Şebeke Paralel Fotovoltaik Sistemlerde Solar Kablolar

28 Eylül 2009

Şebeke bağlantılı fotovoltaik sistemlerinde kullanılacak solar kabloların cinsi ve amperaj değerleri ulusal yönetmeliklere göre belirlenir. Ülkemizde henüz bu konuyu düzenleyen bir yönetmelik yoktur. Aşağıdaki örnek Almanya’daki bir uygulamadan alınmıştır. Diğer ülkelerdeki uygulamalar farklı olabilir. Fotovoltaik sistemlerde kullanılacak sigorta ve solar kablola aksesuarları için de aynı şeyler geçerlidir.

Fotovoltaik modüllerin yerleşimleri üzerinden ve binada yapılan keşiflerden yaklaşık solar kablo uzunlukları ortaya çıkarılır. Fotovoltaik modüllerin yerleşiminin kablo uzunluklarını azaltacak şekilde tasarlanması gerekir. Bu aynı zamanda solar kablo kayıplarının ve ani gerilim dalgalanmalarının sebep olduğu etkileşimleri de azaltır.

Şekil 1 Fotovoltaik sistem kablolamaları

Şekil 2 2 KW ve merkezi inverterli bir fotovoltaik sistem bağlantı şeması

İlk olarak fotovoltaik sistemin kablolama diyagramının çizilmesi gerekir. Bu çizim sistem kurulumunda, kurulumu yapan teknik ekibe kılavuzluk yapar, ayrıca sistem dokümantasyonunun bir parçası olarak saklanması gerekir.

Solar kabloların ölçeklendirilmesi sırasında 3 önemli kriter baz alınmalıdır:

1. Solar kabloların gerilim değerleri 

Fotovoltaik sistem gerilimleri genellikle standart kablo gerilim değerlerini aşmaz (nominal gerilimler 450 Volt ile 1000 Volt arasında değişir). Uzun fotovoltaik modül dizilerine sahip büyük solar sistemlerde fotovoltaik dizisinin ya da grubunun maksimum açık devre gerilimi (-10 ⁰C’deki) göz önünde bulundurularak solar kabloların gerilim değerleri kontrol edilmelidir.

2. Akım taşıma kapasiteleri

Solar kabloların kesitleri sistemdeki olası en yüksek akım değerine göre hesaplanmalıdır. Kabloların akım taşıma kapasiteleri için IEC 60512 standardında listelenen değerlere göre seçim yapılmalıdır. Fotovoltaik panelden yada panel dizisinden geçebilecek akım üreteç kısa devre akımı eksi bir dizinin kısa devre akımıdır.

Eşitlik 1

Solar kablo bu akımı taşıyabilecek şekilde tasarlanmış olmalıdır ya da dizi sigortaları kabloları aşırı yüklenmeden korumalıdır. I_max kablonun yada koruma cihazının akım taşıma kapasitesinden küçük ya da eşit olmalıdır.

Eşitlik 2 

 Tablo 1 Bazı firmaların ürettiği solar kablo parametreleri

Dizi kavramına göre tasarım yapılırken fotovoltaik üretecin kısa devre akımının dizinin nominal akımına eşit sayıldığı unutulmamalıdır. Sigortalar çoklu ani akımlarla tetiklendiğine göre kabloları dizi sigortalarıyla korumak imkansızdır. IEC 60364-7-712’ye göre dizi kablosu, fotovoltaik üreteç kısa devre akımının 1.25 katını taşıyabilmelidir ve topraklama ve kısa devre hatalarına karşı dayanıklı olacak şekilde montajlanmalıdır.

Kablo ölçeklendirilmesi sırasında IEC 60512 üçüncü bölümündeki kablo hattı gereksinimleri göz önüne alınmalıdır. Kabloların akım taşıma kapasiteleri, ortam sıcaklığı, diğer kablolarla etkileşim, uygulama metotları (kablo kanalı içinde gibi) gibi faktörlerden etkilenir. Çatıda sıcaklık 70 ⁰C’ye kadar çıkabilir. Bu sıcaklığın çatıya yerleştirilen sistemlerde modül ya da dizi kablo uzunluk ve ölçeklendirme hesabı yapılırken göz önüne alınması gerekir.

Dizi sigortaları genellikle bir çok diziye sahip ve hata durumlarının büyük miktarda fotovoltaik modül geri akımlarına yol açabileceği solar sistemlerde kullanılır. Bu durumda sigortalar ya da minyatür devre kesiciler (MCB) kullanılır. Fotovoltaik panelin ya da dizinin kablo kesiti dizi sigortalarının tetikleme akımlarına göre belirlenir. Kablonun akım taşıma kapasitesi I_zCable dizi sigortasının tetikleme akımına eşit ya da daha büyük olmalıdır.

