La guida definitiva alla protezione fotovoltaica in corrente continua

Nella spinta globale verso le energie rinnovabili, i sistemi solari fotovoltaici (PV) si sono trasformati da una tecnologia di nicchia a una parte fondamentale della moderna infrastruttura energetica. Per i proprietari di case e le aziende, l'installazione di pannelli solari rappresenta un importante investimento a lungo termine per l'energia sostenibile e l'indipendenza finanziaria. Tuttavia, l'efficienza e la sicurezza di un impianto fotovoltaico dipendono in larga misura da un elemento spesso trascurato: robusta protezione elettrica.

A differenza della corrente alternata (AC) utilizzata nelle abitazioni, la corrente continua (DC) generata dagli impianti solari presenta sfide di sicurezza uniche e complesse. Questa guida illustra tutto ciò che è necessario sapere sulla protezione fotovoltaica in corrente continua, dalle differenze principali tra corrente continua e corrente alternata alla realizzazione di un sistema di protezione completo e conforme alle norme.

1. Perché Protezione fotovoltaica DC Questioni: Alimentazione in c.c. o in c.a.

Per comprendere la necessità di una protezione specializzata per la corrente continua, occorre innanzitutto chiarire le differenze fondamentali tra l'alimentazione in corrente continua e quella in corrente alternata e il loro impatto sulla sicurezza.

Principali differenze tra alimentazione CC e CA

I pericoli dei sistemi CC non protetti

I dispositivi di protezione standard per la corrente alternata non sono progettati per gestire le proprietà uniche della corrente continua:

• A Arco DC manca l'interruzione naturale, creando plasma ad alta temperatura che può innescare incendi.
• A Scossa CC porta a una contrazione muscolare continua, aumentando il rischio di gravi ustioni e danni interni.

Senza una protezione specializzata per la corrente continua, anche piccoli guasti elettrici in un impianto fotovoltaico possono trasformarsi in problemi catastrofici.

2. Minacce principali per i sistemi solari a corrente continua

Il lato CC di un impianto fotovoltaico (dai pannelli solari all'inverter) è esposto a tre rischi elettrici principali. La comprensione di queste minacce è il primo passo per costruire una strategia di protezione efficace.

1. Sovracorrenti: Cortocircuiti e sovraccarichi

Una sovracorrente si verifica quando la corrente supera il limite di sicurezza di un circuito. Ha due forme comuni:

• Cortocircuiti: Un percorso involontario a bassa resistenza (ad esempio, un cablaggio danneggiato, un contatto del conduttore con il telaio di un modulo) provoca un'improvvisa e massiccia corrente. Nelle stringhe fotovoltaiche in parallelo, le stringhe sane "retrocedono" la corrente nel guasto, surriscaldando i conduttori e innescando incendi.
• Sovraccarichi: Un aumento prolungato e moderato della corrente (ad esempio, array fotovoltaici sovradimensionati rispetto alla capacità dell'inverter) porta a un graduale accumulo di calore. Questo degrada i componenti, fonde l'isolamento e infine provoca incendi.

2. Sovratensioni: Sovratensioni transitorie e permanenti

Le sovratensioni sono picchi di tensione o tensioni elevate prolungate che danneggiano i componenti sensibili:

• Sovratensioni transitorie: Brevi picchi di elevata intensità (ad esempio, fulmini, commutazioni). Anche le sovratensioni di microsecondi possono distruggere gli inverter, mentre piccole sovratensioni ripetute degradano i componenti nel tempo.
• Sovratensioni permanenti: Condizioni di alta tensione prolungate (ad esempio, guasti al conduttore di neutro nei sistemi trifase). Queste condizioni costringono i componenti ad assorbire una maggiore quantità di corrente, con conseguente surriscaldamento e bruciatura.

3. Guasti ad arco in corrente continua: Il pericolo d'incendio silenzioso

Un guasto ad arco CC è una scarica elettrica involontaria attraverso una piccola fessura del circuito. È particolarmente pericoloso per due motivi:

1. Non c'è l'estinzione naturale dell'arco (a differenza della corrente alternata), quindi gli archi bruciano indefinitamente finché il circuito non viene interrotto manualmente.
2. L'arco crea un plasma a bassa resistenza, che si sviluppa anche quando i conduttori si separano.

