Nowe technologie zabezpieczania zasilania

Zarówno systemy informatyczne, jak i pozostałe grupy odbiorników są średnio kilkanaście razy w ciągu roku narażone na przerwy w zasilaniu, których suma daje średnio w roku ok. 100 minut bez zasilania, co określa dostępność zasilania na poziomie 99,98%.

Zarówno systemy informatyczne, jak i pozostałe grupy odbiorników są średnio kilkanaście razy w ciągu roku narażone na przerwy w zasilaniu, których suma daje średnio w roku ok. 100 minut bez zasilania, co określa dostępność zasilania na poziomie 99,98%.

Nowe technologie zabezpieczania zasilania

Zmniejszanie gabarytów UPS (dla mocy 15 kVA)

Do eliminacji zakłóceń zasilania stosuje się systemy gwarantowanego zasilania, które obecnie składają się głównie z bezprzerwowych zasilaczy UPS (zasilaczy stałoprądowych), wspomaganych w niektórych aplikacjach agregatami prądotwórczymi - w celu uzyskania długich czasów autonomii.

W wyniku znacznego wzrostu znaczenia systemów teleinformatycznych i wysokich wymagań dotyczących konkurencyjności najważniejszym czynnikiem determinującym zabezpieczenie się przed zakłóceniami zasilania są wysokie koszty przestoju systemu teleinformatycznego.

W miarę postępu technicznego UPS-y, siłownie DC, agregaty prądotwórcze podlegają ciągłemu doskonaleniu. Rozwijane są także, przy zaangażowaniu bardzo dużych środków finansowych, nowe technologie, takie jak: zasobniki energii czy ogniwa paliwowe. Jednym z najbardziej zawodnych elementów systemów gwarantowanego zasilania są, mimo zaawansowanych technologii wytwarzania, akumulatory, które mają stosunkowo krótką żywotność, przeważnie od 3 do 5 lat (maks. do ok. 15 lat) i wysokie wymagania warunków dotyczących pracy oraz bezpieczeństwa. Inną ich wadą jest skończona pojemność elektryczna oraz duża masa i gabaryty, co stwarza w przypadku dużych systemów poważne trudności instalacyjne.

Jednak największą niedogodnością w przypadku stosowania akumulatorów jest konieczność dokonywania oceny aktualnego stanu baterii (pojemności Ah), co zmusza do stosowania skomplikowanych układów nadzoru i monitoringu. Przykładem nowych rozwiązań w zakresie zasilania są ogniwa paliwowe, które coraz częściej są wykorzystywane jako alternatywa dla baterii akumulatorów oraz agregatów prądotwórczych, a w przypadku dużych mocy dynamiczne systemy gwarantowanego zasilania.

Zmiany w technologii budowy zasilaczy UPS

Współczesne zasilacze UPS są skomplikowanymi urządzeniami energoelektronicznymi ze sterowaniem mikroprocesorowym na każdym poziomie przetwarzania energii. Choć idea działania zasilaczy UPS nie zmieniła się od czasu ich powstania (lata 70. ubiegłego wieku), to postępujące ciągłe udoskonalanie układów przekształtników energoelektronicznych oraz systemów sterowania spowodowało zwiększenie ich sprawności i niezawodności, a także zmniejszenie gabarytów. Usprawnienie przekształtników energoelektronicznych polega na zwiększeniu częstotliwości przełączania tranzystorów mocy, ulepszeniu układu chłodzenia i w konsekwencji zwiększeniu upakowania elementów. Nowoczesne zasilacze bezprzerwowe są wyposażone w układy korekcji współczynnika mocy oraz filtry przeciwzakłóceniowe.

Coraz częściej w UPS-ach są stosowane tzw. prostowniki aktywne, które charakteryzują się niskimi zakłóceniami wnoszonymi do sieci (THD < 5 %) oraz mniejszymi gabarytami (brak konieczności stosowania filtrów). Większość obecnie produkowanych modeli UPS o mocach rzędu powyżej kilku kVA jest standardowo wyposażana w elektroniczne układy obejścia (electronic bypass), co umożliwia szybkie zadziałanie wyłącznika w przypadku zakłócenia (zwarcia) i skrócenia przerwy w zasilaniu do "niezauważalnego" przez inne odbiorniki.

W związku z rozwojem technologii wytwarzania akumulatorów znacznemu zwiększeniu uległa również żywotność baterii stosowanych w UPS-ach, która dochodzi obecnie już do 15 lat, nie mniej jednak nadal pozostają one najsłabszym punktem zasilaczy UPS. Dużą wadą stosowania akumulatorów jest brak pewności, jeśli chodzi o ilość zmagazynowanej w nich energii i aktualnego ich stanu, co może skutkować występowaniem przestojów w sytuacjach awaryjnych. W związku z tym często w zasilaczach UPS instaluje się układy pozwalające oszacować aktualną pojemność, co pozwala na wcześniejsze wykrycie potencjalnych problemów.

Ogniwa paliwowe - rozwiązanie alternatywne

Nowe technologie zabezpieczania zasilania

Ogniwa paliwowe jako alternatywne rozwiązanie dla baterii akumulatorów i agregatów prądotwórczych

W systemach typu UPS stosuje się baterie akumulatorów, tzw. bezobsługowe i szczelnie wykonane w technologii VRLA bądź AGM. Akumulatory VRLA wymagają okresowych przeładowań i posiadają stosunkowo krótką żywotność, co powoduje konieczność ich okresowej bardzo kosztownej wymiany.

