Wysoka konkurencyjność rynku wymaga, aby redukować oba wymienione wskaźniki. Jedną z metod, która pozwala na utrzymanie się w czołówce firm technologicznych, jest zastąpienie wszelkich czasochłonnych testów przeprowadzanych na fizycznych prototypach, wirtualnymi testami realizowanymi przy pomocy komputerów.

Projekt, który przeprowadzony został niemal w całości na podstawie symulacji komputerowych, dotyczył łącznika biegunów wyłączników MCB. Te niewielkie aparaty wykorzystuje się m.in. na farmach fotowoltaicznych do zabezpieczania ogniw. Panele łączone są w tzw. łańcuchy, które pozwalają zwiększyć napięcie wyjściowe, co z kolei daje większą moc całego systemu i mniejsze straty.

Trudne warunki pracy wyłączników w systemach PV

Ponieważ powstają coraz większe farmy, rośnie też napięcie. Kiedyś standardem było 600 V, później 1000 V, a dzisiaj jest to 1500 V. Niesie to za sobą pewne komplikacje, ponieważ pojedynczy niskonapięciowy wyłącznik MCB może rozłączyć napięcie maksymalnie 300 V, co oznacza, że przy 1000 V trzeba połączyć w szereg cztery takie wyłączniki. Sprawa nie jest jednak prosta, ponieważ przez niewielki wyłącznik płynie prąd o natężeniu 125 A, więc na jego stykach wytwarza się duża ilość ciepła. Jeśli dołożymy do tego temperaturę otoczenia, a wiele elektrowni słonecznych powstaje na pustyniach, to „grzanie” staje się naprawdę dużym zmartwieniem.

Ciepło z wyłącznika odprowadzane jest na dwa sposoby: częściowo przez jego obudowę i częściowo przez kabel, którym łączone są szeregowo zestawy wyłączników. Rekomendowany przewód łączeniowy ma 50 mm2 przekroju i metr długości, więc często nie sposób go dobrze umieścić w skrzynce, w której montowane są wyłączniki. Użytkownicy zastępują go, więc krótszymi i cieńszymi przewodami, a to prowadzi do przegrzewania układu. I stąd właśnie pojawiła się konieczność opracowania nowego typu łącznika, który wyeliminuje wszystkie wady przewodu. Z wyzwaniem zmierzyli się naukowcy z krakowskiego Centrum Badawczego ABB.

Prace nad nowym typem łącznika

Pierwsza koncepcja łącznika powstała w Szwajcarii. Nie wyszła jednak poza fazę prototypu, ponieważ okazało się, że jego efektywność była za niska, temperatura za wysoka, a układ wciąż się przegrzewał. Poza tym, testy wykazały, że konstrukcja przesłania otwory dla gazów wylotowych, powstających po zadziałaniu wyłącznika. W Krakowie rozpoczęto więc wszystko od początku.

Najpierw skoncentrowano się na poszukiwaniu optymalnego kształtu powierzchni odprowadzającej ciepło i materiałów posiadających określone parametry termiczne i elektryczne. Kształt narzucony został pośrednio przez wymiary wyłącznika MCB i miejsce w skrzynce, a materiały przez… cenę. Dość szybko powstały wstępne koncepcje i rozpoczęły się symulacje. W pierwszej kolejności przeprowadzona została symulacja termiczno-elektryczna, sprawdzająca, jaki kształt radiatora będzie najlepszy – standardowe użebrowanie czy może radiator w kształcicie słupków. Wybrany kształt poddany został następnie symulacji CFD, która analizuje wymianę ciepła pomiędzy ciałem stałym, a otaczającym je gazem. Komputerowe analizy pozwoliły dobrać krytyczną liczbę żeber radiatora. To dość kluczowa decyzja, ponieważ większa liczba żeber daje większą powierzchnię odprowadzającą ciepło, ale jednocześnie zawęża obszar naturalnej konwekcji powietrza, a więc pogarsza odprowadzanie ciepła ze względu na mniejsze przerwy między żebrami. Z kolei zbyt mała liczba żeber odwraca sytuację.

Kolejna symulacja miała sprawdzić odporność na gazy wydmuchiwane z wyłącznika po jego zadziałaniu. Okazało się, że temperatura na żebrach nad wylotami będzie wysoka, ale nie przekroczy poziomu granicznego. Tyle tylko, że pojawiło się ryzyko, iż w tych gazach znajdą się cząsteczki metalu ze styków wyłącznika i gdy zostaną rozproszone przez żebro, mogą trafić na szynę i spowodować zwarcie. Trzeba, więc było przeprowadzić kolejne symulacje, które pokażą, co się stanie, gdy usunięte zostaną kolidujące żebra.

Kolejnym krokiem był wybór materiałów do produkcji. Badania i analizy materiałowe trwały dość długo. Ostatecznie zdecydowano się na jednorodny odlew radiatora razem z pinami, a całość (oczywiście poza pinami) pokryta została izolującym elektrycznie poliamidem. I znowu pojawiło się wiele pytań, na które odpowiedzi można było uzyskać tylko metodą „prób i błędów”.

Trzeba było rozstrzygnąć kwestię czy uda się wykonać tak cienką warstwę plastiku, na tak skomplikowanym kształcie. Symulacja wtrysku pozwoliła rozlokować jego punkty, określić płaszczyznę podziału formy i sposób umieszczenia w niej radiatora. Symulacja pozwoliła również oszacować czas procesu, co było pierwszą przymiarką do wyliczenia kosztów produkcji. Kolejne symulacje pozwoliły na określenie ryzyka pojawiania się naprężeń materiału powstających podczas stygnięcia tworzywa po wyjęciu z formy wtryskowej.

Pierwszy prototyp

I wreszcie, po wielu miesiącach ślęczenia nad komputerem, zapadła decyzja o zakupie narzędzi i wykonaniu pierwszego prototypu. Niezwykle późno, jak na projekt badawczy, ale z dużym komfortem zminimalizowania błędnej decyzji. Prototyp, który powstał na bazie modeli numerycznych, spełnił wszystkie początkowe założenia, a błąd w przypadku analiz termicznych wyniósł zaledwie 6,6 proc., co jest dużym sukcesem.

Dr inż. Paweł Ludowski z Centrum Badawczego, od początku do końca odpowiedzialny za nową konstrukcję, przyznaje, że projekt – oprócz efektu w postaci łącznika biegunów – pozwolił sprawdzić i udowodnić, że dzisiejsze techniki symulacji numerycznej, w której specjalizuje się krakowskie Centrum Badawcze ABB, pozwalają niemal cały proces projektowy i testowy przeprowadzić w komputerze. Podkreślił również, że gdyby zamiast symulacji komputerowych każdorazowo wykonywać prototypowy model fizyczny, to faza projektowania trwałaby o wiele dłużej i kosztowała znacznie więcej.