מבוא לחוטים וחומרים פופולריים המשמשים במתקני כוח פוטו-וולטאיים

בשנים האחרונות, השימוש בייצור חשמל מאנרגיה סולארית (PV) הולך וגובר, התפתחות מהירה. בתהליך הבנייה של תחנות כוח פוטו-וולטאיות, בנוסף לציוד העיקרי, כגון מודולים פוטו-וולטאיים, ממירים ושנאים מתקדמים, בנוסף לתמיכה בחיבור חומרי כבל פוטו-וולטאיים, יש תפקיד מכריע ברווחיות הכוללת של תחנת כוח פוטו-וולטאית, בבטיחות התפעול ובין אם ביעילות גבוהה. להלן סקירה מלאה של הכבלים והחומרים הנפוצים המשמשים בתחנות כוח פוטו-וולטאיות, כמו גם השפעתם הסביבתית.

על פי מערכת תחנות הכוח הפוטו-וולטאיות, ניתן לסווג כבלים לכבלי DC וכבלי AC, והם מסווגים כדלקמן בהתבסס על המטרות וסביבות השימוש המגוונות:

1. כבל DC
(1). כבלים טוריים מחברים מודולים למודולים.
(2). בין המיתרים למיתרים שלהם לבין תיבת חלוקת הזרם הישיר (תיבת התכנסות) באמצעות חיבור מקבילי.
(3). חבר כבל בין תיבת חלוקת הזרם הישר לבין הממיר.

הכבלים המפורטים לעיל הם כבלי DC, אשר חייבים להיות עמידים בפני לחות, חשיפה לשמש, קור, חום וקרינת UV. במקרים מסוימים, יש להימנע גם מחומצה, בסיס וחומרים כימיים אחרים.

2. כבל AC
(1). חבר את הממיר לשנאי העלייה באמצעות הכבל.
(2). הכבל המחבר את שנאי העלייה ליחידת חלוקת החשמל.
(3). יחידת חלוקה לרשת החשמל או כבל החיבור של המשתמש.

קטע זה של הכבל מיועד לכבל עומס AC, המונח בסביבה מקורה בהתאם לתקני בחירת כבלי חשמל כלליים.

3. כבל פוטו-וולטאי מיוחד
מספר רב של כבלי DC חייבים להיות מותקנים בחוץ בתנאי מזג אוויר קשים, לכן חומר הכבל צריך להיות עמיד בפני קרינת UV, אוזון, שינויי טמפרטורה קיצוניים ושחיקה כימית. כבלים מחומר רגיל המשמשים בסביבה זו למשך זמן ממושך יחלישו את מעטפת הכבל ואף ימסו את שכבת הבידוד. תנאים אלה לא רק יפגעו באופן מיידי במערכת הכבלים, אלא גם יעלו את הסיכוי לקצר חשמלי בכבל, כמו גם את הסבירות לשריפות או פציעות עובדים בטווח הבינוני עד הארוך, ויפחיתו משמעותית את חיי השירות של המערכת.

לכן, השימוש בכבלים ורכיבים ספציפיים לאנרגיה פוטו-וולטאית בתחנות כוח פוטו-וולטאיות הוא קריטי. עם ההתרחבות המתמשכת של תעשיית האנרגיה הסולארית, שוק הרכיבים התומכים באנרגיה פוטו-וולטאית התפתח בהדרגה, ובמונחים של כבלים, נוצרו מגוון תקנים עבור כבלים ייעודיים לאנרגיה פוטו-וולטאית. כבל קישור צולב של קרן אלקטרונים שתוכנן לאחרונה, בטמפרטורה של 120 מעלות צלזיוס, יכול לשרוד תנאי אקלים קשים וזעזועים מכניים. דוגמה נוספת היא כבל RADOX, שהוא כבל אנרגיה סולארית ייעודי שתוכנן בהתאם לתקן הבינלאומי IEC216, עם אורך חיים חיצוני פי 8 מזה של כבלי גומי ופי 32 מזה של כבלי PVC. כבלים ורכיבים פוטו-וולטאיים ייעודיים מציעים עמידות מעולה בפני מזג אוויר, עמידות בפני שחיקה של קרינת UV ואוזון, ויכולים לשרוד מגוון רחב יותר של שינויי טמפרטורה. באירופה, טכנאים גילו שרמות הטמפרטורה הנמדדות על הגג יכולות להגיע ל-100 עד 110 מעלות צלזיוס.

