DE102011121929B4

DE102011121929B4 - Anschlussdose für photovoltaische Module

Info

Publication number: DE102011121929B4
Application number: DE102011121929.7A
Authority: DE
Inventors: Klaus Liebrich; Hendrik Blum; Denny Holland-Moritz
Original assignee: Anton Gensler GmbH
Current assignee: Anton Gensler GmbH
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2016-03-31
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: WO2013000753A2; WO2013000753A3; DE102011121929A1

Abstract

Anschlussdose für photovoltaische Module, umfassend vorkonfektionierte Anschlusskabel, die in elektrischer Verbindung mit einem Stanzgitter stehen, wobei das Stanzgitter eine Leiterbahnstruktur aufweist, welche elektrische oder elektronische Komponenten mit Bypassdioden aufnimmt, weiterhin am Stanzgitter vorgesehene Biegeabschnitte, die in eine von der Stanzgitterebene abweichende Richtung orientiert sind, wobei in dieser Orientierungsrichtung im Dosenkörper Öffnungen vorhanden sind, in welche Kontaktmittel des photovoltaischen Moduls eingreifen, weiterhin die angeformten oder als separates Teil ausgeführten Biegeabschnitte als Kontaktbügel ausgebildet sind, welche gegenüberliegende, sich in Richtung Modul aufweitende Schenkel (11) aufweisen, wobei die Kontaktmittel von den Schenkeln geführt aufgenommen und kontaktiert sind, sowie weiterhin der Dosenkörper als Spritzgussteil ausgeführt ist derart, dass vor oder nach dem elektrischen Verbinden der Anschlusskabel mit vorgesehenen Abschnitten der Leiterbahnstruktur ein die elektrischen oder elektronischen Komponenten mindestens teilweise aufnehmender Vorspritzling (1) gebildet wird, welcher von einem Konturkörper umgeben ist, wobei der Vorspritzling (1) Partikel aus einem elektrisch isolierenden, jedoch die Wärmeleitfähigkeit gerichtet verbessernden Material enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die zum photovoltaischen Modul weisende Fläche des Vorspritzlings (1) kleiner als die gegenüberliegende, vom Modul weg weisende Fläche ausgebildet ist, so daß sich eine Wärmesenke zur freien, zur Umgebung gerichteten Fläche des Konturkörpers ergibt und ein unerwünschtes Eintragen von Wärmeenergie in das photovoltaische Modul weitgehend ausgeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anschlussdose für photovoltaische Module, umfassend vorkonfektionierte Anschlusskabel, die in elektrischer Verbindung mit einem Stanzgitter stehen, wobei das Stanzgitter eine Leiterbahnstruktur aufweist, welche elektrische oder elektronische Komponenten mit Bypassdioden, aufnimmt, weiterhin am Stanzgitter vorgesehene Biegeabschnitte, die in eine von der Stanzgitterebene abweichende Richtung orientiert sind, wobei in dieser Orientierungsrichtung im Dosenkörper Öffnungen vorhanden sind, in welche Kontaktmittel des photovoltaischen Moduls eingreifen, weiterhin die angeformten oder als separates Teil ausgeführten Biegeabschnitte als Kontaktbügel ausgebildet sind, welche zwei gegenüberliegende, sich in Richtung Modul aufweitende Schenkel aufweisen, wobei die Kontaktmittel von den Schenkeln geführt aufgenommen und kontaktiert sind, sowie weiterhin der Dosenkörper als Spritzgussteil ausgeführt ist derart, dass vor oder nach dem elektrischen Verbinden der Anschlusskabel mit vorgesehenen Abschnitten der Leiterbahnstruktur ein die elektrischen oder elektronischen Komponenten mindestens teilweise aufnehmender Vorspritzling gebildet wird, welcher von einem Konturkörper umgeben ist, gemäß Patentanspruch 1.
