Scelta dei cavi per il fotovoltaico

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1 Scelta dei cavi per il fotovoltaico Pubblicato il 23/01/2012 Aggiornato al: 23/01/2012 di Gianluigi Saveri 1 Introduzione Le condizioni ambientali particolarmente gravose, tipiche dei luoghi di installazione del fotovoltaico (elevate temperature, precipitazioni atmosferiche, radiazioni ultraviolette, ecc..), impongono particolari criteri per la scelta e la posa dei cavi al fine di garantirne le prestazioni richieste per il periodo di attività, previsto in almeno anni, dell'impianto stesso (figura 1). Figura 1 - I cavi solari sono espressamente concepiti per le applicazioni fotovoltaiche. L'impiego di speciali mescole isolanti, forniscono al cavo caratteristiche di durata, resistenza agli agenti chimici, all acqua, ai raggi UV, all ozono, alla corrosione, alle basse e alte temperature e un adeguato comportamento al fuoco Un cavo è formato da uno o più conduttori, dall'isolante ed eventualmente da una guaina protettiva contro le sollecitazioni ambientali, meccaniche e chimiche. Quando richiesto può essere presente anche uno schermo metallico, con funzione di schermatura nei confronti del campo elettromagnetico oppure, nei cavi di media tensione, per rendere radiale il campo elettrico in modo da sottoporre a minori sollecitazioni il dielettrico. 1

2 Fondamentalmente le mescole isolanti per cavi possono essere suddivise in tre categorie: termoplastiche (PVC), oltre una certa temperatura si rammolliscono; elastomeriche (EPR/HEPR), non si rammolliscono perché sottoposte ad una reazione chimica di reticolazione; poliolefiniche (LSOH), mescole a bassa emissione di fumi, gas tossici e corrosivi. Sull'isolante, o sulla guaina, devono essere riportate almeno le seguenti indicazioni: contrassegno del fabbricante (nome o marchio di fabbrica); sigla di designazione del cavo (ad es. N1VV-K); eventuale riferimento a norme di comportamento al fuoco (ad es. CEI II); marcatura CE. Altre indicazioni sono invece facoltative: marchio di qualità IMQ; contrassegno HAR, attestante la conformità a norme armonizzate; marcatura metrica progressiva. La tensione nominale dei cavi deve essere compatibile col sistema elettrico ed è espressa dall'insieme di due valori di tensione, U 0 /U. Allo stesso modo e con gli stessi simboli, U 0 /U, si identificano le tensioni nominali di un sistema elettrico, dove U 0 è la tensione verso terra e U la tensione tra le fasi. Corrente alternata (V) Corrente continua (V) Sigle di designazione 100/ / / / / / / / / / Tabella 1 2

3 La tensione nominale dei cavi è riferita al loro impiego in c.a. e non deve essere inferiore a quella del sistema elettrico (ad esempio, in un sistema a 230/400 V può essere usato un cavo 300/500 V o superiore, ad esempio un cavo 450/750 V). In corrente continua la tensione d'impianto, invece, non deve superare del 50% la tensione nominale dei cavi riferite al loro impiego in c.a. In altre parole le norme indicano che, nei circuiti in corrente continua, le tensioni di riferimento del cavo sono ottenute dai valori U0/U per i cavi in c.a. moltiplicati per 1,5 (Guida CEI art ). I valori delle tensioni nominali unificate dei cavi in c.a. e i corrispondenti valori ammissibili in c.c. sono riportati in tabella 1. 3

