Návrh kabeláže a prierezov

Prečo riešiť návrh kabeláže: účinnosť, bezpečnosť a životnosť FV systému

Nesprávny výber prierezu vodičov a ochrán vo fotovoltike vedie k zbytočným stratám (nižší výnos), k prehrievaniu a skracovaniu životnosti komponentov a k bezpečnostným rizikám (oblúk, požiar, úraz el. prúdom). Cieľom správneho návrhu je udržať DC/AC straty pod cieľovými limitmi (typicky 1–2 % DC, 0,5–1,5 % AC pre úseky medzi panelmi, meničom a rozvádzačmi), zaistiť selektívnu a rýchlu ochranu pred skratmi a prepätiami a zachovať mechanickú odolnosť a dlhodobú stabilitu parametrov aj pri UV, teple, vlhkosti a vibráciách.

Špecifiká FV: DC strany, dlhé stringy a vyššie napätia

• Napätie stringov bežne 600–1000 V DC (veľké systémy až 1500 V DC), čo kladie vysoké nároky na izolácie, odpojovače a prepäťové ochrany.
• DC prúdy sú (pri bežných moduloch) rádovo 8–15 A na string; pri paralelnom spájaní rastú prúdy v zberných úsekoch (home-run, batožinové káble).
• Prostredie na streche: UV, teplo od krytiny, stojatá voda, ostré hrany, dilatácie – vyžadujú káble s UV stabilitou, dvojitou izoláciou a správnym uložením.

Materiál vodiča a izolácie: čo voliť pre PV

• Medené vodiče (Cu) pre nízke odpory, dobrú mechaniku a stabilitu kontaktov; hliník (Al) skôr pre dlhé AC úseky a veľké prierezy s vhodnými lisovanými koncovkami a predpismi na Al spoje.
• PV káble typu H1Z2Z2-K (alebo ekvivalent) s odolnosťou voči UV, ozónu, poveternosti a teplotám (typ. 90 °C dlhodobo, 120 °C núdzovo). Halogén-free izolácie znižujú toxické splodiny pri požiari.
• Vedenie v žľaboch/rúrkach: zohľadnite plniaci faktor, odvod tepla a mechanickú ochranu; nekombinujte nechránene AC a DC v jednom zväzku.

Odpor, úbytok napätia a straty: základné vzťahy

• Odpor vodiča: R = ρ · L / S, kde ρ je merný odpor (Cu ≈ 0,0175 Ω·mm²/m pri 20 °C), L dĺžka (m), S prierez (mm²).
• DC úbytok napätia na vetve tam a späť: ΔU ≈ 2 · I · ρ · L / S.
• Straty na vedení: Pstr = I² · Rloop (loop = tam + späť v DC).
• AC 3F úbytok (zjednodušene, cosφ≈1, zanedbaná reaktancia pri menších prierezoch): ΔU ≈ √3 · I · Rm · L, kde Rm=ρ/S.
• Teplotná závislosť odporu: približne +0,39 %/°C pre Cu (pri väčšom zahrievaní stúpajú úbytky).

Cieľové limity úbytku napätia a návrhové zásady

• DC medzi panelom a zbernicou: cieľ ≤ 1 %, ak je to možné (max. 2 % pri dlhých ťahoch).
• AC medzi meničom a hlavným rozvádzačom: cieľ ≤ 1 % (často limitované distribútorom siete celkovo do 3 % od miesta pripojenia).
• Optimalizujte trasu skôr než extrémne zväčšujete prierezy: krátke a priame ťahy, minimalizácia slučiek, menší počet spojov.

Príklady výpočtu (orientačné, pre predstavu)

• DC string: I = 11 A, dĺžka jedným smerom L = 30 m, Cu, S = 6 mm² → ΔU ≈ 1,93 V, ak je V_mp,string ≈ 400 V, potom ~0,48 % a P_str ≈ 21 W. Pri S = 4 mm² by ΔU ≈ 2,89 V (~0,72 %) a strata ~32 W.
• AC 3F medzi meničom (10 kW) a rozvádzačom: I ≈ 14,4 A na 400 V, L = 25 m, Cu, S = 10 mm² → ΔU ≈ 1,09 V (~0,27 %). Pri S = 6 mm² by to bolo ~1,82 V (~0,46 %).

Dimensioning prúdu: menovité, prevádzkové a skratové pomery

• Dimenzovanie DC vodičov podľa vyššie z prúdov: minimálne podľa pracovného prúdu s bezpečnostnou rezervou. Bežne sa používa násobok 1,25× menovitého prúdu stringu (a viac pri súbehu, teplote a zoskupení).
• Paralelné stringy: prúd v spoločnom úseku je súčet prúdov stringov; volia sa väčšie prierezy a odpovedajúce istenie.
• AC káble: podľa meničového prúdu pri maximálnom výkone a účinníku, so zohľadnením rozbehov/krátkodobých špičiek a požadovaného ΔU.
• Skratová odolnosť: kábel musí znesť tepelnú energiu pri skrate do vypnutia istenia (I²t) – kontroluje sa voči materiálu a izolácii.

Derating (zníženie prúdovej zaťažiteľnosti): teplota, zoskupenie, uloženie

• Teplota prostredia (strecha, pod krytinou) – aplikujte korekčné koeficienty; vysoká teplota výrazne znižuje prúdovú zaťažiteľnosť aj zvyšuje odpor.
• Skupinové vedenie (viaceré káble v jednej trase) – nižší odvod tepla → nižšia zaťažiteľnosť; zohľadnite tabuľkové koeficienty.
• Spôsob uloženia (voľne na vzduchu, v trubke, v pôde) – iné koeficienty a tepelný odpor okolia.

