Messa a terra dei pannelli solari: guida completa

Sì. Ogni normativa elettrica che copre il fotovoltaico — NEC 690 in Nord America, IEC 60364-7-712 e le sue versioni nazionali come la VDE 0100-712 in Europa — richiede che le parti metalliche esposte di un campo solare siano collegate a terra. La messa a terra svolge due compiti distinti: il collegamento equipotenziale unisce tra loro tutte le cornici e le guide metalliche in modo che nessuna parte possa trovarsi a una tensione diversa dal resto, e la messa a terra vera e propria collega quella struttura metallica equipotenziale a un dispersore, così un guasto o un fulmine caduto nelle vicinanze trova un percorso sicuro verso il terreno invece di attraversare una persona.

Un campo fotovoltaico è un caso particolare tra gli impianti elettrici: sta all'aperto per oltre 25 anni, non può essere spento finché splende il sole e il suo lato DC può lavorare a 400–1000 V. Un guasto di isolamento che nel normale impianto domestico farebbe scattare un interruttore può lasciare la cornice di un modulo silenziosamente in tensione per mesi. Ecco perché il collegamento equipotenziale è obbligatorio anche per i piccoli impianti fai-da-te, e perché la terra del campo deve essere la stessa terra del resto dell'edificio.

I termini messa a terra, terra e collegamento equipotenziale vengono confusi in continuazione, e la confusione produce errori di installazione reali. Descrivono collegamenti diversi con scopi diversi:

Per un tipico impianto fai-da-te connesso in rete, il tuo compito sono le prime due righe: collega equipotenzialmente tutto, poi metti a terra l'insieme. La terra funzionale di un polo DC è una decisione del costruttore dell'inverter, mai tua — ne parliamo più avanti. Un impianto parafulmine completo con aste di captazione è un'installazione ingegnerizzata a parte, che la maggior parte delle case non ha.

La cornice in alluminio di un pannello solare è separata dalle celle dal laminato e dallo strato di ossido anodizzato del metallo stesso. Tre fattori sconfiggono quella separazione nel corso degli anni. Primo, i guasti di isolamento: un backsheet crepato, un cavo sfregato schiacciato sotto un morsetto o l'umidità che penetra in una scatola di giunzione possono collegare un conduttore in tensione direttamente alla cornice. Da quel momento l'intera struttura si trova al potenziale di stringa — fino a diverse centinaia di volt — in attesa che qualcuno la tocchi e di un percorso verso terra.

Secondo, la dispersione capacitiva. Un pannello è una grande lastra conduttiva (le celle) affacciata a un'altra grande lastra conduttiva (la cornice e il tetto messo a terra) — un condensatore. Sugli inverter senza trasformatore, che non hanno isolamento galvanico tra DC e AC, il lato DC non è fissato a un potenziale costante rispetto a terra; parti del campo oscillano con la tensione di rete. Questo spinge una piccola ma permanente corrente di dispersione AC attraverso quella capacità, tipicamente pochi milliampere per un campo residenziale. Il collegamento equipotenziale dà a questa corrente un percorso progettato; senza di esso, il percorso è qualunque cosa tocchi la struttura.

Terzo, il degrado indotto dal potenziale (PID). Quando le celle si trovano a una grande tensione negativa rispetto alla cornice messa a terra, gli ioni di sodio migrano dal vetro nella cella e la potenza può calare del 10–30% in pochi anni. Una corretta messa a terra della cornice non causa il PID — definisce il riferimento rispetto al quale il modulo è stato testato e certificato. Alcuni inverter contrastano il PID con una terra funzionale integrata o con circuiti di recupero notturno.

Il collegamento equipotenziale sembra banale — 'unisci il metallo' — ma l'alluminio lo rende insidioso. Ogni parte strutturale di un campo è anodizzata o verniciata, e l'ossido di alluminio anodizzato è un eccellente isolante. Due guide che si toccano non sono necessariamente collegate elettricamente. Un collegamento corretto deve perforare il rivestimento e restare a tenuta di gas per decenni:

1. Collega ogni cornice del modulo alla guida

   Usa ferramenta certificata per il collegamento equipotenziale — rondelle dentate (tipo WEEB), morsetti intermedi con punte perforanti, oppure il foro di terra marcato ⏚ sulla cornice con un capocorda certificato. Le dentature mordono attraverso l'anodizzazione fino al metallo nudo.

