Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xv
Chapter 1 Introduction to Advanced Photovoltaic
System Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Designing a PV System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Defining the Customer’s Needs and Budget . . . . . . . . . . . . 2
Assessing the Installation Site . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Materials and Placement for the Site Environment . . . . . 3
Determining the Array Location . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Complying with Relevant Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Minimizing Electrical Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Storing and Managing Batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Meeting Local Utility Interconnection Requirements . . . . 5
Basic Stages in Installing a PV System . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
General Recommendations for Installations. . . . . . . . . . . . . 9
Materials Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Recommendations for Equipment and
Methods of Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
PV System Installation, California Style . . . . . . . . . . . . . . . 10
Getting Installation Right for Top
System Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
AC/DC Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Array Mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Array Interconnection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
Tips for Laying Cables and Placing Conductors . . . . . . .15
Installing a Grid-Connected PV System . . . . . . . . . . . . . . . 15
Preparation for the Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Step-by-Step System Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
Chapter 2 Essential Safety Practices for Designing and
Installing PV Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Working Safely with PV Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Connecting and Operating PV Systems . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Electrical Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
Protection from Falls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26
Stairways and Ladders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Hand and Power Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Personal Protective Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Working Space for Electrical Systems . . . . . . . . . . . . . . . .29
Photovoltaic (PV) Modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
Marking and Labeling Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Marking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
Labeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
Access, Pathways, and Smoke
Ventilation Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Residential Systems—Single- and Two-Unit
Residential Dwellings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Commercial Buildings and Residential
Housing—Three or More Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Location and Protection of Direct Current
(DC) Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Non-Habitable Building Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Contents v
Ground-Mounted PV Arrays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Safe Design of PV Systems—What the NEC Says . . . . . . . . 39
System and Current Voltage Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
Wiring and Disconnect Requirements . . . . . . . . . . . . . . . .40
Grounding Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
Safety Hints for Testing a PV System . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Chapter 3 Installation: Creating the Best PV System . . . . . . . . . . . . . 47
General Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Materials and Equipment Recommendations . . . . . . . . . . . 48
PV System Design and Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
Designing a PV System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52
PV System Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
PV System Maintenance and Operation . . . . . . . . . . . . . . . 56
Signoffs at the Beginning and End of the Project . . . . . . . 57
PV System Plan Checklist. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Chapter 4 Site Review, Layout, Mounting Systems, and
Building Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Project Site Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
PV Applications and Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Microclimate, Shading Effect, and
the Solar Window . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Module Orientation and Tilt Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Assessing Electrical Demand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Shade Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Solar Path . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Shadow Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
vi Contents
Shading Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Roof Installation Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Roofs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77
Façade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
Glass Roofs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80
Other Types of PV Array Mounting Locations . . . . . . . . .81
PV Laminate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
Building-Integrated Photovoltaics, Solar Tiles,
and Solar Shade Canopies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Solar Tiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
Solar Shades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83
Chapter 5 Building Codes and Regulations for PV Systems . . . . . . . . 87
OSHA Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
General Safety Regulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
Occupational Health Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90
Personal Protection Equipment Safety . . . . . . . . . . . . . . .91
Tool Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
Electrical Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92
Protection from Falls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
The National Electrical Code (NEC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Longevity, Materials, and Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
Scope and Purpose of the NEC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
Testing and Approval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99
Marking and Labeling PV Systems in Relation to
Regulation and Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Chapter 6 Standalone PV Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Standalone PV Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Standalone Distribution Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Interior DC Wiring and Receptacles . . . . . . . . . . . . . . . .108
Contents vii
Smoke Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108
Ground-Fault Circuit Interrupters . . . . . . . . . . . . . . . . .108
Multi-Wire Branch Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
Planning and Designing Standalone Systems . . . . . . . . . 109
Modules in Standalone PV Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Batteries in Standalone PV Systems . . . . . . . . . . . . . . . .110
Aging Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .117
Selection Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .118
Battery Installation and Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . 118
Wiring a Battery Bank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
Sizing Batteries in Standalone PV Systems . . . . . . . . . . . 120
Reducing the Size of Battery Banks . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Battery Maintenance and Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120
Managing Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
Generators and Charge Controllers for Standalone
PV Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Charge Controllers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .122
Standalone Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Sine-Wave Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
Modified Sine-Wave Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .124
Square-Wave Inverters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
Direct Coupling of PV Array, Battery, and Load . . . . . .125
Measuring Electricity Consumption . . . . . . . . . . . . . . . .126
Sizing the PV Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Determine Load . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
Determine Local Solar Component . . . . . . . . . . . . . . . . .127
Determine PV System Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . .127
Determine Autonomy in Days . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .128
viii Contents
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