Złącza do instalacji fotowoltaicznych

Artykuł stanowi fragment wywiadu z mgr inż. Alicją Miłosz (semicon Sp. z o.o.) 'Stosowanie dobrych złączy fotowoltaicznych leży zarówno w interesie inwestorów jak i instalatorów'

Jak ważne jest stosowanie dobrych, oryginalnych złącz fotowoltaicznych. Jakich strat energii, a więc i pieniędzy pozwalają one uniknąć w porównaniu do tych pośledniej jakości? Można to jakoś wyliczyć stricte finansowo?

Złącza MC4 (firmy Muti-Contact po zmianie nazwy STAUBLI EC, gdzie MC- to pierwsze litery nazwy producenta, a cyfra 4 to średnica kontaktu = 4mm), stały się obowiązującym standardem. Ich popularność spowodowała, że powstały liczne europejskie i chińskie kopie, które wyglądają prawie identyczne, ale ich parametry mogą znacznie różnić się od wartości parametrów złączy oryginalnych. Złączom fotowoltaicznym stawia się bardzo duże wymagania. Muszą być wodoszczelne, odporne na wysokie i niskie temperatury, promieniowanie UV, zanieczyszczenie środowiska w postaci soli oraz amoniaku, a ponieważ, przez złącza fotowoltaiczne płyną prądy DC (stałe) muszą posiadać zabezpieczenie przed rozłączeniem, w wyniku którego mógłby powstać łuk elektryczny, a w konsekwencji – pożar. Takie zabezpieczenie zapewnia system zatrzaskowy. I te wszystkie wymagania muszą spełniać przez 20-25 lat działania. Bardzo ważnym parametrem, który decyduje o stratach wyprodukowanej w instalacji energii elektrycznej jest jak najmniejsza wartość rezystancji (wielkość oporu na przepływ prądu w obwodzie elektrycznym – przyp. red) kontaktu w połączeniach złącze-złącze oraz złącze-przewód. Minimalna rezystancja kontaktu to efekt bardzo dobrego styku wewnątrz połączenia i minimalny spadek napięcia, a w konsekwencji minimalna strata wyprodukowanej przez moduły energii elektrycznej. A im mniejsze straty na złączu tym oczywiście większy zysk finansowy na instalacji...

Dokładnie. Oryginalne złącza MC4 gwarantują zachowanie swoich parametrów przez cały czas pracy instalacji czyli 20-25 lat. Podam przykład, aby go zobrazować, muszę posłużyć się wzorem z fizyki. Do obliczenia strat energii na rezystancji kontaktu złączy wykorzystuje się znany

wzór na energię : En=R x I²x t

I np., jeżeli wykorzystujemy kopie złącz o dużej rezystancji kontaktu ≤ 5.0 mΩ, to obliczmy ile energii stracimy na jednym połączeniu w ciągu 1 godziny na rezystancji kontaktu R= 4 mΩ, dla prądu I=10A 

En=R x I²x t = 4mΩ x (10A) ² x 1h=400 mWh= 0,4 Wh

Na 100 połączeniach (wtyk/gniazdo), będzie to wartość 40 Wh, w ciągu 10 godzin – 400 Wh, w ciągu roku…..to już jest naprawdę sporo.

A jak to wygląda dla oryginalnego złącza MC4 o małej rezystancji kontaktu?

Zdecydowanie korzystniej dla inwestora. Np. energia stracona na jednym połączeniu w ciągu 1 godziny na rezystancji kontaktu R= 0,25 mΩ, dla prądu I=10A wynosi,

En=R x I²x t = 0,25mΩ x (10A) ² x 1h=25 mWh= 0,025 Wh

Na 100 połączeniach (wtyk/gniazdo) będzie to wartość tylko 2,5 Wh, więc 16 razy mniej.

Czyli złe złącza w instalacjach fotowoltaicznych to jedne z głównych źródeł strat finansowych i zmniejszonej zyskowności?

