La decisione su come cablare i pannelli solari – in serie, parallelo o combinazioni serie-parallelo – è una delle scelte progettuali più fondamentali in qualsiasi sistema solare commerciale. Questa scelta determina direttamente la tensione del sistema, la corrente della stringa, l'adattamento MPPT dell'inverter, i requisiti di dimensionamento dei cavi, la tolleranza all'ombreggiamento e la conformità alla sicurezza. Gli ingegneri EPC e i progettisti di sistema devono comprendere i principi elettrici, i vincoli di compatibilità degli inverter e i requisiti di codice prima di specificare una configurazione di cablaggio per un array commerciale.
Ogni pannello solare produce energia CC caratterizzata da tre parametri elettrici chiave in condizioni di test standard (STC: 1000 W/m², AM1,5, 25°C):
Quando più pannelli sono collegati insieme, i loro parametri elettrici si combinano a seconda che il collegamento sia in serie, parallelo o combinato. Comprendere queste combinazioni è essenziale per progettare sistemi che rispettino le finestre di tensione MPPT dell'inverter, i valori nominali dei fusibili delle stringhe e i codici elettrici applicabili.
In una stringa collegata in serie, i pannelli sono collegati dal terminale positivo al terminale negativo in una catena a margherita. L'effetto elettrico del collegamento in serie è:
Dove N è il numero di moduli nella stringa. La tensione si moltiplica con ogni modulo aggiuntivo; la corrente rimane costante (limitata dal modulo con la corrente più bassa nella stringa).
Per un modulo da 600 W con Vocc = 49,8 V, Isc = 15,2 A, Vmp = 41,5 V, Imp = 14,4 A:
La maggior parte degli inverter di stringa da 1.500 V CC commerciali (Sungrow SG250HX, Huawei SUN2000-215KTL, SMA Sunny Highpower PEAK3) accetta stringhe nell'intervallo da 1.000 a 1.500 V CC. La lunghezza massima della stringa è vincolata da:
Per un modulo con Vocc = 49,8 V, T.CVoc = −0,27%/°C, a Tmin = −10°C:
In una connessione parallela, tutti i terminali positivi si collegano a un bus positivo comune e tutti i terminali negativi a un bus negativo comune. L'effetto elettrico è l'inverso della serie:
La corrente si moltiplica; la tensione rimane al livello di un singolo modulo. Il cablaggio parallelo puro viene utilizzato raramente nell'energia solare commerciale perché la bassa tensione e la corrente molto elevata risultanti richiederebbero sezioni trasversali dei cavi estremamente grandi, aumentando i costi di installazione e le perdite di potenza in modo sproporzionato. Tuttavia, le connessioni parallele vengono utilizzate in contesti specifici:
I pannelli solari commerciali utilizzano quasi universalmente combinazioni serie-parallelo: più pannelli in serie formano stringhe e più stringhe sono collegate in parallelo all'ingresso MPPT dell'inverter o al quadro combinatore. Questa configurazione raggiunge sia l’alta tensione necessaria per un’efficiente trasmissione di potenza sia la capacità di potenza necessaria per la scala commerciale.
| Configurazione | Moduli di serie | Corde parallele | Array Vmp | Array Imp | Array Pmassimo |
|---|---|---|---|---|---|
| Esempio A | 28 | 1 | 28 × 41,5 V = 1.162 V | 14.4A | 16,8 kW |
| Esempio B | 28 | 4 | 1.162 V | 4 × 14,4 A = 57,6 A | 67,2 kW |
| Esempio C | 25 | 10 | 25 × 41,5 V = 1.037 V | 10 × 14,4 A = 144 A | 150 chilowatt |
Nota: tutti gli esempi utilizzano un modulo da 600 W con Vmp = 41,5 V, Imp = 14,4 A a STC. L'esempio C rappresenta una configurazione adatta per un inverter centrale da 150 kW con appositi string combiner box che aggregano le 10 stringhe prima della connessione DC.
La progettazione del sistema commerciale richiede un calcolo accurato della tensione, della corrente e della potenza dell'array per soddisfare le specifiche dell'inverter. I principali vincoli di progettazione sono:
Stringa Vocc (corretto in base alla temperatura ambiente minima) non deve superare:
Stringa Vmp (con correzione della temperatura per la massima temperatura della cella) deve rimanere sempre entro l'intervallo di tracciamento MPPT dell'inverter. Alla temperatura massima della cella (spesso 75-80°C per i moduli in climi caldi):
Per un modulo con Vmp = 41,5 V, T.CVmp = −0,34%/°C, a Tcella = 75°C:
Per una stringa da 28 moduli: 28×34,4 = 964V. Questa deve superare la tensione MPPT minima dell'inverter (tipicamente 200-600 V a seconda del modello di inverter). Per Sungrow SG250HX, l'intervallo di tensione MPPT è 200-1.500 V, quindi è accettabile una stringa da 28 moduli.
