Come funzionano realmente i pannelli solari? Un'immersione profonda nei principi del fotovoltaico e nel dimensionamento delle scatole combinatore

La rapida crescita dell'energia solare sta ridisegnando il nostro panorama energetico globale. Ma avete mai capito come la luce del sole, che viaggia per 93 milioni di chilometri fino a un semplice pannello blu, si trasforma nell'elettricità che alimenta le nostre vite? E in un sistema fotovoltaico (PV) su larga scala, come viene riunita in modo sicuro ed efficiente l'energia di centinaia o migliaia di pannelli?

Questo articolo vi guiderà dal mondo microscopico degli atomi al regno macroscopico dell'ingegneria di sistema. Demistificheremo i principi fondamentali della generazione di energia solare e forniremo una guida completa alla scelta del componente più critico per la sicurezza e l'efficienza del sistema: il combinatore fotovoltaico.

Parte 1: Il mondo microscopico dell'energia solare: un'immersione profonda nell'effetto fotovoltaico

La magia di trasformare la luce del sole in elettricità avviene nelle profondità della struttura cristallina di una cella solare. Questo processo, noto come effetto fotovoltaico, è un'affascinante interazione tra fisica e scienza dei materiali.

1.1 L'effetto fotovoltaico: La magia di trasformare la luce del sole in elettricità

La luce solare è composta da piccoli pacchetti di energia chiamati fotoni. Quando questi fotoni colpiscono un pannello solare, il loro viaggio termina, ma ne inizia uno nuovo. Se un fotone trasporta abbastanza energia, può staccare un elettrone dal suo atomo all'interno del materiale del pannello solare. Si creano così due particelle: un elettrone libero con carica negativa e un “buco” con carica positiva al posto dell'elettrone. Il movimento controllato di questi elettroni crea una corrente elettrica.

1.2 Il materiale principale: Perché il silicio?

Sebbene diversi materiali possano produrre l'effetto fotovoltaico, il silicio (Si) è il re indiscusso dell'industria solare. Situato nel gruppo 14 della tavola periodica, il silicio è un semiconduttore. Ciò significa che non è un grande conduttore come il rame, né un grande isolante come il vetro. Le sue proprietà sono una via di mezzo, il che lo rende perfetto per controllare il flusso di elettroni.

Gli atomi di silicio puro formano una struttura reticolare cristallina altamente stabile. Ogni atomo di silicio condivide uno dei suoi quattro elettroni esterni con quattro atomi vicini, creando forti legami covalenti. In questo stato puro, ci sono pochissimi elettroni liberi per trasportare una corrente, rendendo il silicio puro un cattivo conduttore. Per sbloccare il suo potenziale, dobbiamo introdurre intenzionalmente delle impurità, un processo chiamato drogaggio.

1.3 La creazione della giunzione “magica”: La nascita della giunzione P-N

Il cuore di ogni cella solare è la giunzione P-N. È qui che si crea il campo elettrico che alimenta la corrente. Si forma unendo due tipi leggermente diversi di silicio drogato.

• Semiconduttore di tipo N (negativo): Per creare il silicio di tipo N, un cristallo di silicio puro viene “drogato” con una piccola quantità di un elemento come il fosforo. Il fosforo ha cinque elettroni esterni. Quando sostituisce un atomo di silicio nel reticolo cristallino, quattro dei suoi elettroni formano legami con gli atomi di silicio vicini, ma il quinto elettrone rimane. Questo elettrone in più diventa un portatore di carica libero, pronto a muoversi e a condurre elettricità. Poiché gli elettroni sono caricati negativamente, questo è chiamato silicio di tipo N.
• Semiconduttore di tipo P (positivo): Per creare il silicio di tipo P, il silicio viene drogato con un elemento come il boro, che ha solo tre elettroni esterni. Quando il boro sostituisce un atomo di silicio, può formare solo tre legami covalenti. Al quarto legame manca un elettrone, creando un “buco”. Questo buco si comporta come una carica positiva. Può essere riempito da un elettrone proveniente da un atomo vicino, che a sua volta lascia un nuovo buco. Questo movimento di buchi equivale a un flusso di carica positiva. Si tratta del cosiddetto silicio di tipo P.

