Verkabelung von Photovoltaik-Anlagen Steckverbinder ermöglichen einen schnellen und sicheren Kontakt

Autor / Redakteur: Rainer Becher* / Ute Drescher

Lange Zeit sind Photovoltaik-Anlagen direkt miteinander verkabelt worden. Heute werden jedoch vermehrt Steckverbinder eingesetzt. Denn diese Kontaktierungsform ermöglicht sowohl eine sichere Verbindung als auch eine einfache Montage.

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Heutzutage werden zur Verkabelung von Photovoltaik-Anlagen vermehrt Steckverbinder eingesetzt.
Heutzutage werden zur Verkabelung von Photovoltaik-Anlagen vermehrt Steckverbinder eingesetzt.
( Archiv: Vogel Business Media )

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen autonomen bzw. netzautarken und netzgekoppelten Photovoltaik-Anlagen. Autonome Anlagen werden insbesondere dort eingesetzt, wo keine Netzanbindung vorhanden ist oder eine solche Anbindung im Vergleich zum geringen Elektrizitätsbedarf zu kostspielig wäre. Beispiele hierfür sind die Beleuchtung von Autobahnschildern, Notrufsäulen oder Laternen an abgelegenen Straßen. Dagegen werden netzgekoppelte Photovoltaik-Anlagen mit Hilfe eines Wechselrichters an Stromversorgungsnetze angeschlossen.

Photovoltaik-Steckverbinder müssen also vielfältigen Anforderungen gerecht werden, die dazu noch leicht variieren je nachdem, ob sie zusammen mit monokristallinen, polykristallinen oder Dünnschicht-Modulen verwendet werden. So liefern monokristalline und polykristalline Module im Betrieb Spannungen von rund 20 bis 40V und Ströme von etwa 5 bis 8A. Dünnschichtmodule weisen dagegen höherer Spannungen (60 bis 100V) und niedrigere Ströme (1 bis 3A) auf, wobei für die Planung von Anlagen auch die möglichen Leerlaufspannungen berücksichtigt werden müssen.

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Lange Lebensdauer

Photovoltaik-Steckverbinder sollten mindestens 20 bis 25 Jahre einwandfrei funktionieren - dies entspricht ungefähr der Mindestlebensdauer einer heutigen Photovoltaik-Anlage. Während dieser Zeit sind die Steckverbinder unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, beispielsweise Wind und Sonne oder feuchtem Klima. Bereits beim Anlagenbetrieb in gemäßigten Zonen werden die Komponenten Temperaturen von bis zu 90°C ausgesetzt. Rechnet man noch die Betriebswärme hinzu, so müssen die Steckverbinder für Temperaturen von bis zu 110°C ausgelegt sein.

Darüber hinaus spielt auch die Ozonbeständigkeit eine wichtige Rolle. Denn durch die UV-Strahlung der Sonne wird Ozon freigesetzt, das Kunststoffe, die nie hundertprozentig Ozon-beständig sind, angreift. Bestimmte Kunststoffe wie Polyamide (PA) und Polypropylene (PP) eignen sich jedoch sehr gut für Photovoltaik-Steckverbinder. Im Laufe der Zeit kann es zwar aufgrund der Strahlung zu Ausbleichungen und Verfärbungen kommen, aber die Funktionsfähigkeit wird dadurch nicht beeinträchtigt. Bei Photovoltaik-Anlagen, die in Gebäude integriert sind, kommt zudem der Brennbarkeitsklasse des jeweiligen Kunststoffes eine große Bedeutung zu. Denn falls es einmal zu einem Brand kommen sollte, müssen die Steckverbinder von selbst wieder erlöschen. Die Messlatte bilden hierbei die Brennbarkeitsklassen nach der internationalen Norm UL94VO.

Schutz gegen Feuchtigkeit und Wasser

Vor allem bei Anwendungen auf Flachdächern kann es passieren, dass sich die Steckverbinder zumindest zeitweise im Wasser befinden. Damit es auch dann zu keinem Ausfall kommt, ist die Schutzart IP68 inzwischen fast schon zum Standard geworden. Neben den von offizieller Seite durchgeführten Prüfungen - etwa durch den TÜV - verlangen die Hersteller von Photovoltaik-Modulen noch weitere Versuche unter „fit for use“-Gesichtspunkten. So kann bei dachintegrierten Anwendungen beispielsweise Schwitzwasser auftreten und die Funktion einer Photovoltaik-Anlage beeinträchtigen. Unter anderem aus diesem Grund führen die Hersteller von solchen Anlagen eigene Versuche durch, die über die TÜV-Anforderungen hinausgehen.

Die weitere Steigerung der Effizienz von Photovoltaik-Anlagen wird ein zentrales Thema der nächsten Jahre sein. Entsprechende Schritte sind neben der Kostensenkung in der Fertigung der Module und der Verwendung neuer Technologien geringere Übergangswiderstände bei der Verkabelung - Werte kleiner 5mOhm pro Steckverbindung gelten hierbei als Maßstab. Mit bewährten Kontakttechnologien, bei denen beispielsweise die Käfigbuchse den Stiftkontakt umschließt und so mit diversen Kontaktierpunkten einen optimalen Übergangswiderstand ermöglicht, kann dieser Wert durchaus erreicht werden.

