Zasobniki energii w systemach IT

W systemach teleinformatycznych do zapewnienia ciągłości zasilania, a w systemach mobilnych - jako podstawowe źródło energii zasilania - stosuje się różnego rodzaju zasobniki energii elektrycznej. Wśród wielu dostępnych najczęściej wykorzystywane są różnego typu ogniwa chemiczne BES (Battery Energy Storage). W ostatnim okresie dołączyły do nich nowe rozwiązania, takie jak ultrakondensatory i nadprzewodzące zasobniki energii magnetycznej.

W systemach teleinformatycznych do zapewnienia ciągłości zasilania, a w systemach mobilnych - jako podstawowe źródło energii zasilania - stosuje się różnego rodzaju zasobniki energii elektrycznej. Wśród wielu dostępnych najczęściej wykorzystywane są różnego typu ogniwa chemiczne BES (Battery Energy Storage). W ostatnim okresie dołączyły do nich nowe rozwiązania, takie jak ultrakondensatory i nadprzewodzące zasobniki energii magnetycznej.

W śród baterii stosowanych w systemach zasilania gwarantowanego prym wiodą akumulatory ołowiowo-kwasowe zamknięte, a w urządzeniach mobilnych - litowo jonowe (li-ion). Chemiczne zasobniki energii uzupełniają ostatnio nowe rozwiązania, takie jak: ultrakondensatory i nadprzewodzące zasobniki energii magnetycznej. Oprócz całej gamy nowych źródeł energii stosuje się również najstarszy rodzaj zasobnika energii - koło zamachowe. Wykorzystując je, buduje się tzw. hybrydowe układy bezprzerwowego zasilania, w skład których wchodzą agregaty prądotwórcze.

Akumulatory w zasilaczach bezprzerwowych UPS

Zasobniki energii w systemach IT

Proces ładowania i rozładowania baterii kwasowej

Bateria akumulatorów jest dla układów energoelektronicznych UPS (falownika) źródłem energii w razie awarii sieci zasilającej i może decydować o niezawodności systemu zasilania. Pojemność akumulatora determinuje czas, przez który obciążenie będzie mogło pobierać prąd z wyjścia UPS. W zasilaczach UPS o niewielkich mocach znamionowych, zasilających pojedyncze stacje robocze, bateria akumulatorów zapewnia czas autonomii zwykle na poziomie kilku minut, umożliwiając kontrolowane wyłączenie systemu teleinformatycznego, lub gwarantuje zasilanie do momentu włączenia agregatu prądotwórczego.

W systemach UPS o dużej mocy, które zabezpieczają zasilanie centrów przetwarzania danych, bateria akumulatorów zapewnia czas podtrzymania do ok. kilkudziesięciu minut. Na czas podtrzymania zasilania przez UPS podczas awarii sieci zasilającej ma wpływ pojemność zastosowanych w zasilaczu akumulatorów. Bateria akumulatorów instalowana w zasilaczu UPS jest ogniwem elektrochemicznym.

W zależności od budowy oraz wykorzystywanych zjawisk chemicznych, akumulatory dzielimy na:

1. Baterie kwasowe

  • szczelne VRLA AGM (elektrolit uwięziony w separatorach z włókna szklanego);
GEL/CELL (elektrolit uwięziony w postaci żelu)

  • otwarte (klasyczne)

2. Baterie zasadowe

Do najczęściej stosowanych w systemach zasilania gwarantowanego zalicza się baterie szczelne VRLA w monoblokach o napięciu 12 V i 6 V.

Akumulatory VRLA - w stosunku do baterii konwencjonalnych (otwartych) - mają następujące zalety:

  • nie wymagają pomieszczeń ze specjalną, wymuszoną wentylacją;
  • nie potrzebują uzupełniania elektrolitu oraz ciągłej konserwacji;
  • nie są szkodliwe dla otoczenia;
  • mają wyższą sprawność energetyczną oraz niższą oporność wewnętrzną;
  • są średnio o 70% mniejsze oraz o 50% lżejsze przy danej pojemności;
  • są bezpieczniejsze i łatwiejsze w użyciu.

