UV- und Wetterbeständigkeit: Wie Sonnenkabel über 30 Jahre im Freien überleben

Solarkabel
Sie sehen sich einer der härtesten Betriebsumgebungen aller elektrischen Komponenten gegenüber: ununterbrochene Exposition im Freien für 30 Jahre oder mehr. Im Gegensatz zu Kabeln, die in Wänden versteckt oder unter der Erde vergraben sind, müssen Sonnenkabel unerbittlicher Sonneneinstrahlung, Regen, Feuchtigkeit, Temperaturschwankungen und Luftschadstoffen standhalten und gleichzeitig ihre elektrische und mechanische Integrität bewahren.

Der Unterschied zwischen einem Kabel, das über 30 Jahre hält, und einem, das in 5-10 Jahren versagt, ist oft auf UV- und Wetterbeständigkeit zurückzuführen. In diesem Artikel werden wir untersuchen, wie Umweltfaktoren Kabel beeinträchtigen, was Sonnenkabel von herkömmlichen Elektrokabeln unterscheidet und wie man Kabel auswählt, die für eine langfristige Leistung im Freien ausgelegt sind.

Verständnis der ökologischen Bedrohungen für die Kabelleistung

Ultraviolette (UV) Strahlung

Die UV-Strahlung des Sonnenlichts ist eine der zerstörerischsten Kräfte, die auf Kabel im Freien wirken:

Wie UV Kabel beschädigt
: UV-Photonen haben genügend Energie, um chemische Bindungen in Polymermaterialien zu brechen. Dieser Prozess, Photodegradation genannt, verursacht:

Verfärbung und Kreidung der Kabeloberfläche
Verlust an mechanischer Festigkeit und Flexibilität
Risse und Sprödigkeit der Isolierung
Schließlich ein vollständiges Versagen der Isolierung

Das UV-Spektrum
: Sonnenstrahlung umfasst UV-A (315-400nm), UV-B (280-315nm) und UV-C (unter 280nm). Während die Erdatmosphäre die meisten UV-C blockiert, erreichen UV-A und UV-B die Oberfläche und bauen ungeschützte Polymere ab.

Kumulierter Schaden
: UV-Schäden sammeln sich im Laufe der Zeit an. Selbst eine mäßige UV-Exposition über Jahre hinweg führt zu einer erheblichen Verschlechterung. Solaranlagen in großen oder niedrigen Breiten erhalten eine intensivere UV-Strahlung.

Materielle Anfälligkeit
: Standard-PVC- und Polyethylen-Materialien, die in herkömmlichen Elektrokabeln verwendet werden, bauen sich unter UV-Einwirkung schnell ab. Ohne UV-Stabilisatoren werden diese Materialien innerhalb weniger Jahre nach der Exposition im Freien spröde und reißen.

Ozon-Exposition

Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel, das in der Atmosphäre vorhanden ist:

Ozonbildung
: Bodennahes Ozon entsteht durch Reaktionen zwischen Sonnenlicht, Stickoxiden und flüchtigen organischen Verbindungen. Die Konzentrationen variieren je nach Ort und Jahreszeit, sind aber überall vorhanden.

Angriff auf Polymere
: Ozon greift Doppelbindungen in Polymerketten an und verursacht:

Oberflächenrisse (Ozonrisse)
Verlust der Elastizität
Beschleunigte Alterung
Eventuelles Versagen der Isolierung

Synergistische Wirkung
: UV und Ozon wirken zusammen, um den Abbau zu beschleunigen. UV erzeugt freie Radikale, die Materialien anfälliger für Ozonangriffe machen.

Feuchtigkeit und Wassereinwirkung

Kabel im Freien treffen ständig auf Feuchtigkeit in verschiedenen Formen:

Regen und direkter Wasserkontakt
: Solaranlagen sind Regen ausgesetzt, wobei Kabel bei starken Regengüssen oder schlechten Entwässerungssituationen möglicherweise überflutet werden.

Luftfeuchtigkeit
: Auch ohne Regen wirkt sich die Luftfeuchtigkeit auf die Kabel aus. Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit (tropisch, an der Küste) erzeugen ständigen Feuchtigkeitsstress.

Kondensation
: Temperaturwechsel verursachen Kondensation an und innerhalb von Kabelbaugruppen, insbesondere an Anschlüssen und Anschlussdosen.

