Materiali isolanti e di guaina per cavi CC fotovoltaici: una guida tecnica

Nella valutazione dei cavi CC per impianti fotovoltaici, l'attenzione si concentra solitamente sul conduttore. Tuttavia, per le applicazioni fotovoltaiche esterne a lungo termine, l'isolamento e la guaina esterna sono altrettanto importanti.

Gli strati esterni di un cavo CC fotovoltaico sono generalmente suddivisi in due parti principali:

• Strato isolante : circonda direttamente il conduttore e fornisce principalmente isolamento elettrico.
• Strato esterno/Guaina – lo strato protettivo più esterno, responsabile principalmente della resistenza agli agenti atmosferici, ai raggi UV, all'abrasione e alla protezione meccanica.

Per i cavi fotovoltaici standard come l'H1Z2Z2‑K, è possibile selezionare diversi materiali di isolamento e di guaina in base alle prestazioni elettriche, ambientali, meccaniche e di sicurezza richieste.

1. XLPE – Polietilene reticolato

Il XLPE (polietilene reticolato) è un materiale isolante consolidato e ampiamente utilizzato nei cavi di alimentazione.

Attraverso un processo di reticolazione, il polietilene forma una struttura molecolare più stabile. Rispetto al PE convenzionale, il XLPE offre generalmente migliori:

• resistenza al calore
• Prestazioni di isolamento elettrico
• resistenza all'invecchiamento
• resistenza chimica
• Stabilità dimensionale

Nei cavi fotovoltaici, il polietilene reticolato (XLPE) può essere utilizzato sia per lo strato isolante che per la guaina esterna, a seconda del design e della formulazione del cavo.

Occorre tuttavia fare una distinzione importante:
La sigla XLPE non implica automaticamente che un materiale sia specificamente formulato per applicazioni fotovoltaiche.

Per le applicazioni fotovoltaiche esterne a lungo termine, la formulazione del materiale dovrebbe inoltre garantire una resistenza sufficiente a:

• radiazioni UV
• Ozono
• Invecchiamento termico
• Umidità
• Ciclo di temperatura
• Agenti atmosferici esterni

Le prestazioni effettive dipendono quindi non solo dal polimero di base, ma anche dalla formulazione completa del materiale e dallo standard del cavo applicabile.

2. XLPO – Poliolefina reticolata

Per i moderni cavi fotovoltaici, l'XLPO rappresenta una categoria di materiali importante.

XLPO è l'acronimo di poliolefina reticolata. A differenza di un singolo polimero specifico, XLPO si riferisce a una famiglia di materiali a base di poliolefine reticolate, le cui formulazioni possono essere progettate per applicazioni specifiche nei cavi.

Per le applicazioni fotovoltaiche, le formulazioni XLPO possono essere ottimizzate per fornire:

• Elevata resistenza ai raggi UV
• resistenza all'ozono
• resistenza all'umidità
• resistenza al calore
• resistenza alle basse temperature
• Buon isolamento elettrico
• Resistenza agli agenti atmosferici esterni a lungo termine
• Buona flessibilità

Per questo motivo, i materiali a base di XLPO sono ampiamente utilizzati nella progettazione di cavi fotovoltaici moderni, comprese le applicazioni associate agli standard di cavo PV1-F e H1Z2Z2-K.

Un cavo fotovoltaico può essere installato in ambienti quali:
Tetti → Strutture di montaggio fotovoltaico → Canalizzazioni per cavi esterne → Impianti solari a terra

Queste installazioni espongono il cavo a:
Radiazioni UV + alta temperatura + cicli termici + umidità + ozono + acqua piovana

Uno dei vantaggi dell'XLPO è che la sua formulazione può essere progettata specificamente per resistere a questi stress ambientali.

3. PO – Poliolefine

Il PO (poliolefina) è una famiglia di materiali più ampia che include polimeri come il PE e il PP.

Nell'industria dei cavi, i materiali a base di poliolefine possono essere modificati e formulati per fornire:

• Buon isolamento elettrico
• Basso assorbimento d'acqua
• resistenza chimica
• resistenza ai raggi UV
• Buona flessibilità

Occorre tuttavia fare una distinzione importante:
L'ordine di acquisto standard non è la stessa cosa dell'ordine di acquisto extra-large.

