכשל בצורה הרת אסון.

יש צורך להבדיל בין א מבודד DC ומפסק זרם ישר (DC). למרות שניתן להשתמש בבידוד כדי להפסיק את המעגל ולשמור עליו, הוא אינו בהכרח מספק הגנה אוטומטית מפני זרם יתר. מפסק זרם מציע את הבידוד הנדרש כפי שהוזכר לעיל והגנה אקטיבית מפני תקלות.

מפסק זרם חשמלי של מערכת סולארית לעומת מפסק זרם חילופין רגיל: מדוע ההבדל חשוב

החלפת מפסקי זרם חילופין (AC) במפסקי זרם ישר (DC) היא אחת הטעויות הנפוצות והמסוכנות ביותר בהתקנות סולאריות. המכשירים נראים דומים לעין לא מיומנת. הם קיימים במציאויות שונות בתכלית מפיזיקאי או מהנדס חשמל.

ההבדל החשוב ביותר הוא תופעת המעבר האפס.

• מציאות המזגן: זרם חילופין הופך קוטביות 50 או 60 פעמים בשנייה (הרץ). במחזור זה, המתח יורד לאפס וולט 100 או 120 פעמים בשנייה. כאשר מפסק AC מופעל ונוצרת קשת חשמל בין המגעים, נקודת מתח אפס זו נוצרת באופן טבעי והיא מסייעת בכיבוי הקשת.
• סכנת DC: זרם ישר הוא מתח רציף ללא מעברי אפס. כאשר מנסים לפתוח מעגל עם זרם ישר במתח גבוה, הקשת לא נכבית מעצמה. במקום זאת, היא הופכת לגשר פלזמה עמיד לאורך זמן, המייצר חום עצום (אלפי מעלות צלזיוס).

כאשר מפסק AC טיפוסי מופעל במעגל DC סולארי, ייתכן שהוא לא יוכל לעצור את הקשת בעת ניתוק. זה גורם לריתוך מגע, שבו נתיכי המפסק נסגרים ואינם מצליחים לפתוח את החשמל או שזה גורם להרס מוחלט של בית המפסק, מה שלעתים קרובות גורם לשריפה חשמלית.

לכן, מפסקי זרם ישר סולאריים מתוכננים עם תאי כיבוי קשת מתוחכמים. אלה משתמשים בסלילי כיבוי מגנטיים כדי למתוח פיזית את הקשת ולדחוף אותה לתוך "תעלות קשת" שם היא מחולקת ומתקררת במהירות. זהו אמצעי בטיחות חובה להשתמש במפסק DC ייעודי במקום להסתמך על לוח מפסק קלט AC עבור עומסי DC.

סוגים עיקריים של מפסקים למערכת סולארית

ההגנה מפני השמש היא ביחס ישר לצפיפות האנרגיה. בשוק ישנם מפסקי זרם קטנים כמו 15 אמפר לשימוש בחיווט ביתי, ומפסקים גדולים כמו 6000 אמפר לשימוש בתשתיות בקנה מידה גדול.

למרות שמבחינה פונקציונלית, ניתן לחלק את הסוגים הנפוצים ביותר של מפסקי זרם לסוגים סטנדרטיים, GFCI (תקלת הארקה) ו- AFCI סוגי תקלות קשת (Arc Fault), שלכל אחד תפקיד הגנה ספציפי לביצוע, מהנדסים קובעים את הבחירה העיקרית בהתאם לגודל המערכת ולתכנון הפיזי של המכשיר. היררכיית החומרה מחולקת לשלוש קטגוריות מבניות רחבות:

סוג מפסק	דירוג זרם טיפוסי	דירוג מתח	קיבולת שבירה	תרחיש יישום ראשי
DC MCB	1A - 125A	עד 1000V DC	נמוך עד בינוני (למשל, 6kA)	גגות מגורים, PV קופסאות קומבינציה, הגנה על מיתרים.
DC MCCB	63A - 1600A	עד 1500V DC	גבוה (20kA – 50kA)	מערכים מסחריים, ממירים מרכזיים, מתג ראשי לסוללות.
ACB / BESS	2000A - 6300A	עד 1500V DC	גבוה מאוד (ואקום/אוויר)	חוות סולאריות בקנה מידה רב-תכליתיות, אחסון אנרגיה בקנה מידה רשתית (BESS).

