Una guida alle specifiche dei dati di campo per gli ingegneri EPC del settore solare: come 4.200 elettrodi di messa a terra chimici spediti a un impianto fotovoltaico saudita da 150 MW hanno mantenuto una resistenza di 3,1 Ω per cinque anni in un terreno con resistività di 1.800 Ω·cm — e le fasi di approvvigionamento, installazione e verifica che ci hanno permesso di raggiungere questo risultato.

I dati sul campo di questo articolo provengono da un impianto fotovoltaico saudita da 150 MW che ci è stato segnalato nell'agosto 2020 come richiesta di informazioni di routine. L'azienda EPC con sede a Madrid è passata dal prezzo per pezzo alle specifiche tecniche nella seconda e-mail: il loro ingegnere capo aveva vissuto in prima persona un progetto da 50 MW nel 2018 in cui l'inventario delle barre di accumulo imbevute d'acqua aveva superato il margine di tensione di contatto al terzo anno. Quello che segue è la sequenza di approvvigionamento, installazione e verifica che ha prodotto il modello operativo con una resistenza media di 3,1 Ω, un valore minimo di 4,7 Ω e cinque anni di funzionamento senza manutenzione, e il lotto di un fornitore che ha quasi compromesso il tutto.

1. La specifica senza manutenzione nata da un impianto di irrigazione a barre fallito

Il guasto di riferimento riguardava un impianto fotovoltaico cileno da 50 MW, entrato in funzione nel 2018, con aste di azionamento convenzionali rivestite in rame e un ciclo di irrigazione semestrale. Entro il terzo anno, la finestra di tensione di contatto su sei pad dell'inverter era salita al di sopra del margine di progetto perché due interventi di irrigazione programmati nel 2020 erano stati saltati (a causa delle restrizioni di viaggio dovute al COVID). Le aste non si erano guastate fisicamente, ma si erano semplicemente seccate. La resistenza dei pad aveva superato la soglia di 5 Ω su tre dei sei pad.

Questo è il divario operativo che un elettrodo di messa a terra chimico colma. Il nostro prodotto è un nucleo in acciaio rivestito di rame (da 17,2 mm a 25,4 mm) all'interno di un anello trivellato da 100 mm a 150 mm, riempito con un composto igroscopico: argilla bentonitica miscelata con solfato di magnesio e un additivo per la ritenzione dell'umidità. Il composto assorbe l'umidità ambientale e la trattiene a contatto con la superficie dell'asta; il solfato di magnesio mantiene conduttivo il volume di terreno circostante. La conseguenza a livello di impianto è che la finestra di tensione di contatto rimane entro i margini di progetto per la durata di vita prevista di 25-30 anni e il ciclo di irrigazione non rientra più nel piano di gestione e manutenzione.

Per il progetto saudita, la differenza tra un'asta irrigata e un elettrodo chimico consisteva in un impegno quinquennale di gestione e manutenzione che l'EPC (Engineering, Procurement and Construction) ha inserito nel progetto fin dal primo giorno. Una volta definito questo quadro, il sovrapprezzo per singolo pezzo diventa una voce di bilancio giustificabile.

2. La mappa di resistività del suolo che ha determinato la scelta dei 4.200 elettrodi

La risposta onesta aQuando un elettrodo chimico smette di essere opzionale?Questa è la mappa di resistività del terreno. Per l'impianto saudita abbiamo eseguito un'indagine Wenner a quattro punte sull'area di 1,8 km² con punte alla profondità prevista degli elettrodi (sonde da 1,5 m e 3,0 m). La ripartizione riportata di seguito è quella che utilizzo quando un EPC pone la stessa domanda su un nuovo progetto.

Il valore che conta è la lettura della resistività alla profondità prevista per l'elettrodo, non la lettura in superficie.Nel sito saudita, la misurazione superficiale a quattro punte ha dato un valore di 380 Ω·cm (il che avrebbe suggerito che una semplice asta di prova fosse sufficiente); la misurazione a 1,5 m era di 1.400 Ω·cm e quella a 3,0 m era di 1.800 Ω·cm. Senza il rilievo stratificato, l'EPC avrebbe specificato un inventario di aste di prova infisse con acqua.