Bei der Anschlusseinheit für photovoltaische Solarmodule nach WO 2006/050890 A1 sind freiliegende Anschlussabschnitte der Leiterbahn vorhanden. Gemäß der dortigen Lösung soll eine Anschlusseinheit geschaffen werden, die sich schnell am Solarmodul anschließen lässt und wobei einzelne Teile einfach ausgetauscht werden können.
Hierfür ist das Solarmodul mit freiliegenden Anschlussabschnitten der Leiterbahnen versehen. Die eigentliche Anschlusseinheit besteht aus einem Grundkörper und mindestens einem Einschubgehäuseteil sowie innenliegenden elektrischen Kontakten und Bauelementen. Die Anschlusseinheit ist direkt auf der Oberfläche des Solarmoduls dichtend fixiert. Der Grundkörper besitzt eine Aussparung, in der innenliegend elektrische Kontaktelemente so ausgebildet, angeordnet und positioniert sind, dass sie mit einem Einschubgehäuse und dessen Einzelteilen und/oder den Leitern des Anschlusskabels über Steckverbindungen kontaktiert werden können. Die Kontaktierung der elektrischen Kontaktelemente ist in einer Ebene mit der Auflagefläche auf der Leiterbahn des Solarmoduls befindlich. Die Anschlusseinheit dient zur Energieabführung aus dem photovoltaischen Solarmodul zu Verbrauchern und dem Schutz und der Lebensdauerverlängerung der elektrischen Anschlüsse und der innenliegenden elektronischen Bauteile.
Die Art und Weise der vorbekannten elektrischen Verbindung bei einer derartigen Anschlusseinheit ist aufwendig, wobei durch die notwendige Zugangsöffnung von der Oberseite der Einheit her auch keine ausreichende Dichtigkeit über die erwartete und geforderte Lebensdauer von 20 oder mehr Jahren gegeben ist.
Weiterhin zeigt das deutsche Gebrauchsmuster DE 20 2005 018 884 U1 eine Anschlussdose für ein Solarpaneel, wobei die Anschlussdose ein Gehäuse umfasst, in dem Anschlussmittel zum elektrischen Anschließen des Solarpaneels vorhanden sind. Weiterhin weist das Gehäuse Dioden auf, die mit den Anschlussmitteln kontaktiert werden, wobei die Dioden als mit den Anschlussdrähten versehene Bauelemente ausgeführt sind. Die Anschlussmittel umfassen eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten metallischen Kontaktelementen. Die Kontaktelemente sind aus einem metallischen Material bestehend und als großflächige Klemmteile ausgeführt. Die Dioden sind jeweils mit ihren Anschlussdrähten zwischen zwei Klemmteilen angeschlossen. Durch die Notwendigkeit der einzelnen Klemmkontaktierungsvorgänge für jede Diode ist der Fertigungsaufwand bzw. der Aufwand beim Komplettieren der Anschlussdose erheblich und es besteht die Gefahr, dass durch eine falsche Kontaktzuordnung Verschaltungsfehler entstehen. Auch erfordert die Anschlussdose des Standes der Technik einen aufschwenkbaren Deckel, der den Zugang zu den Kontaktierungsmitteln gewährleistet. Jede Lösung einer Anschlussdose mit Deckel führt jedoch zu nicht vermeidbaren Dichtigkeitsproblemen.
Aus der gattungsbildenden DE 10 2008 057 078 A1 ist eine Anschlussdose für photovoltaische Module, umfassend vorkonfektionierte Anschlusskabel, vorbekannt, wobei die Anschlusskabel in elektrischer Verbindung mit einem Stanzgitter stehen. Das Stanzgitter weist eine Leiterbahnstruktur auf, die Bypassdioden aufnimmt. Entsprechende Biegeabschnitte des Stanzgitters sind als spezielle Kontaktbügel ausgebildet, die zwei gegenüberliegende, sich in Richtung Modul aufweitende Schenkel sowie ein Klemmteil aufweisen. Die Kontaktmittel des Moduls werden dann von den Schenkeln geführt aufgenommen und kontaktiert. Darüber hinaus ist der Dosenkörper mit Ausnahme der Öffnungen, die in Richtung des Moduls weisen, als geschlossenes Spritzgussteil ausgeführt.
