MC4 – oryginał jest tylko jeden!

Firma STÄUBLI EC (dawniej Multi-Contact) zajmuje znaczącą pozycję wśród producentów złączy wykorzystywanych w wielu dziedzinach przemysłu dzięki specjalnym elementom sprężystym o nazwie Multi-lams (fot. 1). Zapewniają one doskonały kontakt elektryczny, gwarantujący minimalną rezystancję kontaktu (opór elektryczny), a co za tym idzie – minimalne straty przesyłanej energii w planowanym czasie działania (w przypadku złączy fotowoltaicznych jest to 25 lat).

Spełnić duże wymagania

 

Fot. 1. Elementy sprężyste Multi-lams w gniazdach złączy MC4

Złączom fotowoltaicznym stawia się bardzo duże wymagania ze względu na trudne warunki zewnętrzne, w których muszą pracować przez wiele lat. Ich parametry techniczne powinny być stabilne przez cały okres działania instalacji, a nie tylko w momencie uruchomienia. Złącza muszą być odporne na temperaturę, zawartość soli i amoniaku w powietrzu oraz inne zanieczyszczenie środowiska. Powinny być wodoszczelne i niepalne. Aby zapewnić bezpieczeństwo elektryczne i pożarowe, powinny mieć zabezpieczenie przed rozłączeniem w czasie przepływu prądu oraz zapewniać bardzo dobry kontakt elektryczny. Dobry kontakt elektryczny to minimalne straty energii w postaci grzania, a w konsekwencji dobry stan izolacji instalacji PV w ciągu długiego czasu, brak zagrożenia pożarem, mniejsza konieczność napraw, większy zysk finansowy.

Już w fazie projektowania złączy wzięto pod uwagę czas ich działania, wybierając odpowiednie materiały, z jakich będą wykonane. W przypadku metalowych elementów kontaktowych zdecydowano się na miedź pokrytą cyną, gdyż na połączeniu Cu-Sn powstaje różnica potencjału równa 260 mV, zapewniając mniejszą szybkość korozji elektrochemicznej w miarę upływu czasu. Dla porównania, kontakty miedziane pokryte srebrem są gorszym rozwiązaniem, gdyż różnica potencjału Cu-Ag wynosi 320 mV. Wybór złączy z kontaktami srebrzonymi jest jeszcze gorszą decyzją z punktu widzenia ich łączenia z cynowanymi przewodami – potencjał elektrochemiczny srebro-cyna wynosi aż 470 mV.

Testy dowodem jakości

Aby udowodnić jakość swoich złączy, firma Multi-Contact przeprowadziła badania starzeniowe, poddając produkty dużym zmianom temperatury i wilgotności w komorze klimatycznej. Test przeprowadzono w 2012 r. Rezystancję mierzono w trzech punktach (rys. 1):

1 – rezystancja połączenia wtyk/gniazdo dUK;
2 – rezystancja połączenia przewodu z wtykiem dUCS;
3 – rezystancja połączenia przewodu z gniazdem dUCB

 

Rys. 1. Elementy sprężyste Multi-lams w gniazdach złączy MC4

 

Rys. 2. Symulacja procesu starzenia złączy MC4

W pierwszym kroku zmierzono rezystancję zaraz po połączeniu gniazda z wtykiem. Proces starzenia zasymulowano, wykonując 10 tys. cykli grzania i chłodzenia w zakresie temperatur od –40˚C do + 85˚C (rys. 2). Po każdych 50 cyklach złącza rozłączano, mierzono rezystancję i ponownie łączono. W ostatnim etapie poddano je działaniu wysokiej temperatury (85˚C) w wilgotnej atmosferze (715 g/kg) przez 1000 godzin.

Wyniki testu przedstawiają rysunki 3a i 3b.

 

Rys. 3. Wyniki testu symulującego zachowanie złączy MC4 po ok. 25 latach

Wyniki te można zinterpretować w następujący sposób:

• początkowa rezystancja kontaktu po połączeniu nigdy nie przekroczyła 0,35 mΩ;
• spodziewana długookresowa rezystancja kontaktu nie przekroczy 0,35 mΩ (rys. 3a);
• rezystancja połączenia przewodu ze złączem z wykorzystaniem odpowiedniego narzędzia nie przekroczyła 60 μΩ (rys. 3b).

Monitoring z dachu

 

Rys. 4. Wynik monitoringu rzeczywistej instalacji w firmie Multi-Contact

Firma Multi-Contact posiadała własną instalację fotowoltaiczną na dachu swojej siedziby i przez 12 lat prowadziła monitoring rezystancji, której wynik przedstawia rysunku 4. W czasie rozbudowy firmy instalację zdemontowano.

Maksymalna rezystancja kontaktu wtyk/gniazdo zmierzona w warunkach rzeczywistych nie przekroczyła wartości 180 μΩ (R ≤ 180 μΩ).