3. Cosa significa realmente “senza manutenzione” nel nostro rapporto di prova di tipo

La frase è standard del settore ma imprecisa, quindi la mettiamo per iscritto per ogni spedizione. Un elettrodo di messa a terra chimico esente da manutenzione sulla nostra banchina di carico ha quattro proprietà ingegneristiche che risultano nel rapporto di prova di tipo, e tale rapporto è ciò che un EPC dovrebbe richiedere di visionare prima di firmare l'ordine di acquisto.

1. Riempimento igroscopico (perNorma IEC 62561-7).Bentonite miscelata con solfato di magnesio (non cloruro di sodio, che attacca i nuclei rivestiti di rame). Il test di stabilità ionica a 60 °C / 30 giorni individua le scorciatoie dei fornitori: le miscele conformi mantengono una riduzione della resistività ≥80%; il lotto del fornitore del 2022 è sceso al 65%, innescando il passaggio alla miscelazione interna.
2. Anima in acciaio rivestito di rame perNEMA GR-1, rivestimento minimo di 254 µm.Controlla la corrosione galvanica. Abbiamo scartato un fornitore del 2021 il cui rivestimento era di 180 µm, conforme alle specifiche per la messa a terra di segnali a bassa corrente, ma troppo sottile per il carico di corrente impulsiva che una terminazione ESE sopporta durante un evento di fulmine.
3. Fossa di ispezione permanente con finestra di misurazione a morsetto.300 mm × 300 mm × 300 mm in polimero (non in cemento; il cemento si fessura in presenza di cicli termici aridi). La lettura a morsetto consente al personale addetto alla manutenzione e all'esercizio di verificare il test di controllo del quinto anno in 30 secondi per ogni piastra.
4. Nel piano di gestione e manutenzione non è prevista alcuna reirrigazione programmata.Il manuale saudita prevede un'installazione a morsetto al primo, terzo e quinto anno, senza intervalli intermedi. Un ciclo di irrigazione di sei o dodici mesi indica che l'elettrodo è stato specificato in modo errato.

La distinzione tra unelettrodo di messa a terra chimicoe unbarra di messa a terra a ioni elettroliticiNella nostra linea la differenza è geometrica, non funzionale: tubo di rame contro nucleo in acciaio rivestito di rame, stesso materiale di riempimento. Entrambi hanno fornito la stessa media di 3,1 Ω contro l'obiettivo di 5 Ω nello stabilimento saudita.

4. I quattro standard di riferimento incrociato nelle specifiche saudite

Le specifiche saudite facevano riferimento a quattro standard. Stabilire quale standard regolasse quale decisione è l'aspetto che più spesso viene lasciato implicito nei contratti EPC: ecco una mappa di riferimento.

Per i pad MV e la sottostazione POI,IEEE 80EIEEE 665Il vincolo di collegamento era quello, non la resistenza grezza dei pad. Entrambi i responsabili dovevano concordare sullo standard IEEE 837 prima che uno dei due firmasse.

5. Dove sono stati effettivamente posizionati gli elettrodi sulla matrice

Nell'impianto saudita, alla domanda "dove li posiziono?" la risposta si basava su un diagramma a linea singola che l'EPC aveva rivisto tre volte prima della spedizione del primo container. Gli elettrodi chimici venivano posizionati in cinque diverse tipologie di ubicazione e il documento di approvvigionamento doveva specificare quale norma regolasse ciascuna ubicazione, poiché la stessa geometria dell'elettrodo era definita in modo diverso per ognuna.

Figura 2 — Un elettrodo chimico a barra di messa a terra a ioni elettrolitici in una fossa di ispezione finita presso la piattaforma di un inverter in un impianto saudita. Il nucleo rivestito di rame è saldato esotermicamente al conduttore di messa a terra dell'apparecchiatura a livello della fossa di ispezione.

1. Basi per inverter.Si è iniziato con un elettrodo per ogni piazzola; ne è stato aggiunto un secondo su 14 piazzole dove il rilevamento su 1,5 m ha superato i 1.800 Ω·cm (1.316 elettrodi, media 3,1 Ω).
2. Basamenti per trasformatori di media tensione.Due elettrodi per ogni piazzola più uno strato superficiale di ghiaia, progettato secondo la finestra di tensione di contatto e di passo IEEE 80 (84 piazzole, 168 elettrodi).
3. Scatole combinatrici.Un elettrodo per scatola (1.890 elettrodi).
4. Entrambe le estremità del cavo principale di messa a terra delle apparecchiature in corrente continua.Due elettrodi (tronco di 1,4 km).
5. Terminazioni del conduttore di discesa per la protezione dai fulmini ESE.24 terminali aerei ESE sul perimetro dell'array e sull'alloggiamento del quadro elettrico di media tensione, ciascuno con una terminazione a barra di terra a ioni elettrolitici (la capacità di corrente impulsiva era il vincolo di collegamento).