Gemäß DE 10 2008 057 078 A1 wird zur Ableitung der von den Dioden erzeugten Wärme das Spritzgussmaterial teilweise oder vollständig wärmeleitend ausgeführt. Diesbezüglich wird dem Spritzgussausgangsmaterial eine definierte Menge von Metalloxiden, z. B. Al₂O₃, beigegeben. Hierdurch gelingt es, die Wärmeleitung aus dem Inneren des Dosenkörpers zu verbessern, ohne die elektrische Isolation zu gefährden.
Um die gewünsche Lebensdauer entsprechender Solaranschlussdosen zu gewährleisten, werden nach DE 10 2008 057 078 A1 Anschlusskabel und Leitungen stoffschlüssig umspritzt, und zwar zu dem Zweck, eine hohe Dichtigkeit zu realisieren.
Zum Stand der Technik sei noch auf die EP 2 273 561 A1 verwiesen. Bei dieser Lehre geht es um die Anbindung einer Anschlussdose an ein photovoltaisches Panel, wobei die Anschlussdose ein Substrat aus thermisch leitfähigem Material aufweist, welches in thermischen Kontakt mit dem photovoltaischen Panel gebracht werden kann, wobei das Substrat eine oder mehrere Komponenten aufweist, welche in ihrem Betrieb aufgrund von Verlustleistungsaspekten thermische Energie erzeugen.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anschlussdose für photovoltaische Module zu schaffen, welche in der Lage ist, nicht zu vermeidende Verlustwärme der in der Anschlussdose befindlichen elektronischen Komponenten nach außen abzuführen, und zwar derart, dass eine unerwünschte Erwärmung des eigentlichen Solarmoduls weitgehend verhindert wird. Die weiterzubildende Anschlussdose soll darüber hinaus über eine sehr hohe Zuverlässigkeit verfügen. Ergänzend gilt es, die Anschlussdose so auszugestalten, dass eine unsachgemäße Handhabung erkannt wird. Die Anschlussdose soll darüber hinaus eine Möglichkeit schaffen, nach entsprechender elektrischer und mechanischer Verbindung mit der jeweiligen Modulrückseite einen elektrischen Prüfvorgang in einfacher Weise und in sehr kurzer Zeit durchzuführen.
Die vorgenannte Aufgabenstellung wird durch die Merkmalskombination eines oder mehrerer der Patentansprüche 1 bis 10 gelöst.
Demnach wird von einer Anschlussdose für photovoltaische Module ausgegangen, die vorkonfektionierte Anschlusskabel umfasst. Diese Anschlusskabel stehen in elektrischer Verbindung mit einem Stanzgitter, das wiederum eine Leiterbahnstruktur aufweist, welche Bypassdioden aufnimmt. Am Stanzgitter sind Biegeabschnitte vorhanden, die in einer von der Stanzgitterebene abweichende Richtung orientiert sind. In dieser Orientierungsrichtung sind im Dosenkörper Öffnungen oder Fenster vorhanden, in welche Kontaktmittel des photovoltaischen Moduls, sogenannte Bändchen, eingreifen. Weiterhin sind die angeformten oder als separates Teil ausgeführten Biegeabschnitte als Kontaktbügel, insbesondere Lyra- oder Omega-Kontaktbügel ausgebildet, welche zwei gegenüberliegende, sich in Richtung Modul aufweitende Schenkel aufweisen. Die Kontaktmittel werden dann von den Schenkeln geführt aufgenommen und kontaktiert. Der Dosenkörper ist als Spritzgussteil ausgeführt derart, dass vor oder nach dem elektrischen Verbinden der Anschlusskabel mit vorgesehenen Abschnitten der Leiterbahnstruktur ein die elektrischen oder elektronischen Komponenten mindestens teilweise aufnehmender Vorspritzling gebildet wird, welcher von einem Konturkörper umgeben ist.