Posłużę się kolejnym przykładem. Unia Europejska prowadziła projekt Solar Bankability (www.solarbankability.org), w ramach programu HORIZON 2020, który miał na celu zdefiniowanie profesjonalnej oceny ryzyka inwestycji na podstawie zebranych danych statystycznych dotyczących przyczyn awarii w instalacjach fotowoltaicznych.

Jednym z wyników projektu Solar Bankability było opracowanie listy 20 najważniejszych problemów technicznych w zakresie złączy i okablowania wpływających finansowo na rentowność instalacji wyrażonej w EUR/kWp (Kilo watt peak (kWp) określa jaką ilość prądu (kWh) może wytworzyć instalacja fotowoltaiczna lub jeden moduł – przyp. red). strat na rok. Okazało się, że największe straty przynoszą uszkodzone złącza (2,67 EUR/kWp) i nieprawidłowo wykonane połączenia kablowe (3,93 EUR/kWp). Ostatnio buduje się dużo instalacji o mocy 1 MW. Możliwe straty finansowe w ciągu roku wynikłe z powodu uszkodzonych złączy to 1000 kWp x 2,67 EUR/kWp = 2670 EUR/rok. Ten sam projekt wykazał, że złej jakości złącza są głównym powodem uszkodzeń modułów PV.

Co daje jeszcze używanie dobrych złącz? Np w kwestii bezpieczeństwa?

Bezpieczeństwo to podstawowy problem, który rozwiązują dobre złącza. Ich obudowy wykonane są z dobrego plastiku, którego zatrzaski nie otwierają się łatwo niwelując zagrożenie powstania łuku elektrycznego i pożaru. Kontakt elektryczny jest tak umieszczony, aby w stanie rozłączenia nawet palec 3 letniego dziecka nie miał do niego dostępu. Dobre złącza o małej rezystancji nie grzeją się, co nie niszczy ich plastikowej izolacji i zapobiega rozłączeniu pod napięciem. Stosowanie dobrych złączy leży zarówno w interesie inwestorów jak i instalatorów. Inwestorzy będą mieli większe zyski, a instalatorzy mniej problemów z serwisem gwarancyjnym.

Jakie metale są używane w złączach, jakie są najlepsze i dlaczego?, np. z punktu widzenia korodowania, które pogarsza i pomniejsza przesył energii z paneli do falowników?

Jak wspomniałam powyżej, duże wartości rezystancji kontaktu złączy są bardzo niekorzystne, a wręcz szkodliwe. Mając na uwadze zakładany długi czas pracy instalacji należy brać pod uwagę również wzrost rezystancji kontaktu w miarę upływu czasu z powodu korozji elektrochemicznej. Do budowy kontaktów elektrycznych swoich złączy MC4 firma Multi-Contact (obecnie STAUBLI EC) wybrała miedź pokrytą cyną ze względu na małą wartość różnicy potencjału cyna/miedź Cu/Sn wynoszącą 260mV, dzięki czemu są bardziej odporne na korozję elektrochemiczną. Niektórzy producenci pokrywają kontakty elektryczne złączy PV srebrem i wbrew pozorom jest to gorszy wybór, ponieważ różnica potencjału miedź – srebro Cu/Ag wynosi 320mV, czyli korozja będzie postępowała szybciej. Jest to jeszcze gorszy wybór dla połączenia cynowanych przewodów solarnych i srebrzonych kontaktów, ponieważ różnica potencjału Cyna – Srebro Sn/Ag wynosi 470 mV ).

Jakie są koszta złączy, przewodów i puszek w całkowitej wartości instalacji fotowoltaicznej?

Według wyników wspomnianego Projektu UE Solar Bankability koszty złączy, przewodów oraz puszek przyłączeniowych w modułach PV to mniej niż 1 proc. wartości całej inwestycji, a samych złączy nawet – 0.003 proc. Należy zastanowić się więc, czy warto podejmując decyzję o budowie elektrowni PV, ryzykować utratę bezpieczeństwa pożarowego i elektrycznego, niezawodności oraz spodziewanych zysków wybierając panele ze złączami niewiadomego pochodzenia oraz pozostałe tanie komponenty.