I guasti ad arco iniziano spesso con un guasto a terra (conduttore CC che tocca una superficie messa a terra, ad esempio il telaio di un modulo). Un secondo guasto a terra su un conduttore diverso bypassa la protezione dell'inverter, innescando un'enorme ondata di corrente e un arco persistente, una delle principali cause di incendio del fotovoltaico.

3. I quattro pilastri della protezione CC: Ripartizione tecnica

Un impianto fotovoltaico sicuro si basa su quattro dispositivi di protezione fondamentali, ognuno dei quali svolge un ruolo distinto. Di seguito viene illustrato in dettaglio il loro funzionamento, i loro pro e contro e la loro collocazione.

A. Fusibili CC: La prima linea di difesa

I fusibili DC sono dispositivi passivi e monouso progettati per bloccare le sovracorrenti. Contengono un filo/striscia metallica calibrata che si scioglie quando la corrente supera un limite stabilito, interrompendo il circuito.

Specifiche chiave per i fusibili CC

• Tensione nominale (VDC): Deve essere uguale o superiore alla tensione massima a circuito aperto del campo fotovoltaico (impedisce la formazione di archi dopo la fusione).
• Corrente nominale (A): Dimensione a 125% della corrente continua massima del circuito (evita falsi interventi).
• Capacità di interruzione (IC): La corrente di guasto massima che il fusibile può bloccare in modo sicuro (i moderni fusibili fotovoltaici spesso gestiscono ≥200.000 ampere).

Pro e contro

• ✅ Risposta rapida ai cortocircuiti; IC elevato; conveniente per la protezione delle stringhe.
• ❌ Monouso (richiede la sostituzione); nessuna disconnessione manuale.

Posizionamento strategico

• Scatole combinatrici interne per ogni stringa fotovoltaica in parallelo (isolano le stringhe guaste mentre le altre funzionano).
• Vicino ai terminali della batteria (protegge i sistemi basati sulla batteria dai cortocircuiti).
• Entrambi i conduttori positivo/negativo nei sistemi senza messa a terra.

B. Interruttori automatici CC: Il protettore riutilizzabile

Gli interruttori in corrente continua sono dispositivi automatici e ripristinabili che utilizzano meccanismi termici e magnetici per interrompere i circuiti:

• Elemento termico: Una striscia bimetallica si piega in caso di sovraccarico prolungato, facendo scattare l'interruttore.
• Elemento magnetico: Un solenoide attiva un intervento immediato in caso di cortocircuito.

Per gestire gli archi persistenti della corrente continua, gli interruttori utilizzano una tecnologia specializzata:

1. Soffio magnetico: Una bobina magnetica allontana gli archi dai contatti, allungandoli.
2. Scivoli ad arco: Le piastre metalliche in una camera raffreddano e dividono gli archi fino a spegnerli.

Specifiche principali

• Tensione nominale ≥ tensione massima del sistema.
• Corrente nominale ≥125% di corrente continua massima.
• Corrente nominale di cortocircuito (SCCR) > corrente di guasto massima disponibile.

Pro e contro

• Ripristinabile; indicatore visivo di intervento; funge anche da sezionatore manuale.
• ❌ Più lento dei fusibili; costo iniziale più elevato; design complesso per l'estinzione dell'arco.

Posizionamento strategico

• Scatole combinatore (protezione delle stringhe).
• Circuiti di uscita dell'array principale (protezione da sovracorrente centralizzata).

C. Sezionatori CC: L'isolatore di sicurezza

I sezionatori DC (o sezionatori PV) sono interruttori manuali che creano un'interruzione fisica e visibile del circuito. Il loro ruolo principale non è la protezione da sovracorrenti, ma la sicurezza per la manutenzione e le emergenze.

Perché sono essenziali

• I pannelli solari generano energia finché sono esposti alla luce del sole, creando rischi per i tecnici. I sezionatori isolano il campo, eliminando i rischi di scosse durante le riparazioni.
• In caso di incendi/allagamenti, i primi soccorritori utilizzano i sezionatori per disalimentare rapidamente il sistema.

Pro e contro

• ✅ Punto di isolamento visibile; bloccabile per una sicurezza a lungo termine; fondamentale per la risposta alle emergenze.
• ❌ Nessuna protezione automatica contro le sovracorrenti; richiede un intervento manuale.

Posizionamento strategico

• Tra i pannelli solari e l'inverter.
• Più posizioni (ad esempio, tetto vicino ai pannelli, terra vicino all'inverter) per l'accessibilità.
• Integrato in alcuni moderni inverter per semplificare l'installazione.