Der Vorspritzling weist Partikel aus einem elektrisch isolierenden, jedoch die Wärmeleitfähigkeit gerichtet verbessernden Material auf, wobei die zum photovoltaischen Modul weisende Fläche des Vorspritzlings erfindungsgemäß kleiner als die gegenüberliegende, vom Modul weg weisende Fläche ausgebildet ist. Hieraus ergibt sich eine quasi gerichtete Wärmesenke zur freien, zur Umgebung gerichteten Fläche des Konturkörpers bzw. der gesamten Anschlussdose. Ein unerwünschtes Eintragen von Wärmeenergie in den photovoltaischen Modul selbst wird weitgehend ausgeschlossen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das die Wärmeleitfähigkeit gerichtet verbessernde Material Bornitrid. Bornitridpartikel haben die Eigenschaft, in einer ersten Richtung eine hohe Wärmeleitfähigkeit und in einer zweiten, üblicherweise senkrechten Orientierung hierzu nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit zu besitzen. Durch diese orientierte Wärmeleitfähigkeit wird das Ziel der Wärmeabführung bezüglich der Verlustwärme der elektronischen Komponenten weg vom Modul zur freien Umgebung hin unterstützt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Anschlussbeine der elektronischen Komponenten, insbesondere der Bypassdioden, eine zugentlastende, kräfteableitende Abwinklung auf. Hierdurch werden die durch die Wärmeenergie auftretenden Kräfte abgeleitet oder aufgefangen, ohne dass diese in das Innere der Diode eindringen und dort womöglich das eigentliche Halbleiterbauelement oder den p/n-Übergang beschädigen.
Die Kontaktmittel des photovoltaischen Moduls werden ausschließlich form- und/oder kraftschlüssig mit den Kontaktbügeln verbunden. Irgendwelche ergänzenden Manipulationsvorgänge wie beim Stand der Technik sind nicht erforderlich.
Die Kontaktbügel weisen auf ihrer von den Schenkeln abgewandten Seite ein Dichtplättchen auf, um das Eindringen von Spritzgussmaterial in den Kontaktierungsbereich auszuschließen. Dieses Dichtplättchen kann als metallisches Plättchen durch Verschweißen mit den Kontaktbügeln in Verbindung stehen.
Der Vorspritzling besitzt mehrere, bevorzugt vier Öffnungen zum punktuellen Verschweißen mit dem Konturkörper, wobei ansonsten der Vorspritzling komplett umspritzt wird. Es bildet sich hier eine mediendichte Verbindung mit minimiertem inneren Luftvolumen aus.
Am Konturkörper kann bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein das jeweilige Anschlusskabel aufnehmender, z. B. zylindrischer Umspritzungsfortsatz ausgebildet werden, welcher zum kabelaustrittsseitigen Ende eine Sollbruchstelle aufweist derart, dass eine unsachgemäße Montage oder Handhabung erkennbar ist. Wird beispielsweise versucht, am Anschlusskabel das Solarmodul anzuheben oder zu bewegen, löst sich die Sollbruchstelle, wobei die elektrischen Funktionen erhalten bleiben. Bei einer späteren Sichtkontrolle kann festgestellt werden, dass in unsachgemäßer Weise gearbeitet wurde.
An mindestens einer, bevorzugt an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Konturkörpers sind bei einer weiteren Ausgestaltung gabelartige Haltebügel zur Aufnahme eines Anschlusskabelabschnitts sowie des am jeweiligen Kabel befindlichen Anschlusssteckers oder der jeweiligen Anschlussbuchse vorgesehen.
Hier werden die Kabelenden mit Dose oder Buchse gesichert gehalten, und zwar bis zum endgültigen Verkabeln der entsprechenden Strings der zu schaffenden Photovoltaikanlage. Ein weiterer wesentlicher Vorteil durch die Ausführungsform mit gabelartigen Haltebügeln ergibt sich darin, dass Anschlussstecker und Anschlussbuchse an der jeweiligen Anschlussdose klemmend gehalten sind. Dabei sind die elektrischen Elemente in dem jeweiligen Anschlussstecker bzw. der jeweiligen Anschlussdose zu Mess- und Prüfzwecken leicht zugänglich.
