مواد عزل وتغليف كابلات التيار المستمر الكهروضوئية: دليل فني

عند تقييم كابلات التيار المستمر الكهروضوئية، يُركز الاهتمام عادةً على الموصل. ومع ذلك، بالنسبة لتطبيقات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الخارجية طويلة الأمد، فإن العزل والغلاف الخارجي لهما أهمية مماثلة.

تنقسم الطبقات الخارجية لكابل التيار المستمر الكهروضوئي عمومًا إلى جزأين رئيسيين:

• طبقة العزل - تحيط مباشرة بالموصل وتوفر في المقام الأول العزل الكهربائي.
• الغلاف الخارجي / السترة - الطبقة الواقية الخارجية، المسؤولة بشكل أساسي عن مقاومة الطقس، ومقاومة الأشعة فوق البنفسجية، ومقاومة التآكل، والحماية الميكانيكية.

بالنسبة لكابلات الطاقة الشمسية النموذجية مثل H1Z2Z2-K، يمكن اختيار مواد العزل والغلاف المختلفة وفقًا للأداء الكهربائي والبيئي والميكانيكي والسلامة المطلوب.

1. XLPE - البولي إيثيلين المتشابك

مادة XLPE (البولي إيثيلين المتشابك) هي مادة عازلة ناضجة تستخدم على نطاق واسع في كابلات الطاقة.

من خلال عملية الربط المتشابك، يُشكّل البولي إيثيلين بنية جزيئية أكثر استقرارًا. وبالمقارنة مع البولي إيثيلين التقليدي، يوفر البولي إيثيلين المتشابك (XLPE) عمومًا تحسينات في:

• مقاومة للحرارة
• أداء العزل الكهربائي
• مقاومة الشيخوخة
• مقاومة المواد الكيميائية
• الثبات البُعدي

في كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، يمكن استخدام مادة XLPE لكل من طبقة العزل والغلاف الخارجي، وذلك حسب تصميم الكابل وتركيبته.

ومع ذلك، ينبغي التمييز بين أمرين هامين:
لا يعني مصطلح XLPE بالضرورة أن المادة مصممة خصيصًا لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية.

بالنسبة لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية الخارجية طويلة الأمد، يجب أن توفر تركيبة المواد أيضًا مقاومة كافية لما يلي:

• الأشعة فوق البنفسجية
• الأوزون
• التقادم الحراري
• رطوبة
• دورات درجة الحرارة
• العوامل الجوية الخارجية

وبالتالي فإن الأداء الفعلي لا يعتمد فقط على البوليمر الأساسي، ولكن أيضًا على تركيبة المواد الكاملة ومعيار الكابلات المطبق.

2. XLPO – البولي أوليفين المتشابك

تُعد مادة XLPO فئة مهمة من المواد المستخدمة في كابلات الخلايا الكهروضوئية الحديثة.

يشير مصطلح XLPO إلى البولي أوليفين المتشابك. وعلى عكس البوليمر المحدد، يشير XLPO إلى عائلة من المواد القائمة على البولي أوليفين المتشابك والتي يمكن تصميم تركيباتها لتطبيقات الكابلات المحددة.

بالنسبة لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية، يمكن تحسين تركيبات XLPO لتوفير ما يلي:

• مقاومة عالية للأشعة فوق البنفسجية
• مقاومة الأوزون
• مقاومة الرطوبة
• مقاومة للحرارة
• مقاومة درجات الحرارة المنخفضة
• عزل كهربائي جيد
• مقاومة طويلة الأمد للظروف الجوية الخارجية
• مرونة جيدة

لهذا السبب، تُستخدم المواد القائمة على XLPO على نطاق واسع في تصميمات كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الحديثة، بما في ذلك التطبيقات المرتبطة بمعايير كابلات PV1-F و H1Z2Z2-K.

يمكن تركيب كابلات الطاقة الشمسية في بيئات مثل:
أسطح المنازل ← هياكل تركيب الألواح الكهروضوئية ← مسارات الكابلات الخارجية ← مزارع الطاقة الشمسية الأرضية

تعرض هذه التركيبات الكابل لعوامل طويلة الأمد:
الأشعة فوق البنفسجية + درجة حرارة عالية + تقلبات درجات الحرارة + الرطوبة + الأوزون + مياه الأمطار

إحدى مزايا XLPO هي أنه يمكن هندسة تركيبته خصيصًا لتحمل هذه الضغوط البيئية.

3. PO – بولي أوليفين

البولي أوليفين (PO) هو عائلة مواد أوسع تشمل البوليمرات مثل البولي إيثيلين (PE) والبولي بروبيلين (PP).

في صناعة الكابلات، يمكن تعديل المواد القائمة على البولي أوليفين وتركيبها لتوفير ما يلي:

• عزل كهربائي جيد
• امتصاص منخفض للماء
• مقاومة المواد الكيميائية
• مقاومة للأشعة فوق البنفسجية
• مرونة جيدة

ومع ذلك، ينبغي التمييز بين أمرين هامين:
أمر الشراء القياسي ليس هو نفسه أمر الشراء الموسع للغاية (XLPO).

