Tyco Electronics optimiert bis ins Detail

Die Weiterentwicklung der Photovoltaik-Steckverbinder

24. August 2010, 13:01 Uhr | Corinna Puhlmann
© Tyco Electronics

Die Photovoltaik wird erwachsen, und mit ihr die Schlüsselkomponenten: Mit dem Wechsel vom Nischenmarkt zur Produktion in großen Stückzahlen haben sich unter anderem die Anforderungen an die Steckverbinder verändert.

Während ein geringer Wirkungsgrad oder der Ausfall eines Moduls bei kleinen Hausinstallationen eher ein Ärgernis darstellen, sind sie bei Großanlagen schlicht inakzeptabel! Vor diesem Hintergrund bekommen Eigenschaften wie Zuverlässigkeit, elektrischer Wirkungsgrad, hohe Qualitätsstandards dank automatisierter Produktion, Rückverfolgbarkeit, globale Versorgungswege sowie Vor-Ort-Service einen viel höheren Stellenwert an als bisher.

Inzwischen bilden beispielsweise Dünnschicht-PV-Module eine attraktive Option, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln. Ein Nachteil der Dünnschichtmodule ist allerdings ihr niedriger Wirkungsgrad. »Dünnschichtmodule haben heute einen Wirkungsgrad von 6 bis 12 Prozent, während die meisten kristallinen Module eine durchschnittliche Ausbeute von 15 Prozent liefern«, erläutert Frank Rosenkranz, Product Manager Alternative Energy EMEA von Tyco Electronics. Entsprechend wichtig sei es daher, jede Verschlechterung des Wirkungsgrads über die Betriebszeit zu verhindern. Und genau hier setzt Tyco Electronics mit seiner zweiten Generation der Photovoltaik-Steckverbinder an.

Der Wirkungsgrad als Messlatte

»Die PV-Anlagen der Pioniertage wurden oft mit Steckverbindern und Kabeln ausgerüstet, die man anderen Feldanwendungen entlehnte«, berichtet Frank Rosenkranz. Auch wenn das anfangs eine praktikable Lösung gewesen sein mag, führen die sehr spezifischen Betriebsbedingungen einer PV-Anlage zu einem einmaligen Mix aus Anforderungen. So sind PVSteckverbinder widrigen Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Während einer Modullebensdauer von 25 und mehr Betriebsjahren müssen sie Temperaturextreme zwischen -20 °C und bis zu +80 °C aushalten. Frank Rosenkranz verdeutlicht: »Derartig große und zyklische Temperaturschwankungen führen zu Relativbewegungen zwischen Steckerpin und Buchse, was Reibkorrosion verursachen kann.« Bestehen die Steckerpins aus Zinn, wie das gelegentlich der Fall ist, so verursacht die entstehende Zinndioxidschicht (SnO2) höhere Übergangswiderstände – das aber wirkt sich nachteilig auf den Wirkungsrad des Moduls aus und führt nicht selten zum Modulversagen.

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Frank Rosenkranz, Tyco Electronics
Frank Rosenkranz, Tyco Electronics: »Während einer Modullebensdauer von 25 und mehr Jahren müssen PV-Steckverbinder Temperaturextreme zwischen -20 °C und bis zu +80 °C aushalten.«
© Tyco Electronics

De facto sind die Anforderungen an Steckverbindersysteme für Solaranlagen so spezifisch, dass die PV-Entwickler von Tyco Electronics zunächst einmal mit leeren Händen dastanden, als sie bei ihrer Suche nach einem geeigneten Produkt die beinahe 500.000 Produkte umfassende Datenbank der Unternehmensgruppe durchforsteten. »Am ehesten entsprach noch ein einpoliger Automobilsteckverbinder den Kriterien der Fachleute«, berichtet der Photovoltaik-Pionier Frank Rosenkranz.

»Allerdings war dieser Steckverbinder für Leiterquerschnitte von nur 0,75 mm2 ausgelegt und mit einem nur einwandig isolierten Kabel konfektioniert, das zudem für niedrige Amperezahlen ausgelegt war. PV-Module dagegen erfordern Leiterquerschnitte von bis zu 6 mm2 und eine doppelwandige Isolierung, um Ströme bis 25 A tragen zu können und die widrigen Umgebungsbedingungen auszuhalten.« Ein für PV-Anwendungen geeignetes Kabel erwies sich wiederum als viel zu voluminös, um sich unter den Federzungen des Automobilsteckverbinders unterklemmen zu lassen. »Hat man noch den rechteckigen Leiterquerschnitt des Modulausgangs mit einbezogen, so gab es überhaupt keine Passung zwischen den existierenden Lösungen des Unternehmens und der Anforderung.« Die Ingenieure von Tyco Electronics beschlossen daraufhin, ihr Wissen und ihre Erfahrung für die Neuentwicklung eines Produktes für genau diese Anforderungen zu nutzen.

