Wpływ cykli termicznych na uszczelki z silikonu i EPDM w złączach SUNNOM przeznaczonych do zastosowań zewnętrznych

Pytanie: Jak cykling termiczny wpływa na uszczelki silikonowe i EPDM w złączach słonecznych przeznaczonych do zastosowań zewnętrznych oraz jak Wenzhou Shangnuo (SUNNOM) optymalizuje zabezpieczenie przed warunkami atmosferycznymi?

Elektrownie słoneczne należą do najbardziej narażonych na działanie czynników środowiskowych instalacji przemysłowych na świecie. Od mroźnych zim arktycznych po upalne lata pustynne – panele fotowoltaiczne oraz ich systemy połączeń elektrycznych są stale narażone na wahania temperatur. Zjawisko to, znane jako cykling termiczny, stanowi ogromne wyzwanie inżynierskie. W warunkach codziennego cyklingu termicznego złącze słoneczne może być narażony na temperatury wewnętrzne wahające się od minus 40 stopni Celsjusza w nocy do ponad 100 stopni Celsjusza w szczytowym okresie południowego generowania przy wysokim obciążeniu elektrycznym. Choć duża uwaga skupiana jest na plastikowych obudowach i metalowych stykach, to właśnie uszczelka decyduje o tym, czy złącze przetrwa te wahania termiczne. W przypadku uszkodzenia uszczelki wilgoć i pył przenikają do wnętrza złącza, powodując szybką korozję, uszkodzenia izolacji oraz przestoje systemu. Niniejszy poradnik techniczny porównuje wydajność uszczelek wykonanych z silikonu oraz EPDM (polietylenu-propylenu-dienomonomeru) podczas cykli termicznych oraz wyjaśnia, dlaczego firma Wenzhou Shangnuo (SUNNOM) preferuje wysokiej jakości silikon, aby zagwarantować długotrwałą niezawodność.

Kluczowa rola uszczelek w złączach fotowoltaicznych

Główne zadanie uszczelki do złącza słonecznego polega na utworzeniu szczelnego, nieprzepuszczającego cieczy i pyłu połączenia między obudową męską a żeńską oraz wokół miejsc wejścia kabli. Bezpieczna uszczelka zapobiega przedostawaniu się wody, wilgoci, mgły morskiej oraz cząsteczek stałych. Aby to osiągnąć, uszczelka musi wywierać ciągłe, jednorodne ciśnienie na powierzchnie stykające się.

Jednak ponieważ materiały rozszerzają się pod wpływem nagrzewania i kurczą się przy ochładzaniu, cyklowanie termiczne powoduje stałe zmiany wymiarów fizycznych elementów złącza. Uszczelka musi być wystarczająco elastyczna, aby dynamicznie rozszerzać się i kurczyć się, wypełniając wszelkie mikroskopijne szczeliny powstające w trakcie zmian temperatury. Jeśli materiał uszczelki straci elastyczność lub ulegnie trwałej deformacji, nie będzie w stanie utrzymać odpowiedniej siły uszczelniającej, co spowoduje powstanie ścieżek umożliwiających przedostawanie się wilgoci.

Uszczelki EPDM: właściwości, zalety i ograniczenia

EPDM to popularny kauczuk syntetyczny, który znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle motocyklowym, budowlanym oraz elektrycznym. W standardowych złączkach fotowoltaicznych EPDM jest często stosowany ze względu na swoje wyjątkowe właściwości:

