Connessioni sicure per moduli fotovoltaici

Prestazioni elettriche del modulo nell’array
La potenza misurata in watt è uno dei fattori della corrente e della tensione del modulo, che sono a loro volta una funzione delle dimensioni e del tipo di materiale fotovoltaico utilizzato, oltre che del cablaggio delle stringhe di celle all’interno del modulo con collegamento seriale, in parallelo o con una combinazione di entrambi. La potenza prodotta dal modulo esce attraverso la scatola di giunzione. In modo analogo, la potenza prodotta dall’array passa attraverso l’ultima scatola di giunzione in serie; ciò richiede un PR-rating della scatola di giunzione di minimo 1000 volt per le applicazioni globali.

Lamine
Il cablaggio del materiale fotovoltaico all'interno di un modulo varia in base al produttore. Per questo motivo può essere necessario eseguire la terminazione di 1-7 stringhe in una scatola di giunzione. A volte un modulo può utilizzare più scatole di giunzione per l'alloggiamento delle lamine in uscita, a seconda del loro numero e/o della loro posizione. La terminazione della lamina all'interno della scatola di giunzione può richiedere la saldatura o la brasatura della lamina su un semplice piastra di contatto; questa operazione deve essere eseguita utilizzando appositi macchinari automatizzati o da personale specializzato. In alternativa è possibile utilizzare una morsettiera a vite, che si trova all'interno della scatola di giunzione e funge da punto di contatto tra la lamina e il cavo fotovoltaico. Una terza soluzione – probabilmente la più semplice – consiste nell'utilizzo di un morsetto standard per il fissaggio della lamina e del cavo fotovoltaico, eliminando così la necessità di morsetti a vite, saldature o brasature.

Tipo di materiale fotovoltaico
Sul mercato sono disponibili diversi materiali che possono essere impiegati per produrre un effetto fotovoltaico e che offrono uno o più vantaggi all'utilizzatore. Due dei materiali più comuni sono il silicio cristallino e il CIGS, una lega di rame, indio, gallio e selenio. Ciascuno di essi è utilizzato rispettivamente per i lati in silicio e in film sottile del modulo fotovoltaico. Presupponendo che un modulo solare occupi lo stesso spazio, il prodotto in silicio genera una maggiore potenza elettrica. In base anche al cablaggio interno del modulo, quindi, la corrente e/o la tensione del modulo in silicio possono essere molto più elevate rispetto a quelle del modulo in film sottile. In questo caso è necessaria una scatola di giunzione più complessa.

Requisiti del diodo
I moduli fotovoltaici utilizzano diodi di blocco e di bypass per indirizzare il flusso degli elettroni in una direzione oppure per fornire un percorso elettrico alternativo dal materiale della singola cella di produzione esterna al modulo. I diodi sono spesso incorporati nella scatola di giunzione. Ciò aggiunge complessità, ma la rende anche più funzionale. Alcuni tipi di moduli a film sottile e in silicio si basano su tecnologie che non richiedono diodi, in quanto questi possono essere integrati direttamente nel modulo stesso.

Dimensioni del cavo
La potenza di un modulo determina le dimensioni del cavo scelto dal progettista. Indipendentemente dal fatto che si utilizzino cavi da 6, 4 o 2,5 mm2 per il mercato europeo o 10, 12 o 14 AWG per le Americhe, nella scatola di giunzione deve essere possibile alloggiare cavi di diametro diverso. I requisiti relativi al diametro del cavo (scelta tra il cavo USE-2 e i cavi universali/globali) sono stabiliti dagli standard di UL e TUV. Il diametro esterno dei diversi cavi fotovoltaici offerti dai vari produttori può variare di almeno 3 mm. Il sistema di sigillatura dei cavi all'interno della scatola di giunzione è stato progettato per alloggiare in modo semplice, efficace e affidabile una serie di cavi di dimensioni diverse, senza aggiungere complessità e costi alla scatola di giunzione o al modulo.

