Niezawodne dostawy energii i większa samowystarczalność dzięki magazynowaniu energii
| TechnikaBudynki prywatne i komercyjne są coraz częściej wyposażane w systemy fotowoltaiczne. Jak jednak wypełnić lukę czasową pomiędzy dostępnością energii ze źródeł odnawialnych a zapotrzebowaniem na energię? Łącznikiem jest magazynowanie energii elektrycznej. Ich bezpieczeństwo i niezawodność zależą również od zastosowanej technologii połączeń elektrycznych.
Energia wiatrowa i słoneczna nie są stale dostępne. Jednak współczesne społeczeństwo odczuwa ciągły głód energii, 24 godziny na dobę. Stabilne dostawy można osiągnąć jedynie wtedy, gdy nadwyżka energii zostanie tymczasowo zmagazynowana w wystarczających ilościach, aby w razie potrzeby można było ją ponownie udostępnić z opóźnieniem – na przykład za pośrednictwem akumulatorowych systemów magazynowania energii.
Magazynowanie energii w budynkach
Systemy fotowoltaiczne są obecnie obowiązkowym elementem w wielu regionach podczas budowy nowych budynków, zarówno w sektorze prywatnym, jak i komercyjnym oraz są coraz częściej instalowane podczas remontów. Zaletą jest to, że część energii wymaganej w budynku jest wytwarzana sama. Biorąc pod uwagę obecne ceny energii, jest to bardzo atrakcyjne, a inwestycja szybko się zwraca. Energia ta jest jednak często potrzebna w okresach, gdy słońce nie świeci dostatecznie. Magazynowanie energii elektrycznej pomaga wypełnić lukę czasową między dostępnością energii a zapotrzebowaniem.
Finansowanie instalacji fotowoltaicznej jest tym bardziej ekonomiczne, im wyższy jest wskaźnik zużycia własnego. Tę charakterystyczną wartość oblicza się ze stosunku energii zużywanej przez układ fotowoltaiczny do jego całkowitego zaopatrzenia w energię. Bez magazynowania energii wskaźnik ten jest znacznie niższy. Duża część energii z układu fotowoltaicznego musi być wprowadzana do sieci ze względu na brak zapotrzebowania – przy niskich przychodach.
Drugą cechą budynku wyposażonego w instalację fotowoltaiczną jest stopień samowystarczalności. Oblicza się ją na podstawie ilorazu energii dostarczanej przez instalację fotowoltaiczną i wykorzystywanej przez budynek do całkowitego zapotrzebowania budynku na energię. Optymalne zaprojektowanie wielkości systemu i pojemności magazynowania zapewnia wysokie parametry i sukces ekonomiczny.
Domowe centrum energetyczne
Typową strukturę domowego centrum energetycznego z zasilaniem energią słoneczną i magazynowaniem energii w akumulatorach dla prywatnych środowisk mieszkalnych pokazano na rysunku 1.
Układ fotowoltaiczny podłączony jest do skrzynki zasilającej wyposażonej w zabezpieczenie przeciwprzepięciowe. Stamtąd podłączony jest do falownika, który przekształca napięcie stałe na zwykłe napięcie przemienne. Falownik ma również przyłącze do magazynowania energii akumulatora, ponieważ działa ono również w oparciu o napięcie stałe.
Sterowanie energią jest zwykle również umieszczone w falowniku. W zależności od wymagań domu energia słoneczna jest zużywana bezpośrednio, magazynowana w akumulatorze lub wprowadzana z powrotem do sieci. Jeżeli słońce nie świeci dostatecznie, energia dla domu pobierana jest z akumulatora. Jeżeli będzie pusty, potrzebną energię można pozyskać z sieci. Domowe systemy magazynowania energii są często modułowe.
Zasadniczymi komponentami są moduły akumulatorowe i sterownik. Moduły akumulatorowe mają pojemność energii od około dwóch do pięciu kilowatogodzin. Koszty magazynowania energii w akumulatorach wynoszą zazwyczaj około 4000 zł za kilowatogodzinę. Właściciele domów często początkowo wahają się przed inwestycją i w wielu przypadkach pojemność magazynu jest z czasem zwiększana. Po podłączeniu modułu sterującego do falownika kolejne moduły są automatycznie łączone ze sobą za pomocą odpowiedniego interfejsu podczas układania w stosy lub za pomocą odpowiedniego okablowania.