Diese Zielvorgabe kann man an den Details des PV-spezifischen Solarlok-Steckverbindersystems ablesen: Anstelle von Zinnkontakten etwa ist der IP67-Steckverbinder mit silberbeschichteten Kontakten ausgerüstet, und Silberoxid (Ag2O) als Ergebnis von Reibkorrosion ist, anders als Zinndioxid, ein elektrischer Leiter.

Offene Systemarchitektur

Da eine PV-Anlage widrigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, macht es natürlich wenig Sinn, nur einzelne Komponenten zu optimieren. Will man den anfänglichen Wirkungsgrad einer PVSolaranlage über ihre gesamte Lebensdauer erhalten, setzt das ein durchgängiges, technisch hoch ausgereiftes System voraus. Daher umfasst die Steckverbinderfamilie Solarlok folgende Komponenten:

  • eine skalierbare Solarbox-Plattform mit zwei bis sechs Stromschienen sowie Sperrdioden für den seriellen oder parallelen Anschluss kristalliner PV-Module oder von Dünnschichtmodulen
  • Kabelkupplungen (Stecker und Buchse)
  • T-Steckverbinder
  • Wechselrichtersteckverbinder
  • »IEC 60228 Class 5«-Kabel (flexibles, zinnbeschichtetes Kupfergeflecht), zertifiziert durch UL und TÜV
  • Hauptschalter mit einer Stromtragfähigkeit von 60 A und integriertem Überlastschutz, der die komplette PVAnlage vom Inverter trennen kann
  • sowie applikationsspezifische Werkzeuge.

»Das System ist durchgängig auf eine schnelle Montage bei der Herstellung der Module sowie einfache Installation vor Ort ausgelegt«, betont Frank Rosenkranz. Verpolungssichere Gehäuse, berührungssichere Kontakte, viele Steckzyklen und Verrasten beim Stecken sind das Ergebnis der umfassenden Erfahrung mit Steckverbindern sowie der Selbstverständlichkeit, strenge Industrienormen einzuhalten.

Solarbox
Solarbox zur Montage an der Rückseite eines kristallinen Silizium-PV-Moduls
© Tyco Electronics

Crimpanschlüsse statt Löten

Die ausgereifte Crimptechnik bildet dabei eine Grundvoraussetzung für die langfristig zuverlässige Verbindung. Der Unternehmensbereich, der für die Verarbeitungswerkzeuge von Tyco Electronics zuständig ist, liefert das Handwerkszeug, um sicherzustellen, dass beim Crimpen tatsächlich eine Kaltverschweißung erzeugt wird. Die Crimpkontakte in den Solarlok- Steckverbindern basieren auf einem bewährten Design für den Maschinenbau, das allerdings modifiziert werden musste, um eine zusätzliche und technisch knifflige Anforderung zu erfüllen: »Während der Buchsenkontakt im vorderen Bereich eine ausreichende Vorspannung aufweisen muss, darf der hintere Bereich nicht zu spröde sein, um eine Rissbildung beim Crimpen zu verhindern«, verdeutlicht Frank Rosenkranz. »Nur eine enge Verknüpfung der Spezialfelder-Werkzeugentwicklung und des Crimpdesign kann sicherstellen, dass beim Crimpvorgang eine qualitativ hochwertige Verbindung entsteht, die in ihren Eigenschaften einer einwandfreien Lötverbindung entspricht – nur ohne die Notwendigkeit, jede Verbindungsstelle sicherheitshalber röntgen zu müssen.«