L'XLPO subisce un processo di reticolazione che può fornire una migliore stabilità termica, resistenza ambientale e prestazioni a lungo termine in condizioni difficili.

Pertanto, quando si acquistano cavi fotovoltaici, la semplice presenza della dicitura "poliolefina" non significa necessariamente che il cavo utilizzi un materiale fotovoltaico ad alte prestazioni. È sempre opportuno verificare le specifiche complete del materiale e lo standard di riferimento applicabile al cavo.

4. PVC – Cloruro di polivinile

Il PVC (cloruro di polivinile) è uno dei materiali isolanti e di guaina più utilizzati nell'industria dei cavi.

Tra i suoi vantaggi si annoverano:

• Costo dei materiali relativamente basso
• Elaborazione semplice
• Buona flessibilità
• Buone prestazioni meccaniche
• Proprietà ignifughe regolabili tramite la formulazione

Tuttavia, per le applicazioni fotovoltaiche esterne a lungo termine, il PVC richiede un'attenta valutazione.

Esposizione prolungata a:
Radiazioni UV + alta temperatura + ossidazione + umidità
può causare i seguenti problemi ad alcune formulazioni di PVC:

• Invecchiamento
• Indurimento
• Frattura
• Degrado della superficie

Pertanto: il PVC standard non è generalmente il materiale preferito per le applicazioni di cavi fotovoltaici esterni ad alta resistenza e di lunga durata. Ciononostante, il PVC rimane ampiamente utilizzato per cavi interni e applicazioni in cui i requisiti ambientali sono meno stringenti.

5. EPR – Gomma etilene-propilene

L'EPR (gomma etilene-propilene) è un materiale isolante elastomerico.

Le sue caratteristiche principali includono:

• Eccellente flessibilità
• Elevata resistenza al calore
• Eccellente resistenza all'umidità
• Elevate prestazioni di isolamento elettrico
• resistenza all'ozono
• Buona resistenza all'invecchiamento ambientale

L'EPR è pertanto importante in alcuni cavi di alimentazione ad alte prestazioni e in applicazioni speciali per cavi.

Uno dei suoi principali vantaggi è la capacità di mantenere buone prestazioni in condizioni:
Elevate temperature, umidità e requisiti di flessibilità stringenti.

Tuttavia, l'EPR è generalmente meno comune dei materiali a base di poliolefine nelle applicazioni standard dei cavi CC fotovoltaici.

6. TPU – Poliuretano termoplastico

Il TPU (poliuretano termoplastico) è un materiale particolarmente interessante per la guaina dei cavi.

I suoi principali vantaggi sono legati alla protezione meccanica, tra cui:

• Eccellente resistenza all'abrasione
• resistenza allo strappo
• resistenza all'olio
• resistenza chimica
• Elevata flessibilità
• Resistenza ai danni meccanici
• Buona flessibilità alle basse temperature

Il TPU può quindi risultare vantaggioso per i cavi soggetti a movimenti ripetuti, trascinamenti, piegamenti o attrito meccanico.

Le applicazioni tipiche possono includere:

• Apparecchiature mobili
• Sistemi robotici
• Sistemi di inseguimento solare
• Attrezzatura specializzata per attività all'aperto

Tuttavia, il TPU non è necessariamente il materiale di rivestimento standard per ogni tipo di cavo fotovoltaico.

7. LSZH / LS0H – Bassa emissione di fumo e zero alogeni

LSZH (Low Smoke Zero Halogen), anche scritto LS0H, è più corretto intenderlo come una categoria di prestazioni dei materiali piuttosto che come una specifica plastica.

Il suo obiettivo primario è ridurre:
generazione di fumo
Emissioni di gas contenenti alogeni
durante un incendio.

I materiali LSZH possono essere particolarmente rilevanti per:

• Edifici
• Impianti elettrici interni
• aree ad alta densità di occupazione
• Gallerie
• centri dati
• Impianti industriali specializzati

Le formulazioni tipiche di LSZH si concentrano su:
Bassa emissione di fumo + zero alogeni + ignifugo
piuttosto che limitarsi a ridurre al minimo il costo dei materiali.

Quali funzioni svolge lo "strato esterno" di un cavo fotovoltaico?