تخضع مادة XLPO لعملية ربط متقاطع ويمكنها توفير استقرار حراري محسّن، ومقاومة بيئية، وأداء طويل الأمد في ظل ظروف قاسية.

لذا، عند شراء كابلات الطاقة الشمسية، فإن مجرد رؤية مصطلح "بولي أوليفين" لا يعني بالضرورة أن الكابل مصنوع من مادة عالية الأداء مناسبة للطاقة الشمسية. يجب دائمًا التحقق من مواصفات المادة الكاملة ومعايير الكابلات المطبقة.

4. PVC - كلوريد البولي فينيل

يُعد PVC (كلوريد البولي فينيل) أحد أكثر مواد العزل والتغليف استخدامًا في صناعة الكابلات.

تشمل مزاياها ما يلي:

• تكلفة المواد المنخفضة نسبياً
• معالجة سهلة
• مرونة جيدة
• أداء ميكانيكي جيد
• خصائص مقاومة اللهب قابلة للتعديل من خلال التركيبة

ومع ذلك، بالنسبة لتطبيقات الخلايا الكهروضوئية الخارجية طويلة الأمد، يتطلب استخدام مادة PVC دراسة متأنية.

التعرض طويل الأمد لما يلي:
الأشعة فوق البنفسجية + درجة حرارة عالية + أكسدة + رطوبة
قد يتسبب ذلك في تعرض بعض تركيبات PVC لما يلي:

• شيخوخة
• التصلب
• التصدع
• تدهور السطح

لذا: لا يُعدّ البولي فينيل كلوريد القياسي (PVC) المادة المفضلة عمومًا لتطبيقات كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية الخارجية طويلة الأمد التي تتطلب ظروفًا قاسية. ومع ذلك، يظل البولي فينيل كلوريد (PVC) مفيدًا على نطاق واسع للكابلات الداخلية والتطبيقات التي تكون فيها المتطلبات البيئية أقل صرامة.

5. مطاط الإيثيلين بروبيلين (EPR)

مطاط الإيثيلين بروبيلين (EPR) هو مادة عازلة مرنة.

تشمل خصائصه الرئيسية ما يلي:

• مرونة ممتازة
• مقاومة عالية للحرارة
• مقاومة ممتازة للرطوبة
• أداء عزل كهربائي قوي
• مقاومة الأوزون
• مقاومة جيدة للشيخوخة البيئية

لذلك فإن EPR مهم في بعض كابلات الطاقة عالية الأداء وتطبيقات الكابلات المتخصصة.

إحدى مزاياها الرئيسية هي قدرتها على الحفاظ على أداء جيد في ظل الظروف التالية:
درجات حرارة عالية + رطوبة + متطلبات مرونة عالية

ومع ذلك، فإن مادة EPR أقل شيوعًا بشكل عام من المواد القائمة على البولي أوليفين في تطبيقات كابلات التيار المستمر الكهروضوئية القياسية.

6. مادة البولي يوريثان الحرارية (TPU)

مادة TPU (البولي يوريثان الحراري) هي مادة مثيرة للاهتمام بشكل خاص لتغليف الكابلات.

وتتمثل مزاياها الرئيسية في الحماية الميكانيكية، بما في ذلك:

• مقاومة ممتازة للتآكل
• مقاومة للتمزق
• مقاومة الزيت
• مقاومة المواد الكيميائية
• مرونة عالية
• مقاومة التلف الميكانيكي
• مرونة جيدة في درجات الحرارة المنخفضة

لذلك يمكن أن يكون البولي يوريثين الحراري مفيدًا للكابلات المعرضة للحركة المتكررة أو السحب أو الانحناء أو الاحتكاك الميكانيكي.

قد تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

• المعدات المتنقلة
• الأنظمة الروبوتية
• أنظمة تتبع الطاقة الشمسية
• معدات خارجية متخصصة

ومع ذلك، فإن مادة TPU ليست بالضرورة مادة الغلاف القياسية لكل تصميم لكابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية.

7. LSZH / LS0H – دخان منخفض خالٍ من الهالوجين

من الأفضل فهم LSZH (منخفض الدخان وخالي من الهالوجين)، والذي يُكتب أيضًا LS0H، على أنه فئة أداء للمواد بدلاً من كونه نوعًا محددًا من البلاستيك.

هدفها الأساسي هو الحد من:
توليد الدخان
انبعاثات الغازات المحتوية على الهالوجين
أثناء الحريق.

يمكن أن تكون مواد LSZH ذات أهمية خاصة لما يلي:

• المباني
• أنظمة الكهرباء الداخلية
• المناطق ذات الكثافة السكانية العالية
• الأنفاق
• مراكز البيانات
• منشآت صناعية متخصصة

تركز تركيبات LSZH النموذجية على ما يلي:
دخان منخفض + خالٍ من الهالوجين + مقاومة للاشتعال
بدلاً من مجرد تقليل تكلفة المواد.

ما هي وظائف "الطبقة الخارجية" لكابل الطاقة الشمسية الكهروضوئية؟

إحدى الطرق البسيطة لفهم كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية هي:
يحمل الموصل التيار الكهربائي، بينما يحمي عزل الكابل وغلافه النظام الكهربائي.

