铜铝转换连接件的加工工艺应用其的光伏系统连接模块

技术领域

本发明涉及光伏发电系统技术领域，尤其涉及一种铜铝转换连接件的加工工艺以及应用所述的铜铝转换连接件的光伏系统连接模块。

背景技术

随着节能减排的推广，可再生能源得到了越来越广泛的应用。在可再生能源中，太阳能由于其清洁性和获取的便捷性，尤为得到人们的重视，因此，太阳能电站应运而生。太阳能电站由光伏组件经串、并联组成光伏阵列，通过电缆线，将光伏组件在光生伏特作用下产生的电能汇入逆变器或者控制器，并由逆变器或者控制器将该种形式的电能转换为用户方便使用的电能，并网或送给用户直接使用。

铜具有延展性好、导热性和导电性高的特性，因此，目前的光伏系统中电缆线基本均采用铜质电缆线。但是，作为光伏系统的主要连接电缆，铜电缆线的价格比较贵，使用成本较高，而且铜在地壳中的含量也仅为0.01%左右，随着铜用量的不断增加，也会面临资源短缺的问题。而随着太阳能电站规模的不断扩大以及电池板转化效率的提高，电缆线的使用量在不断提升，由此导致了光伏系统的建造成本也越来越高，不利于光伏电站的推广使用。因此，已经有行业开始使用铝导线来替代铜缆线，在满足同样的载流要求的情况下，铝导线的成本仅需要铜缆线的三分之一左右；但是，铝芯电缆在用于光伏系统时会遇到一个关键的问题，光伏组件的接线盒用电缆线为铜芯电缆，组件汇流箱、控制箱里面的线缆插接端一般也为铜质端子，而铜芯电缆与铝芯电缆在连接时不能直接连接，因为两种金属的金属活性不同，会产生电位差，当金属接头处有水分浸入或周围的空气潮湿,即形成电解液，这样就形成了原电池，接触面会产生晶间腐蚀，影响电流传导能力，因此，在光伏系统连接时，系统连接电缆线与组件接线盒的连接器电缆线连接时，就不能直接进行铆接或焊接连接；另外，由于现场作业的安全性要求以及效率，也不允许进行比较危险或复杂的连接工艺。因此，需要设计一种方便系统连接的连接电缆铜铝转换连接结构。在目前的一些电子行业中，也有应用铜铝转换接线端子来实现铜、铝之间的导电转换，但是目前的铜铝转换接线端子，基本上是将铜棒、铝棒通过摩擦焊焊接形成，这种摩擦焊生产的铜铝转换接线端子可以满足电子产品中小电流通过使用的应用需求，但是应用到户外高温、大电流通过的光伏组件系统连接时，经过组件PV测试后，会有高达80%左右的导电性能失效，主要是铜、铝的导热系数不同，会在铜铝接触界面形成裂缝导致连接失效，这显然不能满足光伏系统连接的应用需求。也有业者使用钎焊工艺来制造铜铝转换接线端子，导电可靠性要比摩擦焊要优异一些，经过组件PV测试后，导电有效性可以达到60%以上，但是钎焊的接头强度低，耐热性差，小电流使用是可以满足要求，对于户外、大电流的光伏发电系统也不能完全满足要求，另外，钎焊工艺的生产效率低，钎料的价格也比较贵，生产成本较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决光伏系统电缆连接的应用需求，提出的一种光伏系统连接电缆铜铝转换连接部件的加工工艺，采用金属连铸结合模具成型工艺，生产具有优异导电性能的铜铝转换连接部件，无需额外的焊接工艺，生产效率高，成本低，方便光伏系统中的铜电缆线与铝电缆线的连接，在光伏系统电缆线中以铝代铜，降低系统成本。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种光伏系统连接电缆铜铝转换连接件的加工工艺，所述的铜铝转换连接件包括铜质端子、铝质端子以及铜铝复合金属层，所述的加工工艺包括如下步骤：

