Photovoltaik-Bolzen: Typen, Materialien und Auswahlhilfe

Photovoltaik-Bolzen sind die Befestigungselemente, die Solarmodule, Montageschienen, Regalrahmen und Erdanker in einem vollständigen, strukturell stabilen PV-System befestigen. Es handelt sich nicht um gewöhnliche Schrauben aus dem Baumarkt. Die Außenumgebung, in der eine Solaranlage betrieben wird – UV-Strahlung, Temperaturwechsel von –40 °C bis 85 °C, Salzsprühnebel an der Küste oder Industrieverschmutzung – stellt Anforderungen an Befestigungselemente, denen gewöhnlicher Kohlenstoffstahl über eine Systemlebensdauer von 25 bis 30 Jahren nicht gerecht werden kann.

Die Wahl der falschen Schraubensorte oder des falschen Materials kann zu galvanischer Korrosion, Lockerung unter Windlast oder strukturellem Versagen führen, was zum Erlöschen der Gerätegarantien und zu Sicherheitsrisiken führt. Dieser Leitfaden behandelt die Typen, Materialien, Standards, Drehmomentanforderungen und Auswahlkriterien, die bei realen PV-Installationen am wichtigsten sind.

Wo Photovoltaik-Bolzen in einem Solarsystem verwendet werden

Ein typisches PV-System auf dem Dach oder am Boden verwendet Befestigungselemente an mehreren strukturellen Verbindungen, jede mit unterschiedlichen Lastanforderungen und Expositionsbedingungen:

• Plattenklemmschrauben: Befestigen Sie Mittelklemmen und Endklemmen, die den Plattenrahmen an der Montageschiene halten. Bei diesen kommt es am häufigsten zu thermischen Wechseln, da die Paneltemperaturen täglich schwanken.
• Schienenverbindung und Schienen-Halter-Schrauben: Schienenabschnitte verbinden und Schienen an Dachmontagehalterungen oder Bodenpfosten befestigen. Entscheidend für die Übertragung von Windsog und Schneelasten durch die Struktur.
• Ankerbolzen für die Dachdurchdringung: Verankern Sie Eindeckhalterungen oder Ballastfüße an den Dachsparren. Erfordern Sie Edelstahl, um Rostflecken und Korrosion im Inneren der Dachkonstruktion zu verhindern.
• Ankerbolzen für die Bodenmontage: Befestigen Sie Rammpfähle, Spiralanker oder Betonfundamente am Regalrahmen. Häufig die größten Befestigungselemente im System – M16 bis M24 in großen Installationen im Versorgungsbereich.
• Befestigungsschrauben für Wechselrichter und Generatorkasten: Befestigen Sie Elektrogehäuse an Wänden oder Rahmen. In einigen Konfigurationen ist eine elektrische Isolierung erforderlich, um Streuströme zu vermeiden.
• Erdungsverbindungshardware: Gezahnte Flanschschrauben oder Erdungsklammern, die die eloxierte Oberfläche von Aluminiumschienen durchbohren, um elektrischen Durchgang herzustellen.

Schraubentypen, die häufig in PV-Regalsystemen verwendet werden

Hersteller von PV-Regalen konzipieren ihre Systeme auf der Grundlage spezifischer Schraubengeometrien, die eine schnelle Installation und zuverlässige Klemmung ermöglichen, ohne dünne Aluminiumprofile zu stark anzuziehen. Die häufigsten Arten sind:

Materialauswahl: Warum Edelstahl PV-Verbindungselemente dominiert

Die wichtigste Materialentscheidung für Photovoltaikschrauben ist die Korrosionsbeständigkeit. Solaranlagen sind dafür ausgelegt Betriebsdauer 25–30 Jahre und die Befestigungselemente müssen diesen gesamten Zeitraum überstehen, ohne dass es zu einer Lockerung, einem Festfressen oder einer strukturellen Schädigung durch Rost kommt.

Edelstahl A2 (304) vs. A4 (316)

Die meisten PV-Regalsysteme sind mit Edelstahlschrauben aus A2 oder A4 ausgestattet. Der praktische Unterschied liegt im Molybdängehalt: Edelstahl A4 (316) enthält 2–3 % Molybdän , was die Beständigkeit gegen chloridinduzierte Lochfraßkorrosion – die spezifische Fehlerursache in Küsten- und Meeresumgebungen – erheblich verbessert. A2 (304) ist für Binneninstallationen geeignet; Innerhalb sollte A4 (316) verwendet werden 1–5 km Küstenlinie oder in Industriegebieten mit Chloriden in der Luft.

Feuerverzinkter (HDG) Stahl für die Bodenmontage

Bei großen Freilandanlagen – insbesondere bei Solarparks im Versorgungsmaßstab – werden häufig feuerverzinkte (HDG) Strukturbolzen für Ankerbolzen und primäre Rahmenverbindungen verwendet. HDG-Beschichtungsdicke von 85 µm oder mehr (gemäß ASTM A153 oder ISO 1461) Bietet 30–50 Jahre Korrosionsschutz in den meisten Bodenumgebungen zu deutlich geringeren Kosten als komplett aus Edelstahl gefertigte Hardware im großen Maßstab. HDG wird wegen der Gefahr galvanischer Korrosion nicht empfohlen, wenn direkter Kontakt mit Aluminiumregalen besteht.

Galvanische Korrosion: Das versteckte Risiko an Aluminium-Stahl-Grenzflächen

Nahezu alle PV-Regalschienen bestehen aus stranggepresstem Aluminium (6005-T5 oder 6061-T6). Wenn Edelstahlbolzen in einer feuchten Umgebung mit Aluminium in Kontakt kommen, bildet sich eine galvanische Zelle. Edelstahl und Aluminium liegen in der galvanischen Reihe 0,25–0,50 V auseinander – nah genug, dass A2/A4-Schrauben in dieser Paarung allgemein als akzeptabel angesehen werden. Allerdings sind Kohlenstoffstahl- oder HDG-Schrauben in direktem Kontakt mit Aluminium problematisch – der Potenzialunterschied beschleunigt die Aluminiumkorrosion an der Verbindung. Verwenden Sie an den Schnittstellen zwischen Aluminium und Befestigungselement immer rostfreie oder mit Aluminium kompatible Hardware.

Anforderungen an Schraubenqualität und Festigkeit für PV-Anwendungen

PV-Bolzen müssen über Jahrzehnte anhaltenden Windlasten, Schneelasten und seismischen Kräften standhalten. Die Schraubenfestigkeit wird durch die Festigkeitsklasse (metrisch) oder Güteklasse (Zoll) definiert:

Für die meisten privaten und gewerblichen Dachsysteme Edelstahl A2-70 ist die Standardspezifikation . Ein Upgrade auf A4-80 empfiehlt sich für Küstenstandorte, Gebiete mit starkem Wind (ASCE 7-Windgeschwindigkeit ≥ 130 Meilen pro Stunde) oder jede Installation, bei der die strukturellen Berechnungen des Regalingenieurs eine höhere Schraubenvorspannung erfordern.

Drehmomentangaben für PV-Schrauben: Warum ein zu starkes Anziehen genauso gefährlich ist wie ein zu geringes Anziehen

Die Drehmomentvorgaben für Photovoltaikschrauben sind strenger, als die meisten Installateure erwarten. Die in Solarregalen verwendeten Aluminium-Strangpressprofile sind relativ weich – 6005-T5-Aluminium hat eine Streckgrenze von nur 240 MPa im Vergleich zu 700 MPa für die darin eingeschraubten rostfreien Schrauben. Das Gewinde der Streifen in der Aluminiummutter oder im Schienenkanal wird zu stark angezogen, sodass der gesamte Schienenabschnitt ausgetauscht werden muss.

Bei zu geringem Drehmoment ist das Gelenk nicht ausreichend vorgespannt, was zu Bewegungen bei Windvibrationen führt, die zu Reibermüdung und allmählicher Lockerung führen. Typische vom Hersteller angegebene Drehmomentwerte für gängige PV-Schraubengrößen:

Zum endgültigen Anziehen immer einen kalibrierten Drehmomentschlüssel verwenden. Auf maximales Drehmoment eingestellte Schlagschrauber sind für PV-Panel-Klemmschrauben nicht akzeptabel – sie überschreiten regelmäßig die Herstellergrenzen. Viele Regalhersteller geben Drehmomentwerte im trockenen Zustand (kein Schmiermittel) an; Wenn Anti-Seize oder Gewindeschmiermittel aufgetragen wird, reduzieren Sie das Drehmoment um etwa 20–25 %, um die gleiche Klemmkraft zu erreichen.

Anti-Lockerungsfunktionen: Verhindert das Lösen von Schrauben über 25 Jahre hinweg

Solaranlagen unterliegen kontinuierlichen Vibrationen niedriger Amplitude durch Wind und die tägliche thermische Ausdehnung und Kontraktion von Aluminiumschienen (Aluminium dehnt sich aus). 23,6 µm/m·°C — Ein 6 Meter langer Schienenabschnitt wächst und schrumpft zwischen einer Winternacht von -10 °C und einer Plattenoberflächentemperatur von 60 °C im Sommer um etwa 12 mm. Durch diese Bewegung können Schrauben, die keine Lockerungsschutzvorrichtungen aufweisen, nach und nach herausgedreht werden.