Dodatkowym problemem w wypadku stosowania klasycznych zasilaczy UPS jest zapewnienie zasilania awaryjnego w razie długotrwałej awarii. W przypadku chęci zapewnienia zasilania podczas długotrwałych zaników napięcia zasilania (i tym samym praktycznego uniezależnienia się od sieci energetyki zawodowej) użytkownik zmuszony był instalować dodatkowo agregat prądotwórczy, który jest zbudowany na bazie silnika spalinowego. Instalacja agregatu prądotwórczego oraz prawidłowa współpraca z zasilaczem UPS wiąże się również z poważnymi wymaganiami instalacyjnymi. Agregaty prądotwórcze są ponadto urządzeniami wymagającymi dozoru oraz częstych przeglądów, a także wymiany materiałów eksploatacyjnych. Do ich wad należą duże gabaryty oraz problemy związane z instalacją, a także emisja spalin zanieczyszczających środowisko.

W związku z występującymi tego typu problemami producenci systemów gwarantowanego zasilania od dawna poszukują alternatywy istniejących rozwiązań. Jednym z nich może być wodorowe ogniwo paliwowe (fuel cell), które zostało odkryte już w XIX w. przez brytyjskiego prawnika Williama Grove'a. Do lat 50. ubiegłego wieku było to urządzenie znajdujące się głównie w sferze badań i eksperymentów naukowych. Technologią tą zainteresowała się wtedy amerykańska agencja kosmiczna NASA, dostrzegając w ogniwach paliwowych idealne źródło zasilania dla pojazdów kosmicznych. W ogniwie tym podczas elektrochemicznej reakcji łączenia wodoru z tlenem powstaje prąd elektryczny, a odpadowym produktem jest woda. Istnieje wiele typów ogniw paliwowych, różniących się rozwiązaniami konstrukcyjnymi.

Ogniwa paliwowe, jak wspomniano, są zasilane zwykle wodorem oraz tlenem pobieranym z powietrza atmosferycznego. Wodór dostając się na anodę wywołuje reakcję chemiczną, a katalizator uwalnia elektrony. Powstałe w wyniku procesu dodatnio naładowane jony atomów wodorów są absorbowane przez membranę polimerową. Obojętny elektrycznie tlen doprowadzany do katody przechwytuje swobodne elektrony, powodując przepływ prądu stałego. Wytworzone ujemne jony tlenu reagują natomiast w membranie z protonami, w wyniku czego powstaje cząsteczka wody. Wszystkie reakcje zachodzące w ogniwie mają charakter egzotermiczny, więc jedynymi produktami ubocznymi w procesie wytwarzania prądu są woda i ciepło.

Obecnie seryjnie produkowane ogniwa paliwowe posiadają trwałość wynoszącą ok. 1500 h pracy. Rzeczywista trwałość jest jednak trudna do oszacowania, gdyż ogniwa paliwowe wymagają idealnie czystego paliwa (nawet najdrobniejsze zanieczyszczenie wodoru np. tlenkiem węgla może spowodować trwałe uszkodzenie ogniwa). Dużym problemem są także wysokie koszty wodoru, chodź trwają prace nad wykorzystaniem jako paliwa o wiele tańszego gazu, takiego jak metanol. O ile jednak w przypadku zastosowania gazowego wodoru można uzyskać wysoką efektywność energetyczną 80%, o tyle w przypadku metanolu, z którego trzeba najpierw pozyskać wodór, efektywność ta spada dwukrotnie.

W najbliższych latach obecne problemy techniczne mogą zostać rozwiązane, gdyż w USA trwają prace w ramach 10-letniego projektu o nazwie SECA (Solid State Energy Conversion Alliance Fuel Cell Project), w którym na rozwój technologii ogniw paliwowych przewidziano kwotę ok. 140 mln USD.

Nowe technologie zabezpieczania zasilania

Ogniwo paliwowe - zasilacz APC InfraStruXure Fuel Cell

Niektórzy producenci systemów zasilania gwarantowanego już wprowadzają do swojej oferty generatory wykorzystujące wodorowe ogniwa paliwowe. Przykładem tego może być oferowany przez APC generator Fuel Cell CHP/UPS, przeznaczony do instalacji w architekturze InfraStruXure. System ma moc do 50 KW i wykorzystuje butle z płynnym wodorem. Jedna butla umożliwia podtrzymanie 10 KW zasilania przez 79 min. Tego typu rozwiązania są niestety wciąż stosunkowo drogie, gdyż ich cena jest blisko 2,5-krotnie wyższa od podobnej klasy agregatów.

Również firmy polskie produkują systemy zasilania gwarantowanego w oparciu o ogniwa paliwowe, czego przykładem może być system Pulstar warszawskiej firmy APS. System składa się z ogniwa paliwowego jako głównego źródła energii w przypadku pracy awaryjnej, zestawu nowoczesnych przetwornic energoelektronicznych oraz baterii superkondensatorów bądź baterii chemicznej dla zapewnienia ciągłego napięcia wyjściowego. System jest standardowo zasilany wodorem dostarczanym w butlach lub zbiornikach, ale istnieje opcja wyposażenia układu w procesor paliwowy umożliwiający zasilanie metanolem. Układ zasilania w wodór oparty jest na automatycznej stacji rozprężania, montowanej przy butlach i umożliwiającej zdalną pracę butli oraz ich kontrolę. Pulstar jest sterowany poprzez mikroprocesorowy system sterowania. Urządzenie jest dodatkowo wyposażone w system monitoringu i nadzoru zapewniający bieżącą kontrolę stanu urządzeń i poziomu paliwa w zbiornikach. Cały system zasilania oparto na modułach i może być on swobodnie dopasowany do wymagań potencjalnego użytkownika ze względu na zainstalowaną moc i rodzaj rezerwowanych odbiorów.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200