S1：通过连铸工艺生产具有铜铝复合层的铜铝双金属复合板材；具体工艺过程如下：

将标准阴极铜原料投入加热坩埚中，铸造温度1170~1250℃，形成铜液；将工业纯铝原料投入加热坩埚中，铸造温度730~820℃，形成铝液；

先打开铜液开关，将铜液注入成型模具中，形成具有设定厚度的铜板，由牵引器拉出，牵引机的铜板拉出速度为70~80mm/min；然后打开铝液开关，让铝液流入成型模具的型腔中的铜板的上方使铝液与铜板的上表面接触；成型模具包括保温区以及结晶区，保温区的温度为850~1050℃，结晶区的冷却水流量为12~25L/min，铜铝复合板在结晶区通过的时间为0.5~1.5min；如此，制得在铜、铝层之间形成铜铝复合层的铜铝双金属复合板材；

S2：将制得的铜铝双金属复合板材按照设计尺寸进行切割以及机加工，得到可以方便铜、铝导线连接的铜铝转换连接件。

进一步的，在所述步骤S1中，在所述的成型模具的铜板成型型腔的下方设置有活动型腔，在铜板成型被牵引器引出后，将活动型腔替换，铝液坩埚开关打开后，同时向成型模具的铜板下方的成型型腔注入铝液，形成铝-铜-铝三层结构的铜铝双金属复合板材。

再进一步的，在所述的步骤S1中，所述的铜铝转换连接件的金属铜的厚度为0.5-1.5mm，金属铝的厚度为1.5-5mm，铜-铝复合层的厚度为15-60µm。

再进一步的，在所述的步骤S1中，牵引机的铜板拉出速度为76±2mm/min；成型模具保温区的温度为950~1050℃，结晶区的冷却水流量为18±3L/min，铜铝复合板在结晶区通过的时间为1.0~1.3min。

再进一步的，在所述步骤S2之后，还包括在铜铝转换连接件上固定接线端子的步骤，所述的接线端子包括铜和/或铝接线端子，铜接线端子与铜铝转换连接件的金属铜部分固定，铝接线端子与铜铝转换连接件的金属铝部分固定，铜、铝接线端子与铜铝转换连接件的铜铝复合层不接触。

再进一步的，所述的接线端子与铜铝转换连接件通过焊接、铆接或螺接的方式固定。

根据本发明的另一目的，本发明还提出一种应用上述的铜铝转换连接件的光伏系统连接模块，所述的光伏系统连接模块通过如下工艺制得：

在通过上述的铜铝转换连接件加工工艺制得的铜铝转换连接件上通过焊接、铆接或螺接的方式固定连接电缆线，其中，铜缆线的铜芯部分与铜铝转换连接件上的金属铜或铜接线端子连接固定，铝缆线的铝芯部分与铜铝转换连接件上的金属铝或铝接线端子连接固定；

将上一步骤中固定有电缆线的铜铝转换连接件置于成型模具中，将电缆线与铜铝转换连接件的连接部以及整个铜铝转换连接件通过注塑工业用绝缘材料包覆形成光伏系统连接模块。

进一步的，所述的绝缘材料为绝缘塑料或绝缘橡胶。

进一步的，所述的光伏系统连接模块的铜缆线、铝缆线的开放端的金属芯线的表面设有防护镀层。

本发明的应用于光伏系统电缆连接系统的铜铝转换连接模块，采用双金属连铸成型工艺制备铜铝转换连接件，并通过注塑工艺将铜铝转换连接件与线缆连接部进行绝缘封装，铜铝转换连接件在连铸成型时在铜、铝界面形成金属复合层，不影响导电性能，铜、铝之间的连接界面相比摩擦焊、钎焊工艺形成的接触界面具有优异的可靠性，不会导致高温使用环境下造成的导电性能失效的问题，可以方便将光伏系统的铜缆线电缆与铝母线通过铜铝接线端子进行转换连接，以铝代铜，能够减少铜的使用量，降低光伏系统建造成本，利于光伏系统的推广使用。

