Bez energii ani rusz

Bez względu na to, czy chodzi o systemy zasilania gwarantowanego (UPS), czy sprzęt mobilny, podstawą zapewnienia autonomii zasilania jest stosowanie urządzeń pozwalających magazynować energię elektryczną.

Istnieje wiele różnych odmian zasobników energii elektrycznej z czego najczęściej stosowane są różnego typu ogniwa chemiczne BES (Battery Energy Storage). Ogniwa są zbudowane z elektrod, które są od siebie odseparowane, a pomiędzy nimi umieszczony jest elektrolit, zapewniający możliwość przemieszania się jonów.

Wśród baterii wykorzystywanych w urządzeniach mobilnych prym wiodą akumulatory litowo-jonowe (Li-Ion), a w systemach zasilania gwarantowanego akumulatory ołowiowo-kwasowe w wykonaniu zamkniętym. Warty nadmienienia jest również fakt, iż ogniwa litowo-jonowe są również często stosowane w pojazdach elektrycznych, z tym, że ich konstrukcja znacznie różni się od tych stosowanych w sprzęcie mobilnym ze względu na inne warunki pracy oraz wymaganą pojemność. Do wymienionych wcześniej najpowszechniej stosowanych chemicznych zasobników energii dołączyły w ostatnim okresie nowe rozwiązania takie jak: ultrakondensatory magnetyczne zasobniki nadprzewodnikowe czy ogniwa paliwowe.

Bez energii ani rusz

Zasada działania akumulatora litowo-jonowego

Baterie w urządzeniach mobilnych

W urządzeniach przenośnych stosuje się najczęściej następujące rodzaje akumulatorów: baterie litowe: Li-Ion (litowo-jonowe), Li-Pol (litowo polimerowe), Ni-Cd (niklowo-kadmowe) i Ni-Mh (niklowo-wodorkowe). Obecnie teleinformatyczne urządzenia przenośne są zwykle wyposażane w różne odmiany baterii litowych.

Zobacz również:

  • Powstała bateria mająca postać giętkiego włókna

Najczęściej wykorzystuje się zwykle akumulatory litowo-jonowe, oznaczane skrótem Li-Ion, w różnych odmianach tj. litowo-polimerowe, oznaczane Li-Poly lub Li-Po, czy litowo-żelazowo-fosfatowe. Dodatnia elektroda jest w nich wykonana z różnych związków litu, które mogą oddawać i przyjmować jony, natomiast ujemna (anoda) zbudowana jest najczęściej z jakiejś odmiany węgla (rzadziej z innych substancji). Generalnie można powiedzieć, iż w akumulatorze litowym proces magazynowania energii zachodzi za pośrednictwem ruchu jonów dodatnich litu pomiędzy anodą i katodą w przewodzącym elektrolicie, co podobnie jak w innych typach ogniw elektrochemicznych związane jest z przemianami chemicznymi.

Użytkowanie tego typu baterii jest nieco inne niż w wypadku NiMh, nie trzeba ich ładować do pełna, a następnie rozładowywać, gdyż nie występuje tzw. efekt „pamięci”. Akumulatory Li-Ion, w przeciwieństwie do akumulatorów NiCd czy NiMH, aby mogły zachować prognozowaną żywotność powinny być jednak ładowane dość często i w miarę możliwości jak najszybciej po ich rozładowaniu.

Baterie litowe są znacznie lżejsze, efektywniejsze i bezpieczniejsze od niklowych. Należy jednak pamiętać, że ich całkowite rozładowanie (czyli spadek napięcia poniżej 3,3 V) może spowodować ich nieodwracalne uszkodzenie. Na szczęście zdecydowana większość modułów bateryjnych jest zabezpieczona przed wystąpieniem tego typu sytuacji dzięki wyposażeniu w elektroniczne układy BMS (Battery Management Systems), powodujące automatyczne wyłączenie zasilanego urządzenia przed pełnym wyczerpaniem pojemności baterii. Przy użytkowaniu akumulatorów Li-Ion należy zachować szczególną ostrożność, gdyż jeśli zostanie przekroczona dopuszczalna temperatury pracy, mogą one ulec samoistnemu zapaleniu lub nawet eksplodować. Głównym warunkiem bezpiecznego ładowania jest nieprzekraczanie dopuszczalnego napięcia i prądu ładowania.