Eşitlik 3 

Sigortanın tetikleme akımı STC altındaki dizi kısa devre akımının iki katı olması gerekir.

Yanlış tetiklenmelerin önlenmesi için sigortanın nominal akım değeri nominal dizi akımının 1.25 katı olmalıdır.

Hata akımı hem pozitif hem de negatif gerilimli kablolarda olabileceği için her iki kabloya da sigorta monte edilmelidir. Sigorta ya da MCB seçimi DC çalışma koşullarına göre yapılmalıdır.

3.Solar kablo kayıplarının ve gerilim düşümlerinin asgari seviyeye düşürülmesi

Kablo ara kesit seçimi mümkün olan en düşük kablo kaybı ve gerilim düşümünü sağlayacak şekilde yapılmalıdır. 1998 yılında yayımlanan Alman standardı VDE 0100 Bölüm 712’ye göre; Direkt gerilim devresindeki gerilim düşümü fotovoltaik sistemin Standart Test Koşullarındaki (STC) nominal gerilim değerinin %1’inden fazla olamaz. Bugüne kadar gerçekleştirilen fotovoltaik uygulamaları göstermiştir ki yüksek DC giriş gerilimleriyle (VMpp > 120) çalışan inverterlerin bulunduğu sistemlerde bu değeri tutturmak standart kablo kesitleriyle zor olmamaktadır. Dizi inverterli fotovoltaik sistem tasarımları bu duruma güzel bir örnektir.

Daha düşük V_Mpp değerlerine sahip inverterlerin bulunduğu fotovoltaik sistemleri (düşük gerilimli) için 6 mm² kesitli kablolarla bile % 1’lik limiti özellikle inverterle fotovoltaik paneller arasında büyük mesafelerin bulunduğu sistemlerde aşmak mümkündür. Bu tip tasarımlarda dizi kablolarında % 1 gerilim düşümüne, ayrıca ana DC kablosunda da %1’lik bir gerilim düşümüne izin verilmektedir.

Fotovoltaik sistemlerde akım, solar ışınım değerlerine bağlıdır ve hemen hemen her zaman için STC koşullarındaki nominal sistem akımının altındadır. Akımın nominal değerin yarısı olduğu durumlarda P=I² x R eşitliğinden dolayı gerçekleşen kablo kaybı nominal akım değerindekinin dörtte biridir. Bu yüzden STC koşulları altında %2 değerinde bir gerilim düşümüne göre kablo kesit seçimi yapmak sistemin DC tarafında yıllık yaklaşık %1’lik kayba yol açar.

Şebeke bağlantılı güneş enerjisi solar PV (fotovoltaik) sistemlerde kullanılan kabloların kesit seçimi ve seçilen kesite göre oluşan gerilim düşümlerinin ve güç kayıplarının hesaplanmasıyla ilgili makalemize devam ediyoruz...

4. Fotovoltaik Modül ve Dizi Kablolarının Ölçeklendirilmesi

Akım taşıma kapasitesine göre solar kablo kesitini ölçeklendirdikten sonra kesit %1 gerilim düşümü prensibine göre seçilebilir. Aşağıdaki 3 adet formül fotovoltaik modülün ya da dizinin kablo kesitlerinin eşit uzunluklar için hesaplanmasına imkan verir. Bu formüllerde STC (Standart Test Koşulları) altındaki dizi güç çıkışıyla ilgili %1 oranında kablo kaybı öngörülmektedir.

Fotovoltaik modül ya da dizisi için hesaplanan AM kablo ara kesiti bir sonraki standart kablo ara kesitine (2.5 mm², 4 mm² veya 6 mm²) yuvarlanır. Aşağıdaki formüller fotovoltaik modül ya da dizisi solar kabloları için toplam gerilim düşümlerini hesaplar.

·

Fotovoltaik sistemin projesi normal olarak farklı dizi kablo uzunluklarına yol açar, ve böylece panellerin ve dizilerin kablo kesitleri değişir. Böyle durumlarda aşağıdaki formül kullanılabilir.

Geleneksel ara kesitler için fotovoltaik panel ve dizi kablolarının (bakır) uzunlukları Şekil 1 – 2’da görülebilir. Burada hesaplamalarda izin verilen kablo kaybı %1’dir.