Neben den technischen Aspekten kommt es bei den Steckverbindern auch auf eine einfache Handhabung an. Denn die Montage einer Photovoltaik-Anlage sollte unkompliziert und schnell durchzuführen sein. Generell gilt: Je einfacher eine Anlage zu installieren ist, umso weniger Ausfälle werden später auftreten. Herkömmliche Steckverbinder verwenden Kabelverschraubungen mit Dichtringen. Dadurch können unterschiedliche Leitungsdurchmesser problemlos abgedeckt werden. Dieses Prinzip ist jedoch fehleranfällig, da unter anderem Dichtungen vergessen werden oder verloren gehen können bzw. die Kabelverschraubung nicht korrekt montiert oder ausreichend angezogen wird. Neue Konzepte gehen deshalb in Richtung einer so genannten unverlierbaren Dichtung, die in das Gehäuse integriert ist. Da weniger Einzelteile verwendet werden und das Gehäuse mehrere Funktionen in einem abdeckt, wird zudem die Effizienz nochmals gesteigert.

Spannungsfreie Trennung von Solaranlagen

Ein Großteil der Solaranlagen erzeugen Spannungen von bis zu 1000V und Ströme von bis zu 20A. Da Solarmodule immer Gleichspannung erzeugen, müssen die Steckverbinder grundsätzlich spannungsfrei getrennt werden. Ist dies nicht der Fall, kann bei einer Trennung ein Lichtbogen entstehen und die Kontakte verglühen. Die Steckverbinder müssen daher über eine Verriegelung verfügen, die ein unbeabsichtigtes Trennen verhindert - nach ULVorgabe darf das Öffnen der Verriegelung nur mit einem Werkzeug möglich sein. Auch hierfür gibt es unterschiedliche Konzepte wie etwa eine Verriegelung mittels Rasthaken oder den Einsatz eines zusätzlichen Verriegelungsbügels. Aber je mehr Teile ein System benötigt, umso eher können Fehler auftreten. Deshalb ist bei modernen Photovoltaik-Steckverbindern die Verriegelung in das Gehäuse integriert. Darüber hinaus gibt es noch einen weiteren wichtigen Aspekt, nämlich das Verhältnis zwischen Verriegelungsöffnungskraft und Kabelauszugskraft. Hierbei muss die Verriegelungsöffnungskraft immer - auch im Fehlerfall - kleiner als die Kabelauszugskraft sein. Denn ein freizugänglicher Kontakt oder ein blankes Kabelende können Lebensgefahr bedeuten.

Mitunter sind die Einbauorte von Photovoltaik-Anlagen nur schwer zugänglich. Der Installateur muss also die Steckverbindung gleichsam nach Gefühl montieren. In diesem Fall sind eine verpolungssichere Ausführung und eine akustische Rückmeldung, beispielsweise durch ein hörbares Klicken, wichtige Hilfen.

Um niedrige Übergangswiderstände zu gewährleisten, muss die Steckverbindung, wie oben beschrieben, optimal aufeinander abgestimmt sein. Aber auch die Verbindung zwischen Steckverbinder und Photovoltaik-Leitung spielt eine wichtige Rolle. Hierbei gibt es generell mehrere Ansätze, u. a. der klassische Schraubanschluss, die Schnellkontaktierung mittels einer Klemme oder die Crimptechnik. Der gasdichte Crimpanschluss hat sich bei Photovoltaik-Steckverbindern inzwischen durchgesetzt. Ein Nachteil dieser Technik besteht darin, dass die Crimpwerkzeuge auf die Kontakte abgestimmt sein müssen. Die Steckverbinder-Hersteller bieten zwar spezielle Werkzeuge für eigene Crimpungen an, jedoch sind diese oft sehr teuer. Wirtschaftlicher sind deshalb Kontakte mit in der Industrie gängige Crimpungen, die mit Standardwerkzeugen ausgeführt werden können. Eine handhabungsfreundliche Lösung ist auch ein Kombiwerkzeug, mit dem man sowohl abschneiden und abisolieren als auch crimpen kann. Solche kombinierten Crimpzangen werden heute schon angeboten.

Zusammenfassung

Die Bedeutung von Photovoltaik-Anlagen nimmt in Deutschland ebenso wie in anderen Ländern stetig zu, sei es zur Einspeisung von Energie in Stromnetze oder zur autonomen Spannungsversorgung von Geräten. Steckverbinder spielen hierbei eine wichtige Rolle, denn jede Kette ist nur so stark wie die einzelnen Glieder. Damit die Kontaktierung stets zuverlässig funktioniert, werden an Material, Konstruktion und Handhabung der Steckverbinder hohe Anforderungen gestellt. Denn es geht nicht allein um einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlagen, sondern ebenso um den Schutz von Leib und Leben des Personals.

*Dipl.-Ing. (FH) Rainer Becher, Produktmanager bei der Hirschmann Automation and Control GmbH, Neckartenzlingen

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