تؤدي العازلية والغلاف الخارجي عدة وظائف حيوية.

1. العزل الكهربائي

   تفصل طبقة العزل الموصل عن البيئة الخارجية وتساعد على منع ما يلي:
   قصر الدائرة بين الموصلات، التلامس مع المعدات، التلامس البشري العرضي، تيار التسرب وأعطال التأريض

2. تحمل جهد النظام

   على سبيل المثال، يجب أن يحافظ كابل الطاقة الشمسية الكهروضوئية ذو جهد 1500 فولت تيار مستمر على أداء عزل كهربائي مستقر تحت تأثير إجهاد الجهد المستمر لفترات طويلة. لذا، ينبغي عند اختيار المواد مراعاة معايير مثل: قوة العزل الكهربائي، ومقاومة العزل، والمقاومة الحجمية، وأداء التقادم الكهربائي على المدى الطويل. ولا تكفي القوة الميكانيكية وحدها لتحديد مدى ملاءمة المادة لكابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية عالية الجهد.

3. مقاومة للأشعة فوق البنفسجية

   يُعدّ التعرّض للأشعة فوق البنفسجية أحد الفروقات الرئيسية بين الكابلات التقليدية وكابلات الطاقة الشمسية. يمكن تركيب الكابل التقليدي في الأماكن المغلقة، أو داخل قنوات، أو في صواني كابلات محمية. أما كابلات الطاقة الشمسية، فغالبًا ما تُركّب مباشرةً تحت أشعة الشمس. وقد يؤدي التعرّض طويل الأمد إلى سلسلة من العوامل، منها: الأشعة فوق البنفسجية، والحرارة، والأكسدة، وتلف المواد. لذا، تتطلب مواد كابلات الطاقة الشمسية عادةً تركيبات مصممة خصيصًا لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية والظروف الجوية الخارجية على المدى الطويل.

4. مقاومة دورات تغير درجة الحرارة

   قد يتعرض كابل الطاقة الشمسية لتقلبات حرارية متكررة، حيث تنخفض درجة الحرارة صباحًا، ثم ترتفع ظهرًا، ثم تنخفض ليلًا. وقد تتكرر هذه الدورة الحرارية آلاف المرات خلال عمر نظام الطاقة الشمسية. لذا، يجب أن توفر مواد الكابلات خصائص مناسبة، منها: الثبات الحراري، ومقاومة التلف الناتج عن الحرارة، والمرونة في درجات الحرارة المنخفضة.

5. مقاومة الماء والرطوبة

   يُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الزراعية، ومزارع الطاقة الشمسية الأرضية، والمشاريع الساحلية، والبيئات ذات الرطوبة العالية، وأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية المثبتة على أسطح المنازل. إذ قد تتعرض كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية لمياه الأمطار والرطوبة والتكثيف. لذا، يُعدّ امتصاص الماء ومقاومة الرطوبة على المدى الطويل من الاعتبارات المهمة عند اختيار المواد.

6. الأوزون ومقاومة الشيخوخة البيئية

   تتعرض كابلات الطاقة الشمسية الخارجية ليس فقط للأشعة فوق البنفسجية، بل أيضاً للأوزون وعوامل بيئية مؤكسدة أخرى. مع مرور الوقت، قد تتعرض المواد غير المناسبة لما يلي: تشقق السطح ← انتشار التشققات ← انخفاض كفاءة العزل. لهذا السبب، تُعد مقاومة الأوزون ومقاومة التقادم البيئي من المعايير المهمة لتطبيقات كابلات الطاقة الشمسية الخارجية طويلة الأمد.

7. الحماية الميكانيكية

   أثناء التركيب والتشغيل، قد تتعرض كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية للشد، والانحناء، والتآكل، والضغط، والاحتكاك مع هياكل التثبيت، والدوس عليها أو تعرضها للصدمات. لذا، يوفر الغلاف الخارجي أكثر من مجرد عزل، فهو بمثابة طبقة حماية ميكانيكية مهمة.

طريقة عملية لفهم اختيار مواد كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية

بالنسبة للمحتوى التقني الموجه لشركات الهندسة والمشتريات والإنشاءات، ومصنعي وحدات الطاقة الشمسية الكهروضوئية، ومصنعي أسلاك الكابلات، والموزعين، ومطوري مشاريع الطاقة الشمسية، فمن الأفضل عدم الاكتفاء بالقول إن مادة واحدة هي "الأفضل".

يتمثل النهج الأكثر احترافية في تقييم الطلب بالكامل:

يعتمد اختيار مادة العزل والغلاف المناسبة على بيئة التركيب، وجهد النظام، ونطاق درجة الحرارة، والإجهاد الميكانيكي، وعمر الخدمة المطلوب، ومعيار الكابلات المعمول به.

لذلك، من المهم عند شراء كابلات الطاقة الشمسية الكهروضوئية تقييم ليس فقط اسم البوليمر، ولكن أيضًا التركيبة الكاملة للمادة، وبنية الكابل، ومتطلبات الاختبار، والشهادات، وبيئة التطبيق المقصودة.