Totale: 4.200 elettrodi chimici, in linea con il programma di approvvigionamento dell'EPC e con i container partiti da Xinchang tra settembre 2020 e marzo 2022. L'errore che riscontro più spesso nella prima revisione è quello di considerare identiche tutte e cinque le tipologie di ubicazione, ma non lo sono. Il documento di appalto deve specificare quale norma si applica a ciascuna ubicazione.

6. La specifica chimica del materiale di riempimento che ha effettivamente differenziato un fornitore

Nel progetto saudita, le specifiche del materiale di riempimento hanno fatto la differenza tra i due finalisti in lizza. Uno ha presentato un catalogo di 14 pagine con un unico riferimento alla norma IEC 62561-7 sul retro di copertina. L'altro ha presentato un rapporto di prova di tipo di 38 pagine che includeva il fattore di riduzione della resistività in quattro condizioni di umidità di riferimento, il risultato della stabilità ionica a 60 °C / 30 giorni, la curva di ritenzione dell'umidità a 90 giorni e la dichiarazione di conformità ambientale in fase ESIA. Il secondo è il fornitore che un EPC inserisce in un piano di O&M di 25 anni.

Il linguaggio di appalto che abbiamo infine redatto per le specifiche saudite menzionava quattro proprietà: le stesse quattro che testiamo internamente per ogni spedizione e le stesse quattro che risultano nel nostro rapporto di prova di tipo.

• Fattore di riduzione della resistività (secondo IEC 62561-7).Standard: 12:1 con umidità di riferimento del 20%.
• Stabilità ionica a lungo termine (60 °C / test ripetuto dopo 30 giorni).Solfato di magnesio su cloruro di sodio (il cloruro attacca i nuclei rivestiti di rame); soglia di ritenzione ≥80%. Il lotto del fornitore del 2022 ha raggiunto il 65%, il valore che ha fatto scattare la formulazione interna.
• Mantenimento dell'umidità durante un ciclo di asciugatura di 90 giorni.Ritenzione del 73% dopo 90 giorni a 35 °C / 30% UR: il dato utilizzato dall'EPC per stabilire la data del nuovo test al quinto anno.
• Conformità ambientale presso ESIA.Supera i test standard sul percolato, con valori inferiori a 1 mg/L per i metalli regolamentati.

La fabbrica che presenta il rapporto di prova di tipo a quattro proprietà è quella che un EPC inserisce in un piano di gestione e manutenzione venticinquennale; quella che ha solo una scheda dimensionale delle barre compare al secondo anno con un'e-mail di "nuovo composto migliorato".

7. Come abbiamo definito la procedura in sei fasi per l'EPC saudita

La procedura di specifica in sei fasi che abbiamo illustrato all'EPC è la stessa che applichiamo a ogni progetto fotovoltaico su larga scala. Non si tratta di un elenco generico: a ogni fase è associata una decisione che l'ingegnere EPC deve prendere in base allo specifico progetto.

