光伏连接器的可靠性设计.docx

光伏连接器的可靠性设计1. 引言随着能源危机与环境污染的日趋严重，开发可再生清洁能源成为国际范围内的重 大战略问题之一太阳能是取之不尽，用之不竭的清洁能源，被公认为是一种极 好的替代能源，因此，开发利用太阳能成为世界各国可持续发展能源的战略决策 其中太阳能发电是大规模经济地利用太阳能的重要手段，特别是近年来太阳能发 电得到了快速发展，同时也带动了各国对大阳能电池组件及相关器件的研究、设 计和制造的大力投入太阳能电池是太阳能发电系统中的核心元件之一，而一个太阳能电池只能产生大 约0.5—0.6伏的电压，远低于实际使用所需电压为了满足实际应用的需要，需 要把多个太阳能电池板通过光伏连接器组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电 压和电流光伏连接器作为其中的组件之一，同样受使用环境，使用安全、使用 寿命等因素影响，因此要求连接器具有高可靠性2. 光伏连接器可靠性要求光伏连接器作为太阳能电池组件的构成部分，其应该能够在恶劣、反差变化大的 环境气候条件下使用虽然世界上不同地区的环境气候各不相同，且同一地区的 环境气候反差变化也很大，但是环境气候对于材料及其制品的影响，归纳起来有 四大因素：首先是太阳辐射，特别是紫外线对于塑料、橡胶等高分子材料的影响； 其次是温度，其中高低温交变对材料和产品更是严酷的考验；此外是湿度如雨、 雪、凝露等以及其他污染物如酸雨、臭氧等对材料的影响。

再者是要求连接器有 高电气安全防护性能，而且使用寿命须在25年以上；所以光伏连接器的性能要 求有：1） 结构安全、牢靠，使用方便；2） 耐环境气候指标高；3） 高密封性要求；4） 高电气安全性能；5） 高可靠性；表1主要性能要求序号性能项目性能参数或要求 |1最大耐压1000Vd.c.2最大工作电 流15A--20 A3使用温度-40°C~+85°C4环境湿度相对湿度10% ~ 97%5安全等级Calss II6防尘等级完全防止灰尘进入 ~|7防水等级可防止各个方向喷射而来的水进入 ~|8外壳材料性 能耐热性…-125±5°C、能承受长期高低温交变；阻燃性.…能通过960C灼热丝试验；抗漏电起痕PTI值＞175V；绝缘耐压：4250V/1min；强抗紫外线一■试验方法：标准黑板温度100±3C，每间隔 25分钟喷水5分钟，持续时间500小时后，材料各个部分 不应出现裂痕或龟裂现象；9机械冲击性 能置于一40C的环境中5小时后立即冲击试验，0.25kg跌落高度0.5m，冲击4次；10连接要求连接电阻V5m电气连接与机械连接不能共用，电气连接的接触压力不能 由绝缘体来传递，缆线须有附加的机械固定方式；带极性连接器的结构应不具有极性的互换性；连接器拔插次数＞100；抗拉要求：导体与接线端子非永久固定连接的，导体的抗 拉达到30N （持续1min,导体不能被拉出）；永久固定连接 的，导体的抗拉达到60N （持续1min,导体不能被拉出）； 电缆的抗拉为施加100N的拉力，25次，每次持续1s，变 位不超过2mm。

随后进行扭曲试验，施加扭距值0,35N• m， 不能有明显的移动；11主体联接联接方式合理、牢靠，有反锁保护装置不能够随意打开盒体； |3. 光伏连接器的设计3.1光伏连接器主要组成光伏连接器的主要组成有：接线盒部分、电缆部分、连接器部分其中接线盒部 分包含盒体、电缆密封器件、接线端子和防反二极管3.2壳体材料的选择由于光伏连接器要求应用于广泛的地区范围，所以器件应能够承受户外环境气 候的影响为了适应不同的环境气候类型如：湿热、暖温、寒冷、干热、寒温， 作为防护外壳材料的选择是光伏连接器设计的一个关键衡量制造成本与性能要 求，可以选用PPO （聚苯醚）树脂材料作为连接器壳体材料，PPO是一类耐高 温的热塑性树脂，具有高耐热性，高阻燃，抗紫外线好，低吸水率，机械强度高 等优越性能，也符合环保要求3.3 密封防护的设计连接器的密封性设计可以长期有效的阻挡湿气、大气污染物及其他污染物进入 系统影响或腐蚀金属导体或连接端子，保证连接器的高可靠性实现密封的要求 可以选择以下方式：（1） 盒体采用密封性的结构设计，使用橡胶垫圈或O形垫圈进行密封但为了 保证盒内外温度平衡应该增加通气散热小孔，同时通气散热小孔须保证防尘与防 水要求。