• Dobra odporność chemiczna: EPDM charakteryzuje się doskonałą odpornością na ozon, rozpuszczalniki polarne oraz kwasy, co czyni go bardzo trwały w zanieczyszczonych środowiskach miejskich lub przemysłowych.
• Wysoka wytrzymałość na rozciąganie: EPDM jest materiałem fizycznie wytrzymałym i odpornym na rozdzieranie oraz ścieranie podczas procesów montażu i łączenia.
• Opłacalność ekonomiczna: Produkcja EPDM jest stosunkowo tania, co pozwala tanim markom złączek na obniżenie kosztów produkcji.
• Podatność na cyklowanie termiczne: Mimo tych zalet EPDM ma istotną wadę przy skrajnym cyklowaniu termicznym – tzw. odkształcenie trwałe (compression set). Odkształcenie trwałe oznacza stałe odkształcenie pozostające w elastomerze po usunięciu siły ściskającej. W warunkach powtarzających się cykli nagrzewania i ochładzania w EPDM zachodzą zmiany w strukturze chemicznej wiązań między cząsteczkami, co powoduje utratę jego „pamięci”. Powyżej temperatury 85 °C uszczelki z EPDM stwardniają i tracą elastyczność. Gdy system ochładza się w nocy, stwardniała uszczelka z EPDM nie jest w stanie wystarczająco szybko odzyskać pierwotny kształt, aby wypełnić kurczące się szczeliny, co prowadzi do awarii uszczelnienia.

Uszczelki silikonowe: alternatywa o wysokiej wydajności

Guma silikonowa to wysokiej klasy elastomer, którego łańcuch cząsteczkowy tworzą naprzemienne atomy krzemu i tlenu, co zapewnia lepsze właściwości fizyczne niż łańcuchy węgiel–węgiel stosowane w typowych gumach organicznych, takich jak EPDM:

• Szeroki zakres temperatur roboczych: silikon zachowuje swoje właściwości fizyczne i elastyczność w bardzo szerokim zakresie temperatur, zwykle od minus 60 do plus 200 stopni Celsjusza. Nie staje się kruchy w warunkach mroźnych, ani nie mięknie ani nie ulega degradacji przy ekstremalnie wysokich temperaturach.
• Wyd exceptionalna odporność na odkształcenie permanentne pod obciążeniem: silikon charakteryzuje się bardzo niskim odkształceniem permanentnym pod obciążeniem. Nawet po latach ciągłego ściskania w wysokich temperaturach uszczelka z silikonu natychmiast powraca do pierwotnego kształtu po usunięciu obciążenia. Ta pamięć o wysokiej elastyczności zapewnia stałą siłę uszczelniającą nawet przy cyklicznych zmianach temperatury.
• Wysoka odporność na działanie promieniowania UV i warunków atmosferycznych: wiązania krzem–tlen w silikonie są wysoce odporne na promieniowanie UV i ozon. Podczas gdy EPDM może powoli wysychać i tworzyć mikropęknięcia na powierzchni pod wpływem intensywnego promieniowania słonecznego UV, silikon pozostaje całkowicie nienaruszony.
• Wyższy koszt materiału: Główną wadą silikonu jest jego wyższy koszt materiału i przetwarzania, dlatego zazwyczaj unikany jest przez producentów tanich, budżetowych łączników.

Porównanie EPDM i silikonu w testach cyklowania termicznego

Aby zrozumieć długoterminowy wpływ cyklowania termicznego, przeanalizujmy zachowanie się tych dwóch materiałów podczas standaryzowanych testów (np. testów cyklowania termicznego zgodnie ze standardem IEC 62852, w których łączniki są poddawane cyklowaniu między temperaturą −40 °C a +85 °C przez setki godzin):

• Zachowanie siły uszczelniającej: W fazach wysokiej temperatury testu plastikowa obudowa rozszerza się, ściskając uszczelkę. Uszczelka z EPDM, poddana szybszemu starzeniu termicznemu, zaczyna ulegać trwałej deformacji. Po 200 cyklach siła uszczelniająca wywierana przez uszczelkę z EPDM może spadnąć o ponad 50 procent. Natomiast uszczelka silikonowa zachowuje ponad 90 procent swojej pierwotnej siły uszczelniającej.
• Elastyczność w niskich temperaturach: W fazach zimna (minus 40 stopni Celsjusza) EPDM przechodzi przejście szkliste, stając się sztywnym i podobnym do szkła. Jeśli w tym okresie wystąpią wibracje mechaniczne lub rozciąganie przewodów, sztywna uszczelka z EPDM nie jest w stanie się dostosować i pęka. Silikon, który ma znacznie niższą temperaturę przejścia szklistego, pozostaje miękki i elastyczny, zapewniając szczelną uszczelkę przed wodą.
• Testy przeciekania wilgoci: Po teście cyklowania termicznego złącza poddawane są intensywnemu strumieniowi wody pod wysokim ciśnieniem oraz testom izolacji w warunkach wilgotnych. Złącza wyposażone w uszczelki z EPDM wykazują znacznie wyższy poziom awarii oporności izolacji z powodu mikroprzecieków powstałych na skutek odkształcenia trwałego (compression set). Złącza z uszczelkami z silikonu zachowują doskonałą, suchą izolację kontaktów wewnętrznych bez jakiegokolwiek przeciekania wilgoci.