Steckverbinder für Dünnschichtmodule

Auch die noch in der Entwicklung befindliche Technologie der Dünnschichtmodule bringt zusätzliche Anforderungen mit sich. Weil der Modulwirkungsgrad niedriger ist als bei kristallinen Modulen, müssen Investoren bei ihrem finanziellen Einsatz umso schärfer rechnen, damit unter dem Strich ein Gewinn bleibt. Jedoch darf der entsprechend knappere Mitteleinsatz nicht die langfristige Zuverlässigkeit gefährden. Um die Haltbarkeit über die Betriebsdauer trotz widriger Umgebungsbedingungen zu sichern, hat Tyco Electronics innerhalb eines Fünfjahresforschungsprojektes der EU gemeinsam mit Partnern spezielle Solarboxen für Dünnschichtmodule entwickelt. Ein wesentliches Merkmal der Solarboxen von Tyco Electronics sind laut Frank Rosenkranz die Sperrdioden zwischen den Stromschienen. Sie sind das wesentliche Sicherheitsmerkmal, das einer besonderen Eigenart von Solarzellen Rechnung trägt: Funktioniert eine Zelle nicht mehr, so verwandelt sie sich vom Stromlieferanten in einen elektrischen Verbraucher und wird damit zur Stromsenke für die anderen Solarzellen. Dabei erhitzt sich die defekte Zelle; der lokale Temperaturanstieg kann das Modul zerstören. Die Sperrdiode verhindert dies, indem sie das defekte Segment des Moduls von den anderen trennt. Zur vollautomatischen Fertigung der Solarboxen gehören deshalb Testplätze für die Sperrdioden.

Kantensteckverbinder für BIPV-Anwendungen
Der neue Kantensteckverbinder für BIPV-Anwendungen verfügt über umspritzte Kontakte mit einer Gesamtdicke von nur 0,8 mm.
© Tyco Electronics

Umspritztechnik als Erfolgsfaktor

Wie wichtig Optimierung bis ins Detail ist, zeigt noch ein weiteres Beispiel: Kriechnässe in Spaltöffnungen zwischen den einzelnen Systemkomponenten ist ein mögliches Lebensdauerproblem bei PVAnlagen. Tyco Electronics hat eine erprobte technische Lösung entwickelt, wie sich Kriechpfade zwischen einer äußeren Kabelwand aus Polyolefin (PO) und dem Gehäuse der Solarbox verhindern lassen. Frank Rosenkranz: »Polyolefin ist der Werkstoff der Wahl zur äußeren Isolierung von Solarkabeln, weil er eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen ultraviolettes Licht, Feuchtigkeit und Ozon aufweist.« Speziell elektronenstrahlvernetztes PO habe sich als ideal für diese Anwendung herausgestellt. Allerdings geht strahlenvernetztes PO normalerweise keine Bindung mit dem Polyphenylenoxid (PPO/PPE) des Gehäuses ein. Um dennoch die jeweils besten Werkstoffe für die Anwendung kombinieren zu können, hat Tyco Electronics sein Know-how in der Kunststoffverarbeitung genutzt, um ein proprietäres Verfahren zur wasserdichten Vernetzung von PO-Kabelhülle und PPO-Gehäuse zu entwickeln.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik

Auch neue Kantensteckverbinder veranschaulichen, welche Bedeutung die Umspritztechnik bei der Serienproduktion von PV-Steckverbindern auf gleichbleibend hohem Qualitätsniveau hat. Während die Solarboxen für heutige bodenund dachinstallierte Anlagen auf der Rückseite der Module montiert sind, ist das bei PV-Anlagen zur Integration in Privat- oder Gewerbebauten (Building-integrated PV installations, BIPV) nicht die Technologie der Wahl. Um die Verbindungsstellen aus dem Sichtfeld zu »verbannen«, erfolgt die Kontaktierung von BIPV-Modulen mittels Steckverbindern seitlich an der Kante zwischen dem vorderen Abdeckglas und dem rückwärtigen Substrat des Moduls. Das hat zur Folge, dass der umspritzte Kontakt des Kantensteckverbinders nicht dicker sein sollte als die Gesamthöhe des fotosensitiven Schichtaufbaus zwischen Abdeckglas und Rückwand. Nur so lässt sich der Einsatz von Füllstoffen vermeiden. »Auf Basis unserer Erfahrungen mit der Umspritztechnik haben wir ein neues Hochdruck- Umspritzverfahren für Kantensteckverbinder entwickelt, das komplett umspritzte Kontakte mit einer Gesamtdicke von nur 0,8 mm ermöglicht«, sagt Frank Rosenkranz. Andere heute am Markt verfügbare Lösungen können laut Angaben von Tyco Electronics bis zum Doppelten dieser Dicke aufweisen.

PVSEC L3/H2/D43


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