附图说明

图1为本发明的一实施例的一种光伏系统连接电缆铜铝转换连接件的加工工艺的工艺过程示意图；

图2为本发明的另一实施例的一种光伏系统连接电缆铜铝转换连接件的加工工艺的工艺过程示意图；

图3为本发明的一实施例的制备的光伏系统连接电缆铜铝转换连接件的结构示意图；

图4为本发明的另一实施例的制备的光伏系统连接电缆铜铝转换连接件的结构示意图；

图5为通过本发明的一实施例方法制备的具有铜铝转换连接件的光伏系统连接模块的结构示意图。

图中元件名称及标号：10-铝母线，20-铜缆线，30-铜铝接线端子，40-灌胶封装体。

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。

在工业领域中，铝与铜都是良好的导电材料，但是铝的密度比铜小（铝的密度约为铜的三分之一），价格便宜、资源丰富，因此在光伏连接电缆中，用铝代替铜使用，这样不仅能降低成本，还能合理利用资源。但是，铝与铜的电化性质不同，将二者直接连接会发生电化学反应，造成电化学腐蚀，引起铜铝之间接触不良，接触电阻增大。因此，为了充分利用铜与铝各自的优异性能，需要通过铜铝转换连接件来实现以铝缆线替代铜缆线，并且需要保证铜铝转换连接件在高温、大电流环境下长时间使用的连接可靠性，避免目前常用的摩擦焊、钎焊工艺制备的铜铝转换连接件存在的问题。

根据光伏系统电缆连接以铝代铜的使用需求，本发明提供一种通过双金属连铸复合成型工艺来制备铜铝转换连接件的加工工艺，具体的，本发明的一种光伏系统连接电缆铜铝转换连接件的加工工艺，所述的铜铝转换连接件包括铜质端子、铝质端子以及铜铝复合金属层，所述的加工工艺包括如下步骤：

S1：通过连铸工艺生产具有铜铝复合层的铜铝双金属复合板材；参照图1所示，具体的铜铝双金属复合板材的制备过程如下：

将工业纯铜比如铜含量在99.95%以上的标准阴极铜作为原料投入第一加热坩埚10中，铸造温度1170~1250℃，形成铜液；将铝含量在99.5%以上工业纯铝原料投入第二加热坩埚20中，铸造温度730~820℃，形成铝液；第一加热坩埚10和第二加热坩埚20通过导管与成型模具30的型腔连接，导管上设有开关12、22；

先打开铜液坩埚开关12，将铜液通过导管注入成型模具中，形成具有设定厚度的铜板，由牵引器50拉出，牵引机的铜板拉出速度为70~80mm/min；然后打开铝液坩埚开关22，让铝液通过导管流入成型模具的型腔中的铜板的上方使铝液与铜板的上表面接触；成型模具包括保温,30以及结晶区40，保温区的温度为850~1050℃，此温度下可以保证铝以液体状存在，而且铜板保持一个比较高的温度，保证铜表面的原子活性，利于铜铝界面处铝原子和铜原子相互渗透，保温区的前方为结晶区，结晶区的冷却水流量为12~25L/min，铜铝复合板在结晶区通过的时间为0.5~1.5min；通过控制冷却水流量和结晶时间使铜铝界面处的金属结晶形成可靠的铜铝复合层；如此，制得在铜、铝层之间形成铜铝复合层的铜铝双金属复合板材100；