DC MCB (מפסק זעיר)

ביישומים של זרם נמוך יותר, מפסק זרם ישר (DC זעיר)MCB) החליף בעיקר את הנתיכים הישנים יותר של 20 אמפר או 30 אמפר ששימשו בהתקנות פאנל מקביליות ישנות יותר. יחידות אלו מתוכננות להיות קטנות ובעלות עיצוב מודולרי המיועד להתקנה על מסילות DIN סטנדרטיות, ולכן הן הבחירה המוגדרת כברירת מחדל ב PV קופסאות קומבינציה ולוחות חלוקה למגורים.

• היקף הנדסי: MCBs מדורגים בדרך כלל לזרם של 125A ו-1000V DC.
• מַנגָנוֹן: הם משתמשים במנגנון ניתוק תרמי-מגנטי בעל שתי פעולות. האלמנט התרמי משמש להתמודדות עם עומסי יתר איטיים וארוכי טווח, בעוד שהאלמנט המגנטי משמש לניתוק החיבור באופן מיידי כאשר מתרחש קצר בזרם גבוה, כדי להגן על שרשראות סולאריות בודדות או כניסות ממירים היברידיים.

DC MCCB (מפסק מעגל יצוק)

ברגע שהזרם עולה על טווח המערכות הסולאריות למגורים, למערכות סולאריות מסחריות ולמערכות תעשייתיות (C&I), ההגבלה של... MCB מושגת. במקרה זה, מפסק המעגל בעל המארז היצוק (MCCB) יהיה התקן הנדרש. יחידות אלו גדולות וחזקות בהרבה, ממוקמות במארז מבודד חזק ומעוצב, ומיועדות להיות מותקנות באמצעות ברגים כדי לעמוד בכוחות המכניים של מיתוג בהספק גבוה.

• היקף הנדסי: MCCBמשמשים לביצוע הרמה כבדה, והדירוגים הם בדרך כלל בין 63A ל-1600A ועם קיבולות שבירה גבוהות (למשל, 20kA עד 50kA).
• תועלת: בניגוד להגדרות הקבועות של MCB, רב MCCBיש להם הגדרות הפעלה מתכווננות. זה מאפשר למהנדסים להתאים את עקומת ההגנה למאפייני העומס של מערכות גדולות PV מערכים או בנקי סוללות, שהם הניתוק העיקרי של ממירים מרכזיים.

ACB ו BESS מפסקים (מתח גבוה/תעשייתי)

מפסקי זרם אוויר (ACB) משמשים בנקודת התשתית, הכוללת תחנות כוח בקנה מידה גדול ומערכות אחסון אנרגיה בסוללות (BESS), כדי לשלוט בקצה העליון של ספקטרום הזרם הישר. אלה לא רק מתגים אלא מערכות כיבוי קשת מורכבות עם טכנולוגיות אוויר דחוס או ואקום.

BESS התמחות: מפסקי DC סטנדרטיים אינם תמיד מספיקים בהקשר של אחסון. מפסקי DC במהירות גבוהה נחוצים כדי להתגבר על זרמי הקצר העצומים שיכולים לספק מתלים של סוללות ליתיום-יון. יחידות אלו צריכות להגיב תוך אלפיות השנייה כדי למנוע בריחה תרמית הרסנית.

היקף הנדסי: מסוגל להתמודד עם אלפי אמפר (2000A - 6300A).

יישומים: היכן להתקין מפסק מעגל של מערכת סולארית PV מערכות

שמש PV יש להגן על המערכת בנקודות שונות בלוגיקת זרימת האנרגיה. מיקום לא נכון של מפסקים או חוסר הפרדה בין תחומי זרם החילופין והזרם הישיר חושפים את החלקים הפגיעים של המערכת. לפיכך, אנו קובעים את השימוש במפסקים בארבעה תחומים חיוניים.

