MC4 – Oryginał jest tylko jeden!

Około 25 lat temu firma Multi-Contact ze Szwajcarii (obecnie STӒUBLI EC) opracowała i wprowadziła do produkcji złącza fotowoltaiczne MC3 i MC4, gdzie cyfry 3 i 4 oznaczają średnicę kontaktu wtyk/gniazdo. Do chwili obecnej moc instalacji PV z wykorzystaniem złączy MC4 firmy STÄUBLI EC wynosi ok. 360 GW.

Firma STÄUBLI EC (dw. Multi-Contact) zajmuje znaczącą pozycję wśród producentów złączy wykorzystywanych w wielu dziedzinach przemysłu dzięki specjalnym elementom sprężystym o nazwie Multi-lams (Fot. 1), które zapewniają 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).

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, ponieważ potencjał elektrochemiczny srebro-cyna wynosi aż 470 mV.

Aby udowodnić jakość swoich złączy, firma Multi-Contact przeprowadziła badania starzeniowe poddając je dużym zmianom temperatury i wilgotności w komorze klimatycznej.

Test przeprowadzono w 2012 r. Rezystancję mierzono w 3 punktach (Rys. 1):

1 – rezystancja połączenia wtyk/gniazdo dUK;

2 – rezystancja połączenia przewodu z wtykiem dUCS;

3 – rezystancja połączenia przewodu z gniazdem dUCB.

W pierwszym kroku zmierzono rezystancję zaraz po połączeniu gniazda z wtykiem. Proces starzenia zasymulowano wykonując 10 000 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 przedstawia rysunek 3a i 3b.

Wyniki 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).

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

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

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

Od momentu stworzenia systemu złączy MC4 przez firmę Multi-Contact na rynku pojawiło się wiele ich kopii producentów z Azji i Europy (Rys. 8)

Kopie wyglądają podobnie do oryginałów (Rys. 8), ale ich parametry techniczne, niewidoczne dla oka, są przeważnie znacznie gorsze. Podobieństwo zewnętrzne spowodowało błędne odbieranie wszystkich złączy jako MC4.

W 2004 r. niemiecki TÜV Rheiland wykonał eksperyment, którego celem było porównanie obciążonych złączy fotowoltaicznych obecnych na rynku. Wykonane w podczerwieni zdjęcia złączy zamieścił w swoim czasopiśmie (Rys. 9a i 9b).

Obraz termowizyjny (9b) 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 zwiększając niebezpieczeństwo pożarowe.

Przed podjęciem decyzji o wyborze modułów ważną sprawą jest 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 w/w 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 to pewne źródło strat wyprodukowanej energii (a więc i zysku) wzrastające w czasie użytkowania (25 lat).

Reasumując

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 czasu
• 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