4 2 Condizioni ambientali di posa negli impianti fotovoltaici Le condizioni particolari di posa all'aperto, tipiche degli impianti fotovoltaici, impongono nella scelta dei cavi di tener presente tutti i fattori ambientali che possono incidere sull'esercizio e sulla durata dell'impianto. Occorre considerare la presenza di acqua, le basse e le alte temperature, gli agenti corrosivi e inquinanti, le radiazioni solari, ionizzanti e l'ozono e i roditori. Presenza di acqua I cavi posati all'aperto possono venire in contatto con l'acqua e deteriorarsi se di tipo non adatto. In particolare, se il cavo è posato in tubo protettivo, l'acqua può insinuarsi nel tubo anche solo per effetto della condensa. Può essere utile operare una corretta sigillatura all'ingresso del cavo nel tubo e prevedere un'adeguata inclinazione del tubo stesso e praticare dei fori di drenaggio nella parte terminale. Basse temperature Una temperatura troppo bassa determina un indurimento dell'isolante che lo rende fragile. Oltre un certo raggio di curvatura l'isolante potrebbe fendersi e quindi non è possibile posare il cavo a temperature inferiori a quelle previste per ciascun tipo di materiale isolante: + 5 C,isolamento e/o guaina PVC; - 5 C, isolamento EPR/HEPR e/o guaina LSOH; - 25 C, isolamento e/o guaina in materiale elastomerico (reticolati). Dopo la posa, indicativamente, è comunque consigliabile far lavorare il cavo a temperature non inferiori a: - 15 C, isolamento e/o guaina in PVC o M1; - 30 C, isolamento e/o guaina in materiale elastomerico (reticolati). Alte temperature Negli impianti fotovoltaici i cavi possono trovarsi ad una temperatura ambiente in corrispondenza dei pannelli che può essere molto alta e raggiungere in alcuni casi anche i 90 C. Per i cavi in PVC la temperatura massima d'esercizio, raggiunta cioè quando sono caricati con una corrente pari alla loro portata, è di 70 C. 90 C è invece la temperatura massima d'esercizio per un cavo isolato in gomma (EPR). Se la temperatura ambiente ai pannelli può 4

5 arrivare come detto anche a 90 C significa che cavi normali in PVC o in gomma non sono adatti e serviranno quindi dei cavi speciali. Elementi corrosivi e inquinanti I cavi con guaina sono resistenti nei confronti delle più comuni sostanze corrosive o inquinanti. In ogni caso, essendo tali sostanze piuttosto numerose, nelle situazioni dubbie, per ottenere maggiori informazioni sulle condizioni ottimali di posa, è buona regola rivolgersi direttamente al costruttore del cavo. Radiazioni solari, ionizzanti e ozono L'irraggiamento solare determina il deterioramento della guaina con conseguenti perdita delle caratteristiche meccaniche ed elettriche (il cavo perde anche colore, ma questo non implica necessariamente la perdita di caratteristiche meccaniche ed elettriche). Inoltre il cavo esposto all'irraggiamento solare si scalda e potrebbe quindi essere necessario ridurre la portata dei cavi esposti direttamente al sole (consigliabile una riduzione di almeno il10%). Roditori Per resistere agli attacchi di eventuali roditori, ad esempio negli impianti a terra, dovrebbero essere scelti cavi con armatura. 5

6 3 Scelta dei cavi Per la scelta dei cavi della parte in corrente continua si può assumere cautelativamente una tensione di 1,2U oc (IEC TS art ). U oc è la tensione a vuoto della stringa in condizioni di prova standard (temperatura delle celle di 25 C, irraggiamento solare sul piano del modulo di 1000 W/m 2, distribuzione spettrale corrispondente ad un indice di massa d'aria AM = 1,5). Sia nei sistemi isolati da terra sia in quelli con un polo a terra la tensione verso terra è uguale alla tensione nominale, U 0 =U (a volte il punto mediano viene messo a terra pertanto U 0 =U/2). In considerazione di ciò deve essere verificato che sia 1,5U 0 > 1,2V 0C (ad esempio, cavi con tensione nominale 0,6/1 kv sono adatti per impianti fino 900Vc.c. essendo: 600 x 1,5 = 900 V >1,2V 0C ). Per ridurre il rischio di un guasto a terra e di cortocircuito è bene che le condutture siano di classe II, in pratica che siano dotate di un isolamento doppio o rinforzato. Nei sistemi elettrici in c.a. con tensioni nominali non superiori a 690 V, secondo la CEI 64-8, art sono da considerare di classe II le condutture costituite da: cavi con guaina non metallica con tensione maggiore di un gradino rispetto a quella necessaria per il sistema elettrico servito (isolamento rinforzato); cavi unipolari senza guaina installati in tubo protettivo o canale di materiale isolante (isolamento doppio) Da quanto detto, a proposito dell'impiego di cavi con isolamento in classe II in sistemi elettrici in c.c. con tensioni nominali non superiori a 690 V,valore in c.a., deriva che tali cavi possono essere impiegati in c.c fino a 690 V x 1,5 = V. 6

