Anschlussdosen und ihre Auswirkung auf den Betrieb von Solarmodulen

In den letzten Monaten haben führende Hersteller wie Jinko Solar und Longi Solar neue Produkte mit unterschiedlichen Wafergrößen und Leistungen im Markt eingeführt. Im Fokusstand vor allem die Maximierung der Nennleistung. Auch die technischen Hintergründe wurden zum Teil thematisiert. Jedoch wurde hier eher selten auf negative Fakten, die bei einer stetigen Maximierung auftreten können, eingegangen. Hierunter fällt beispielsweise, die in PV-Modulen verbaute Anschlussdose, die aufgrund höherer Ströme, neue Herausforderungen bewältigen muss. Ein Beispiel hierfür ist die Reaktionszeit der Anschlussdosen, welche sich einhergehend mit der Leistungssteigerung verkürzen sollte. In den letzten Monaten konnte beobachtet werden, dass diese “schnellere” Reaktionszeit jedoch sowohl bei alten wie auch bei neuen Anschlussdosen zum Teil nicht aufgebracht werden konnte. Es wird vermutet, dass dies auf verschiedene Designkomponenten und Verarbeitungen der betroffenen Anschlussdosen zurückzuführen ist. Kann eine solche Reaktionszeit nicht aufgebracht werden, so kommt es häufiger zu Ausfällen und Qualitätsproblemen.  

In diesem Artikel möchten wir euch aufschlüsseln, welche technischen Probleme und Herausforderungen auf Hersteller zukommen können, wenn Sie hochleistungsstarke Solarmodule in den Betrieb geben.  

Welche wichtige Rolle haben hier Anschlussdosen und wie können Wir trotz hoher Leistung eine ausreichende Qualität erreichen?  

Diese und weitere Fragen werden wir Euch in diesem Artikel beantworten.  

Anschlussdosen als wichtiger Indikator für den sicheren Betrieb eines PV-Moduls 

Anschlussdosen spielen in der Funktionalität eines PV-Moduls eine große Rolle. Sie sorgen dafür, dass der Strom aus einem Solarmodul in die richtige Richtung fließen kann. Defekte an der Anschlussdose können zu Hitzestau mit schädlichen Folgen für das Modul führen. 

Innerhalb der folgenden Abbildung könnt Ihr euch einen solchen Defekt einmal genauer anschauen:  

Quelle: https://www.pv-magazine.com/magazine-archive/current-affairs/ 

Wie schon im oberen Abschnitt erwähnt, birgt laut Roman Giehl, Technical Business Development Manager bei Jinko Solar Europe, der erhöhte elektrische Strom, die größten Herausforderungen. Neben der Verkürzung der Reaktionszeit und der Verbesserung der Wärmebelastung von Anschlussdosen, müssen auch Steckerverbinder und Dioden angepasst werden. Um höhere Ströme bewältigen zu können und den Zuverlässigkeitsanforderungen gemäß den IEC-Standards gerecht zu werden, muss laut Shawn Qu, Chairman und CEO von Canadian Solar, das Anschlusskastendesign sowohl in Struktur als auch in seinen Dioden angepasst werden.  

Größere Modulgrößen erfordern aufgrund der Zunahme des elektrischen Stroms neue Lösungen 

Vor allem JA Solar setzte sich in den letzten Monaten mit den Auswirkungen höherer Ströme auf die einzelnen Komponenten von PV-Systemen auseinander. In einem Whitepaper stellte das Unternehmen unteranderem fest, dass die größten Module, die momentan auf dem Markt existieren, Anschlussdosen benötigen, die eine Nennleistung von 30 Ampere mitbringen sollten. Jedoch wäre in diesem Fall der Sicherheitsabstand immer noch geringer als bei kleineren Modulen, die eine Nennleistung von 25 Ampere aufweisen. Um die Strombelastbarkeit der Junction-Box-Diode zu gewährleisten, wird empfohlen, dass die Nennleistung der Junction-Box bei monofazialen Modulen größer ist als der 1,25-fache Wert von ISC STC des PV-Generators. Zudem zeigte ein von JA Solar aufgestellter Vergleich, dass 25 Ampere Dioden den Betrieb von 182-mm-Modulen mit einer Sicherheitsmarge von 15 % ermöglichen. Im Gegenzug überschreiten 210-mm Module, welche aus einer 25-Ampere-Diode bestehen, eine Sicherheitsmarge von um die 11 %.  210-mm-Module, mit einer 30-Ampere-Diode, werden mit einer 7 % Marge betrieben.  

Aufgrund der von JA Solar veröffentlichten Erkenntnisse, hat sich Jinko Solar für den 182-mm-Wafer entschieden, da dieser gegenüber früheren Modulformaten eine deutliche Steigerung der Energieausbeute bei minimaler Störung anderer Komponenten im Modul und System bietet. Laut Jinko ist dieses M10 Format mit bestehenden Anschlussdosen-Designs kompatibel.  

Canadian Solar hingegen brachte dieses Jahr vor allem großflächige Solarmodule mit 210-mm-Wafern heraus. Hier ist der Optimismus besonders groß, dass die jeweiligen notwendigen Designänderungen die Probleme höhere Ströme auf Dauer berücksichtigen. Der chinesische Hersteller QC Solar ist sogar bereit, mit seinem neuen Produkt 3Q-Axis die jeweiligen Anforderungen an Module zu erfüllen, die Junction-Boxen mit einer Nennleistung von 30 Ampere oder höher erfordern.  