I moderni inverter di stringa commerciali offrono più inseguitori MPPT, ciascuno in grado di ottimizzare l'estrazione di potenza indipendentemente dalle stringhe ad esso collegate. Principi chiave per la configurazione MPPT:
Per un progetto su tetto commerciale da 250 kW con Sungrow SG250HX (12 ingressi MPPT, fino a 3 stringhe per ingresso): 12 × 3 = 36 stringhe massimo. Con stringhe da 28 moduli a 600 W, potenza massima dell'array = 36 × 28 × 600 W = 604,8 kW. Il rapporto CC/CA è 604,8/250 = 2,42, che supera l'intervallo consigliato di 1,1-1,5. Un progetto più conservativo potrebbe utilizzare 18 stringhe da 28 moduli per 302,4 kW CC (rapporto 1,21) su 9 ingressi MPPT.
Le perdite resistive nel cablaggio CC riducono l'uscita dell'array e devono essere mantenute al di sotto dell'1-2% della potenza dell'array. La selezione della sezione trasversale del cavo segue la legge di Ohm:
Per cavi fotovoltaici commerciali, sezioni comuni e valori di resistenza (a 70°C):
| Sezione trasversale | Resistenza (Ω/km a 70°C) | Tipica esecuzione di stringhe | Capacità di corrente (in condotto, ambiente 40°C) |
|---|---|---|---|
| 4 mm² | 5,09 Ω/km | Modulo per modulo, tirature brevi | 25A |
| 6mm² | 3,39 Ω/km | Cavo di stringa alla scatola combinatrice (<50 m) | 32A |
| 10mm² | 1,95 Ω/km | Da combinatore a inverter (<80m) | 44A |
| 16 mm² | 1,21 Ω/km | Cavo principale CC ad alta corrente | 57A |
| 25 mm² | 0,795 Ω/km | Cavo CC principale per array di inverter centrali | 73A |
Il cablaggio in serie produce naturalmente una tensione più elevata e una corrente inferiore per un dato livello di potenza, riducendo le perdite resistive rispetto al cablaggio in parallelo. Questo è il motivo elettrico fondamentale per cui i sistemi solari commerciali preferiscono le stringhe in serie ad alta tensione rispetto alle configurazioni in parallelo.
Il cablaggio solare commerciale deve essere conforme ai codici e agli standard elettrici applicabili. Principali riferimenti per regione:
I requisiti critici di sicurezza per gli array in serie-parallelo includono: fusibili di stringa o interruttori automatici su ciascuna stringa in configurazioni parallele multistringa; protezione da sovracorrente dimensionata secondo NEC 690.9 (125% di Isc per fusibili di stringa); Protezione AFCI per tutti i conduttori CC negli USA secondo NEC 690.11; e un'adeguata messa a terra del telaio dell'array e dei conduttori di messa a terra delle apparecchiature (EGC) secondo 690.43.
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Se un pannello si guasta completamente (circuito aperto) in una stringa in serie, l'intera stringa perde potenza perché la corrente non può fluire attraverso il circuito interrotto. Se un pannello si guasta a causa di un cortocircuito o viene bypassato dal relativo diodo di bypass (a causa dell'ombreggiamento), i restanti pannelli della stringa continuano a generare a tensione ridotta. Questo è il principale vantaggio in termini di sicurezza derivante dall'inclusione di diodi di bypass in ogni modulo (pratica standard): una cella in ombra o guasta attiva il diodo di bypass per quel gruppo di celle, consentendo al resto della stringa di continuare a generare. Il guasto completo del pannello in una stringa è rilevabile tramite il monitoraggio e dovrebbe attivare una manutenzione immediata.
Tecnicamente possibile ma fortemente sconsigliato nei sistemi commerciali. La combinazione di tipi di moduli o potenze diverse nella stessa stringa crea perdite di disadattamento poiché tutti i pannelli in una stringa in serie devono far passare la stessa corrente, che è limitata dal pannello con la corrente più bassa. I pannelli con potenza più elevata sono costretti a funzionare al di sotto del loro punto ottimale, riducendo la potenza complessiva delle stringhe. Per i progetti commerciali, utilizzare sempre moduli identici (stesso produttore, stesso modello, stessa classe di potenza) su ciascuna stringa e preferibilmente su tutte le stringhe sullo stesso inseguitore MPPT. La norma IEC 62548 raccomanda che tutti i moduli di una stringa abbiano caratteristiche elettriche corrispondenti.
Un rapporto CC/CA (chiamato anche rapporto di sovradimensionamento) di 1,1-1,3 è tipico per installazioni commerciali in zone a irraggiamento moderato. In luoghi ad alto irraggiamento (GHI > 2.000 kWh/m²/anno), rapporti di 1,3-1,5 sono comuni perché la perdita di taglio dell’inverter durante le ore di punta è più che compensata da una maggiore resa energetica durante le ore di sole parziale. Rapporti superiori a 1,6 sono rari nei sistemi commerciali collegati alla rete perché le perdite di ritaglio diventano significative e le condizioni di garanzia dei produttori di inverter possono essere influenzate dal funzionamento prolungato al limite di uscita CA. Sungrow, Huawei e SMA pubblicano tutti i rapporti di sovradimensionamento consigliati nelle loro guide di progettazione, che dovrebbero essere consultate per modelli di inverter specifici.
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