7 4 Cavi solari FG21M21 I cavi lato corrente continua servono a collegare fra loro i moduli e la stringa al quadro di campo o sottocampo e inverter (direttamente all'inverter nei piccoli impianti) e possono, a seconda delle condizioni ambientali di posa, essere distinti per comodità in solari e non solari. I cavi solari sono cavi particolari che potrebbero essere chiamati a sopportare, per periodi più o meno lunghi, condizioni ambientali piuttosto gravose. In particolare devono essere in grado di resistere, anche se per brevi periodi, ad elevate temperature, essendo i collegamenti fra i moduli effettuati normalmente sul retro dei moduli stessi, dove la temperatura può raggiungere valori anche di 80 C. Oltre a questo devono presentare una buona flessibilità e resistere ai raggi ultravioletti se installati a vista (CEI 64-8 art ). Per tali collegamenti non è pertanto consigliabile l'utilizzo di cavi normali, sono invece raccomandati cavi specifici per applicazioni fotovoltaiche (solo in particolari condizioni di posa, ad es. all'interno, in tubi protettivi, interrati, ecc.., dopo attenta valutazione è possibile scegliere altri tipi di cavi). La Norma CEI li individua con la sigla FG21M21 e ne fornisce le caratteristiche peculiari: Conduttore in fili di rame stagnato Isolante in mescola elastomerica reticolata senza alogeni di tipo G21 (HEPR) Guaina in mescola elastomerica reticolata senza alogeni, tipo M21 Temperatura ambiente da -40 a +90 C Temperatura massima di sovraccarico +120 C Temperatura massima di cortocircuito +250 C Tensione massima, U m 1,8 kv c.c. anche verso terra Periodo di utilizzo stimato: 25 anni Oltre a questo ai cavi sono richieste anche le seguenti caratteristiche: Tensione massima compatibile con quella di sistema Sezione sufficiente a limitare le cadute di tensione, nel tratto compreso fra i moduli e gli inverter, entro il 2% (anche se e consigliabile rimanere entro l 1%) Adatti all'installazione fissa all'esterno ed all'interno, protetti con guaina esterna o entro tubazioni isolanti a vista o incassate, o entro sistemi chiusi similari Adatti anche per la posa direttamente interrata o in tubo interrato secondo le prescrizione della Norma CEI Resistenti all acqua, agli UV, all ozono, al gelo e agli agenti chimici, lunga durata Elevata resistenza meccanica Capacita di operare alla temperatura raggiungibile dalla specifica applicazione. 7

8 8

9 Guida alla scelta dei cavi per gli impianti fotovoltaici Figura 2 - Esempio di cavo solare FG21M21 (PRYSMIAN) 9

10 Dopo il primo quadro o cassetta di collegamento, allontanandosi dai moduli, i cavi si trovano ad una temperatura ambiente più bassa (30-40 C), pertanto possono essere impiegati cavi con caratteristiche meno severe (cavi non solari). Se la posa avviene all'interno si applicano le regole generali sugli impianti. Se la posa come solitamente accade è all'esterno devono essere utilizzati cavi con guaina (anche se in tubo) adatti per un tale tipo di posa (es. FG7(O)R 0,6/1 kv oppure F, N1VV-K, ecc...). Inoltre occorre tener presente che i cavi non solari non presentano un'appropriata resistenza ai raggi ultravioletti e pertanto devono essere protetti dalle radiazioni solari mediante tubi o canali. Le stesse considerazioni ora svolte per i cavi non solari lato corrente continua possono essere estese anche ai cavi posati nella parte in corrente alternata a valle dell'inverter fino al punto di collegamento con l'impianto utilizzatore. 10

