Evidencia de conector fotovoltaico en funcionamiento, problemas de apagado rápido

Dicen que la mejor manera de aprender es cometiendo errores primero. Bueno, para la mayoría de las empresas solares, ese podría no ser el mejor camino hacia una educación superior. En lugar de ello, evalúemos los errores que se cometen habitualmente en el diseño y las instalaciones de sistemas fotovoltaicos para poder evitarlos con antelación. Para nuestro número especial NABCEP CE del primer trimestre de 2023, nos comunicamos con una variedad de expertos y les preguntamos simplemente: ¿Qué está pasando mal?

En esta pieza,heliovolta'sDavid Penalva, James Nagel y Thomas Cemo muestran evidencia de continuos problemas de seguridad relacionados con el código de apagado rápido y conectores no coincidentes– empeorado por problemas en la cadena de suministro – y discutir algunas posibles soluciones.

Ingrese su correo electrónico para consultar la sección completa de 22 páginas Qué está pasando en la edición digital, que también cubre fallas estructurales en los rastreadores, las deficiencias de la batería de respaldo en toda la casa, el bajo rendimiento a gran escala y más.

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Los componentes solares fotovoltaicos viven en entornos hostiles con temperaturas constantemente elevadas, ciclos térmicos y humedad constante. Además, la electrónica de potencia a nivel de módulo (MLPE) es una electrónica más complicada que los módulos fotovoltaicos. El mayor uso de estos componentes electrónicos de potencia producidos en masa a lo largo de los años ha agregado estadísticamente más puntos de falla a los sistemas solares de tejados de EE. UU. Más fallas significan más eventos térmicos.

Si bien algunas historias sobre incendios son públicas, muchas no lo son, por lo que es difícil evaluar cuán frecuentes son las fallas. Sin embargo, los propietarios de sistemas y los hosts se están tomando estos riesgos en serio y están tomando las medidas adecuadas para mitigarlos. El costo de un evento térmico supera con creces el costo de equipos seguros, inspecciones de terceros y modernizaciones.

Discutiremos los problemas y las posibles soluciones en este artículo. Pero primero, ¿cómo llegamos hasta aquí?

En un esfuerzo por crear situaciones más seguras para los socorristas en el tejado, el Código Eléctrico Nacional (NEC) ha experimentado varias evoluciones a lo largo de los años. A partir de NEC 2014, se introdujeron nuevos requisitos para abordar el problema del voltaje de CC presente incluso cuando los sistemas están apagados. Uno de los cambios más importantes en el código de 2014 fue la introducción de un límite de matriz de 10 pies, que no requería equipo adicional si los inversores podían mantenerse dentro de esa zona. Sin embargo, para todos los conductores de CC fuera del límite de 10 pies, se requirió equipo adicional, como seccionadores de paso.

En 2017, el NEC aumentó el requisito a un límite de 1 pie, lo que requirió el uso de equipo adicional. La industria no tenía en ese momento soluciones óptimas para este requisito, pero tuvo que reaccionar a los cambios de código. La única solución para esto fue el uso de MLPE.

Los cambios en el código NEC tuvieron un impacto significativo en el mercado de inversores y en la forma en que se diseñaron e instalaron los sistemas. La participación de mercado de inversores en energía solar residencial cambió significativamente de inversores de cadena a sistemas basados ​​en MLPE (microinversores y optimizadores) de 2013 a 2019, según Wood Mackenzie PV Leaderboard.

Mientras nos enfrentamos a otro próximo cambio de código, es hora de hacer una pausa y preguntarnos si los requisitos que hemos implementado hasta ahora realmente están cumpliendo su misión.

Un punto que preocupa es si 80 V es realmente un voltaje seguro. OSHA define 50 mA como una corriente potencialmente letal, que puede ocurrir a 80 V dependiendo del recorrido de la corriente a través de la piel lesionada. Dado que los bomberos también llevan una cantidad significativa de equipo de protección personal (EPP), esto es muy poco probable. Entonces, si bien es cierto que 80 V es más seguro, el beneficio es cuestionable después de tener en cuenta 1) el PPE de bombero y 2) los puntos de falla adicionales introducidos por los propios componentes de apagado rápido.

Los componentes del sistema de apagado rápido pueden causar eventos térmicos, lo que hace que los sistemas sean menos seguros, lo que resulta en una mayor frecuencia de necesidad de bomberos en el sitio. Al mismo tiempo, han aumentado los informes de los medios de comunicación sobre eventos térmicos posiblemente relacionados con dispositivos de apagado rápido (RSD) y conectores fotovoltaicos. En HelioVolta, como auditor externo, hemos visto evidencia de esto en nuestras evaluaciones del estado del sistema. Las fotografías que aparecen a lo largo de este artículo son solo una pequeña muestra de los problemas que vemos comúnmente.