Quando gli strati di tipo N e P vengono uniti, avviene la magia. Gli elettroni liberi in eccesso dal lato di tipo N si diffondono immediatamente verso il lato di tipo P per riempire i buchi abbondanti. Allo stesso modo, le buche dal lato di tipo P si diffondono verso il lato di tipo N. Questa diffusione crea una sottile regione sulla giunzione, nota come “zona di esaurimento”, in cui i portatori di carica si sono annullati a vicenda.

Quando gli elettroni lasciano il lato di tipo N, lasciano ioni di fosforo con carica positiva. Quando le buche lasciano il lato di tipo P (o vengono riempite dagli elettroni), lasciano dietro di sé ioni di boro con carica negativa. Questa separazione di ioni positivi e negativi nella zona di esaurimento crea un campo elettrico interno potente e permanente. Questo campo agisce come una strada a senso unico, impedendo un'ulteriore diffusione e stabilendo un equilibrio stabile.

1.4 La formazione della corrente: il viaggio dell'elettrone

Ora, mettiamo tutto insieme.

1. Colpo di fotone: Un fotone di luce solare con energia sufficiente colpisce la cella solare, creando una coppia elettrone-buco.
2. Separazione mediante campo elettrico: Se questa coppia si crea nella zona di deplezione o in prossimità di essa, il campo elettrico interno entra immediatamente in azione. È abbastanza potente da spazzare l'elettrone libero verso il lato di tipo N e la buca verso il lato di tipo P. Questo impedisce loro di ricombinarsi e neutralizzarsi a vicenda. Questo impedisce loro di ricombinarsi e neutralizzarsi a vicenda.
3. Potenziale di costruzione: Questo processo si ripete miliardi di volte al secondo. Il campo elettrico determina un accumulo massiccio di elettroni sul lato di tipo N e di buchi sul lato di tipo P, creando una differenza di tensione (o potenziale elettrico) attraverso la cellula.
4. Scorrere attraverso il circuito: Quando un circuito esterno, come il cablaggio collegato a un inverter o a una batteria, viene collegato ai lati di tipo P e N, gli elettroni accumulati hanno finalmente un percorso da seguire. Escono dal lato di tipo N, attraversano il circuito esterno (svolgendo un lavoro utile, come alimentare una lampadina) e tornano al lato di tipo P, dove si ricombinano con i buchi. Questo flusso continuo e direzionale di elettroni è ciò che chiamiamo elettricità.

Dal micro al macro: La necessità di scatole combinatrici

Una singola cella solare produce solo circa 0,5 volt, una quantità minima di energia. Per generare energia utile, decine di celle vengono collegate in serie per creare un pannello solare (o modulo) e più pannelli vengono collegati insieme per formare una “stringa”. Nei grandi impianti commerciali o di pubblica utilità, è necessario combinare decine o addirittura centinaia di queste stringhe.

È qui che il micro-mondo della fisica incontra il macro-mondo dell'ingegneria. L'integrazione sicura ed efficiente della potenza di tutte queste stringhe è un compito critico. È necessario un sistema nervoso centrale per il lato CC del campo fotovoltaico. Questo ruolo cruciale è svolto dal Scatola combinatore FV.

Parte 2: Il “sistema nervoso centrale” di un impianto fotovoltaico: come scegliere correttamente un box di combinazione fotovoltaico

Un combinatore fotovoltaico è molto più di una semplice scatola di giunzione. Si tratta di un'apparecchiatura essenziale che unisce l'uscita di più stringhe solari in un'unica uscita, fornendo allo stesso tempo funzionalità vitali di protezione, isolamento e monitoraggio. La scelta giusta è fondamentale per la sicurezza, l'affidabilità e le prestazioni di qualsiasi progetto fotovoltaico su larga scala.