Jak SUNNOM wykorzystuje technologię silikonową do zapewnienia bezpieczeństwa na długie lata

W firmie Wenzhou Shangnuo (SUNNOM) odmawiamy kompromisów w zakresie długotrwałej odporności naszych łączników fotowoltaicznych do napięcia 1500 V na warunki atmosferyczne. Korzystamy z wysokiej klasy uszczelek wykonanych z gumy krzemowej, aby zagwarantować 25-letni okres użytkowania urządzenia:

• Konstrukcja uszczelki z podwójnym pierścieniem zapewniającą redundancję: Łączniki SUNNOM są wyposażone w strukturę uszczelki z podwójnym pierścieniem wykonanym z gumy krzemowej na powierzchni styku. Ta redundancja zapewnia, że nawet w przypadku wystąpienia skrajnego, lokalnego naprężenia mechanicznego na jednym z uszczelek, drugi pierścień utrzymuje bezbłędną barierę o stopniu ochrony IP68.
• Uszczelki z guma krzemową z wcześniejszym smarowaniem: Nasze uszczelki z guma krzemowej są wstępnie pokrywane cienką warstwą specjalnego, niemigrującego smaru krzemowego. Zmniejsza to tarcie przy łączeniu, zapobiega skręcaniu lub zaciskaniu uszczelki podczas montażu w terenie oraz poprawia właściwości odporności na wodę tej uszczelki.
• Zaciski kablowe z precyzyjnym uszczelnieniem: tylna uszczelka przeciwzrywowa w złączach SUNNOM wykonana jest również z wysokiej klasy, odpornego na warunki atmosferyczne silikonu. Zapewnia to doskonałe uszczelnienie miejsca wejścia kabla nawet przy rozszerzaniu się i kurczeniu się powłoki kabla PV pod wpływem codziennego działania promieni słonecznych.

Wytyczne zakupowe dla EPC i właścicieli aktywów w sektorze fotowoltaicznym

Oceniając złącza fotowoltaiczne do projektów o dużych wymiarach, zespoły zakupowe EPC powinny spojrzeć dalej niż na początkową cenę zakupu i priorytetyzować trwałość w długim okresie użytkowania:

• Wymagać karty danych materiałowych: zażądać jednoznacznej weryfikacji materiału uszczelki stosowanego wewnątrz złączy. Określić jako preferowany wysokiej jakości gumę silikonową zamiast taniej gumy EPDM w przypadku instalacji w regionach pustynnych, na dużych wysokościach lub w strefach nadmorskich.
• Weryfikować certyfikaty wytrzymałości na cykliczne zmiany temperatury: upewnić się, że złącza posiadają certyfikat zgodności z normami IEC 62852 lub UL 6703, oraz sprawdzić zakres temperatury pracy uszczelki (złącza SUNNOM są przystosowane do ciągłej pracy w temperaturze od minus 40 do plus 115 stopni Celsjusza).

Wybierając łączniki SUNNOM wyposażone w wysokiej klasy uszczelki silikonowe, deweloperzy fotowoltaiczni mogą chronić swoje instalacje przed przedostawaniem się wilgoci, zwarciem do ziemi oraz awariami termicznymi, zapewniając stabilną i opłacalną generację energii przez ponad 25 lat.