PV קופסת שילוב מערכים (הגנה על מחרוזות)

קופסת הקומבינר היא נקודת ההגנה הראשונה במערכות מרובות מיתרים שבהן שילוב של מספר מיתרים של פאנלים נוצר לפלט אחד. לפני האיחוד, DC MCB יש להתקין בקצה כל חוט. מיקום זה חיוני במיוחד כדי לפתור את בעיית הכיווניות הקיימת כפי שצוין באמצעי הבטיחות.

כאשר אחת המחרוזות מוצלת או שיש בה תקלה, המחרוזות האחרות עלולות לזרום לתוכו זרם בכיוון ההפוך. כפי שצוין, שינוי כיוון מקרי יגרום לחששות בטיחותיים חמורים ויפגע בתאים הסולאריים. למרות שמפסק אינו מכוון את הזרם באופן פעיל, הוא מהווה הגנה הכרחית מפני זרמי משוב מסוכנים אלה, אשר אחרת עלולים לגרום לשריפה ולנזק בלתי הפיך למודולים.

הגנה על בנק הסוללות

כשמגיעים לאזור אחסון האנרגיה, הממשק בין סוללת הסוללה לממיר/מטען הוא אזור נשיאת הזרם המאתגר ביותר במערכת כולה. אזור זה מאפשר זרימה מקסימלית של זרם ישר וזרם ישר חזק. MCCB או דירוג גבוה MCB נדרש.

מפסק כלול כאן, לא רק כדי להגן על כבלי הסוללה העבים מפני בריחה תרמית הנגרמת מזרמי יתר, אלא גם, ואולי חשוב מכך, כדי להציע שיטה פיזית ובטוחה לניתוק. בידוד זה מאפשר לצוות התחזוקה לעבוד על סוללת הסוללה מבלי להיחשף קטלני למתח ישר (DC) חי.

קלט ממיר ראשי (חלוקת זרם ישר)

הגנת קלט הממיר הראשית ממלאת את תפקיד השער הקריטי בין ייצור זרם ישר להמרת זרם חילופין. מפסק זה ממוקם בין יציאת קופסת הקומבינציה לקלט הממיר, והוא משמש כמתג זרם ישר הראשי של כל צד הייצור. הוא לא רק מבצע הגנה מפני זרם יתר, אלא מגן על האלקטרוניקה הפנימית הרגישה של הממיר מפני קפיצות מתח חיצוניות ומספק נקודת בידוד מרכזית לכל מערכת חלוקת הזרם הישר.

חלוקת עומס DC (מעגלי DC למגורים)

לבסוף, ישנם יישומים מסוימים בצד הצריכה, במיוחד עבור בעלי בתים המשתמשים בזרם ישר ישירות כדי להשיג יעילות. כדי לחזק זאת, מתקינים נדרשים להתקין לוחות חלוקה נפרדים (תיבות נתיכים) עם מפסקי זרם ייעודיים, השונים לחלוטין מלוח הזרם החילופין.

זה נדרש במצבים בהם מכשירים כמו מנורות LED תלויים בזמינות קבועה של זרם ישר על מנת לפעול. מכיוון שמכשירים אלה זקוקים לסביבת חשמל מסוימת, מפסקי זרם ישר משמשים במקרה זה להגנה על עומסים רגישים אלה. הם מוודאים שהאספקה ​​נשמרת תקינה ושכל עומס יתר במעגל תאורה מבודד בהקדם האפשרי מבלי לפגוע במערכת הראשית.

התחשבות בגורמים בעת בחירת מפסק מערכת השמש

בחירת מפסקי זרם באנרגיה סולארית PV מערכות חשמל הוא תחום מחקר שלעתים קרובות מוזנח לטובת אפשרויות של פאנלים או ממירים. אבל חוסר זהירות במקרה זה הוא יקר. מפסק שנבחר בצורה גרועה יתקלקל לעיתים קרובות עקב הפחתה תרמית, מה שיגרום לנזק מחימום יתר, ובמקרה הגרוע ביותר, לשריפה במערכת.

בחירת מפסק אינה משחק מזל, אלא משחק של התאמת המפרטים לתנאי העבודה של המערכת.