1. Eseguire un'indagine di resistività del terreno con il metodo Wenner a quattro punte sull'area interessata dal progetto.Registrazione effettuata a profondità di sonda di 1,5 m e 3,0 m. La discrepanza tra superficie e profondità nel sito saudita è stata di 4 volte (380 Ω·cm contro 1.800 Ω·cm).
2. Impostare una resistenza target per ciascun pad in base allo schema unifilare del progetto.L'EPC saudita ha stabilito 5 Ω per ogni piazzola dell'inverter e 1 Ω per l'intera rete equipotenziale; entrambi i valori sono stati mantenuti validi anche durante la nuova prova al quinto anno.
3. Specificare per iscritto la composizione chimica del materiale di riempimento, allegando il rapporto di prova di tipo a quattro proprietà.Il lotto di fornitura del 2022 è stato il caso di prova: il rapporto ha rilevato un tasso di ritenzione del 65% prima della spedizione.
4. Bloccare la geometria dell'asta e lo standard del connettore.17,2 mm × 2,4 m rivestito in rame per i pad dell'inverter; geometria a ioni elettrolitici 25,4 mm × 2,4 m per i pad MV e le terminazioni di protezione dai fulmini. Connettori saldati esotermicamente aIEEE 837, nessun morsetto meccanico.
5. Installare in terreno indisturbato con una trivella verticale da 100 mm.La stessa trivella viene utilizzata per tutta la serie di perforazioni, senza bisogno di utensili speciali. Riempire l'intercapedine prima di sigillare il pozzetto di ispezione; evitare di installare i tubi in presenza di acqua stagnante (in questo sito, la regola generale è di attendere 14 giorni di tempo asciutto prima dell'installazione).
6. Verificare con un test di caduta di potenziale al momento della messa in servizio e al quinto anno.Secondo la famiglia di metodi IEEE 81; resistenza logaritmica, temperatura del suolo e umidità. Il test di ripetizione effettuato dall'impianto saudita cinque anni fa ha restituito una media di 3,1 Ω con un valore peggiore di 4,7 Ω.

8. Il blocco di taglie che non abbiamo azzeccato la prima volta

I primi 200 elettrodi dell'impianto saudita sono stati forniti con una punta da 75 mm (l'ingegnere di cantiere dell'EPC l'aveva utilizzata in un precedente progetto con aste di perforazione) e le misurazioni sul campo hanno dato un valore medio di 5,8 Ω contro un obiettivo di 5 Ω: il composto non aveva spazio per idratarsi. Siamo passati a una punta da 100 mm per i restanti 4.000 elettrodi e la media è scesa a 3,1 Ω. I 200 fori sottodimensionati non sono stati riforati; rappresentano il 6% delle piazzole nella fascia "sopra i 2.000 Ω·cm" che hanno ricevuto il trattamento con elettrodi doppi.

La differenza di 0,4 Ω tra la coclea da 75 mm e quella da 100 mm è la variabile più significativa che abbiamo misurato in fase di installazione, ed è una variabile controllata dall'ingegnere di cantiere dell'EPC, non dalla fabbrica o dalla composizione chimica del materiale di riempimento. La linea di miscelazione può essere regolata in fase di progettazione; la coclea no.

9. Come questo si collega allo sviluppo globale dell'energia solare e perché è importante per gli appalti EPC nel 2026

Il valore di 3,1 Ω dell'impianto saudita non è un'anomalia. Nelle nostre spedizioni 2020-2025 destinate a impianti fotovoltaici su larga scala in Medio Oriente, Nord Africa, Sud-ovest degli Stati Uniti e Australia interna, la resistenza media dei pad nelle installazioni correttamente specificate si è attestata tra 2,8 e 3,6 Ω, a fronte di un obiettivo di 5 Ω. La dispersione di 0,8 Ω è dovuta alla precisione della fascia di terreno e del diametro del foro di trivellazione in fase di installazione. La coerenza della composizione chimica del materiale di riempimento è meno importante della precisione del diametro del foro di trivellazione, un dato che ha sorpreso il nostro team di controllo qualità quando abbiamo confrontato i dati dei test di verifica del quinto anno con i registri di installazione.

Quel modello di dati di campo si contrappone a una costruzione in corso di installazione, daMonitoraggio IEA-PVPS, ben oltre 400 GW di nuova capacità fotovoltaica all'anno.IEA-PVPS Snapshot 2024conferma che il PV cumulativo ha superato i 2 TW;Energia rinnovabile IEA 2024Secondo le proiezioni, il fotovoltaico su larga scala rimarrà il principale contributore alla nuova capacità rinnovabile fino al 2030. Per i team addetti agli acquisti, la messa a terra è passata da una generica linea di aste e morsetti a una categoria di specifiche riconosciuta per gli impianti su larga scala, e i fornitori in grado di produrre il rapporto di prova di tipo a quattro proprietà sono quelli che si aggiudicano la gara d'appalto.

10. Domande frequenti poste dai team di approvvigionamento EPC

Che cos'è un elettrodo di messa a terra chimico per un impianto solare?

