W budynkach prywatnych i komercyjnych coraz częściej stosuje się instalacje fotowoltaiczne. Kluczowym wyzwaniem pozostaje jednak bilansowanie zmiennej generacji energii z OZE z jej ciągłym zapotrzebowaniem. Rozwiązaniem jest magazynowanie energii elektrycznej, którego niezawodność i bezpieczeństwo w dużej mierze zależą od zastosowanej technologii połączeń elektrycznych.

Źródła, takie jak energia słoneczna i wiatrowa, charakteryzują się niestabilną dostępnością, podczas gdy odbiorcy wymagają zasilania 24/7. Stabilność systemu można osiągnąć poprzez akumulację nadwyżek energii i ich późniejsze wykorzystanie w okresach deficytu – najczęściej za pomocą akumulatorowych systemów magazynowania energii (BESS – Battery Energy Storage Systems) – rys. 1.

Magazynowanie energii w budynkach

Systemy fotowoltaiczne stają się standardem przy budowie nowych obiektów w wielu regionach – zarówno w sektorze prywatnym, jak i komercyjnym – oraz coraz częściej są uwzględniane podczas modernizacji budynków. Ich główną zaletą jest możliwość samodzielnego wytwarzania części energii, co przy obecnych cenach znacząco zwiększa opłacalność inwestycji.

Ponieważ zapotrzebowanie na energię często występuje poza okresem intensywnego nasłonecznienia, kluczowe znaczenie ma magazynowanie energii, które pozwala na efektywne wykorzystanie wyprodukowanej energii w późniejszym czasie.

Ekonomiczna efektywność instalacji zależy w dużej mierze od wskaźnika zużycia własnego, czyli stosunku energii zużywanej bezpośrednio przez budynek do całkowitej produkcji systemu. Bez magazynu energii wskaźnik ten jest niski, co skutkuje koniecznością oddawania nadwyżek do sieci przy niewielkich przychodach.

Drugim istotnym parametrem jest stopień samowystarczalności energetycznej, określany jako udział energii z instalacji fotowoltaicznej w całkowitym zapotrzebowaniu budynku. Optymalne dobranie mocy systemu oraz pojemności magazynu energii pozwala osiągnąć wysoką efektywność techniczną i finansową.

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.

Rys. 1: Typowa konstrukcja węzła energetycznego budynku mieszkalnego z integracją układu fotowoltaicznego i akumulatorowego układu magazynowania energii

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 posiada 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 (rys. 2). Zasadniczymi komponentami są moduły akumulatorowe i sterownik. Moduły akumulatorowe mają zawartość energii od około dwóch do pięciu kilowatogodzin. Koszty magazynowania energii w akumulatorach wynoszą zazwyczaj około 4000 PLN 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 dedykowanego okablowania.

Rys. 2: Modułowa budowa akumulatorowego systemu magazynowania energii

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 (rys 3). Gwarantują one poprawność podłączenia oraz zapewniają bezpieczeństwo operatora. Kodowanie mechaniczne eliminuje możliwość błędnego okablowania modułów.

Rys. 3: Złącza zasilania do zastosowań akumulatorowych kodowane kolorami oraz mechanicznie

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 (rys. 4). Zawiera ono wszystkie niezbędne styki wtykowe do zasilania, transmisji sygnałów i danych. Stabilne piny prowadzące zapewniają brak uszkodzeń podczas układania modułów w stosy.

Rys 4. Złącza hybrydowe z pinem prowadzącym zawierające styki zasilania, danych i sygnałów.

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. Aby dowiedzieć się więcej odwiedź Technika połączeń do systemów akumulacji energii | Phoenix Contact.

pzientarski@phoenixcontact.pl, tel. 694 485 087