耐紫外線性と熱老化: 太陽光発電ケーブルの耐用年数を決定する 2 つの劣化メカニズム
太陽光発電ケーブル は動作寿命全体を通じて太陽光にさらされます。屋上システムでは、これは 25 年のシステム設計寿命にわたって 10,000 時間を超える直接日射量の蓄積を意味する可能性があり、夏のピーク時には南向きの屋根の表面温度が定期的に 70 ～ 90°C に達します。これら 2 つの要因、紫外線放射と持続的な高温は、専用の PV ケーブルと汎用の屋外ケーブルを区別する主な劣化メカニズムであり、それらの相互作用を理解することは、ケーブル材料の選択が製品カテゴリ間で互換性がない理由を説明するのに役立ちます。
紫外線は、光酸化と呼ばれる光化学プロセスを通じて絶縁体とシースのポリマー鎖を攻撃し、分子結合を切断し、材料を徐々に脆化させます。標準的な PVC は、安定剤を添加しないと本質的に紫外線に対して不安定であり、直射日光にさらされると 3 ～ 5 年以内に表面のひび割れや脆性の増加が見られる可能性があります。架橋ポリエチレン (XLPE)、および PV 特有の用途でより一般的には、架橋 EVA または XLPO (架橋ポリオレフィン) 化合物は、その三次元ポリマーネットワーク構造が鎖の可動性を制限し、UV 暴露下での分子切断に対する固有の耐性を提供するため、光酸化にはるかに効果的に抵抗します。架橋プロセスは、過酸化物化学または電子ビーム照射によって達成されるかどうかに関係なく、材料の連続動作温度定格を、標準的な熱可塑性ポリエチレンの限界 70°C から、PV 用途で使用される XLPE バリアントの 90°C または 120°C まで上昇させます。
持続的な温度での熱老化は、非線形な形で UV 劣化と相互作用します。つまり、温度が上昇すると、UV によって開始される酸化反応が加速されます。これは、85°C のケーブルは、個々の温度と UV の影響の合計が示唆するよりも大幅に早く劣化することを意味します。 PV ケーブルの国際規格である IEC 62930 は、UV 暴露試験に加えて、120°C で 3,000 時間の延長熱老化試験を要求することでこの問題に対処しています。これは、汎用ケーブル規格には含まれていない複合的な認定です。 IEC 62930 に基づいて CE マークが付いているケーブルは、規定の破断時伸びと引張強度の保持に関する両方のテストに合格しており、データシートだけでは提供できない複合耐久性の客観的な証拠を提供します。 Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd.は適格です 太陽光発電ケーブル IEC 62930 要件に準拠し、原材料の仕様から推測するのではなく、化合物の性能がテストを通じて検証されることを保証します。
DC 電圧定格とシステム電圧、開路電圧、ケーブル定格の違い
太陽光発電システムのケーブル選択における最も重大な誤解の 1 つは、システムの公称 DC 電圧、低温条件下での最大開回路電圧、およびケーブル自体の電圧定格の関係です。これら 3 つの値はそれぞれ異なり、開回路および温度補正された最大値を考慮せずに、公称システム電圧のみに定格されたケーブルを選択すると、潜在的な絶縁応力状態が生じ、すぐには故障が発生しない可能性がありますが、絶縁劣化が促進され、システムの耐用年数が経つと絶縁破壊につながる可能性があります。
結晶シリコン PV ストリングでは、セル温度が低下すると、各モジュールの開放電圧 (Voc) が増加します。標準テスト条件（25°C）で公称 Voc が 48V のモジュールは、電圧の温度係数に応じて、−10°C で最大 56 ～ 58V を生成します（結晶シリコンの場合、通常は 1°C あたり -0.3% ～ -0.4%）。このようなモジュールを 20 個並べた場合、この低温 Voc は 1,100 ～ 1,160V に達します。これは、単に「公称システム電圧 1,000V をカバーする」ために指定されたケーブルの定格 1,000V を超える可能性があります。 IEC 60364-7-712 およびほとんどの国の PV 設置規定では、設置場所で予想される最低周囲温度の下で最大ストリング Voc をカバーするケーブル電圧定格が必要です。高地または北部気候の設置では、1,000V インバーター入力を中心に設計されたシステムであっても、1,500V 定格のケーブルが必要になる場合があります。