2.1 Che cos'è un combinatore fotovoltaico e perché è indispensabile?

In qualsiasi sistema con più di due o tre stringhe, un combinatore ha quattro funzioni principali:

• Combinazione: Consolida i numerosi cavi di ingresso delle stringhe in un unico e maneggevole cavo di uscita principale che arriva all'inverter. Questo semplifica notevolmente il cablaggio e riduce i costosi cavi di rame.
• Proteggere: Al suo interno si trovano i singoli fusibili o interruttori automatici per ogni stringa. Se una stringa subisce un guasto (come un cortocircuito), il fusibile la isola, consentendo al resto del sistema di continuare a funzionare in sicurezza.
• Disconnessione: Contiene un sezionatore principale (interruttore CC o sezionatore) in grado di disalimentare l'intero array dall'inverter, fornendo un punto critico di sicurezza per la manutenzione e i servizi di emergenza.
• Monitor (opzionale): I combinatori “intelligenti” avanzati includono un hardware di monitoraggio che tiene traccia della corrente e della tensione di ogni stringa, consentendo un'analisi delle prestazioni in tempo reale e un rapido rilevamento dei guasti.

2.2 Il metodo in sei fasi per il dimensionamento dell'azienda Scatola combinatore

Il dimensionamento corretto di un combiner box è un processo metodico. Seguite questi sei passaggi, facendo riferimento ai dati delle schede tecniche dei moduli fotovoltaici e degli inverter, per garantire una scelta sicura ed efficiente.

Fase 1: Determinazione del livello di tensione del sistema (1000V vs. 1500V)
La prima decisione riguarda la tensione CC massima del sistema.

• Sistemi a 1000V: Sono ancora comuni per molti progetti commerciali e industriali su tetto. Utilizzano stringhe leggermente più corte e più collegamenti in parallelo.
• Sistemi a 1500V: Lo standard per i nuovi progetti commerciali e su larga scala. Consentendo l'uso di stringhe più lunghe, riducono il numero totale di stringhe, scatole di combinatori e cavi, abbassando il costo complessivo del Balance of System (BOS).
  La scelta determina la tensione nominale richiesta per ogni componente all'interno della scatola. Tutti i fusibili, gli interruttori e gli SPD devono essere dimensionati per la tensione del sistema scelto.

Fase 2: Calcolo del numero di stringhe e della corrente totale
Stabilite quante stringhe avrà il vostro array e quante ne collegherete a ciascuna scatola combinatrice. Sono disponibili box con ingressi per 4, 8, 12, 16 o più stringhe. La corrente di uscita totale del box sarà data dal numero di stringhe moltiplicato per la corrente di funzionamento di ciascuna stringa. Questa corrente totale determina il valore nominale richiesto per il sezionatore principale.

Fase 3: Selezione dei fusibili di protezione delle stringhe
Ogni stringa deve essere protetta dalle correnti inverse, che possono verificarsi se una stringa è ombreggiata o guasta e le altre stringhe in parallelo vi immettono nuovamente corrente. La formula standard del settore per il dimensionamento di questi fusibili, come indicato dagli esperti di HUYU Elettrico, è:

Fusibile nominale = Isc × 1,56

Dove Isc è la corrente di cortocircuito di un singolo modulo fotovoltaico (riportata sulla scheda tecnica). Il moltiplicatore di 1,56 fornisce un fattore di sicurezza per evitare interventi fastidiosi nelle giornate fredde e luminose, quando i pannelli possono temporaneamente superare la loro potenza nominale.

Passo 4: configurazione del sezionatore CC principale
Il sezionatore principale consente di isolare la scatola dall'inverter. Le scelte principali sono due:

• Interruttore automatico scatolato CC (MCCB): Sono preferiti per i sistemi ad alta corrente (tipicamente >100A-250A) e dove è necessaria un'elevata capacità di interruzione dei cortocircuiti. Sono robusti e comuni nelle applicazioni commerciali e su larga scala.
• Interruttore miniaturizzato CC (MCB): Adatti a sistemi di piccole dimensioni con correnti moderate. Sono una soluzione economica per molti progetti commerciali su tetto.

Come evidenziato nelle guide di cnkuangya Solar, la scelta dipende dalla corrente di uscita totale e dal livello di guasto potenziale calcolato del sistema.

Fase 5: Specificare il dispositivo di protezione da sovratensione (SPD)
Un dispositivo di protezione dalle sovratensioni è un componente di sicurezza irrinunciabile. Protegge l'inverter e altri dispositivi elettronici dai danni causati da fulmini o sovratensioni di rete deviando la tensione in eccesso in modo sicuro verso terra. Per le scatole combinatore, un DOCUP di tipo 2 è tipicamente richiesto. Assicurarsi che la tensione massima di funzionamento continuo (MOCV) sia superiore alla tensione massima del sistema.