2. Collega le guide tra loro

   Le giunzioni tra guide sono giunti meccanici, non elettrici, a meno che il kit di giunzione non sia certificato per il collegamento equipotenziale (in Nord America: UL 2703). Altrimenti aggiungi un ponticello equipotenziale su ogni giunzione.

3. Collega il conduttore di terra alla struttura

   Un capocorda certificato per fila di guide (o secondo il manuale della struttura), conduttore in rame, viteria in acciaio inox. Il rame non deve mai toccare direttamente l'alluminio — il corpo del capocorda isola i due metalli per prevenire la corrosione galvanica.

4. Porta il conduttore al punto di messa a terra

   Fai correre il conduttore di terra insieme ai cavi DC — vicino, senza anelli. Percorso continuo ovunque possibile; dove una giunzione è inevitabile, usa una connessione irreversibile (a crimpare) o certificata, mai un connettore a torsione.

La sezione del conduttore di terra dipende da una domanda: sull'edificio esiste un impianto parafulmine esterno (LPS), e se sì — il campo rispetta la distanza di separazione richiesta? Queste sono le sezioni minime in rame usate nella pratica europea (VDE 0100-712 con la serie IEC 62305 sui fulmini) e l'equivalente NEC:

Abbondare non è mai un errore: molti installatori posano semplicemente 16 mm² (o 6 AWG) ovunque, così la questione della distanza di separazione non potrà mai morderli in futuro. La differenza di costo su un campo residenziale è di pochi euro.

Collegamento equipotenziale e messa a terra proteggono da guasti e sovratensioni indotte — non rendono un campo a prova di fulmine. La protezione dalla fulminazione diretta è un sistema separato secondo IEC 62305: aste di captazione, calate e dispersori propri. Se il tuo edificio ne ha uno, il concetto chiave è la distanza di separazione: il traferro minimo (tipicamente 0,5–1 m, calcolato secondo IEC 62305-3) tra l'LPS e le parti metalliche del campo che impedisce a una scarica di innescare un arco verso il tuo cablaggio DC.

Se il campo può mantenere quella distanza da ogni calata e asta di captazione, resta elettricamente indipendente — mettilo a terra con 6 mm² al collettore principale di terra e hai finito. Se non può (frequente sui tetti piccoli), la struttura va deliberatamente collegata all'LPS con morsetti dichiarati per corrente di fulmine e rame da 16 mm², così la corrente di fulmine ha un percorso controllato intorno alle tue apparecchiature invece che attraverso di esse.

Che esista o no un LPS, gli scaricatori di sovratensione (SPD) sul lato DC sono la seconda metà della sicurezza contro i fulmini: limitano i picchi di tensione che le scariche vicine inducono nel cablaggio di stringa. Un SPD vale quanto il suo collegamento a terra — un SPD DC di tipo 2 con un filo di terra lungo, sottile e ad anello limita a una tensione residua ben più alta di quanto prometta la sua scheda tecnica.

È qui che l'intuizione fai-da-te presa dall'elettricità dell'auto o dai vecchi sistemi di telecomunicazione fa danni veri: su un moderno inverter di stringa senza trasformatore, nessun polo DC può essere collegato a terra. Il campo deve restare flottante. Praticamente ogni inverter di stringa e ibrido residenziale attuale è senza trasformatore — non c'è un trasformatore di isolamento tra i tuoi pannelli e la rete, quindi un polo DC collegato a terra spingerebbe corrente di guasto attraverso il ponte dell'inverter al primo ciclo di commutazione.

Flottante non significa non protetto — è la protezione. L'inverter misura la resistenza di isolamento dell'intero campo verso terra ogni mattina prima di connettersi (il test Riso) e monitora la corrente residua durante il funzionamento. Un primo guasto di isolamento su un campo flottante non causa alcuna corrente di guasto: l'inverter segnala un errore di isolamento e si rifiuta di avviarsi, e tu ripari il guasto prima che possa fare del male a qualcuno. In un sistema con polo a terra, quello stesso primo guasto è già un cortocircuito.

La terra funzionale di un polo esiste davvero — alcune tecnologie di modulo a film sottile e n-type ad alta efficienza hanno storicamente richiesto un polo negativo o positivo a terra per prevenire il degrado. Ma quella messa a terra avviene dentro l'inverter attraverso un percorso controllato e protetto da fusibile, abilitato nelle impostazioni dell'inverter secondo le istruzioni del costruttore del modulo. Non è mai un filo che aggiungi tu.