4. חומרי מוליכי כבלים
כבלי DC משמשים לרוב בתחנות כוח סולאריות לפעילות ארוכת טווח בחוץ; עם זאת, עקב מגבלות הבנייה, חיבורי כבלים משמשים בעיקר למחברים. חומרי מוליכי הכבלים מסווגים לליבה נחושת וליבה מאלומיניום. לכבל ליבת נחושת יש עמידות טובה יותר לחמצון מאלומיניום, אורך חיים ארוך, יציבות וביצועים טובים, ירידת מתח קטנה ואובדן הספק קטן; בבנייה, בשל הגמישות הטובה של ליבת הנחושת, רדיוס הכיפוף המותר קטן, ולכן קל לכופף אותו ולבלאי את הצינור בקלות; וליבת הנחושת מתעייפה וכיפוף חוזר ונשנה, ולכן קל לחבר אותה; יחד עם זאת, חוזק מכני של ליבת הנחושת גבוה, ולכן כבל ליבת אלומיניום, בשל תכונותיו הכימיות, נוטה לחמצון (תגובה אלקטרוכימית), והוא נוטה במיוחד לתופעת זחילה, מה שעלול להוביל לכשל.

כתוצאה מכך, לכבלים נחושת יתרונות משמעותיים במערכות אנרגיה סולאריות, במיוחד בתחום אספקת חשמל ישירה בכבלים קבורים. הם יכולים להפחית את מספר התאונות, לשפר את אמינות אספקת החשמל, להקל על הבנייה והתחזוקה וכן הלאה. זו בדיוק הסיבה מדוע כבלי נחושת משמשים בעיקר לאספקת חשמל בכבלים תת-קרקעיים בסין.

5. חומרי מעטפת בידוד כבלים
במהלך ההתקנה, התפעול והתחזוקה של תחנת כוח פוטו-וולטאית, הכבל עשוי להיות שקוע באדמה מתחת לאדמה, בסלעים סבוכים, במבנה הגג, בקצוות החדים של החיווט, או חשוף באוויר; הכבל צפוי לעמוד בפני מגוון השפעות חיצוניות. אם מעטפת הכבל אינה חזקה מספיק, בידוד הכבל יינזק, ובכך יקצר את חיי הכבל או יגרום לקצרים, שריפות וסכנות פציעות. חוקרי וטכנאים בתחום הכבלים גילו כי חומרים המקושרים עם קרינה הם בעלי חוזק מכני גבוה יותר מאשר לפני הטיפול. תהליך הקישור הצולב משנה את המבנה הכימי של הפולימר המשמש בחומר מעטפת בידוד הכבל, והופך את החומר התרמופלסטי הניתן להיתוך לחומר אלסטומר שאינו ניתן להיתוך. קרינת הקישור הצולב משפרת משמעותית גם את התכונות התרמיות, המכניות והכימיות של בידוד הכבל.

מעגלי DC חשופים לעתים קרובות למגוון נסיבות שליליות במהלך הפעולה, מה שגורם להארקה ומניעת תפקוד תקין של המערכת. שחול, ייצור כבלים לקוי, חומרי בידוד לא מספקים, ביצועי בידוד לא מספקים, הזדקנות בידוד מערכת DC ונוכחות של תקלות נזק ספציפיות - כל אלה עלולים לגרום להארקה או להפוך לסכנת הארקה. יתר על כן, האקלים החיצוני, פלישת בעלי חיים זעירים או נשיכה - כולם יגרמו לבעיות הארקה של DC. כתוצאה מכך, בתרחיש זה, מעטפת הכבל בדרך כלל משוריין בחומר חסין מכרסמים.