该方式的设计要求较高，结构相对复杂，成本高但使用方便快捷2） 采用密封材料隔离密封，即在所有裸露的金属导体或连接端子上密封一层 较厚的隔离涂敷层，如环氧树脂、密封硅胶等材料该方式的设计要求低，结构 相对简单，成本低但对涂敷材料的性能有较高的要求，如与金属导体或连接端 子的热膨胀系数匹配、粘度要求、介电强度要求、耐热性能、稳定性、寿命周期 等这些都必须考虑3.4连接方式的设计选择连接主要是指光伏连接器与太阳能电池之间的连接方式与连接器与线缆之间 的连接方式选择何种连接方式都需要考虑诸多因素，如最大工作电流、最大电 压、工作温度、插拔频率、接触电阻、使用环境条件、抗拉承受程度，装配与使 用方便性等光伏连接器可采用的连接方式主要有：焊接、压接、螺钉连接光 伏连接器与太阳能电池板可采用第一或第二种连接方式，而连接器与线缆间可采 用上述三种连接方式设计选择连接方式是还需考虑使用过程中的方便性与快捷 性，连接的可靠性3.5光伏连接器的设计例子以下是一种光伏连接器的设计方案：1. 光伏连接器的组成：接线盒部分、电缆部分、连接器部分，参考图1图1.光伏连接器组成图2. 器件所有壳体（盒体、连接器外壳）材料选择使用GE塑料集团的改性PPO 树脂材料。

以下是GE公司Noryl N300X塑料产品的特性：表1：机械性能典型数据单位测试方法抗拉强度，屈服，类型I, 0.125"11000psiASTM D 638拉伸伸长，断裂，类型I 0.125"20.0%ASTM D 638挠曲强度，屈服，0.250"16000psiASTM D 790挠曲模量，0.250"363000psiASTM D 790硬度，洛氏R119_ASTM D 785表2：1 一热性能典型数据单位测试方法HDT （热畸变温度），66 psi, 0.250”,未退火313deg FASTM D 648HDT （热畸变温度），264 psi, 0.250",未退火293deg FASTM D 648CTE（热膨胀系数），flow, 0F〜300F3 E-5in/in-FASTM E 831热指数，电性能105deg CUL 746B热指数，机械冲击性能105deg CUL 746B热指数，非机械冲击性能105deg CUL 746B表3：物理性能典型数据单位测试方法比重，固体1.12/ASTM D 792吸水率，平衡，73F0.06%ASTM D 570模塑收缩率，flow, 0.125"5-7in/in E-3ASTM D 955模塑收缩率，xflow5-7in/in E-3ASTM D 955表4： 电性能典型数据单位测试方法体积电阻率1 E17ohm-cmASTM D 257表面电阻率1 E17ohm/sqASTM D 257介电强度，油内，125 mils493V/milASTM D 149介电常数，50 Hz2.68/ASTM D 150介电常数，1 MHz2.63/ASTM D 150损耗因数，50 Hz0.0031/ASTM D 150损耗因数，1 MHz0.0090/ASTM D 150表5：| 其他性能典型数据单位测试方法阻燃性：V-0额定值（测试厚度）0.061inchUL 94抗太阳辐射//据以上Noryl N300X性能数据表来看，该塑料具有高机械性能、高耐热性、 高阻燃性、非常低的吸水率、出色的绝缘特性、抗紫外线性能等优点，完全符合 光伏连接器的使用要求。

3. 接线盒与连接器部分结构都采用了密封性结构设计，使用了 O形垫圈密封接线盒体开有通气散热小孔，通孔处填充的密质过滤材料以保证盒体的密封性 能其次，电缆连接处增加防水接头设计，参考图2图2.盒体结构与电缆防水接头图4. 光伏连接器的连接方式：快速压接，参考图3光伏连接器采用了弹性压接的连接方式，该方式可以快速连接，多次拆装， 方便生产装配与客户使用但其中也存在一些问题：如图3中左边所示的连接结 构是线缆的连接方式，由于线缆线芯是由多股细线组成，连接后接触面积相对小， 当弹性不足或失效时其连接电阻就变大，无法适合长期大电流的导通而出现故 障而右边的连接结构是与电池板竦带的连接方式，由于是面接触所以可以适应 长期大电流的导通针对线缆连接问题可以采用如图4所示的压、焊接方式，该 方式能得到较好的机械强度和电连续性，特适合大电流的场合不过，其增加生 产装配的工时，也无法多次拆卸装配故对于小功率场合可以采用图3所示的方 式，对于大功率，大电流的场合采用图4所示的结构图3.两种压接结构示意图图4.线缆的压、焊接结构4.结束语光伏连接器新品的设计开发，需要结合实际使用的需求，首先进行可靠性理 论设计，确定产品要求与标准。

其次，依据标准制定多项设计方案，再经过试验 及实验应用进行验证并不断完善，从而设计出最合理、满足需求的产品当今太 阳能作为一种新的，可再生清洁能源受到世界各国的普遍重视，无论是发达国家， 还是发展中国家均制定了中长期发展计划，而且每年太阳能相关产品市场都在迅 速扩大本文阐述设计的光伏连接器可直接替代国外同类产品，打破了该领域中由国外产 品一统国内市场的局面，同国外同类产品相比，它具有质优和价位低的优点，同 时，使用范围广泛，可在海拔-140m~6000m，气温在-40 °C〜85°C，相对湿度10% 〜97%的环境下使用参考文献：[1] 2004年8月28日一2004年8月31日中国 苏州 第一届电工产品可靠性与 电接触国际会议论文集[2] 电子学会元件分会连接器与开关专业委员会.电子元件行业协会电接插元件 分会.电子科技集团公司第四十研究所连接器与互连技术手册（修订版）第一 卷。