Tutti i collegamenti equipotenziali terminano in un elettrodo nel terreno vero e proprio. Per un campo sul tetto di una casa, quello è l'impianto di terra esistente dell'edificio — un dispersore di fondazione o le picchette esistenti al collettore principale di terra. Non ti serve un nuovo elettrodo; ti serve un collegamento corretto a quello che c'è. La resistenza di una singola picchetta verticale si può stimare dalla resistività del terreno:

Con un terreno tipico a ρ = 100 Ω·m, una picchetta da 2,4 m di 16 mm di diametro dà circa 40 Ω. Quel singolo numero spiega gran parte della pratica di messa a terra: una sola picchetta raramente basta in terreni poveri, raddoppiare la lunghezza non dimezza la resistenza (ci pensa il logaritmo), e due picchette distanziate almeno quanto la loro lunghezza funzionano molto meglio di due picchette affiancate. La pratica comune punta a 10 Ω o meglio per impianti esposti ai fulmini; la NEC 250.53 accetta una singola picchetta solo se misura 25 Ω o meno, altrimenti una seconda picchetta è obbligatoria.

I campi a terra meritano un'attenzione particolare: il campo riceve un proprio elettrodo locale (spesso le stesse fondazioni a palo infisso), ma quell'elettrodo deve comunque essere ricollegato all'impianto di terra della casa attraverso lo scavo dei cavi. Una terra del campo isolata è un errore classico — durante una scarica vicina, 'terra del campo' e 'terra della casa' possono differire di decine di kilovolt, e l'isolamento del cavo DC tra le due si prende la differenza.

1. Capocorda su metallo anodizzato o verniciato

   Un capocorda imbullonato su anodizzazione intatta crea una connessione che oggi misura bene e dopo cinque anni di crescita dell'ossido è un isolante. Usa ferramenta dentata che perfora il rivestimento, oppure pulisci fino al metallo nudo e proteggi il giunto.

2. Rame direttamente sull'alluminio

   Rame contro alluminio nell'umidità esterna è una cella galvanica — l'alluminio si corrode sotto la connessione. Usa sempre capicorda bimetallici certificati o interfacce in acciaio inox tra il conduttore in rame e la struttura in alluminio.

3. Concatenare le cornici con un unico filo sottile

   Passare un singolo filo da 4 mm² da cornice a cornice in serie significa che una vite allentata scollega tutto ciò che viene dopo. Collega ogni fila al sistema di guide e dimensiona il conduttore secondo la tabella sopra.

4. Una picchetta di terra isolata per il campo

   Una picchetta separata non collegata all'impianto di terra dell'edificio non aggiunge sicurezza — crea una differenza di potenziale tra due 'terre' che si presenta sulle tue apparecchiature a ogni scarica vicina. Un solo impianto di terra, tutto collegato insieme.

5. Mettere a terra un polo DC 'per sicurezza'

   Su un inverter senza trasformatore questo causa corrente di guasto, un inverter danneggiato o un monitoraggio di isolamento disabilitato. Il campo resta flottante; solo cornici e guide vanno a terra.

6. Trattare la giunzione tra guide come un collegamento equipotenziale

   I connettori tra guide uniscono le guide meccanicamente. A meno che la giunzione non sia esplicitamente certificata per il collegamento equipotenziale, la corrente di fulmine e quella di guasto vedono un giunto anodizzato — aggiungi un ponticello.

7. Dimenticare il percorso di terra dell'SPD

   Uno scaricatore con 1,5 m di filo da 4 mm² arrotolato fino alla barra di terra limita a migliaia di volt in più rispetto alla specifica. Conduttori di terra degli SPD: corti, dritti e almeno della sezione minima indicata dal costruttore dell'SPD.

Le regole di questo articolo provengono da un piccolo insieme di norme. Raramente ti serve leggerle da cima a fondo, ma sapere quale documento governa quale questione aiuta quando l'ispettore locale, il manuale della struttura e un thread di un forum non sono d'accordo:

La messa a terra rende il campo sicuro da toccare; il progetto elettrico lo rende sicuro da far funzionare. Prima che qualcosa salga sul tetto, verifica che tensione e corrente di stringa entrino davvero nel tuo inverter agli estremi di temperatura del tuo sito — è un controllo da due minuti: