Bezpieczne złącza do magazynów energii

Bezpieczne złącza do magazynów energii

Magazynowanie energii to niezwykle istotny temat w branży energoelektroniki w ostatnim czasie. Wiele firm ma już stosowne aplikacje w swoim portfolio, a pozostałe z uwagą przyglądają się zapotrzebowaniu na rynku, aby w porę zareagować i dołączyć do wyścigu w tej obiecującej branży.

Magazynowanie energii przez najbliższe lata będzie tematem wszechobecnym nie tylko bezpośrednio w branży energetycznej i elektronicznej, ale także w mediach, a nawet w rozmowach polityków - w końcu bezpieczeństwo energetyczne kraju to ważny aspekt. Również w rozważaniach prywatnych użytkowników przydomowych instalacji fotowoltaicznych magazyny energii stają się coraz bardziej istotne - za kilka lat zakończy się okres rozliczeń na zasadzie net meteringu i trzeba będzie znaleźć korzystny sposób na zużywanie wyprodukowanej na dachu energii. Inwestorzy chcąc uniezależnić się choć w części od znacznego wzrostu cen energii, będą poszukiwać możliwości zgromadzenia jej zapasu bezpośrednio u siebie.

W artykule skupimy się jednak na bezpiecznym użytkowaniu magazynu energii. Poza ceną kompletnego systemu, od tego będzie zależała mniejsza lub większa popularność rozwiązania danego producenta.

Bezpieczne złącza

Może się wydawać, że zrealizowanie połączenia elektrycznego to banalna sprawa. Jest wtyczka z kablem, jest gniazdo - łączymy oba i gotowe. Spróbujmy jednak rozłożyć to na czynniki pierwsze i pokazać potencjalne punkty krytyczne. Skupmy się w pierwszej kolejności na początkowym montażu przed uruchomieniem.

Magazyn energii zazwyczaj składa się z kilku modułów/pakietów bateryjnych, które łączymy ze sobą (fotografia 1). Intuicyjnie oczywiście widać, która wtyczka powinna być połączona z którym gniazdem (kodowanie kolorami). Jednak czy to wystarczy? Nie zawsze. Czasami instalacja może odbywać się w złych warunkach oświetleniowych, nigdy nie wiemy, na ile sprawny jest wzrok oraz jak wygląda kwestia umiejętności i staranności instalatora, który podął się tego zlecenia. Już na tym etapie istnieje (co prawda niewielkie, ale zawsze możliwe) ryzyko pomyłki zgubnej w skutkach (np. uszkodzenie modułów).

Fotografia 1. Przykład łączenia szeregowego modułowych pakietów bateryjnych w magazynie energii

Zdecydowanie większe bezpieczeństwo oferują złącza z kodowaniem mechanicznym, które uniemożliwiają wykonanie niewłaściwego połączenia. Nawet jeśli dobierzemy elementy z kodowaniem mechanicznym, to także możemy napotkać pewne komplikacje. Okazuje się, że nie każdy system dostępny na rynku pozwala na dowolne pozycjonowanie wtyku względem gniazda podczas łączenia! Niektóre rozwiązania pozwalają na połączenie wyłącznie z przewodem kątowym wyprowadzonym w dół. Oczywiście po podłączeniu można obrócić kabel tak, aby był skierowany w stronę kolejnego gniazda, ale tam znowu napotykamy ten sam problem - aby wykonać połączenie, przewód musi być skierowany w dół.

Problem wydaje się błahy - wystarczy wykonać dłuższe kable łączeniowe z zapasem na odpowiednie wygięcie całości. Jednak istnieje co najmniej kilka wad takiego rozwiązania. Po pierwsze - dłuższy kabel to więcej miedzi (często wymagane są grube przekroje z racji płynących dużych prądów). Więcej miedzi to większy koszt. Przemnożony przez tysiące kabli, jakie mamy wyprodukować i sprzedać, skutecznie wprawi w zdenerwowanie dział finansowy firmy lub co najmniej od razu wskaże możliwe miejsce wygenerowania oszczędności. Po drugie - grube kable (np. przekroju 90 mm² czy 120 mm²) wcale nie tak łatwo pozwalają się wyginać - trzeba w to włożyć sporo siły. I w końcu po trzecie - skoro musimy w coś wkładać dużo siły, to pośrednio narażamy niektóre miejsca konstrukcji na zbędne (a czasem nieprzewidziane na etapie projektowania) naprężenia mogące prowadzić do powstania uszkodzeń. A jak wiemy z doświadczeń, nawet pozornie niewielkie pęknięcia z czasem mogą wygenerować spore problemy. Nam przecież zależy na niezawodności działania systemu przez jak najdłuższy czas.

Dodatkowe ryglowanie złącza

Kolejna do rozważenia kwestia to bezpieczne zaryglowanie miejsca łączenia. Jak powszechnie wiadomo, każde "luźne połączenie" kiedyś stanie się źródłem mniej lub bardziej groźnych komplikacji. W zależności od typu danego obwodu, prądów, z jakimi mamy do czynienia i napięcia roboczego, może powstawać miejscowe przegrzanie, iskrzenie i wypalanie styków.