דירוגי מתח ותקני רגולציה

דירוג מתח המפסק צריך להיות גדול ממתח המעגל הפתוח המרבי (Voc) של PV מערך, אך בטמפרטורה הנמוכה ביותר הצפויה. יתר על כן, הבחירה צריכה להיות בהתאם לטופולוגיה של הממיר ולתקני התעשייה, כולל UL508i ו-IEC60947-3.

• 600 וולט DC (UL508i): זהו המפרט הסטנדרטי של התקנות ביתיות המשתמשות בממירים חד פאזיים.
• 1000 וולט DC (IEC60947-3): התקנה מסחרית על גג וממיר תלת פאזי כסטנדרט.
• 1500 וולט DC: הסטנדרט הנוכחי של ממירים מרכזיים וחוות סולאריות בקנה מידה גדול. מתח מוגבר ממזער הפסדי כבלים, אך דורש מפסקים עם בידוד וטיפול טובים יותר בקשת.

תצורת קטבים לעומת ספירת מחרוזות

תצורת הקטבים היא ביחס ישר למספר המיתרים בבידוד. אחד העקרונות החשובים ביותר של בידוד זרם ישר הוא שכל המוליכים החיים חייבים להיות מנותקים בו זמנית.

• 2P (דו-קוטבי): תקן חד-מחרוזת (שובר את הסטנדרט החיובי והשלילי). ניתן להשתמש בו עם ממירי מחרוזת אופייניים שבהם משתמשים ב-MPPT (Maximum Power Point Tracker) כממיר.
• 4P (ארבעה קוטבים): זה נחוץ בעת הפעלת שתי שרשראות בו זמנית או במערכות מתח גבוה יותר (1000 וולט/1200 וולט). במערכות מתח גבוה, קטבים מחווטים בדרך כלל בטור כדי לחלק את מתח הקשת בין מספר נקודות מגע, מה שמאפשר למפסק קטן להתמודד בבטחה עם העומס.

עמידות סביבתית ובטיחות חומרים

השפעת סביבת ההתקנה היא אחד ההיבטים החשובים ביותר שבדרך כלל נעדרים בגיליונות המפרט. מבודדים ומפסקים סולאריים אינם פועלים בחדרי שרתים בעלי בקרת אקלים אלא בתנאים קשים.

• טווח טמפרטורות: טמפרטורת ההפעלה הרגילה של מפסקי DC חזקים צריכה להיות בין -40 מעלות צלזיוס ל-60 מעלות צלזיוס. יש להפחית את ערכי הטמפרטורה של מפסקים כאשר טמפרטורות הסביבה גבוהות מטווח זה כדי למנוע ניתוק מטריד.
• תקני דליקות: מכיוון שהמשימה העיקרית היא למנוע שריפה, חומר המארז צריך להיות עמיד בפני אש. המפרטים חייבים לעמוד בקפדנות בתקני UL 94V-0 עד UL 94V-2, לפיהם קופסת המארז חייבת להיות בעלת יכולת כיבוי עצמי במקרה של כשל ברכיב פנימי.

גודל וחישוב (כיצד לחשב אמפר)

על פי קוד החשמל הלאומי (NEC) ושיטות עבודה מומלצות בהנדסה כללית, מפסק לא אמור לפעול ברציפות ב-100% מהדירוג שלו.

נוסחת החישוב:

כדי לקבוע את דירוג הזרם המינימלי עבור המפסק שלך (Ibreaker), עליך להחיל מקדמי בטיחות על PV זרם הקצר (Isc) של המערך.

מְפוּשָׁט:

דוגמא:

אם יש לכם רצף של פאנלים עם Isc של 10A:

עליך לעגל כלפי מעלה לגודל הסטנדרטי הקרוב ביותר, שיהיה מפסק DC של 20A.

למה לבחור BENY מַפְסֵק

בשוק מוצף ברכיבים גנריים, BENY עומדת כיצרנית המתמקדת במיוחד במורכבות של הגנה סולארית מזרמי זרם ישר. ההבדל אינו בשיווק, אלא בקפדנות ההנדסית.

עם למעלה מ-30 שנות ניסיון בתעשייה, BENY מהנדסים מפסקים של מערכת סולארית שמגשרים על הפער בין יעילות כלכלית לחוסן ברמה תעשייתית. הפתרונות שלנו נועדו להתמודד עם מלוא הספקטרום של PV דרישות - ממערכות 12V עד 1500V - התומכות בזרמים כבדים עד 630A עם אובדן אנרגיה מינימלי.