D. SPD (Dispositivi di protezione dalle sovratensioni) CC: Il parafulmine

Gli SPD DC proteggono dalle sovratensioni transitorie (ad esempio, dai fulmini) utilizzando un Varistore all'ossido di metallo (MOV):

• In condizioni normali: Il MOV presenta una resistenza elevata, che isola l'SPD.
• Durante una sovracorrente: La resistenza del MOV si riduce istantaneamente, deviando la corrente in eccesso verso terra.
• Dopo la sovracorrente: Il MOV torna a una resistenza elevata, pronto per gli eventi futuri.

Specifiche principali

• Tensione nominale (VDC): ≥ tensione CC massima del sistema.
• Corrente di picco massima (Imax): Corrente di picco (in kA) che l'SPD può deviare in un unico evento.
• Corrente di scarica nominale (In): Corrente che l'SPD gestisce ripetutamente (puntare a In ≈ 50% di Imax).
• Valutazione delle sovracorrenti (Joule): Capacità di assorbimento dell'energia (MOV più grandi = valori joule più elevati).

Pro e contro

• Tempo di risposta di un nanosecondo; riutilizzabile; protezione passiva.
• ❌ Nessuna protezione contro le sovracorrenti; capacità energetica limitata; si degrada con ripetute sovracorrenti.

Posizionamento strategico

• Vicino all'inverter (per cavi di lunghezza inferiore a 10 metri).
• Scatola combinatore (per tratte >10 metri - protezione doppia ad entrambe le estremità).
• SPD di tipo 1 (protezione diretta dai fulmini) all'ingresso dell'alimentazione principale; SPD di tipo 2 (sovratensioni indirette) alle scatole di combinatori (comuni per i sistemi residenziali/commerciali).

4. Realizzazione di un sistema completo di protezione CC: Codice e progettazione

Un sistema di protezione CC efficace non è solo un insieme di dispositivi, ma è un sistema di protezione rete coordinata allineato agli standard del settore. Ecco come progettarlo, oltre ai principali requisiti del codice.

Progettazione del sistema di protezione CC passo dopo passo

1. Da campo fotovoltaico a scatola di combinatori:
   • Collegare i pannelli in serie (stringhe) per aumentare la tensione; le stringhe in parallelo per aumentare l'amperaggio.
   • Installare fusibili/interruttori CC per ogni stringa in parallelo (impedisce il backfeeding).
   • Aggiungere un SPD DC (tipo 2) per bloccare le sovratensioni.
2. Sezionatore da scatola combinata a interruttore CC:
   • Indirizzare l'alimentazione CC aggregata verso un sezionatore (punto di isolamento manuale).
   • Collocare i sezionatori in posizioni accessibili (tetto + terra).
3. Dal sezionatore all'inverter:
   • Invia l'alimentazione all'inverter (converte la corrente continua in corrente alternata).
   • Aggiungere un secondo SPD CC vicino all'inverter (per i cavi lunghi).
   • Affidarsi alla protezione interna dell'inverter per la sicurezza finale.

Requisiti chiave dei codici (NEC e IEC)

La conformità ai codici elettrici non è facoltativa: è obbligatoria per la sicurezza e la validità della garanzia. Ecco gli standard più importanti:

5. Conclusione: Il miglior ROI per il vostro sistema solare

Investire in una protezione per il fotovoltaico in corrente continua non è un costo aggiuntivo, ma un'opportunità. salvaguardia del vostro investimento solare. Un sistema ben progettato:

• Previene costosi danni alle apparecchiature e rischi di incendio.
• Assicura il funzionamento affidabile dell'impianto fotovoltaico per decenni (proteggendo le garanzie).
• Mantiene i tecnici e i primi soccorritori al sicuro.

I quattro pilastri della protezione CC - fusibili, interruttori, sezionatori e SPD - lavorano insieme per trasformare il vostro impianto solare in una fonte di energia sicura ed efficiente. Seguendo le norme del settore e dando la priorità a una progettazione professionale, otterrete molto più che energia pulita: otterrete la massima tranquillità.

Che si tratti di un proprietario di casa che installa un sistema su tetto o di un professionista che progetta un impianto commerciale, ricordate: Una robusta protezione DC è alla base di un investimento solare di successo.