11 5 Dimensionamento dei cavi Il dimensionamento dei cavi (CEI 64-8 art ) viene condotto in modo da contenere la caduta di tensione entro i limiti prestabiliti e da garantire una durata di vita, per conduttori e isolanti sollecitati dagli effetti termici provocati dal passaggio della corrente nelle condizioni ordinarie di esercizio, almeno pari a quella dell'impianto fotovoltaico servito. In generale la sezione di un cavo deve essere scelta in modo tale per cui la sua portata (I z ) non sia inferiore alla corrente di impiego (I B ) del circuito (I z >I B ) e la caduta di tensione nel tratto compreso fra i moduli e gli inverter sia contenuta entro il 2% o, come consigliato, entro l 1 % (negli impianti fotovoltaici la caduta di tensione ammessa è più bassa del consueto 4% previsto per il corretto funzionamento degli impianti utilizzatori perché si vuole limitare al massimo la perdita di energia prodotta per effetto Joule sui cavi. Infatti, una caduta di tensione del 4% equivarrebbe ad una perdita di potenza del 4% essendo: ΔU ΔU In ΔP Δ U % = = = = ΔP% ). U U I P n n n n La connessione fra i moduli di una stringa è solitamente effettuata tramite i cavi di cui sono dotati i moduli stessi. II cavo di stringa è attraversato dalla corrente risultante dal collegamento dei moduli in serie che formano la stringa. Nelle normali condizioni di funzionamento un modulo fornisce una corrente prossima a quella di cortocircuito. Se indichiamo con I sc la corrente di cortocircuito del modulo in condizioni di prova standard possiamo assumere la corrente d'impiego per il circuito di stringa pari a I B = 1,25 I sc. La maggiorazione del 25% tiene prudenzialmente conto di valori di irraggiamento superiori a 1000 W/m 2. Quando n stringhe fanno capo ad un quadro di sottocampo, i cavi che collegano i quadri di sottocampo all'inverter devono sostenere una corrente d'impiego pari a I B = n1,25i sc. Attualmente molti costruttori di inverter permettono di realizzare il parallelo fra le stringhe direttamente nell'inverter stesso. Se invece è necessario un quadro generale lato c.c., occorre dimensionare il cavo di collegamento tra il quadro e l'inverter per la corrente complessiva di tutte le stringhe afferenti all'inverter stesso. La portata di un cavo, intesa come il valore massimo di corrente che un cavo può portare a regime termico senza che sia superata la temperatura massima di funzionamento, è indicata dai costruttori ed è riferita alla temperatura ambiente, usualmente 30 C in aria libera. Le portate dei cavi non solari sono fornite dalle tabelle CEI UNEL 35024/1 per la posa in aria alla temperatura ambiente θ 0 = 30 C e CEI UNEL per la posa interrata. 11

12 Per una temperatura ambiente di posa (θ a ) diversa da quella di riferimento (θ 0 ) la portata di un cavo indicata nella tabella CEI UNEL 35024/1 va moltiplicata per un coefficiente: k 1 = 0,58 per posa sulla parte posteriore del modulo dove la temperatura ambiente θ a può raggiungere valori di 70 C; k 1 = 0,91 per posa in tubo al sole con una temperatura θ a prevista di 40 C. I coefficienti 0,58 e 0,91 si ricavano dalla formula θs θa k 1 =. θ θ s 0 Se con θ S si indica la temperatura massima di funzionamento dell'isolante e se θ 0 è la temperatura di riferimento della portata, il coefficiente k 1 per ottenere la portata ad una temperatura ambiente di 70 C s alla temperatura θ a vale: = 0, s 40 k 1 = e anche k 1 = = 0,