Dobrze zacisnąć

Bardzo ważnym czynnikiem, często niedocenianym, wpływającym na całkowitą rezystancję instalacji jest odpowiednie zaciśnięcie złączy na przewodzie (rys. 5a).

 

Rys. 5. Przekrój przez prawidłowe (z lewej) i nieprawidłowe zaciśnięcie przewodu

 

Rys. 6. Zależność rezystancji zaciśnięcia złącza z przewodem od temperatury

W przypadku użycia nieodpowiednich narzędzi (rys. 5b) rezystancja instalacji (czyli straty wyprodukowanej energii) szybko wzrasta wraz ze wzrostem temperatury otoczenia (rys. 6). Dla porównania, maksymalna rezystancja zaciśnięcia w opisanym wyżej eksperymencie (rys. 3b) wynosiła ok. 50 μΩ, a pokazana na wykresie (rys. 6) wzrosła do wartości ok. 600 μΩ.

Niemieckie Forum Kablowe (kabelforum.de) udostępniło wykres zależności przewodności, rezystancji i siły wyrwania od jakości zaciśnięcia, związanej z kształtem przekroju uzyskanego w czasie zaciskania (rys. 7). Zielone pole na wykresie odpowiada prawidłowemu zaciśnięciu.

 

Rys. 7. Zależność przewodności, rezystancji oraz siły wyrwania od sposobu zaciśnięcia

Rynek pełen niespodzianek

Od momentu stworzenia systemu złączy MC4 przez firmę Multi-Contact na rynku pojawiło się wiele ich kopii producentów z Azji i Europy (fot. 2).

Jak widać, kopie wyglądają podobnie do oryginałów, ale ich parametry techniczne, niewidoczne dla oka, są przeważnie znacznie gorsze. Podobieństwo zewnętrzne spowodowało błędne odbieranie wszystkich złączy jako MC4.

 

Fot. 2. Oryginalne złącza MC4 (pierwsze z lewej) i ich kopie

W 2004 r. niemiecka firma certyfikująco-badawcza TÜV Rheiland wykonała eksperyment, którego celem było porównanie obciążonych złączy fotowoltaicznych, obecnych na rynku. Wykonane w podczerwieni zdjęcia złączy zamieściła następnie w swoim czasopiśmie (fot. 3a i 3b).

Obraz termowizyjny (3b) pokazał, że niektóre złącza bardzo się grzeją, w przeciwieństwie do złączy MC3 i MC4. Należy brać to pod uwagę, dokonując wyboru elementów instalacji. Energia elektryczna stracona na zbyt dużej rezystancji wydzieli się w postaci ciepła, niszcząc izolację złączy i zwiększając niebezpieczeństwo pożarowe.

 

Fot. 3. Złącza wybrane do eksperymentu; 3b: Obraz termowizyjny obciążonych złączy PV

Przed podjęciem decyzji o wyborze modułów ważną sprawą jest też dokładne sprawdzenie, jakie złącza w nich występują. Nie wolno zadowolić się informacją, że są "kompatybilne z MC4". Według oświadczenia firmy STÄUBLI, żadne złącza nie są kompatybilne z rodziną MC4 (MC4 + MC4 EVO2). Norma IEC IEC62548 zabrania łączenia złączy różnych producentów, potwierdzając zasadność tego oświadczenia. Druga istotna sprawa to bardzo częsty brak dostępności na rynku złączy jakoby "kompatybilnych z MC4", takich samych jak w panelach zaprojektowanych dla danej elektrowni. Wiemy z doświadczenia, że instalatorzy stają przed bardzo dużym problemem, jeśli chcą dostosować się do wymagań ww. normy i nie ryzykować odpowiedzialności za szkody wywołane ewentualnym pożarem spowodowanym mieszaniem złączy. Trzeba zdawać sobie sprawę, że w przypadku wyboru złączy o złej jakości przez producenta modułów, rezystancja kontaktu tych dwóch złączy pomnożona przez liczbę modułów w instalacji oznacza pewne źródło strat wyprodukowanej energii (a więc i zysku), wzrastające w czasie użytkowania (25 lat).

Podsumowanie

Oryginalne złącza MC4 w modułach fotowoltaicznych i całej instalacji zapewnią:

• bezpieczeństwo pożarowe i elektryczne,
• niezawodność (brak przerw serwisowych w pracy instalacji),
• dużą sprawność instalacji w długim okresie,
• większy zysk całkowity inwestycji (mniejsze straty energii na rezystancji złączy i przewodów).

A zatem: korzyści wynikające z zastosowania tych złączy znacznie przewyższają nieco większe wstępne koszty inwestycji.

mgr inż. Alicja Miłosz

SEMICON Sp.z o.o
www.semicon.com.pl