Los problemas con los conectores son comunes y aún afectan a la industria. Incluso las buenas intenciones, como los saltadores que se ven aquí, todavía fallan.

El error humano es un factor que debe tenerse en cuenta, incluso si se utilizan los componentes adecuados. Los conectores cruzados pueden introducir incompatibilidad entre tolerancias y material. Con el tiempo, la discrepancia puede crecer hasta convertirse en un punto caliente que sólo puede identificarse con una cámara térmica (como se vio anteriormente).

Incluso cuando los conectores no están acoplados en forma cruzada, el uso de puentes fabricados en fábrica de múltiples proveedores introduce diferentes niveles de control de calidad (QC) y hace que la trazabilidad en caso de falla para reclamos de garantía sea increíblemente difícil. Esto es común en proyectos de gran escala que utilizan látigos y arneses preensamblados y múltiples subcontratistas.

Ocasionalmente, se encuentra un conector defectuoso durante una inspección de evaluación de salud, como la que se muestra a continuación, y es extremadamente preocupante porque presenta el riesgo inmediato de una condición de circuito abierto cerca de la membrana del techo, así como el riesgo a largo plazo de posiblemente cientos más. Me gusta en la misma azotea.

Hemos visto un aumento dramático en el número de partes interesadas que toman en serio los problemas de los conectores y trabajan para implementar cambios. Sin embargo, los fallos en los dispositivos de apagado rápido son todavía relativamente nuevos y muchos no los comprenden bien. Hemos tenido la oportunidad de investigar varios incidentes y comprender mejor los matices y desafíos que enfrentamos durante la instalación. La siguiente foto muestra cómo la deformación térmica de un RSD causada por el sobrecalentamiento puede ser muy sutil y casi indistinguible. Sin embargo, cuando avanza hasta el punto de fallar, puede ser catastrófico.

Las marcas de quemaduras en este módulo proporcionan alguna evidencia para postular cómo fallaron los componentes. El mecanismo exacto de la falla aún se desconoce y se está investigando, sin embargo, no se puede ignorar la evidencia de la falla de la electrónica de potencia.

Los propietarios y los hosts del sistema comprenden bien el riesgo y se pone énfasis en identificar componentes defectuosos, mano de obra deficiente o equipos incompatibles.

Las actuales dificultades en la cadena de suministro que afectan a la industria solar agravan el problema que nos ocupa. Muchas veces, los productos o módulos preferidos no están disponibles y los instaladores no saben qué recibirán hasta que llega al sitio o tienen que aceptar lo que está disponible. Esto obliga a los instaladores a esperar por el equipo preferido o a buscar soluciones alternativas para completar el trabajo a tiempo. Normalmente, los proyectos no pueden esperar.

Esto también agrava el problema más común hasta este punto: conectores fotovoltaicos que no coinciden entre el módulo y el dispositivo de apagado rápido. El ciclo de códigos NEC de 2020 tuvo esto en cuenta al exigir “conectores similares”, lo que resolverá el problema del acoplamiento cruzado, pero puede crear otro.

Para mitigar posibles fallas en los conectores debido al acoplamiento cruzado, una solución es utilizar puentes ensamblados en fábrica para garantizar que los conectores similares estén acoplados. Sin embargo, agregar puentes solo aumenta la cantidad de conectores, lo que luego duplica o triplica los posibles puntos de falla.

Usar puentes ensamblados en fábrica en lugar de en el campo es una solución inteligente porque reduce la variabilidad de realizar conexiones en el techo con las herramientas incorrectas o una capacitación inadecuada. Sin embargo, elegir el proveedor de jerseys adecuado también es un detalle clave a considerar. Un puente "ensamblado en fábrica" ​​a menudo todavía se fabrica a mano en una línea de ensamblaje y no mediante un proceso automatizado. Esta falta de automatización también puede dar lugar a un control de calidad inconsistente, que puede variar de una empresa a otra, por lo que los puentes deben adquirirse de un proveedor acreditado con estándares de control de calidad sólidos y confiables.

La combinación de 1) equipos más complicados en el sistema, 2) mayores puntos de conexión y 3) fuerte presión para mantener bajos los costos de instalación es una receta perfecta para el desastre, y es una receta que hemos incorporado en el código. Las soluciones deben evaluarse minuciosamente teniendo muy en cuenta la longevidad operativa.

