Brzmi niepozornie, ale nowoczesny magazyn energii to nie pojedynczy akumulator. To złożony system składający się z ogniw, modułów, układów monitorowania, sterowników i urządzeń energoelektronicznych, które muszą być ze sobą połączone zarówno elektrycznie, jak i komunikacyjnie. Każdy z tych punktów połączeniowych staje się częścią bilansu energetycznego całego systemu.
Mit: o sprawności magazynu energii decydują wyłącznie ogniwa
Rozwój technologii magazynowania energii od lat koncentruje się wokół zwiększania gęstości energii, wydłużania żywotności ogniw oraz poprawy efektywności zarządzania akumulatorami. To właśnie tam najczęściej poszukuje się kolejnych procentów sprawności.
Jednocześnie magazyn energii jest systemem, w którym energia musi wielokrotnie przepływać pomiędzy kolejnymi elementami. Prąd płynie przez połączenia modułów, szyn zbiorczych i urządzeń pomocniczych. W praktyce oznacza to setki, a w dużych instalacjach nawet tysiące punktów styku. Każde z tych miejsc może generować straty. Same w sobie są one niewielkie, jednak ich znaczenie rośnie wraz ze skalą instalacji. Dlatego coraz więcej producentów magazynów energii analizuje już nie tylko parametry ogniw, ale również architekturę połączeń w całym systemie.
Co dzieje się, gdy rośnie rezystancja styku?
Wystarczy niewielki wzrost rezystancji, aby część energii zaczęła zamieniać się w ciepło. Im większy prąd przepływa przez połączenie, tym bardziej zauważalny staje się ten efekt.
Dla modułu magazynowania energii o pojemności 5 kWh, napięciu 48 V, średnim prądzie 50 A oraz 5000 cyklach ładowania i rozładowania nawet prawidłowo wykonane połączenie może w całym okresie eksploatacji wygenerować ponad 100 kWh strat energii w postaci ciepła. Sama wartość może wydawać się akceptowalna. Problem pojawia się wtedy, gdy rezystancja kontaktowa wzrasta wskutek błędnego montażu, niewłaściwego dokręcenia połączenia lub działania drgań. W opisywanym przykładzie trzykrotny wzrost rezystancji powodowałby straty sięgające około 3000 kWh.
To pokazuje, że kwestia połączeń nie jest jedynie zagadnieniem mechanicznym. W dłuższej perspektywie wpływa zarówno na sprawność energetyczną, jak i ekonomikę całego systemu.
Dlaczego problem narasta wraz ze skalą systemu?
W domowym magazynie energii liczba połączeń jest stosunkowo niewielka. Sytuacja zmienia się jednak diametralnie w przypadku magazynów przemysłowych oraz wielkoskalowych instalacji współpracujących z farmami fotowoltaicznymi czy elektrowniami wiatrowymi.
Typowa konstrukcja magazynu energii jest modułowa. Ogniwa tworzą pakiety, pakiety są integrowane w moduły, moduły trafiają do racków, a racki tworzą gotowy system magazynowania energii. Każdy poziom tej struktury wymaga połączeń odpowiedzialnych za przesył energii oraz transmisję danych.
W efekcie pojedynczy problem kontaktowy, który w małym systemie pozostałby niezauważony, w rozbudowanej instalacji może zostać zwielokrotniony setki razy.
Czy połączenia śrubowe są jeszcze najlepszym rozwiązaniem?
Przez lata standardem w wielu aplikacjach energetycznych były połączenia śrubowe wykorzystujące końcówki oczkowe. To rozwiązanie sprawdzone, ale jednocześnie wymagające precyzyjnego montażu oraz kontroli jakości wykonania. W przypadku dużych magazynów energii każda dodatkowa operacja montażowa przekłada się na czas produkcji, koszty oraz ryzyko błędów.
Dodatkowo połączenia śrubowe są podatne na problemy wynikające z niewłaściwego momentu dokręcenia lub oddziaływania drgań. W konsekwencji może dojść do wzrostu rezystancji styku, a tym samym do dodatkowych strat energii oraz wzrostu temperatury.