S2：参照图3，将上述步骤中制得的铜铝双金属复合板材按照设计尺寸进行切割以及机加工，得到可以方便铜、铝导线连接的铜铝转换连接件。

按照上述的制备工艺，制得的铜铝转换连接件的结构为铝层-铜铝复合层-铜层，一般情况下，可以适应单根铜缆线和单根铝缆线的转换连接，在应用到光伏连接系统时，比如，对于应用于光伏系统的连接母线（与多个光伏组件或组件阵列连接并与汇流箱或控制箱连接的主线线缆），如图5所示的铝层-铜铝复合层-铜层-铜铝复合层-铝层这个结构的转换连接件应用更为方便，据此，在一更优的实施方案中，参照图2，在所述步骤S1制备铜铝双金属复合板材的过程中，在所述的成型模具的铜板成型型腔的下方设置有活动型腔32，在铜板成型被牵引器引出后，将原先的铜板下方无型腔的活动型腔抽出，换装具有下铝板成型的活动型腔，然后将铝液坩埚开关22打开后，同时向成型模具中的铜板上方和下方的成型型腔注入铝液，形成铝-铜-铝三层结构的铜铝双金属复合板材，然后再经过切割以及机加工，得到铝层-铜铝复合层-铜层-铜铝复合层-铝层的铜铝转换连接件（参照图3）。

在一优选的实施方式中，在所述的步骤S1中，所述的铜铝转换连接件的金属铜的厚度为0.5-1.5mm，金属铝的厚度为1.5-5mm，铜-铝复合层的厚度为15-60µm；在另一优选的实施方式中，在所述的步骤S1中，牵引机的铜板拉出速度为76±2mm/min；成型模具保温区的温度为950~1050℃，结晶区的冷却水流量为18±3L/min，铜铝复合板在结晶区通过的时间为1.0~1.3min。

在一优选的实施方式中，在所述步骤S2之后，参照图4，为了方便电缆线与铜铝转换连接件的连接固定，还可以在铜铝转换连接件上固定接线端子，所述的接线端子包括铜和/或铝接线端子，铜接线端子103与铜铝转换连接件的金属铜部分固定，铝接线端子102与铜铝转换连接件的金属铝部分固定，铜、铝接线端子与铜铝转换连接件的铜铝复合层不接触。在实际生产中，可以视具体的线缆连接需求，可以是仅连接铜接线端子或铝接线端子或者两种接线端子均设置，铜、铝接线端子各自设置的数量也可具体的线缆连接需求自由选择，本发明对此不作严格限定。

在一优选的实施方式中，所述的接线端子与铜铝转换连接件可以通过焊接、铆接或螺接的方式固定。

根据本发明的另一目的，本发明还提出一种应用上述的铜铝转换连接件的光伏系统连接模块，所述的光伏系统连接模块通过如下工艺制得：

参照图5，在通过上述的铜铝转换连接件加工工艺制得的铜铝转换连接件上通过焊接、铆接或螺接的方式固定连接电缆线，其中，铜缆线300的铜芯部分与铜铝转换连接件上的金属铜或铜接线端子103连接固定，铝缆线200的铝芯部分与铜铝转换连接件上的金属铝或铝接线端子102连接固定；

将上一步骤中固定有电缆线的铜铝转换连接件置于成型模具中，将电缆线与铜铝转换连接件的连接部以及整个铜铝转换连接件通过注塑工业用绝缘材料包覆形成具有绝缘封装体110的光伏系统连接模块。

在一优选的实施方式中，所述的绝缘材料为绝缘塑料或绝缘橡胶。

在一优选的实施方式中，为了方便光伏发电系统施工的方便，所述的光伏系统连接模块的铜缆线、铝缆线的开放端具有裸露的金属芯线，在金属芯线的表面，特别是铜芯线的表面设有防护镀层避免金属表面氧化形成导电性差的氧化物。

本发明的光伏系统电缆连接系统的铜铝转换连接模块，采用双金属连铸成型工艺制备铜铝转换连接件，并通过注塑工艺将铜铝转换连接件与线缆连接部进行绝缘封装，铜铝转换连接件在连铸成型时在铜、铝界面形成金属复合层，不影响导电性能，铜、铝之间的连接界面相比摩擦焊、钎焊工艺形成的接触界面具有优异的可靠性，不会导致高温使用环境下造成接触界面开裂并导致导电性能失效的问题，可以方便将光伏系统的铜缆线与铝母线通过铜铝接线端子进行转换连接，并具有长久的使用寿命；实现以铝代铜，能够减少铜的使用量，降低光伏系统建造成本，利于光伏系统的推广使用。

本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。