事業規模および商用屋上 PV における 1,000V から 1,500V へのシステム アーキテクチャの移行により、この要件はさらに厳しくなりました。 DC1,500V では、ケーブルの誘電体材料にかかる絶縁応力は、1,000V の場合よりも単純に 50% 高いわけではありません。絶縁破壊の確率は電界強度の強い非線形関数であり、定格電圧と実際の耐電圧の間のギャップは、より高い動作電位では大幅に狭まります。 IEC 62930 に基づく 1,500V DC 定格のケーブルは、1,000V 定格のケーブルよりもはるかに厳しい電圧テスト (6,000V AC または同等の DC) に合格する必要があり、より高い電圧レベルで必要とされる絶縁壁の厚さと複合品質の実際の違いを反映しています。
| システムアーキテクチャ | 公称直流電圧 | 典型的な冷温時の最大 Voc | 必要な最小ケーブル定格 |
|---|---|---|---|
| 住宅の屋上 | DC600V | 最大720V | DC1,000V(IEC62930) |
| 商業・工業用屋上 | DC1,000V | 最大1,150～1,200V | DC1,500V(IEC62930) |
| ユーティリティスケールの地上マウント | 1,500V DC | 最大1,750V（寒冷地） | 1,500V DC サイト固有のディレーティング |
束ねられたPVストリングケーブルと電線管で配線されたPVストリングケーブルの通電容量のディレーティング
ケーブルのデータシートで公開されている電流容量の値は、基準周囲温度、つまり実際の PV 設置方法を反映することはほとんどない条件における自由空気中での 1 本のケーブルに基づいています。実際には、PV ストリング ケーブルは通常、グループに束ねられ、導管を通って配線され、空気の流れが制限された屋根膜の下に設置されるか、トラッカー構造上のケーブル トレイに沿って互いに直接接触して敷設されます。これらの各条件により、ケーブルの熱放散能力が低下し、導体の温度が公表されている定格電流で想定されるレベルを超えて上昇します。ディレーティング係数を無視すると、導体温度が絶縁体の連続定格を超え、熱劣化が加速し、抵抗が増加します。その結果、自己強化サイクルで動作温度がさらに上昇します。
バンドルのディレーティングは、一般的な PV 設置において最も重要な要素です。電流が流れる複数のケーブルが熱的に接触または近接している場合、各ケーブルの熱出力により、隣接するケーブルの周囲温度が上昇します。 IEC 60364-5-52 はグループ化補正係数を提供します。接触している 2 本のケーブルは個々の電流容量の約 80% を保持し、一緒にグループ化された 4 本のケーブルは約 65% を保持します。また、6 本以上のケーブルは形状に応じて 57% 以下しか保持しない場合があります。自由空気中で定格 25A のストリング ケーブルを、同じ電流レベルの他の 5 つのストリングと束ねた場合、ケーブルあたりの定格電流容量は 14 ～ 15A に低下する可能性があります。これは、放射照度が高い日のストリングの短絡電流を下回ります。この状況では、より大きな導体断面積を選択するか、適切な熱分離を提供する構成でケーブルを配置する必要があります。
周囲温度ディレーティングにより、2 番目の補正層が追加されます。暑い気候の屋上にある PV ケーブルは、標準の電流容量表で使用される基準温度 30 °C と比較して、屋根表面とケーブルの間の空間で 50 ～ 60 °C の周囲温度を定期的に経験します。導体温度定格が 90 °C の XLPE 絶縁 PV ケーブルの場合、周囲温度と導体限界の間の温度上昇許容値は、基準ケースの 60 °C と比較して、これらの条件ではわずか 30 ～ 40 °C です。つまり、束線補正が適用される前に電流容量が表の値の約 70% に減少します。 Zhishang Cable は、グループ化と周囲温度の両方を同時に考慮したアプリケーション固有の電流容量ガイダンスを提供するため、システム設計者は、使用可能な電流容量を誇張する公開された自由空気値に依存するのではなく、実際の設置条件に応じて適切な導体断面積を選択できます。