W odpowiedzi na te wyzwania producenci magazynów energii coraz częściej sięgają po rozwiązania wtykowe projektowane specjalnie dla aplikacji wysokoprądowych. Ich celem nie jest wyłącznie skrócenie czasu montażu. Równie ważne staje się zwiększenie bezpieczeństwa oraz powtarzalności wykonania połączeń.
Połączenie zaprojektowane pod magazyny energii
Wraz ze wzrostem pojemności magazynów energii oraz napięć systemowych zmieniają się wymagania stawiane technologii połączeń. Producenci oczekują technologii projektowanych specjalnie z myślą o magazynowaniu energii, gdzie kluczowe znaczenie mają nie tylko parametry elektryczne, ale również szybkość montażu, bezpieczeństwo serwisowania i możliwość łatwej rozbudowy systemu. W nowoczesnych magazynach energii połączenia muszą pracować przez wiele lat w warunkach wysokich obciążeń prądowych, a jednocześnie zachować niską rezystancję kontaktową.
Phoenix Contact opracował rodzinę złączy przeznaczonych specjalnie do zasobników energii pracujących przy napięciach do 1500 VDC. Portfolio obejmuje zarówno wtyki biegunowe, jak i złącza szyny zbiorczej, dzięki czemu projektanci mogą dobrać technologię połączeń do architektury konkretnego systemu. Rozwiązania te umożliwiają realizację połączeń czołowych oraz tylnych, co daje większą swobodę projektowania modułów bateryjnych, racków i całych kontenerowych magazynów energii.
Szczególnie interesującym kierunkiem rozwoju są rozwiązania wykorzystujące technologię "blind mating", przeznaczone do połączeń z szynami zbiorczymi. Dzięki nim możliwe jest szybkie wsuwanie modułów do systemu bez konieczności wykonywania dodatkowych operacji montażowych na etapie instalacji. Takie podejście upraszcza rozbudowę systemów i znacząco przyspiesza prace serwisowe.
W przypadku aplikacji magazynowania energii równie ważne jak sprawność są kwestie bezpieczeństwa. Złącza stosowane w tych systemach muszą ograniczać możliwość popełnienia błędu podczas montażu lub serwisu. Złącze z zabezpieczeniem przed zamianą polaryzacji z serii BPC nadaje się idealnie do zasobników energii. Dzięki możliwości obracania, stykom zabezpieczonym przed dotykiem i kodowaniu mechanicznemu, jednobiegunowe złącze oferuje szczególnie wysoką elastyczność i bezpieczeństwo podczas podłączania modułów akumulatorowych dla prądów sięgających 400A. W praktyce oznacza to większe bezpieczeństwo obsługi i większą niezawodność całego systemu.
Specjalnie dla segmentu systemów domowych, gdzie moduły baterii można układać jeden na drugim, opracowano złącze hybrydowe. Zawiera ono wszystkie niezbędne styki wtykowe do zasilania, transmisji sygnałów i danych. Stabilne piny prowadzące zapewniają brak uszkodzeń podczas układania modułów w stosy.
Istotną korzyścią jest również skrócenie czasu montażu. W dużych instalacjach składających się z setek modułów każda czynność wykonywana podczas produkcji i instalacji powtarzana jest wielokrotnie. Nawet niewielkie usprawnienie procesu podłączania przekłada się na krótszy czas budowy systemu, mniejsze ryzyko błędów oraz niższe koszty eksploatacyjne w całym cyklu życia magazynu energii.
Rynek magazynów energii rozwija się dziś przede wszystkim dzięki postępowi w technologii ogniw, systemach zarządzania bateriami i energoelektronice. Jednak wraz ze wzrostem pojemności i mocy instalacji coraz większego znaczenia nabierają obszary, które do tej pory pozostawały w cieniu. Jednym z nich jest technologia połączeń. Bo ostatecznie wydajność magazynu energii nie zależy wyłącznie od tego, jak skutecznie energia jest magazynowana. Coraz częściej decyduje również o tym, jak skutecznie jest przesyłana.
Phoenix Contact
www.phoenixcontact.pl