Baterie otwarte w  związku z emisją wodoru (tworzącego z powietrzem mieszankę wybuchową) wymagają instalacji w specjalnie wentylowanych i zabezpieczonych pomieszczeniach oraz specjalnej obsługi. Jest to czynnik znacznie podnoszący koszty eksploatacyjne.

Baterie zamknięte ograniczają emisję wodoru podczas procesu ładowania ok. dziesięciokrotnie, w związku z czym wystarczy zastosowanie standardowych urządzeń wentylacyjno-klimatyzacyjnych.

Stosując akumulatory VRLA, uzyskuje się żywotność 3 - 10 lat, a dla baterii otwartych nawet 20 lat, jednak żywotność zasilacza UPS szacuje się na ok. 10 - 15 lat. Dlatego też rozwiązania wykorzystujące baterie zamknięte (VRLA bądź AGM), wymieniane tylko raz w ciągu funkcjonowania typowego systemu UPS, wydają się rozwiązaniem korzystniejszym ekonomicznie i technicznie.

Moc i obciążenie baterii akumulatorów w UPSach

Zasilacz UPS, dostarczając stałą moc, pobiera także stałą moc z akumulatora. W związku z tym, iż napięcie akumulatora zmniejsza się w procesie rozładowania, aby zachować stałą moc, wzrasta prąd z niego pobierany. Za pomocą charakterystyk rozładowania, znając moc (czynną wyrażoną w [W]) zabezpieczanego systemu informatycznego, można oszacować czas podtrzymania zasilania podczas pracy z baterii. Do oszacowania czasu podtrzymania konieczne są znajomość napięcia znamionowego, sprawność falownika, a także wartość obciążenia akumulatora pracującego w zasilaczu UPS, które jest najczęściej wyrażane w kilowatach (kW).

Żywotność baterii

Istotnym parametrem eksploatacyjnym dotyczącym baterii jest prognozowana żywotność, która wynosi dla:

  • baterii standardowych: 3 - 5 lat,
  • baterii o podwyższonej żywotności: 10 lat.
Zasobniki energii w systemach IT

Zależność czasu żywotności baterii OD temperatury

Każdy akumulator ma skończoną żywotność, mimo że w UPS-ie pozostaje stale pod napięciem utrzymującym go w stanie ciągłej gotowości. Zachodzące w sposób ciągły procesy erozji płyt i wysychanie elektrolitu w wyniku ciągłego przeładowywania, powodują zmniejszanie się pojemności elektrycznej (wyrażanej w Ah) każdego typu akumulatora.

Aby zapewnić uzyskanie prognozowanej żywotności, trzeba pamiętać o zachowaniu optymalnych warunków pracy, takich jak właściwe ładowanie i warunki środowiskowe (głównie temperatura). Należy też mieć na uwadze, że zwiększenie temperatury otoczenia powyżej 25 stopni C wpływa bardzo niekorzystnie na żywotność baterii akumulatorów.

Właściwe ładowanie zapewnia zasilacz UPS, który powinien być odpowiednio skonfigurowany w zależności od współpracującego zestawu baterii. UPS powinien także zapewniać prąd ładowania o niskich tętnieniach oraz być wyposażony w temperaturową korekcję napięcia ładowania.

Aby utrzymać żywotność baterii na poziomie podawanym przez jej producenta, należy dokonywać jej okresowych rozładowań, gdyż tryb pracy ładowania (tzw. buforowego) trwający nieprzerwanie po naładowaniu (wynoszącym zwykle nie więcej niż ok. 10 h), wpływa niekorzystnie na jej pojemność elektryczną oraz żywotność. Obecnie większość typów zasilaczy UPS umożliwia przeprowadzenie testu pracy z baterii. Jest to funkcja istotna, ponieważ pozwala na określenie czasu autonomii, co jest równoznaczne z przybliżoną oceną stanu baterii. Wykonywanie takiego okresowego testu (średnio raz na pół roku) zwiększa żywotność baterii, gdyż akumulator w zasilaczu UPS pracuje tylko w razie zaniku napięcia, co zdarza się w dzisiejszych warunkach stosunkowo rzadko. Obecnie większość typów zasilaczy UPS stosowanych do zabezpieczenia pojedynczych urządzeń informatycznych ma możliwość wykonania testu pracy z baterii.

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

TOP 200