Um diese Messungen zu Test- und Prüfzwecken weiter zu vereinfachen, ist vorgesehen, dass die gabelartigen Haltebügel versetzt zueinander am Konturkörper ausgebildet sind, und zwar derart, dass die sich beim fixierten Kabel mit Anschlussstecker oder Anschlussbuchse ergebende Achse unter einem spitzen Winkel zur Flächenseite des Dosenkörpers mit den Öffnungen für die Kontaktmittel des Moduls verläuft. Diese Schrägstellung ermöglicht ein besonders effektives Zuführen komplementärer Anschlussstecker bzw. Anschlussbuchsen zu Mess- und Prüfzwecken.
Zum sicheren und leichten Einführen der Kontaktmittel, insbesondere der Kontaktbändchen, die vom Solarmodul hervorstehen, weisen die Öffnungen im Dosenkörper Einführschrägen auf. Hierdurch sind Toleranzen ausgleichbar und es werden Fehlkontaktierungen vermieden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 eine Darstellung der Anschlussdose mit noch offener Modulseite und ohne Kontaktbügel;
2 eine Detaildarstellung des Stanzteils mit Biegeabschnitten, ausgebildet als Kontaktbügel mit zwei gegenüberliegenden, sich nach oben in Richtung Modul aufweitenden Schenkeln und angeschweißtem Dichtplättchen, und
3 eine Seitenansicht der Anschlussdose mit gabelartigen Haltebügeln zur Aufnahme eines Anschlusskabelabschnitts sowie des am jeweiligen Kabel befindlichen Anschlusssteckers bzw. der jeweiligen Anschlussbuchse und erkennbarem Winkel zwischen der Kabel-Steckerlängsachse und der Flächenseite des Dosenkörpers, welcher die Öffnungen für die Kontaktmittel des Moduls, die sich auf der Modulrückseite befinden, aufweist.
Gemäß 1 sind im Vorspritzling 1 Öffnungen 2 zum punktuellen Verschweißen mit einem Deckel (nicht gezeigt) bzw. dem Konturkörper vorhanden.
Erkennbar sind auch Ausformungen 3, in denen sich Bypassdioden befinden. Vertiefungsabschnitte 4 werden mit den die Wärmeleitfähigkeit gerichtet verbessernden Material gefüllt, wobei die Materialmenge und damit die Volumina verschieden ausgebildet sind. Die größere Materialmenge befindet sich auf der von der Modulrückseite weg weisenden Fläche der Anschlussdose, und zwar bezogen auf den Zustand, bei dem der Dosenkörper mit Öffnungen für den Zugang zu den Kontaktbügeln in Richtung zum photovoltaischen Modul auf diesem z. B. durch Stoffschluss fixiert wurde.
An den gegenüberliegenden Stirnseiten sind gabelartige Haltebügel 5 vorhanden, die einerseits so ausgebildet sind, dass ein Abschnitt des Anschlusskabels 7 (siehe 3) fixiert werden kann und andererseits mit den Haltebügeln 6 ein Abschnitt 8 des jeweiligen Anschlusssteckers oder der jeweiligen Anschlussbuchse fixierbar ist.
Ergänzend sind Umspritzungsfortsätze 9 vorhanden, die das jeweilige Anschlusskabel in das Innere der Dose führen.
Zum kabelaustrittsseitigen Ende weisen die Umspritzungsfortsätze 9 jeweils eine Sollbruchstelle 10 auf derart, dass eine Überlastung durch unsachgemäße Montage oder Handhabung erkennbar ist.
Am Stanzgitter ausgeführte Biegeabschnitte gehen in einen Kontaktbügel über, der gemäß 2 zwei gegenüberliegende, sich in Richtung Modul, d. h. nach oben aufweitende Schenkel 11 aufweist. An der der Schenkelöffnung gegenüberliegenden Seite ist ein bevorzugt metallisches Dichtplättchen 12 vorgesehen, um das Eindringen von Spritzgussmaterial in den Kontaktierungsbereich wirksam zu verhindern.

Claims

Anschlussdose für photovoltaische Module, umfassend vorkonfektionierte Anschlusskabel, die in elektrischer Verbindung mit einem Stanzgitter stehen, wobei das Stanzgitter eine Leiterbahnstruktur aufweist, welche elektrische oder elektronische Komponenten mit Bypassdioden aufnimmt, weiterhin am Stanzgitter vorgesehene Biegeabschnitte, die in eine von der Stanzgitterebene abweichende Richtung orientiert sind, wobei in dieser Orientierungsrichtung im Dosenkörper Öffnungen vorhanden sind, in welche Kontaktmittel des photovoltaischen Moduls eingreifen, weiterhin die angeformten oder als separates Teil ausgeführten Biegeabschnitte als Kontaktbügel ausgebildet sind, welche gegenüberliegende, sich in Richtung Modul aufweitende Schenkel (11) aufweisen, wobei die Kontaktmittel von den Schenkeln geführt aufgenommen und kontaktiert sind, sowie weiterhin der Dosenkörper als Spritzgussteil ausgeführt ist derart, dass vor oder nach dem elektrischen Verbinden der Anschlusskabel mit vorgesehenen Abschnitten der Leiterbahnstruktur ein die elektrischen oder elektronischen Komponenten mindestens teilweise aufnehmender Vorspritzling (1) gebildet wird, welcher von einem Konturkörper umgeben ist, wobei der Vorspritzling (1) Partikel aus einem elektrisch isolierenden, jedoch die Wärmeleitfähigkeit gerichtet verbessernden Material enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die zum photovoltaischen Modul weisende Fläche des Vorspritzlings (1) kleiner als die gegenüberliegende, vom Modul weg weisende Fläche ausgebildet ist, so daß sich eine Wärmesenke zur freien, zur Umgebung gerichteten Fläche des Konturkörpers ergibt und ein unerwünschtes Eintragen von Wärmeenergie in das photovoltaische Modul weitgehend ausgeschlossen ist.
Dose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus Bornitrid bestehen oder Bornitrid enthalten.
Dose nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussbeine der elektrischen Komponenten eine zugentlastende, kräfteableitende Abwinklung aufweisen.
Dose nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktmittel des photovoltaischen Moduls ausschließlich form- und/oder kraftschlüssig mit den Kontaktbügeln verbunden sind.
Dose nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kontaktbügeln auf ihrer von den Schenkeln (11) abgewandten Seite ein Dichtplättchen (12) vorgehen ist, um das Eindringen von Spritzgussmaterial in den Kontaktierungsbereich herstellungsseitig auszuschließen.
Dose nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorspritzling (1) Öffnungen zum punktuellen Verschweißen mit dem Konturkörper und/oder einem Deckelelement besitzt.
Dose nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Konturkörper ein das jeweilige Anschlusskabel aufnehmender Umspritzungsfortsatz (9) ausgebildet ist, welcher zum kabelaustrittsseitigen Ende eine Sollbruchstelle (10) aufweist derart, dass eine unsachgemäße Montage oder Handhabung erkennbar ist.
Dose nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer der Seitenwände des Konturkörpers gabelartige Haltebügel (5) zur Aufnahme eines Anschlusskabelabschnitts (7) sowie des am jeweiligen Kabel befindlichen Anschlusssteckers oder der jeweiligen Anschlussdose vorgesehen ist.
Dose nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gabelartigen Haltebügel (5) versetzt zueinander am Konturkörper oder Vorspritzling (1) ausgebildet sind derart, dass die sich beim fixierten Kabel mit Anschlussstecker oder Anschlussbuchse ergebende Achse unter einem spitzen Winkel zur Flächenseite des Dosenkörpers mit den Öffnungen für die Kontaktmittel des Moduls verläuft.
Dose nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen im Dosenkörper für die Kontaktmittel des Moduls Einführschrägen aufweisen.