Un modo semplice per capire un cavo fotovoltaico è il seguente:
Il conduttore trasporta la corrente elettrica, mentre l'isolamento e la guaina del cavo proteggono l'impianto elettrico.

L'isolamento e la guaina svolgono diverse funzioni critiche.

1. Isolamento elettrico

   Lo strato isolante separa il conduttore dall'ambiente esterno e contribuisce a prevenire:
   Cortocircuiti tra conduttori, contatto con apparecchiature, contatto umano accidentale, corrente di dispersione e guasti a terra

2. Tensione di tenuta del sistema

   Ad esempio, un cavo fotovoltaico da 1500 V CC deve mantenere prestazioni di isolamento elettrico stabili sotto stress di tensione CC prolungato. Pertanto, la selezione del materiale dovrebbe considerare parametri quali: rigidità dielettrica, resistenza di isolamento, resistività volumetrica e prestazioni di invecchiamento elettrico a lungo termine. La sola resistenza meccanica non è sufficiente a determinare se un materiale è adatto per un cavo fotovoltaico ad alta tensione.

3. Resistenza ai raggi UV

   L'esposizione ai raggi UV è una delle principali differenze tra i cavi convenzionali e i cavi fotovoltaici. Un cavo convenzionale può essere installato: all'interno / in canaline / in passerelle portacavi protette. Un cavo fotovoltaico, invece, viene spesso installato direttamente alla luce del sole. L'esposizione prolungata può causare una combinazione di: radiazioni UV → calore → ossidazione → invecchiamento del materiale. Pertanto, i materiali dei cavi fotovoltaici richiedono in genere formulazioni specificamente progettate per resistere a lungo termine ai raggi UV e agli agenti atmosferici esterni.

4. Resistenza ai cicli di temperatura

   Un cavo fotovoltaico può essere soggetto a: basse temperature al mattino → alte temperature a mezzogiorno → raffreddamento durante la notte. Questo ciclo termico può verificarsi migliaia di volte durante la vita utile di un impianto solare. Pertanto, i materiali dei cavi devono garantire: stabilità termica, resistenza all'invecchiamento termico e flessibilità alle basse temperature.

5. Resistenza all'acqua e all'umidità

   Ciò è particolarmente importante per: impianti fotovoltaici agricoli, centrali solari a terra, progetti costieri, ambienti ad alta umidità, impianti fotovoltaici su tetto. I cavi fotovoltaici possono essere esposti a: acqua piovana + umidità + condensa. Pertanto, l'assorbimento d'acqua e la resistenza all'umidità a lungo termine sono considerazioni importanti sui materiali.

6. Resistenza all'ozono e all'invecchiamento ambientale

   I cavi fotovoltaici per esterni sono esposti non solo alle radiazioni UV, ma anche all'ozono e ad altri fattori ambientali ossidanti. Nel tempo, i materiali non idonei possono subire: fessurazioni superficiali → propagazione delle fessure → riduzione delle prestazioni di isolamento. Per questo motivo, la resistenza all'ozono e all'invecchiamento ambientale sono parametri importanti per le applicazioni a lungo termine dei cavi fotovoltaici per esterni.

7. Protezione meccanica

   Durante l'installazione e il funzionamento, i cavi fotovoltaici possono essere soggetti a: trazione, flessione, abrasione, compressione, attrito contro le strutture di montaggio, calpestio accidentale o impatto. La guaina esterna, pertanto, offre più di un semplice isolamento. Funge anche da importante strato di protezione meccanica.

Un metodo pratico per comprendere la scelta del materiale dei cavi fotovoltaici

Per i contenuti tecnici destinati ad aziende EPC, produttori di moduli fotovoltaici, produttori di cablaggi, distributori e sviluppatori di progetti solari, è meglio non affermare semplicemente che un materiale è "il migliore".

Un approccio più professionale consiste nel valutare la candidatura completa:

Il materiale isolante e di guaina appropriato dipende dall'ambiente di installazione, dalla tensione di sistema, dall'intervallo di temperatura, dalle sollecitazioni meccaniche, dalla durata di servizio richiesta e dallo standard del cavo applicabile.

Per l'acquisto di cavi fotovoltaici, è quindi importante valutare non solo il nome del polimero, ma anche la formulazione completa del materiale, la struttura del cavo, i requisiti di prova, la certificazione e l'ambiente di applicazione previsto.