Zu den gängigen Anti-Lockerungs-Lösungen, die in PV-Systemen verwendet werden, gehören:

• Sicherungsmuttern mit Nyloneinsatz (Nyloc): Die am weitesten verbreitete Lösung für PV-Dächer. Der Nylonkragen greift in das Schraubengewinde und verhindert eine Drehung. Wirksam bis ca. 100 °C – prüfen Sie die Eignung, wenn Anschlusskastengehäuse örtlich Wärme erzeugen.
• Gezahnte Flanschmuttern und -schrauben: Die Verzahnungen greifen in die Gegenfläche und verhindern mechanisch eine Drehung. Wird zum Erden von Verbindungen und strukturellen Verbindungen verwendet, bei denen die Oberflächenhärte ein ordnungsgemäßes Einrasten der Verzahnungen ermöglicht.
• Federringe: Gilt im Allgemeinen als weniger zuverlässig als Nyloc-Muttern unter dynamischer Belastung gemäß Vibrationstests nach DIN 65151 – nur verwenden, wenn dies vom Regalhersteller angegeben ist.
• Schraubensicherungsklebstoff (Loctite 243 oder gleichwertig): Effektiv für Schrauben mit kleinem Durchmesser an Orten mit geringer Vibration. Nicht praktikabel für Feldanschlüsse, die später möglicherweise ein erneutes Anziehen oder eine Neupositionierung des Panels erfordern.
• Konfiguration mit zwei Muttern (Kontermutter): Wird an bodenmontierten Verstellfüßen verwendet, bei denen sowohl Vibrationsfestigkeit als auch Einstellbarkeit vor Ort erforderlich sind.

Für Photovoltaik-Bolzen relevante Standards und Zertifizierungen

Zertifizierungen von PV-Anlagen und Baugenehmigungen verlangen zunehmend, dass Befestigungselemente dokumentierten Material- und Maßstandards entsprechen. Die am häufigsten zitierten Standards sind:

• ISO 3506: Die wichtigste internationale Norm zur Regelung der mechanischen Eigenschaften von Verbindungselementen aus Edelstahl. Gibt die Eigenschaftsklassen A2-70, A2-80, A4-70 und A4-80 an. Konformitätszertifikate mit Bezug auf ISO 3506 werden von vielen EPC-Auftragnehmern im Versorgungsmaßstab verlangt.
• ASTM F593 / F594: US-Äquivalent für Edelstahlschrauben und -muttern. Erforderlich für Projekte gemäß US-Bauvorschriften, bei denen keine metrische ISO-Hardware spezifiziert ist.
• ASTM A307 / A325 / A490: Reguliert Strukturschrauben aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl, die in HDG-Stahlkonstruktionen für die Bodenmontage verwendet werden.
• ISO 1461 / ASTM A153: Geben Sie die Mindestbeschichtungsdicke für feuerverzinkte Befestigungselemente an – entscheidend für die Überprüfung der Korrosionsbeständigkeit von HDG-Ankerbolzen.
• IEC 61215 / IEC 61730: Obwohl es sich dabei um Modulstandards handelt, regeln sie indirekt die Montagehardware, indem sie die mechanischen Belastungsbedingungen (Wind, Schnee, Hagel) festlegen, denen Regale und Befestigungselemente standhalten müssen.

Fordern Sie für genehmigungspflichtige Installationen Materialprüfberichte (MTRs) oder Konformitätszertifikate von Schraubenlieferanten an, die auf diese Standards verweisen. Gefälschte oder minderwertige Verbindungselemente mit falschen Kennzeichnungen der Festigkeitsklasse sind ein dokumentiertes Problem in kostengünstigen Lieferketten – für große Projekte, bei denen Hardware außerhalb etablierter Vertriebskanäle beschafft wird, ist eine Überprüfung der chemischen Zusammensetzung und Härte durch Dritte ratsam.

Praktische Checkliste zur Auswahl von Photovoltaik-Bolzen

Verwenden Sie die folgende Checkliste, wenn Sie Befestigungselemente für ein PV-Projekt spezifizieren oder beschaffen:

1. Bestätigen Sie den im Installationshandbuch des Regalherstellers geforderten Schraubentyp – T-Kopf, Sechskantkopf, Schlossschraube oder Zugschraube – und ersetzen Sie ihn nicht durch andere Kopfarten ohne technische Genehmigung.
2. Auswählen Edelstahl A4-316 für Küsten-, Meeres- oder Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit; Edelstahl A2-304 ist für trockenes Binnenklima geeignet.
3. Geben Sie an Mindesteigentumsklasse A2-70 oder A4-70 für Standard-Aufdachanlagen; Upgrade auf A4-80 für Standorte mit starker Wind- oder Schneelast gemäß Strukturberechnungen.
4. Stellen Sie sicher, dass alle Muttern und Unterlegscheiben aus demselben Edelstahl bestehen wie die Schraube. Durch die Kombination von A2-Schrauben mit Muttern aus Kohlenstoffstahl entsteht ein galvanisches Paar, das die Korrosion der Muttern beschleunigt.
5. Überprüfen Sie die Anti-Lockerungs-Vorkehrungen: Nyloc-Muttern für Plattenklemmen und die meisten Schienenverbindungen; gezahnte Flanschteile, bei denen eine Erdungskontinuität erforderlich ist.
6. Besorgen Sie sich Konformitätszertifikate (ISO 3506 oder ASTM-Äquivalent) und archivieren Sie sie zusammen mit der Projektdokumentation für Genehmigungs- und Garantiezwecke.
7. Verwenden Sie zum endgültigen Anziehen einen Drehmomentschlüssel – keinen Schlagschrauber – und notieren Sie die Drehmomentwerte im Inbetriebnahmebericht für zukünftige O&M-Inspektionen.