בטיחות היא חלק בלתי נפרד מהפילוסופיה שלנו של "נבנה לעמוד בדרישות". כל מפסק כולל מחסומי דיכוי קשת מתקדמים ויכולת פריצה של 6kA לנטרול תקלות באופן מיידי. אנו פותרים אתגרי התקנה מעשיים עם עיצוב לא מקוטב שמבטל שגיאות חיווט ומארזים עמידים IP65 שנבדקו לביצועים באקלים קיצוניים הנעים בין -40°C ל-85°C.

מגובה באחריות ל-5 שנים ותמיכה עולמית 24/7, בחירת BENY פירושו אבטחת התשתית שלך עם שותף המחויב לבטיחות ואריכות ימים ללא פשרות.

סיכום

להשקעה פוטו-וולטאית יש מגן שקט, מפסק סולארי. בעוד שפאנלים יוצרים ערך, מפסקים מתחזקים אותו. המעבר למערכי מתח גבוה מסחריים מורכבים יותר, בניגוד למערכות ביתיות פשוטות, דורש שינוי בגישה שלנו לבחירת רכיבים.

עלינו להפסיק להתייחס למפסקים כאל סחורות ולראות בהם נכסי בטיחות חשובים. כדי להבין זאת לעומק, קראו עמוד השדרה של בטיחות חשמל: מפסקי זרם DC וחשיבותםהמתקינים יכולים לוודא שהמערכות אמינות על ידי התחשבות בפיזיקה הייחודית של קשתות DC, מיפוי מפסקים לתחומי היישום שלהם, כגון תיבות קומבינציה לבנקי סוללות, והתחשבות בתקני סביבה מחמירים ודירוגי אמפר.

מפסקי זרם הם המגן בעל הפרופיל הגבוה שמערכות רבות זקוקות לו. כאשר הוראות החיווט, אמצעי הבטיחות והתחזוקה הנכונים נשמרות, הם מבטיחים שאיכות הפאנל הפוטו-וולטאי תחזיק מעמד לאורך זמן.

לאנשים המעוניינים בפתרונות הגנה חזקים, מאושרים ומתוכננים מפני זרם ישר, BENY מציעה את החומרה הדרושה להם כדי לבנות את מערכות הסולאריות של המחר - בצורה בטוחה ויעילה.

שאלות נפוצות

ש: איזה סוג של מפסק חשמלי משמש עבור פאנלים סולאריים?

A: עליך להשתמש במפסק ייעודי להגנה מפני פאנלים סולאריים, בדרך כלל מפסק זרם ישר (DC). אין להשתמש במפסקים ביתיים סטנדרטיים של זרם ישר (AC). חשמל DC יוצר קשתות רציפות שקשה יותר לכבות אותן מאשר זרם חילופין. מפסקי שמש (כמו זרם ישר) MCBשל או MCCBs) כוללים תעלות קשת ספציפיות ומנגנונים מגנטיים שנועדו להפסיק בבטחה את קשתות הזרם הישר במתח גבוה ולמנוע שריפה.

ש: האם אני צריך מפסק בין פאנל סולארי לממיר?

A: כן. נדרש מפסק פאנל סולארי (או מבודד DC) בין PV המערך והממיר. הוא ממלא שני תפקידים חיוניים: הוא מגן על קלט הממיר מפני נחשולי חשמל או קצרים, והוא מספק נקודת ניתוק פיזית בטוחה עבור אנשי התחזוקה כדי לתחזק את המערכת מבלי לטפל בחוטים חיים.

ש: היכן להתקין מפסק במערכת סולארית?

A: יש להתקין מפסקים בשלושה אזורי הגנה קריטיים:

• לוח חלוקת DC: כדי להגן על עומסי DC כמו נורות LED או משאבות.
• PV תיבת קומבינציה: כדי להגן על שרשראות סולאריות בודדות מפני זרם הפוך.
• בנק סוללות: בין הסוללה לממיר (זה בדרך כלל המפסק הגדול ביותר).