Mechanismen des Wassereintritts
:

Kapillarwirkung entlang von Leitersträngen
Diffusion durch Dämmstoffe
Eindringen durch beschädigte Isolierung oder schlechte Verbindungen
Frost-Tau-Zyklen, die Bahnen schaffen

Auswirkungen von Feuchtigkeit
:

Reduzierter Isolationswiderstand
Korrosion von Leitern (insbesondere an Anschlüssen)
Beschleunigter Abbau einiger Dämmstoffe
Elektrische Verfolgung und mögliche Erdungsfehler

Temperatur Radfahren

Tägliche und saisonale Temperaturschwankungen belasten Kabel:

Thermische Ausdehnung / Kontraktion
: Verschiedene Materialien dehnen sich unterschiedlich schnell aus. Der Kupferleiter, die Isolierung und der Mantel haben alle unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, was zu inneren Spannungen führt.

Tag / Nacht-Zyklen
: Kabel können täglich Temperaturschwankungen von 30-50 ° C erleben und Tausende von Wärmezyklen pro Jahr ansammeln.

Saisonale Variation
: Jährliche Temperaturbereiche können in einigen Klimazonen 70 ° C überschreiten, was zu längerfristigem Fahrradstress führt.

Kombinierte Effekte
: Temperaturwechsel in Kombination mit UV-Exposition und Feuchtigkeit beschleunigt den Materialabbau durch mehrere Mechanismen gleichzeitig.

Wind und mechanische Belastung

Wind erzeugt ständigen mechanischen Stress:

Kabel Bewegung
: Wind bewirkt, dass sich die Kabel biegen und vibrieren, insbesondere bei längeren, nicht gestützten Spannweiten.

Abrieb
: Bewegung gegen Stützen, Rohre oder andere Oberflächen verschleißt allmählich durch Schutzmäntel.

Müdigkeit
: Wiederholtes Biegen kann mit der Zeit zum Bruch von Leitersträngen und zur Rissbildung in der Isolierung führen.

Chemische Exposition

In Außenumgebungen sind die Kabel verschiedenen Chemikalien ausgesetzt:

Luftschadstoffe
: Industriegebiete weisen höhere Konzentrationen von Schwefeldioxid, Stickoxiden und anderen korrosiven Verbindungen auf.

Küstenumgebungen
: Salzsprühnebel und salzhaltige Luft beschleunigen die Korrosion und beeinträchtigen einige Materialien.

Landwirtschaftliche Einstellungen
: In landwirtschaftlichen Anlagen können Kabel mit Düngemitteln, Pestiziden, Herbiziden und Bodenverbesserungen in Berührung kommen.

Reinigungsmittel
: Die regelmäßige Reinigung von Solarmodulen kann dazu führen, dass Kabel Reinigungslösungen ausgesetzt werden.

Wie Sonnenkabel auf Umweltbeständigkeit ausgelegt sind

UV-Stabilisierung

Hochwertige Solarkabel beinhalten mehrere UV-Schutzstrategien:

Carbon Schwarz
: Der effektivste und gebräuchlichste UV-Stabilisator. Rußpartikel absorbieren UV-Strahlung und leiten die Energie als Wärme ab, bevor sie Polymerbindungen aufbrechen können. Aus diesem Grund haben die meisten Solarkabel schwarze Ummantelungen - sie dienen nicht nur der Wärmeabsorption, sondern vor allem dem UV-Schutz.

UV-Absorber
: Chemische Verbindungen, die UV-Strahlung absorbieren und durch Molekularvibration in harmlose Wärme umwandeln.

UV-Stabilisatoren
: Zusatzstoffe, die die durch UV-Strahlung verursachten Kettenreaktionen freier Radikale unterbrechen und den Polymerabbau verhindern oder verlangsamen.

Materialauswahl
: Vernetztes Polyethylen (XLPE) und spezialisierte Polyolefinverbindungen haben von Natur aus eine bessere UV-Beständigkeit als Standardmaterialien.

Witterungsbeständige Isoliermaterialien

Vernetztes Polyethylen (XLPE)
:

Ausgezeichnete Beständigkeit gegen UV, Ozon und Wetter
Behält seine Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich bei
Geringe Feuchtigkeitsaufnahme
Überlegene Alterungseigenschaften
Industriestandard für Solarkabel

Vernetzungsprozess
: Ob durch chemische Vernetzung oder Elektronenstrahlvernetzung (EB), der Prozess schafft ein dreidimensionales molekulares Netzwerk, das:

Erhöht die Materialfestigkeit und Hitzebeständigkeit
Verbessert die Chemikalien- und Umweltbeständigkeit
Verhindert, dass Polymerketten unter Belastung aneinander vorbeigleiten
Verbessert die langfristige Stabilität

Halogenfreie Verbindungen
: Einige Anlagen erfordern halogenfreie Materialien, die bei Bränden weniger giftigen Rauch erzeugen und gleichzeitig umweltfreundlich sind.

Feuchtigkeitsbeständiges Design

Materialeigenschaften
: Hochwertige Isoliermaterialien haben eine geringe Wasseraufnahmerate und verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit in die Kabelstruktur.

Behandlung von Leitern
: Verzinnte Kupferleiter sind viel korrosionsbeständiger als blankes Kupfer, was besonders wichtig ist, wenn Feuchtigkeit die Leiter an den Anschlüssen berühren kann.

Doppelte Isolierung
: Solarkabel verwenden in der Regel doppelte Isolierschichten - eine innere Isolierung um den Leiter und einen äußeren Mantel -, die überflüssige Feuchtigkeitsbarrieren bieten.

Richtige Manteldicke
: Angemessene Manteldicke bietet robusten Schutz und behält gleichzeitig die Flexibilität bei der Installation.

Ozon-Beständigkeit

Materialien, die in Solarkabeln verwendet werden, müssen Ozonbeständigkeitstests bestehen:

Ozon-Expositionstests
: Kabel werden erhöhten Ozonkonzentrationen (typischerweise 25-100 pphm) ausgesetzt, während sie unter Spannung stehen und auf Risse untersucht werden. Materialien, die für Solarenergie ausgelegt sind, zeigen nach längerer Exposition keine Risse.

Materialchemie
: Vernetzte Materialien und richtig formulierte Verbindungen widerstehen dem Ozonangriff auf Polymerketten.

Internationale Normen für Umweltbeständigkeit

Anforderungen an die Prüfung

Solarkabel
Normen erfordern umfangreiche Umwelttests:

UL 4703
(Nordamerika):

Prüfung der UV-Beständigkeit durch Belichtung mit dem Wettermesser
Prüfung der Ozonbeständigkeit (100 pphm für 48 Stunden)
Wassertauchprüfung
Wärmezyklus- und Alterungstests
Kombinierte Umweltbelastung

EN 50618 / IEC 62930
(Europa / International):

UV-Beständigkeit (2000 Stunden Xenon-Lichtbogenexposition)
Ozonbeständigkeit (25 pphm für 96 Stunden bei 40 ° C)
Kaltschlagprüfung nach der Konditionierung
Wärmealterung
Vertikaler Flammentest

TÜV 2 PfG 1169/08.2007
:

Umfassende Tests einschließlich UV, Ozon, thermischer Zyklus
Simulation der Langzeitalterung
Mechanische Prüfung nach Umwelteinwirkung

Was Tests verifiziert

UV-Beständigkeitstests
: Kabel unterliegen einer beschleunigten UV-Exposition, die jahrelangem Einsatz im Freien entspricht. Nach der Exposition:

Die Isolierung darf nicht reißen, kreiden oder spröde werden
Zugfestigkeit und Dehnung müssen innerhalb akzeptabler Bereiche bleiben
Die elektrischen Eigenschaften müssen erhalten bleiben

Ozonbeständigkeitstests
: Die Proben werden um Dorne gebogen und erhöhten Ozonkonzentrationen ausgesetzt. Nach der Testphase ist keine Rissbildung mehr zulässig.

Nassprüfung
: Die Kabel müssen ihre elektrischen Eigenschaften beibehalten, wenn sie in Wasser getaucht werden, und die Anforderungen an die Nassklasse 90 ° C erfüllen.

Kombinierte Umwelttests
: Einige Normen erfordern eine sequentielle oder gleichzeitige Exposition gegenüber mehreren Stressoren (UV + Hitze, Feuchtigkeit + Kälte usw.), um reale Bedingungen zu simulieren.

Umweltaspekte für unterschiedliche Klimazonen