Bez energii ani rusz

Poziom pojemności przechowywanego akumulatora litowo-jonowego w zależności od stopnia jego naładowania i temperatury otoczenia – po upływie roku czasu

Podstawowa zasada mówi, iż wszelkie rodzaje akumulatorów litowych należy ładować najpierw przy stałym prądzie, wynoszącym zwykle od 0,2 oC do 0,3 oC, (jedynie dla niektórych typów dopuszczalny jest prąd ładowania od 0,5 oC do 1 oC) a gdy napięcie wzrośnie do odpowiednio wysokiego poziomu zasilacz powinien utrzymywać tą wartość, gdyż prąd w trakcie ładowania będzie ulegał systematycznemu zmniejszaniu. Uszkodzenie elementów zabezpieczających BMS w module akumulatora może w skrajnej sytuacji doprowadzić do jego zapalenia i powstania zagrożenia pożarowego.

W przypadku coraz rzadziej stosowanych do zasilania urządzeń mobilnych, baterii Ni-Mh bądź Ni-Cd należy pamiętać, aby przed pierwszym użyciem właściwie je „sformować” czyli naładować do maksymalnego poziomu, gdyż nie są one odporne na tzw. „efekt pamięci”. W dużym uproszczeniu polega on na powstaniu progu naładowania o poziomie niższym od projektowanego wynikającego z rozpoczęcia procesu rozładowania baterii przed jej pełnym naładowaniem. Przeciętny akumulator Ni-Mh wytrzymuje ok. 600 cykli ładowań i rozładowań.

Bez energii ani rusz

Proces ładowania i rozładowania baterii kwasowej

Akumulatory w zasilaczach bezprzerwowych UPS

Bateria akumulatorów współpracująca z zasilaczem UPS decyduje o niezawodności całego systemu zasilania gwarantowanego. Pojemność akumulatora (wyrażana w amperogodzinach) determinuje czas, przez który UPS będzie mógł dostarczać energię do zasilanych za jego pośrednictwem odbiorników. W zasilaczach UPS o niewielkich mocach znamionowych, zasilających pojedyncze stacje robocze, bateria akumulatorów zapewnia czas autonomii zwykle na poziomie kilku minut umożliwiając jedynie kontrolowane wyłączenie systemu teleinformatycznego lub zapewnienie autonomii zasilania do momentu włączenia agregatu prądotwórczego. W systemach UPS o dużych mocy, zabezpieczających zasilanie w centrach przetwarzania danych, bateria akumulatorów zapewnia czas autonomii wynoszący zwykle ok. kilkadziesiąt minut.

W zależności od budowy oraz wykorzystywanych zjawisk chemicznych można dokonać podziału akumulatorów stosowanych w systemach zasilania gwarantowanego na kwasowe i zasadowe (wśród tych pierwszych można wyszczególnić szczelne akumulatory VRLA, AGM (elektrolit uwięziony w separatorach z włókna szklanego), GEL/CELL (elektrolit uwięziony w postaci żelu) i otwarte (klasyczne).

Baterie szczelne VRLA, występujące w monoblokach o napięciu 12 V i 6 V, są najczęściej stosowane w systemach zasilania gwarantowanego. Przesądzają o tym ich zalety, takie jak wyższa sprawność energetyczna oraz niższa oporność wewnętrzna, stosunkowo niewielkie gabaryty, bezpieczeństwo użytkowania i prostota obsługi. Ponadto nie wymagają pomieszczeń ze specjalną, wymuszoną wentylacją ani uzupełniania elektrolitu oraz ciągłej konserwacji.

Baterie otwarte, w związku z wydzielaniem się wodoru tworzącego z powietrzem mieszaninę wybuchową wymagają instalacji w specjalnie wentylowanych i zabezpieczonych pomieszczeniach oraz oczywiście dedykowanej obsługi. Jest to czynnik znacznie podnoszący koszty eksploatacyjne. Baterie zamknięte ograniczają emisję wodoru podczas procesu ładowania ok. dziesięciokrotnie w związku z czym wystarczy stosowanie standardowych urządzeń wentylacyjnych.

Akumulatory wykonane w technologii VRLA charakteryzują się żywotnością na poziomie ok. 3–10 lat, baterie otwarte – nawet 20 lat. Żywotność samego zasilacza UPS szacuje się na około 10–15 lat, dlatego też rozwiązanie wykorzystujące baterie zamknięte (VRLA bądź AGM) wymieniane tylko raz w okresie „życia” typowego systemu UPS wydają się być obecnie najbardziej korzystnym ekonomicznie i technicznie rozwiązaniem. Warto również pamiętać, że zabiegi eksploatacyjne i montażowe niezależnie od typu i rodzaju baterii wymagają szczególnej ostrożności i powinny być realizowane przez osoby posiadające stosowne uprawnienia.

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

TOP 200