Riparazione dei guasti
I progettisti di moduli hanno spesso pareri discordanti sulla risoluzione dei guasti che si verificano nell'area della scatola di giunzione. Da una parte, le modifiche sul campo al cablaggio all'interno della scatola potrebbero pregiudicare la sicurezza dell'intero sistema. Dall'altra, i progettisti potrebbero voler identificare e sostituire sul campo i componenti in una scatola di giunzione guasta, nell'ottica di migliorare l'affidabilità e la manutenzione del prodotto nel lungo periodo. Inoltre, i progettisti sono spesso incerti sulla possibilità di ripristinare una scatola di giunzione, in quanto alcuni metodi utilizzati per sigillare le connessioni elettriche all'interno della scatola non consentono riparazioni sul campo.

Sigillatura
La scatola di giunzione deve essere aperta e accessibile in modo da poter collegare le lamine. Deve anche poter essere sigillata e fissata sul retro del modulo per prevenire eventuali infiltrazioni di umidità. Esistono numerosi metodi, sia manuali che automatici, per applicare adesivi in silicio ai singoli componenti prodotti da diversi fornitori e fissare o sigillare la scatola di giunzione al modulo solare. I nastri biadesivi rappresentano un altro metodo ideale per la sigillatura e il fissaggio. Molte sono le opzioni disponibili per la sigillatura dell'area di connessione. Una possibile soluzione consiste nell'uso di un coperchio dotato di O-ring che, in combinazione con un'apertura sinterizzata, permette lo scambio di gas a seguito di variazioni della temperatura ed evita al contempo la formazione di condensa e umidità al suo interno. Come seconda opzione è possibile sigillare la scatola dall'ambiente con l'aggiunta di un composto isolante approvato. In questo caso è necessario che i materiali abbiano delle proprietà specifiche per il contatto con componenti sotto tensione (standard UL 1703, IEC 61215 e IEC 61646).

Sicurezza e standard normativi
La Commissione Elettrotecnica Internazionale (International Electrotechnical Commission, IEC) e UL definiscono la maggior parte degli standard relativi alle prestazioni e alla sicurezza nel settore del fotovoltaico. TUV Rheinland, Canadian Standards Association (CSA), ETL Testing Laboratory (Intertek Testing Services) e UL testano i moduli e i loro componenti in base ai rispettivi standard. Una volta eseguito il test, le agenzie normative autorizzano il produttore del modulo ad applicare i loro marchi e logo. Ciò dimostra che il modulo ha passato i test previsti ed è conforme a una serie di severi standard di sicurezza. Se negli Stati Uniti i moduli devono soddisfare gli standard UL, CSA o ETL, in Europa devono passare i test condotti dal TUV. Per i produttori che fabbricano componenti per le scatole di giunzione questo significa investire migliaia di dollari e sottoporre per mesi i prodotti ai test per la valutazione da parte dell'ente normativo. Se la scatola di giunzione supera il test e viene approvata da UL e TUV, il produttore del modulo è certo di utilizzare una connessione ad alte prestazioni. I produttori devono a loro volta presentare i moduli alle stesse agenzie per l'esecuzione di ulteriori test. Grazie all'approvazione, i moduli fotovoltaici potranno essere utilizzati in tutto il mondo.

Scalabilità del fornitore
Negli ultimi tre anni l'attività produttiva delle aziende fotovoltaiche ha conosciuto un notevole cambiamento. L'obiettivo dei produttori di moduli è quello di ridurre i costi di trasporto e i tempi di consegna attraverso la costruzione di nuovi stabilimenti in diverse parti del mondo, in modo da produrre i moduli in zone vicine a dove vengono utilizzati e installati. Con la globalizzazione dell'industria del fotovoltaico, è essenziale che i progettisti di moduli lavorino insieme ad aziende con prospettive di crescita e che intendono investire nel settore. Nel momento in cui il produttore di moduli espande la propria attività dal mercato europeo a quello americano o asiatico, il fornitore di scatole di giunzione dovrebbe già avere le risorse di vendita, marketing, produzione e qualità disponibili in quella regione, così da garantire il supporto e la consegna dei prodotti a livello locale.