Un'asta in acciaio rivestita di rame installata verticalmente e circondata da un composto di riempimento igroscopico che assorbe l'umidità ambientale, stabilizzando la resistenza dell'elettrodo per anni senza necessità di irrigazione manuale. Nello stabilimento saudita, ne sono state spedite 4.200 tra il 2020 e il 2022, con una resistenza media di 3,1 Ω al quinto anno.

Perché la messa a terra senza manutenzione è importante per gli impianti fotovoltaici su larga scala?

Gli impianti si estendono su decine o centinaia di ettari con migliaia di punti di installazione degli elettrodi. Un elettrodo tradizionale, con un ciclo di irrigazione semestrale o annuale, lascia l'impianto scoperto in caso di ritardi. La messa a terra senza manutenzione elimina questo ciclo.

Qual è il valore di resistività del terreno troppo elevato per un'infissione con sola asta?

Al di sopra di circa 1.000 Ω·cm, una singola asta rivestita di rame, azionata dall'asta, non può raggiungere in modo affidabile valori inferiori a 5 Ω sulla piastra senza un numero eccessivo di aste o installazioni molto profonde. Nell'impianto saudita, il 73% della matrice era nella fascia 1.000-2.000 Ω·cm; il 6% al di sopra di 2.000 Ω·cm era costituito da elettrodi a configurazione delta.

Quali norme si applicano alla messa a terra chimica degli impianti fotovoltaici?

IEEE 837per connettori,IEEE 80 / IEEE 665per la progettazione in stile sottostazione,Norma IEC 62561-7per composti di messa a terra eArticolo 690 della norma NFPA 70 (NEC).per la messa a terra degli impianti fotovoltaici.NEMA GR-1copre l'asta stessa.

Quanto dura in servizio un elettrodo chimico?

Un elettrodo correttamente specificato garantisce una finestra di resistenza stabile per l'intera durata di progetto, dai 25 ai 30 anni. Il rivestimento in rame controlla la corrosione galvanica; il materiale di riempimento rimane attivo perché igroscopico. I 4.200 elettrodi dell'impianto saudita non sono stati reidratati dalla loro installazione.

Gli elettrodi chimici soddisfano i requisiti della norma NEC 690?

SÌ.Articolo 690 della norma NFPA 70 (NEC).copre la messa a terra del sistema fotovoltaico; un elettrodo chimico con un nucleo rivestito di rame eIEEE 837I raccordi soddisfano i requisiti.

In che modo la composizione chimica del materiale di riempimento differisce da quella della sola bentonite?

La bentonite pura è igroscopica ma perde il suo contenuto ionico durante i periodi di siccità. Un materiale di riempimento che non richiede manutenzione aggiunge un pacchetto di sali elettrolitici (tipicamente solfato di magnesio) e un additivo per la ritenzione dell'umidità.

Dove dovrebbero essere posizionati gli elettrodi chimici su un impianto fotovoltaico?

Nell'impianto saudita: 1.316 presso le piattaforme degli inverter, 168 presso le piattaforme di media tensione, 1.890 presso le scatole di giunzione, 2 a entrambe le estremità del tronco CC di 1,4 km, 24 presso i terminali di protezione contro i fulmini ESE — per un totale di 4.200. La geometria varia a seconda della posizione.

Qual è la differenza tra un elettrodo chimico e una barra di messa a terra per elettroliti?

Utilizzato in modo intercambiabile in molte schede tecniche. Inla nostra linea, l'elettrodo chimico utilizza un tubo di rame; ilbarra di messa a terra a ioni elettroliticiutilizza un nucleo rivestito di rame.

11. Conclusione: cosa abbiamo chiesto all'EPC saudita di inviarci il primo giorno.

Se sei l'ingegnere di progetto EPC con il documento di approvvigionamento aperto, il minimo che ci permette di fare un preventivo senza un ciclo di chiarimenti di sei settimane sono gli stessi sei elementi che il team di Madrid ha inviato nell'agosto 2020: il diagramma unifilare con le posizioni degli elettrodi, il rilievo Wenner stratificato alla profondità pianificata, gli obiettivi di resistenza per pad e per griglia, lo standard del connettore (in genereIEEE 837), lo standard del composto di riempimento (Norma IEC 62561-7), e i vincoli della valutazione d'impatto ambientale e sociale (ESIA).

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