Una mejor planificación durante la etapa de diseño y adquisición, evitando que esto se convierta en un problema real. Esto significa que los equipos de ingeniería y adquisiciones deben trabajar estrechamente para especificar los componentes que deben interactuar con otros componentes para confirmar que, de hecho, son compatibles y están disponibles. Este paso parece obvio pero a menudo se pasa por alto o no se enfatiza. Es un proceso desafiante debido a la dinámica del mercado y las limitaciones de la cadena de suministro, junto con cronogramas de diseño acelerados. Sin embargo, es fundamental evitar soluciones técnicas más complejas (como puentes), que añaden más puntos de fallo.

Mejorar las prácticas de monitoreo del sistema y los tiempos de respuesta. Por lo general, se necesitan unos días para pasar de las primeras señales de advertencia a un evento térmico real. Mejorar los criterios de alarmas relacionadas con las señales de advertencia puede ayudar a reducir el riesgo de incendio. Además, mejorar el tiempo de respuesta una vez que se detectan señales tempranas de alerta también es un factor clave. El desafío de esta solución es depender más de los proveedores de operación y mantenimiento que monitorean cientos o miles de sistemas simultáneamente y de la inercia inherente al cambio de prácticas comerciales arraigadas.

Considere el equipo certificado UL 3741 que proporciona un camino para eliminar MLPE. La nueva certificación tiene sus ventajas y desventajas en comparación con las soluciones actuales. Por ejemplo, cuando un sistema es contiguo y el inversor se puede colocar dentro de los límites del conjunto, con ciertos sistemas certificados UL 3741, MLPE no es necesario, lo que elimina componentes y conexiones adicionales. Sin embargo, debido a la reciente publicación de la norma, actualmente existen pocas soluciones en el mercado que hayan sido certificadas.

Las soluciones actuales de apagado rápido todavía tienen su lugar en matrices grandes y distribuidas cuando no es posible un diseño contiguo. Sin embargo, esta evolución en el código y la industria brinda la oportunidad de revisar las disposiciones de seguridad propuestas originalmente por los requisitos de cierre rápido.

Los problemas que enfrentamos en Estados Unidos no son únicos. Otros países también enfrentan desafíos similares. Un ejemplo es el requisito de aislador de CC en los sistemas de tejados en Australia, que se introdujo en 2012 para hacer que los sistemas sean más seguros. Sin embargo, el equipo era propenso a la intrusión de agua y, a menudo, provocaba incendios cuando los contactos de CC estaban sumergidos. Las estadísticas de Fire and Rescue New South Whales mostraron que los incendios relacionados con la energía solar fotovoltaica se quintuplicaron en los cinco años siguientes, muchos de ellos atribuidos a fallos en los interruptores aisladores de CC.

El requisito finalmente se eliminó a fines de 2021. Esto resalta la importancia de comprender los riesgos potenciales y las consecuencias no deseadas que conllevan las nuevas normas y regulaciones.

La industria solar se encuentra en una situación en la que seguir el código destinado a hacer que los sistemas fotovoltaicos sean más seguros estadísticamente agrega riesgos. La industria no puede confiar en MLPE como única solución para los sistemas de tejados. Se requieren opciones alternativas para proporcionar sistemas seguros y confiables que puedan durar su vida útil esperada de 25 años y cumplir las promesas hechas. UL 3741 es un paso en la dirección correcta, ya que brinda flexibilidad en las opciones de diseño.

David Peñalva es director ejecutivo y cofundador de HelioVolta. Tiene experiencia en ingeniería liderando equipos técnicos con más de 15 años de experiencia en las industrias solar y de almacenamiento de energía.

James Nagel es director de operaciones y cofundador de HelioVolta. Es licenciado en ingeniería mecánica con título de PE en ingeniería eléctrica con más de 10 años de experiencia en las industrias solar y de almacenamiento de energía.

Thomas Cemo es el gerente de servicios de ingeniería de HelioVolta. Tiene formación en ingeniería, una maestría en ingeniería mecánica y más de 10 años de experiencia en la industria solar.

heliovolta es una empresa de servicios de asesoramiento técnico y software de almacenamiento de energía solar. Su plataforma SolarGrade estandariza los procedimientos de inspección de almacenamiento de energía y energía solar, permite la colaboración en equipo y genera informes profesionales que se pueden compartir. Contáctelos en [email protected].

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La mejor solución real es crear un estándar industrial para conectores que todos puedan cumplir. Todo el mundo afirma ser compatible con MC4, pero MC no lo permitirá, y por qué debería hacerlo. Necesitamos un estándar que cualquiera pueda fabricar. Así es como interactúan los teléfonos móviles, cómo funciona Internet, cómo funcionan los sistemas eléctricos en general, así que ¿¡¿por qué no los conectores?!?!?!