13 Figura 3 - Schema dei circuiti di un impianto fotovoltaico per la definizione delle correnti d'impiego 13

14 Se i cavi sono posati in fascio occorre applicare un ulteriore fattore di riduzione della portata dipendente dal numero di cavi posati nello stesso tubo o canale (tabella 2). Numero di circuiti k 2 2 0,80 3 0,70 4 0,65 5 0,60 6 0,57 7 0,54 8 0,52 9 0, , , ,38 Tabella 2 - Coefficiente k 2 di correzione della portata di cavi posati in fascio. 14

15 Cavo solare di stringa unipolare, tipo FG21M21, sezione 2,5 mm 2, portata 41 A, posa in aria libera nel retro dei moduli, temperatura ambiente di riferimento del cavo 60 C, (si vedano parametri termici e dati costruttivi del cavo indicati in figura). Se la temperatura massima di funzionamento del cavo solare è 120 C, il coefficiente di riduzione della portata da 60 C a 70 C vale θs θa k 1 = = = 0,91. θ θ s 0 Considerando sulla parte posteriore del modulo una temperatura ambiente di 70 C, la portata si riduce di un coefficiente k 1 : 0,91 x 41 A = 37,3 A. La portata deve essere ulteriormente ridotta di un coefficiente k 2 se il cavo è posato in fascio. Al limite se il fascio è costituito da 20 circuiti: 0,38 x 37,31 A = 14,2 A. Figura 4 - Esempio di dimensionamento in portata di un cavo solare Dimensionato il cavo per la caduta di tensione prevista, solitamente i cavi presentano una portata più che abbondante rispetto alla corrente di impiego del circuito di stringa, generalmente non superiore a 10A. Se si utilizzano cavi solari (si veda l'esempio di figura 4) si possono posare in fascio anche fino a 20 circuiti e il cavo risulta ancora abbondante. Utilizzando cavi non solari vicino ai moduli per i circuiti di stringa una sezione di 2,5 mm2 normalmente va ancora bene, occorre però ridurre il numero di circuiti posati in fascio nello stesso tubo. Occorre altresì ricordare che la portata dei cavi fornita dalle tabelle CEI UNEL si riferisce ad una durata di vita di circa 20/30 anni, presupponendo che il cavo che sostenga ininterrottamente per tutti i 15

16 giorni dell'anno una corrente pari alla sua portata. Questo non si verifica negli impianti fotovoltaici dove il cavo conduce corrente solo per una parte del giorno. Le verifiche suddette possono essere condotte mediante l uso delle tabelle della Guida CEI 20-65, mentre per la portata dei cavi FG21M21 ci si può riferire all Allegato A della Norma CEI Nei casi con modalità di posa diverse, il dimensionamento deve essere effettuato in relazione al cavo con posa più gravosa. I cavi di stringa sono normalmente collocati negli appositi spazi ricavati direttamente nei profili metallici delle strutture di supporto dei moduli (figura 5) o a volte fissati con fascette resistenti ai raggi UV ai profili metallici stessi (solo cavi solari). Figura 5 - I cavi di stringa sono solitamente collocati in appositi vani portacavi ricavati direttamente nella struttura di supporto dei moduli 16

17 Oltre la stringa, i cavi sono di norma sistemati in canali o tubi protettivi che forniscono una protezione nei confronti delle sollecitazioni meccaniche e dei raggi UV (protezione indispensabile per i cavi non solari). In fase di messa in opera occorre rispettare i raggi minimi di curvatura forniti dal costruttore. Non esistono prescrizioni normative particolari sui colori dei cavi in corrente continua negli impianti fotovoltaici. In genere i cavi solari sono commercializzati con guaine del seguente colore e per i seguenti tipici impieghi: rosso, polo positivo; nero, polo negativo; blu, polo mediano. Per i cavi della sezione in c.a. i colori distintivi sono quelli previsti dalle norme (CEI 64-8 art CEI UNEL 00722): blu, conduttore di neutro; nero, grigio e marrone, conduttori di fase (consigliati, non obbligatori). Il giallo-verde è utilizzato per il conduttore di protezione ed equipotenziale sia in c.c. sia in c.a. 17

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