Napätie za chladu: kontrola Voc a voľba ochrany

• Studené počasie zvyšuje Voc. Počet modulov v stringu voľte tak, aby Voc, cold neprekročil limity meniča a ochranných prvkov. Orientačne: Voc,cold = Voc,STC · (1 + |αVoc| · ΔT) · N, kde αVoc je teplotný koeficient (napr. −0,29 %/°C) a ΔT rozdiel k min. teplote.
• Prepäťové ochrany DC (SPD, typ 2) v blízkosti poľa a meniča: zvoľte U_cpv aspoň na maximálne prevádzkové DC napätie s rezervou (bežne ≥ 1,2× Voc,max stringu), koordinujte s dĺžkami káblov a uzemnením.

Ochrana proti skratu a spätným prúdom na DC

• Pojistky/string fuses pri paralelných stringoch chránia pred spätným prúdom z ostatných stringov do poruchového.
• DC odpínač (load-break switch) na odpojenie meniča od FV poľa pri servise či poruche; musí byť dimenzovaný na DC napätie a prúd.
• Káble a spojky (MC4 a ekvivalenty) lisujte nástrojom s kalibrovaným profilom; miešanie nekompatibilných konektorov je častá príčina prehrievania/oblúka.

Uzemnenie a pospájanie, RCD a AC ochrany

• Pospájanie konštrukcie panelov a ochranné vodiče k vyrovnaniu potenciálov proti bleskovým/indukovaným účinkom.
• AC istenie selektívne (ističe, poistky), RCD podľa typu meniča (pre meniče s možným DC zložkami zvážte typ B alebo riešenie podľa výrobcu).
• Koordinácia SPD AC (typ 2 v rozvádzači pri meničoch; typ 1+2 pri bleskozvodných systémoch) a správne uzemnenie s krátkymi prepojmi.

Rozloženie trás, EMC a separácia AC/DC

• Fyzicky oddeľte dlhé paralelné úseky AC a DC, minimalizujte slučky, križujte sa kolmo, používajte kovové žľaby/ruroky s uzemnením pri citlivom okolí.
• Mechanická ochrana: chrániče hrán, dilatačné prvky, fixácie proti vetru a snehu; rešpektujte min. polomer ohybu káblov.

Smernice značenia a identifikácie

• Trvalé značenie polarít na DC, smeru toku energie a umiestnenia odpínačov, SPD a istení.
• Výstražné štítky pre DC >120 V (nebezpečné aj pri vypnutom AC), nálepky na rozvádzačoch „Pozor, dvojitý zdroj“ atď.

Kontrolný postup návrhu káblov krok za krokom

1. Stanovte topológiu (počet stringov, dĺžky trás, typ meniča, bod pripojenia do siete).
2. Overte Voc,cold a Isc pre zvolený počet modulov v stringu a lokálne teplotné extrémy.
3. Navrhnite prierezy DC podľa prúdu, dĺžky a cieľového ΔU; skontrolujte derating (teplota, zoskupenie, uloženie).
4. Navrhnite prierezy AC podľa prúdu meniča a cieľového ΔU; overte slučkové impedancie a vybavovanie istení.
5. Zvoľte istenia (string poistky/ističe, AC ističe) a odpínače (DC load-break, AC hlavný).
6. Navrhnite SPD (DC aj AC) a koordinujte ich s uzemnením a dĺžkami vodičov.
7. Upravte trasovanie (mechanika, UV, dilatácie) a doplňte montážne detaily (úchyty, rúrky, prestupy).
8. Dokumentujte schému, štítkovanie, parametre káblov, líniové odpory a výpočty ΔU a I²t.

Typické chyby a ako sa im vyhnúť

• Poddimenzovaný prierez podľa prúdu bez výpočtu ΔU a bez deratingu – výsledkom sú vyššie straty a prehrievanie.
• Miešanie konektorov rôznych výrobcov – nekompatibilné tolerancie vedú k zvýšenému prechodovému odporu.
• Spoločné zväzky AC a DC v jednej rúrke bez separácie – zhoršené EMC a chladenie.
• Ignorovanie Voc v zime – prekročenie limitov meniča alebo SPD.
• Neoznačené vodiče a chýbajúce štítky – riziká pri servise a revízii.

Praktické návrhové odporúčania (rýchly ťahák)

• DC úseky string → combiner: H1Z2Z2-K, S = 4–6 mm² pre bežné dĺžky; pri >30–40 m a vyšších prúdoch preferujte 6 mm² (alebo väčšie) pre ΔU < 1 %.
• DC combiner → menič: S podľa súčtu string prúdov (a rezervy), často 10–25 mm²; pri 1000–1500 V dôsledne kontrolujte SPD a odpínače.
• AC menič → rozvádzač: 3F 400 V, podľa výkonu meniča často 6–16 mm²; cieľ ΔU < 1 %.
• Uzemňovacie vodiče: prierez minimálne podľa predpisov, často 6–16 mm² Cu; krátke, priame trasy k HOP (hlavné pospájanie).

Uvedenie do prevádzky a revízia

• Meranie izolácie DC káblov, kontrola polarity a napätí prázdneho chodu stringov.
• Termovízia spojov a konektorov pri zaťažení – odhalí zlé krimpy a prechodové odpory.
• Meranie slučkovej impedancie na AC, test RCD a funkcie istenia; protokolované hodnoty a porovnanie s výpočtami.

Zhrnutie

Efektívny a bezpečný návrh kabeláže vo fotovoltike stojí na správnom výbere prierezov podľa prúdu, dĺžky a cieľového úbytku napätia, na zohľadnení deratingu (teplota, zoskupenie, uloženie) a na kompletnej ochrane (istenie, odpínače, SPD, uzemnenie). Výsledkom je nižšia strata energie, stabilná prevádzka a vyššia bezpečnosť počas celej životnosti FV systému.