コネクタの互換性と、PV ケーブルとコネクタの組み合わせが一致しない場合の隠れたリスク
MC4 および類似の多接点 DC コネクタは、PV ストリング ケーブルの事実上の標準終端となっていますが、MC4 互換ケーブルと異なるメーカーの MC4 コネクタを自由に組み合わせることができるという前提は技術的に間違っており、一部の管轄区域では法令違反となります。 IEC 62852 および IEC 62548 のシステムレベル要件を含む PV コネクタ規格では、コネクタが特定のケーブル外径範囲および導体断面積での使用に適格である必要があること、および、機械的接続が正しく固定されているように見えても、異なるメーカーのコネクタを混合すると両方の型式試験の適格性が無効になることが規定されています。
組み合わせが一致しない場合のリスクは、主にすぐに故障するというものではありません。機械的に取り付けられた混合コネクタは、数か月または数年間は正常に機能する可能性があります。リスクは接触抵抗のクリープです。毎日の放射照度の変化による熱サイクルにより、それぞれの熱膨張係数が異なるケーブル絶縁体、ケーブル導体、コネクタの接触体の間に膨張と収縮の差が生じます。適合し、適切に認定された組み合わせでは、これらの違いは接点設計で考慮されます。組み合わせが一致しない場合、接点の形状により微小な動きが可能となり、圧着界面での接触抵抗が徐々に増加し、局所的な熱が発生し、最終的に絶縁体が炭化し、抵抗欠陥またはアークが発生することがあります。 AC アークを自然に消滅させるゼロクロスのない DC システムでは、抵抗故障により驚くほど低い故障電流でアークが発生し続ける可能性があり、コネクタの品質と互換性が単なる規制上の懸念ではなく、真の火災リスクとなります。
コネクタのケーブル シールとストレイン リリーフはコネクタ本体とケーブル ジャケット間の緊密な嵌合に依存するため、PV コネクタの用途では、他のほとんどのコネクタ タイプよりもケーブル外径の公差が重要になります。外径が許容範囲の下限にあるケーブルは、コネクタに収まるにもかかわらず、ケーブル シールが不十分に圧縮されたままになる可能性があり、接触チャンバーに湿気が侵入する可能性があり、屋外設置では絶縁抵抗の劣化やコネクタの腐食に直接つながります。ジャケットの壁厚が仕様範囲の上限に制御され、厳しい外径公差で製造されたケーブルは、MC4 互換コネクタ サイズの全範囲にわたって一貫して優れたシール完全性を実現します。これは、購入時には目に見えないものの、時間の経過とともに現場の信頼性統計で明らかになる寸法品質特性であり、Anhui Zhishang Cable Technology Co., Ltd. がオプションのプレミアム仕様ではなく標準製造パラメータとして管理する構造詳細の 1 つです。
異なるサプライヤーの PV ケーブルとコネクタを組み合わせる前の重要な確認事項
- 外径の互換性を確認します。 ケーブルの実際の外径 (公称値ではない) が、そのコネクタ サイズに対してコネクタ メーカーが指定した許容範囲内にあることを確認します。
- 断面の圧着範囲を確認してください: 各コネクタ コンタクトは、特定の導体断面積範囲に対して認定されています。ケーブル導体が変更なしで圧着バレルの認定範囲内に収まることを確認してください。
- IEC 62852 互換性ステートメントを確認します。 一部のコネクタ メーカーは、テスト済みの互換性のあるケーブル範囲を公開しています。物理的な適合性が認定された互換性と同等であると仮定するのではなく、これを主な参考として使用してください。
- 正しい圧着工具を使用してください。 適合するケーブルとコネクタの組み合わせであっても、そのコネクタに適していない工具で圧着すると失敗します。 IEC 62852 の接触抵抗と機械的保持要件は、承認されたツールとダイ セットでのみ満たされます。