Fase 6: valutazione del materiale dell'involucro e del grado di protezione IP
L'involucro protegge i componenti critici all'interno dalle intemperie per decenni.

• Materiale: cnkuangya osserva che la scelta dipende dal clima. Policarbonato è un'opzione durevole, resistente ai raggi UV e priva di corrosione, adatta alla maggior parte degli ambienti. Verniciato o in acciaio inox offre una durata fisica superiore e viene spesso utilizzato in progetti di utilità a terra di grandi dimensioni. Per le installazioni costiere, l'acciaio inossidabile è necessario per resistere alla corrosione salina.
• Grado di protezione IP: Il grado di protezione IP (Ingress Protection) indica il livello di tenuta dell'involucro contro polvere e acqua. Per qualsiasi installazione all'esterno, un IP65 è il minimo assoluto. In questo modo si garantisce che la custodia sia “a tenuta di polvere” e possa resistere a getti d'acqua a bassa pressione provenienti da qualsiasi direzione.

2.3 Scenari applicativi commerciali tipici

Vediamo come queste scelte si traducono in progetti reali, utilizzando esempi tratti da ETEK‘della linea di prodotti dell'azienda:

• Tetto commerciale di grandi dimensioni (1000V): Per un sistema con molte stringhe in parallelo, una cassetta metallica a 12 ingressi e 1 uscita con un MCCB centrale è una scelta eccellente. Può gestire correnti elevate e fornisce un unico punto di isolamento chiaro per un'ampia sezione del campo.
• 
  
• Campo di piccole dimensioni (1500V): Per massimizzare i vantaggi della tensione più elevata, sarebbe opportuno un combinatore metallico a 16 ingressi dotato di un MCCB da 400A DC. In questo modo è possibile aggregare un gran numero di stringhe, riducendo al minimo il numero di scatole e il cablaggio complessivo richiesto.
  

2.4 Evitare i più comuni “buchi” di selezione e installazione”

Anche una scatola perfettamente specificata può fallire se installata in modo errato. Sulla base dei comuni errori di campo evidenziati da HUYU, Ecco tre errori fondamentali da evitare:

1. Ignorare il declassamento della temperatura: I componenti, come i fusibili e gli interruttori, sono previsti per il funzionamento a una specifica temperatura ambiente (ad esempio, 25°C). Un combinatore esposto al sole diretto in una giornata di 40°C può raggiungere temperature interne di 60°C o più. Questo calore riduce la capacità di trasporto della corrente dei componenti. Consultare sempre le curve di declassamento del produttore per assicurarsi che i componenti non intervengano prematuramente in condizioni di caldo reale.
2. Miscelazione di componenti CA e CC: Non utilizzare mai un interruttore progettato per la corrente alternata (CA) in un'applicazione CC. Gli interruttori in c.a. si basano sul passaggio a zero della tensione per spegnere un arco elettrico. La tensione CC è costante e un interruttore CA non riuscirà ad arrestare un arco CC, causando un incendio catastrofico. Utilizzare sempre componenti in c.c. adeguatamente dimensionati.
3. Sigillatura non corretta dei pressacavi: L'acqua è nemica dell'elettronica. L'uso di pressacavi economici o il mancato serraggio corretto compromette il grado di protezione IP della scatola. L'umidità si infiltra inevitabilmente, causando corrosione, cortocircuiti e guasti al sistema.

Conclusione

La padronanza dell'energia solare richiede una duplice attenzione: la comprensione della scienza fondamentale che la rende possibile e l'applicazione diligente di solidi principi ingegneristici per costruire sistemi sicuri e affidabili. Dal salto quantico di un elettrone alla robusta progettazione di un combinatore da 1500 V, ogni livello di dettaglio è importante.

Il combinatore fotovoltaico non è solo un componente, ma è il custode del lato CC dell'impianto. Seguendo attentamente le fasi di selezione ed evitando le insidie più comuni, potrete garantire la longevità, la sicurezza e le prestazioni del vostro investimento solare.

Per ottenere l'aiuto di un esperto nella scelta della giusta soluzione di protezione per il vostro prossimo progetto solare, contattate il team di specialisti di cnkuangya.com.