Technologia połączeń elektrycznych
Oprócz ogniw akumulatorowych i elementów elektronicznych systemu magazynowania energii akumulatorowej bardzo istotne są również połączenia elektryczne. Ich jakość i konstrukcja decydują o niezawodności i bezpieczeństwie.
Połączenia elektryczne w systemie magazynowania energii można porównać z układem sercowo-naczyniowym i układem nerwowym organizmu ludzkiego. Połączenia mocy odpowiadają strumieniom krwi, przez które transportowana jest energia. Połączenia sygnałowe, takie jak pomiar temperatury, wilgotności, prądu i napięcia, odpowiadają naszym zmysłom. Wreszcie połączenia danych pełnią podobną funkcję jak nasze nerwy. Służą do przesyłania informacji pomiędzy kontrolerem – mózgiem systemu, a jego poszczególnymi elementami.
Gdy tylko jedno z tych połączeń działa w ograniczonym stopniu lub przestaje działać w ogóle, organizm zaczyna chorować. Analogicznie błędy w technologii połączeń prowadzą do zakłóceń w pracy magazynu energii, do jej strat, a w najgorszym przypadku do jego zniszczenia.
W wielu przypadkach do łączenia modułów akumulatorowych na poziomie mocy stosuje się klasyczne złącze śrubowe. W niesprzyjających okolicznościach może dojść do ich poluzowania. Jeśli podczas pierwszego podłączenia lub podczas późniejszej konserwacji wystąpią błędy, doprowadzi to do zwiększonej rezystancji styków. W najlepszym przypadku wyrażają się one stratami ciepła, w najgorszym zaś poważnym przegrzaniem, które może doprowadzić nawet do pożaru i tym samym do jego całkowitego zniszczenia.
Typowe połączenie sygnałowe polega na podłączeniu kabla czujnika do płytki drukowanej. Często jest on lutowany bezpośrednio, co stwarza ryzyko powstania tzw. zimnych lutów. Rezultatem są nieprawidłowe informacje o sygnale, np. zmierzone prądy są za małe. W wyniku zbyt wysokich prądów ładowania i rozładowywania akumulator będzie się starzeć znacznie szybciej.
Niska jakość połączenia danych prowadzi do nieprawidłowego działania lub nawet awarii systemu, a w najgorszym przypadku nawet do uszkodzenia sprzętu.
Jak wybrać technologie połączeń, aby uniknąć błędów?
W przypadku przyłączy mocy należy zastosować złącza wtykowe. Dotyczy to w szczególności połączeń zasilających, które należy wykonać podczas instalacji.
Gwarantują one poprawność podłączenia oraz zapewniają bezpieczeństwo operatora. Kodowanie mechaniczne eliminuje możliwość błędnego okablowania modułów.
Podczas podłączania wolnych końcówek kabli do płytek drukowanych zamiast lutowania można zastosować innowacyjne techniki łączenia. Połączenia sprężynowe nie wymagają żadnej obróbki wstępnej końcówki przewodu i zapewniają wysoki poziom komfortu i maksymalną niezawodność. Dodatkowo znacząco skracają czas montażu.
W przypadku połączeń danych wymagania definiuje środowisko pracy. Złącza danych z ochroną IP idealnie nadają się do zastosowań w środowiskach o wysokim stopniu zanieczyszczenia lub wilgoci, a połączenia danych o jakości przemysłowej spełniają surowe wymagania mechaniczne.
Specjalnie dla segmentu systemów domowych, które 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.
Kluczem do społeczeństwa neutralnego pod względem emisji CO2 jest efektywne wykorzystanie energii odnawialnych. Podstawą są systemy akumulacji energii. Pośród wielu istotnych aspektów tego zagadnienia szczególną uwagę warto zwrócić na niezawodność i efektywność systemów akumulacyjnych, które zależą od jakości okablowania oraz jakości połączeń elektrycznych. Tworzą one układ krążenia zasobnika energii.
Paweł Zientarski, Menedżer Obszaru Biznesu – złącza i obudowy do elektroniki, rynek dystrybucji,
pzientarski@phoenixcontact.pl, tel. 694 485 087
Phoenix Contact
phoenixcontact.pl