Şekil 1. A=2.5mm² kablo için 300 V’a kadar MPP gerilimlerinde tavsiye edilen kablo ara kesitleri

Şekil 2.A=2.5mm² kablo için 300 V’un üzerindeki MPP gerilimlerinde tavsiye edilen kablo ara kesitleri

5. DC Ana Kablosunun Ölçeklendirilmesi

DC ana kablosu ve fotovoltaik alt – gruplarının DC bara kabloları bütün fotovoltaik grubu tarafından üretilen maksimum akımı taşıyabilmelidir. Güneş fotovoltaik grubunun kısa devre akımı nominal akımının biraz üzerinde olduğuna göre, bu durum sigortaları tetiklemez. İzolasyon ve nötr/toprak hatalarına önlem olarak, DC hassasiyetli bir nötr/toprak kaçak akım kesicisi kullanmak faydalı olacaktır.

Genel olarak IEC 60364 – 7 – 712’ye göre (ulusal standartlar ve yönetmelikler de göz önünde bulundurulmak zorunda olsa da) DC ana kablosu STC koşullarında fotovoltaik grubu kısa devre akımının 1.25 katı olarak hesaplanır. Solar kablonun kesiti, kablo için izin verilen en yüksek akım miktarına göre seçilmelidir. Sıcaklık düzeltme katsayıları, kablo grupları için düzeltme faktörleri ve akümülasyon katsayıları göz önüne alınmalıdır.

Solar kablonun kesiti enerji miktarına göre aşağıdaki formül kullanılarak optimize edilebilir. Burada da yine fotovoltaik grubunun nominal gücüne göre %1 oranında kaybın göz önüne alındığı unutulmamalıdır.

v = %1 veya %2 olarak alınacak (alçak gerilim kavramına göre) güç kaybı oranıdır.

DC ana kablosu kesiti için hesaplanan A değeri bir sonraki standart kablo kesitine (2.5 mm², 4 mm² veya 6 mm²) yuvarlanır. DC ana kablosu için gerçek kablo kayıpları şu şekilde hesaplanır:

Nötr/toprak hatalarına ve kısa devrelere dayanıklılık bakımından tek çekirdekli kılıflı yapılar pozitif ve negatif solar kablolarda tercih edilmektedir. Çok çekirdekli kablolar kullanılırsa yeşil/sarı telli (nötr/toprak için AB renk kodu) kablolar üzerinde gerilim olmamalıdır. Yıldırım riski altında fotovoltaik sistemleri için blendajlı kablolar kullanılmalıdır. DC ve AC kablolar yan yana döşenecekse, ulusal standart ve yönetmeliklerdeki montaj gereksinimleri göz önünde bulundurulmalı ve kablolar buna göre etiketlenmelidir.

6. AC Bağlantı Kablosunun Ölçeklendirilmesi

AC bağlantı kablosunun kesit hesabında nominal şebeke geriliminin %3’ü değerinde bir gerilim düşümü göz önüne alınır. Kablo kesiti şu şekilde hesaplanır;

Dengeli bir üç faz için hesaplama da şu şekilde yapılır:

5 kW nominal güç çıkışına kadar olan fotovoltaik sistemlerinde bu formül 4 – 6 mm²’lik kesitler verir. Tek fazlı inverter ve beslemelerde örneğin standart 3 x 1.5 mm² – 6 mm² arasındaki kesitlere sahip NYM-J tipi kablolar kullanılır. Üç fazlı beslemelerde 3 x 1.5 mm² – 4 mm² NYM-J tipi kablolar kullanılır.

Fotovoltaik sistemlerinde belirli bir kablo kesiti için kablo kaybını hesaplamak için aşağıdaki formüllerden faydalanılır.

Tek fazlı sistemler için:

Üç fazlı sistemler için.

Farklı sayıda tek fazlı sistemden oluşan asimetrik bir üç fazlı beslemede kablo kayıpları farklı fazlardaki ve nötr hattındaki bireysel kayıpların toplamına eşittir.

Hesaplama için faz kabloları L1, L2, L3 ve nötr hattı N’deki bireysel akım değerlerinin belirlenmesi gerekir. Alman standartlarına göre fazlar arasında izin verilen yük farkı 4.6 kVA ile sınırlıdır.PPP Ayrıca şebeke empedansı inverter girişinin 1.25 katından daha fazla olamaz. Bu inverter besleme kablosu için spesifik bir direnç değerinin ortaya çıkmasına sebep olur. Bu direnç besleme noktasına olan uzaklık ve AC bağlantı kablosunun kesit alanından ortaya çıkarılabilir.