到2050年，可再生能源预计将提供全球50%的能源。其中很大一部分将是太阳能光伏
作者：Lawrence T. Conner，能源转型高级应用专家和Jaska Tarkka，能源转型应用工程师，Eaton
 
 
我们将用太阳能来满足未来的能源需求，这一事实并不令人惊讶。企业和社区一直在稳步努力成为自给自足的发电商，能够生产、储存、消费甚至将多余的可再生能源出售给他们的公用事业。
 

图1：Eaton在现场清洁能源系统上的长期投资有助于减少碳排放和能源成本，包括该公司位于克利夫兰郊外大楼的太阳能光伏系统。图片由Eaton提供。摄影：©David Sundberg/Esto
 
了解如何将太阳能光伏安全连接到建筑基础设施至关重要，这取决于两层连接——与当地电力系统的连接和与更大的公用电网的互连。考虑到系统的整体安全性和可靠性，进行这些连接至关重要。
 
安全光伏系统安装规范和标准
关于太阳能光伏系统的安全安装，有许多国家电气规范（NEC）指南。记住NEC第1-4章始终很重要。这些重要的布线、温度保护和导线尺寸的基本要求。您应该熟悉的其他主要NEC文章包括：

• NEC第690条
  第690条适用于光伏系统的光伏电气系统、阵列电路和逆变器，包括八个部分。光伏系统可以与其他电源（电力设施）交互，也可以是独立的，带或不带储能。 

• NEC第691条
  第691条包括安装逆变器发电容量大于5000千瓦（kW）的大型光伏供电站，该供电站不受公用事业的独家控制。
   
• NEC第705条
  NEC第705条阐述了如何将额外的发电电源连接到现有厂房的布线系统，以与主要电源并联运行。通常，主要能源是电力设施，而其他当地能源可能包括现场储能、太阳能、风能、燃料电池或发电机。

 
这些文章并不是理解太阳能系统的重要起点，但它们并不是太阳能系统安全安装的重要指南。首先，NEC是为消防和人员安全提供最低要求而编写的。此外，每个太阳能光伏装置都是不同的。这意味着您通常可以设计满足所有最低代码要求但未针对环境进行优化的光伏系统，这会带来正常运行时间和生产挑战。从这个角度来看，考虑代码要求以确保整体有效性和安全性是至关重要的。
 
设计更安全、更高效的太阳能光伏系统的4个技巧
 

1. 高峰条件计划

过电流保护装置（OCPD）提供了重要的功能，使光伏系统具有成本效益和可靠的性能。然而，在确定空调收集系统组件的尺寸时，通常不考虑峰值太阳能项目现场的运行条件。在最需要可靠发电的炎热夏季，这可能导致设备过热、有害跳闸、系统故障和发电量减少。
峰值现场条件单独或协同作用，以提高设备外壳内部的工作温度，并可能对部件产生远远超过设计额定值的应力。常见的峰值条件包括环境工作温度接近或超过40°C，由于外壳上的直接太阳辐射或地形反射而产生的内部热增益，以及3300英尺以上的地理海拔。
光伏系统设计师通常使用2%的高温或0.4%的高温天气数据作为系统设计的基础，并将光伏系统载流量调整为最低NEC要求，而不考虑额外的热额定系数。
在最热的夏季，当每日最高温度达到创纪录水平时，这就带来了问题。IEEE C37.24《太阳辐射对金属封闭开关设备影响的评估指南》是关于这一主题的极好参考。对于完全暴露在阳光下的光伏收集系统外壳，反射的太阳增益和直接的太阳增益可与外壳内部温度相加高达15°C。这意味着即使在温和的气候条件下，在太阳日峰值期间，内部外壳的工作温度也可以在较长时间内（4到6小时）超过50℃。需要有效的热管理来应对这一挑战。
 

图2：查看一天最高温度为37°C的配电盘外壳内部温度。太阳反射热增益约为2-4°C，外壳内部温度升高至15°C。图片由Eaton 提供
 

2. 正确选择OCPD

太阳辐射等峰值现场条件通常会超过UL设备的设计额定值。例如，UL891配电盘采用模制外壳断路器和熔断开关作为外壳中的OCPD，UL根据40°C环境温度和65°C最大负载温升列出。对于内部外壳温度高于40°C的环境，您可以应用以下热管理策略，以帮助防止设备过热和OCPD干扰操作：

• 制造商发布的OCPD在40°C以上工作温度下的参考热额定系数
• 我们认为，50°C环境条件下的OCPD尺寸是太阳能光伏应用的最佳实践
• 认识到，在太阳日的峰值温度期间，作为串级逆变器交流收集设备的OCPD通常会被密集包装，并同时承受高负荷，这会影响环境工作温度
• 适合系统负载的尺寸开关板总线，并考虑下一个载流量的增大，以减少基于热条件的热上升
• 确保设备和OCPD端子连接在75°C下使用的导线具有UL额定值，即使使用了90°C额定值的导线。 

3. 热条件下导线的尺寸

导体是一个重要的热管理系统，在运行期间从OCPD中吸出热量。如上所述，我们建议在75°C额定值下使用导线，以匹配OCPD端子UL清单。导线的尺寸也应符合NEC 310，并应用适用的NEC导线热额定系数。例如，NEC 2020表310.16提供了基于30°C环境温度的绝缘导线的75°C容许载流量，表310.15（B）（1）提供了高于30°C环境温度的热校正系数。从我们的角度来看，在太阳能应用中，为50°C条件下的电缆定尺寸是降低外壳温升的好方法。
 

图3：热场扫描显示塑壳断路器因尺寸过小电缆超过75°C UL端子额定值而过热。图片由Eaton提供
 

4. 超越规范，提高安全性

NEC提供了一个例外[2020 NEC 690.9（D）]，它消除了对太阳能电力变压器逆变器侧主过电流保护装置的要求。该例外情况表明，在没有逆变器过电流保护的情况下，允许功率变压器的额定电流连接到交互式逆变器输出，不小于逆变器的额定连续输出。
消除太阳能电力变压器二次侧的主OCPD可能会为项目成本带来经济效益，但是，这种方法会在可用电弧故障能量处于最高水平的情况下，增加运行和维护团队的电弧能量危害。
我们相信系统设计者可能想考虑在太阳能升压变压器的低压侧采用电弧闪光减少措施。为了实现这一点，您可以采用电弧降低VFI（AR-VFI）变压器设计，或使用经批准的NEC 240.67保险丝或NEC 240.87断路器将主OCPD重新添加到设计中，为1200安培及以上的电路提供电弧能量降低方法。
 
安全的太阳能光伏系统将加速低碳未来的发展
将太阳能转化为电能的技术已经成熟，而且更具成本竞争力，推动了全球可再生能源发电量的大幅增加。然而，在建筑电气系统中增加太阳能装置是复杂的，了解NEC安装要求是最低要求是很重要的。重要的是考虑在设计光伏系统时要超越代码要求，以便在未来几年内提供可靠和安全的电力。
 
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