Die Qualitätsanpassungen der Anschlussdosen, stellt Hersteller vor neue Herausforderungen 

Auch wenn Hersteller von Anschlussdosen zurzeit alles daransetzen, den Qualitätsanforderungen gerecht zu werden, wird erst in den nächsten Jahren deutlich werden, ob die höheren Ströme oder die geringeren Sicherheitsmargen im laufenden Betrieb später zu Problemen führen.  

Aktuelle Tests zeigen, dass es auch jetzt schon zum Teil bei ersten Anwendungen von hochleistungsstarken Solarmodulen mit den jeweiligen Anschlussdosen zu Problemen kommt. Die häufigsten Fehler, die beobachtet werden konnten, beinhalteten Leckströme von Zellen und Bändern, die auf entstandene Fehler der jeweiligen Anschlussdose zurückzuführen waren. Zudem kam es häufiger zu Diodenausfällen, welche zum Verlust von mindestens einem Drittel der Modulleistung führten. Diese Ausfälle konnte man auf den zwischenzeitlichen Verlust des Deckels der jeweiligen Anschlussdose zurückführen. Meist kommt es zum Verlust des Deckels, wenn Wafergrößen zunehmenund der Deckel letztendlich zu klein wird. Bei den gebräuchlichen Junction-Box-Designs sind die elektrischen Komponenten in einem Vergussmaterial versiegelt. Dieses Vergussmaterial sollte die jeweiligen Komponenten auch beim Herunterfallen des Deckels schützen. Jedoch wird dieses Material auf Dauer unterschiedlichen Außenbedingungen ausgesetzt, wodurch ein Zerfall entstehen kann. Aufgrund des Zerfalls, kann letztendlich Feuchtigkeit zu den inneren Elementen eindringen. Selbst nur wenige Tautropfen können zu stundenlangem Leistungsverlust führen. Dies stellt ein echtes Risiko für großflächige Solarmodul-Systeme dar.  

Regelmäßige Qualitätskontrollen können langfristig zu Behebung und Vorbeugung von Fehlern führen 

Um aufkommende Fehler an Anschlussdosen schnellstmöglich beheben zu können, kann es durchaus sinnvoll sein, Arbeiter darauf anzusetzen, beispielsweise die jeweiligen Deckel oder Dioden eines Projekts auszutauschen. Der Modulhersteller ist dafür verantwortlich, die Qualität der Junction-Boxen regelmäßig zu überprüfen. Laut Mark Hutchins, Redakteur des PV-Magazins, sollte hier bei den Fertigungskosten nicht gespart werden. Jedoch ist laut Alex Barrows, Research Director bei der Fertigungsanalysefirma Exawatt, in der Realität zu erwarten, dass sich Hersteller dafür entscheiden, Kosten zu senken, indem sie sich für eine kostengünstigere Option entscheiden. 

Um die Qualität der Anschlussdosen gewährleisten zu können, muss laut George Touloupas, Direktor für Technologie und Qualität bei CEA, eine Probe an Anschlussdosen aus einer Lieferung entnommen werden. Diese Probe sollte daraufhin im IQC-Labor (Incoming Quality Control) auf folgende Kriterien überprüft werden: 

  • Aussehen 
  • Größe 
  • Verbindungsstärke zwischen Kabeln 
  • Box und Stecker 
  • Kabellänge 
  • Wasserschutz 
  • Isolierung 
  • Durchlassspannungsabfall von Bypass-Dioden 

Kann diese Prüfung gegenüber den IQC-Kriterien nicht bestehen, so muss die eingehende Sendung sofort unter isoliert werden. Zudem ist wichtig, die betroffenen Produkte von den technisch einwandfreien Produkten zu trennen und eindeutig zu kennzeichnen. Eine zweite genauere Untersuchung entscheidet daraufhin, ob die mangelhaften Produkte innerhalb der Produktion weiterverwendet werden können oder an den Lieferanten zurückgegeben werden müssen. 

Die letzten Vorkehrungen einer Qualitätskontrolle auf Seiten des Herstellers beziehen sich sowohl auf das korrekte anschließen der jeweiligen Anschlussdose wie auf die Fertigung eines Vergusses, welches die Komponenten im inneren der Dose schützen soll.  

Auch bei einer Anschlussdose, die augenscheinlich eine gute Qualität aufweist, kann es immer noch zu Fehlfunktionen kommen. Hier könnte die Ursache dafür sein, dass das Löten nicht korrekt durchgeführt wurde oder das Vergussmittel nicht richtig ausgehärtet ist. Aus diesem Grund ist laut Touloupas eine Prozesskontrolle genauso wichtig wie eine Materialkontrolle. 

Fazit 

Der Trend nach großflächigen Solarmodule ist nicht aufzuhalten. Trotz der Risiken, die Module mit hohen Leistungen mit sich bringen, sind eine Vielzahl der großen chinesischen Modulhersteller davon überzeugt, dass eine Fehlerbehebung im Bereich der Anschlussdosen auf Dauer möglich ist. Es ist vor allem wichtig, auf Seiten der Hersteller regelmäßige Qualitätskontrollen durchzuführen und die Investitionen für die Fertigung der Produkte höher anzusetzen. Kostengünstigere Alternativen für die Fertigung von Anschlussdosen können zu weiteren Fehlern führen. Erst in den kommenden Jahren werden wir erfahren, ob die angesetzten Qualitätskontrollen ausreichen, um Fehler bei hochleistungsstarken Solarmodulen auf Dauer zu reduzieren.  

Quellen 

 
Mark Hutchins – PV-Magazin; Current affairs; 07.09.2021; https://www.pv-magazine.com/magazine-archive/current-affairs/ 

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