Producenci tak projektują metalowe styki, aby po ich połączeniu uzyskać jak najniższą rezystancję przy możliwie małych siłach dociskowych (zapewnienie łatwości obsługi i trwałości powłok galwanicznych). Dodatkowe ryglowanie na obudowie złącza przejmuje te funkcje. Z tego powodu warto postawić na rozwiązania zaprojektowane w zgodzie z ideą Poka Yoke, czyli w tym wypadku "połącz w łatwy sposób, bez zbędnego komplikowania operacji, wymagającego dodatkowych instrukcji" (fotografia 2).

Fotografia 2. Warto zwrócić uwagę na to, czy system kodowania pozwala na zorientowanie przewodu w dowolną/wygodną stronę

W najlepszych rozwiązaniach wystarczający jest zaledwie jeden ruch (wciśnięcie wtyku na gniazdo z automatycznym ryglowaniem). Do odłączenia natomiast wystarczy przesunąć umieszczony w konstrukcji wtyczki przycisk i zdjąć końcówkę kabla z gniazda. Brak dodatkowych elementów to niezaprzeczalna zaleta tego rozwiązania. Spotykane wykonania niektórych producentów mają np. dodatkową dźwignię ryglującą, która wymaga zamknięcia. Niestety pozostawia to miejsce na błąd instalatora, który w pośpiechu lub z niestaranności może pominąć ten etap. Konsekwencje? Ryzyko poluzowania połączenia wskutek wibracji lub niespodziewanych/przypadkowych szarpnięć kablami, prowadzące do wcześniej opisanych skutków.

Istotne jest również zabezpieczenie elementów będących pod napięciem przed przypadkowym dotknięciem palcem czy zwarciem np. o metalową obudowę urządzenia. Tu należy wybierać wyłącznie takie konstrukcje, które mają stosowne zabezpieczenie (fotografia 3).

Fotografia 3. Odpowiednie wykonanie zarówno gniazda, jak i wtyku gwarantuje odpowiednie ukrycie wewnątrz obudów odizolowanych podzespołów złączy. Dzięki temu zarówno instalator, jak i sam sprzęt nie jest narażony na niebezpieczne sytuacje

Montaż wtyku i gniazda

Z pozoru łatwa czynność, taka jak montaż wtyku na przewodzie, może czasami okazać się problematyczna. Zazwyczaj w aplikacjach tego typu (przy stosunkowo dużych przekrojach i prądach) jako najbardziej niezawodne i trwałe stosuje się połączenia zaciskane. Dobrze, jeśli sam proces przygotowania kabla oraz zaprasowywania nie wymaga zbyt wielu operacji, jak i same złącza nie składają się ze zbyt wielu elementów. Posługując się przykładem - wszelkie dodatkowe metalowe tulejki, które musimy zakładać pośrednio na odizolowany przewód przed umieszczeniem go w komorze zaciskowej złącza, to elementy, które mogą zostać przeoczone (lub zagubione). A musimy sobie zdawać sprawę, że producenci, projektując swoje komponenty, przeznaczają je do montażu w konkretny sposób, który gwarantuje niezawodność. Lepiej więc wybierać to, co jest łatwiejsze w montażu i nie pozostawia możliwości popełnienia błędu.

Należy również mieć na uwadze sam montaż gniazda na obudowie urządzenia. Czy bezpieczniejsze (czytaj: bardziej odporne na ewentualne zniszczenia) jest przykręcenie kwadratowej flanszy gniazda w każdym narożniku, czy sytuacja, gdzie cała izolacja elementu trzymana jest na jednym sworzniu? W przypadku uszkodzenia mechanicznego gniazda możemy ryzykować odpadnięcie całej ramki złącza i całkowite odsłonięcie elementu pod napięciem, versus ewentualne odpryśnięcie fragmentu tworzywa.

Podsumowanie

Projektanci urządzeń mają wiele aspektów do przeanalizowania i uwzględnienia przy doborze odpowiednich podzespołów. Z tego powodu warto polegać na firmach, które mają wieloletnie doświadczenie w danej dziedzinie (np. systemów połączeń). Są one gwarantem nie tylko właściwej jakości, ale także przemyślanej konstrukcji nawet nowo powstających rozwiązań, wychodzącej naprzeciw oczekiwaniom użytkowników (często nawet nieświadomych konkretnych zagrożeń). Jak to w życiu zwykle bywa, "diabeł tkwi w szczegółach" - nie zawsze to, co na pierwszy rzut oka wygląda podobnie, ma tak samo dopracowaną funkcjonalność (mowa tu o tanich kopiach markowych produktów). Niezawodność, bezpieczeństwo instalatorów czy użytkowników - to już tylko bonusy (ale jakże istotne), które mogą przeważyć o sukcesie finalnego produktu na ryku.

Jeśli interesuje Cię powyższa tematyka i szukasz pomocy w doborze właściwego rozwiązania - zapraszamy do kontaktu. Napisz, zadzwoń, skorzystaj z naszej strony internetowej (PHOENIX CONTACT, Złącza do zasobników energii).

Piotr Andrzejewski
PHOENIX CONTACT

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
listopad 2023

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik marzec 2024

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio marzec - kwiecień 2024

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje marzec 2024

Automatyka, Podzespoły, Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna marzec 2024

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich kwiecień 2024

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów