Оптимизиране системите за непрекъсваемо захранване

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 9, 2007

Оптимизиране системите за непрекъсваемо захранванеОптимизиране системите за непрекъсваемо захранванеОптимизиране системите за непрекъсваемо захранване

Принципи и характеристики на устройства с маховик за съхраняване на енергия

 

Високите цени на електроенергията и необходимостта от надеждното й доставяне в големите градски центрове определя необходимостта от въвеждането на нови и по-ефективни методи за поддържане на нейното качество. В голяма част от индустриалните държави проблемът с качеството на енергията, доставяна от електрическата мрежа, е свързан с краткотрайни прекъсвания на напрежението. За повишаване на енергийната ефективност трябва да се оптимизира не само тази на товарите, но и да се създаде добра и ефикасна система от дизелов генератор, непрекъсваемо захранвание (UPS), комутатори и енергосъхраняващ блок. Тя трябва да осигурява не краткотрайно, а достатъчно продължително действие на захранваните товари.

Класическият начин за намаляване на влиянието на промените на мрежовото напрежение е поставянето на едно или повече непрекъсваеми захранвания (UPS) и батерия от оловни акумулатори. Използването на батерия от оловни акумулатори обаче е свързано с редица проблеми, което налага намирането и на други съвременни технически решения.

 

Проблеми, свързани с използването на оловни батерии

Често явление в практиката са огромните батерии в специално помещение, които не само заемат много място, но и изискват поддръжка, периодична подмяна, контрол на температурата, осигуряване на пожарна безопасност и вентилация. Също така използването им е свързано с работа с опасни материали и, което е особено важно, дават чести и трудно предсказуеми повреди. Това са причините доставчиците на подобно оборудване, както и ръководителите на предприятия и компютърни центрове да търсят други ефективни начини за създаване на нормални условия за работа. И тук възниква въпросът: “Защо да се изразходва енергия за охлаждане, зареждане и вентилиране на подобни батерии, когато това може да се избегне?”. Същевременно съвременните дизелови генератори се задействат за период от 10 s. Защо тогава се изисква време на резервиране от 10 минути?

В комуникационни центрове, банки, болници и на много други места използването на батериите неизбежно е свързано с осигуряването на място, инсталиране, опазване на околната среда, консумация на електроенергия, наличие на климатична инсталация, поддръжка, сигурност и надеждност, както и възможност за реализация на модулен принцип. Отговорът на всички тези проблеми включва използването на високооборотни устройства с маховик и съхраняване на кинетична енергия.

 

По-малко монтажно място

Добре известно е, че оловните акумулаторни батерии са тежки и изискват значително място и специални грижи, свързани с поддръжката им. Необходимостта от големи монтажни пространства значително оскъпява системата. Освен големогабаритни, съвременните оловни акумулаторни батерии са и тежки. Затова използването им изисква да се осигури възможност за издържане на тонове тегло. Например, класическа акумулаторна батерия, която в продължение на 10 минути осигурява мощност 500 kVA, заема площ от 2,5 m2. Допълнително, към нея трябва да бъде прибавена тази на свързващия блок и други допълнителни възли.

Сред решенията, препоръчвани от специалисти, е използването на устройства за съхраняване на кинетична енергия, които допринасят за сериозно намаляване на теглото, а с това и цената, както и необходимостта от сериозен монтаж. Такова устройство е високооборотният маховик.

 

Възможности за опазва­не на околната среда

Основен подход за постигане на по-висока екологичност е използване на технически средства и системи, осигуряващи намаляване на консумацията на електроенергия. При използване на високооборотен маховик за съхраняване на енергията, количеството на СО2 намалява от 5 до 10 пъти, твърдят експерти. Същевременно високооборотните маховици в устройствата за съхраняване на кинетична енергия представляват механични системи, които не замърсяват околната среда, тъй като не съдържат опасни материали. Устройствата са екологични, защото рециклирането им е евтино и изисква по-малко енергия. При включването им са необходими само 300 W за установяване на номиналните обороти, а времето за зареждане е 5 минути. При използването им в мобилни системи не е необходимо осигуряване на ток за поддържане на заряда, а системата лесно би могла да бъде изключена до следващото използване.

 

Оптимизиране на енергийната консумация

Консумираната електрическа енергия за цялата инсталация може силно да бъде намалена чрез използването на високооборотен маховик. Той позволява да отпадне необходимостта от климатична инсталация, тъй като може да работи в широк температурен обхват. Устройство, включващо двигател и генератор и осигуряващо мощност 190 kW, консумира само 300 W. Вместо климатична инсталация, е възможно използването на малък климатик и дори обикновен вентилатор.

 

Отпада необходимостта от климатизация

В редица приложения, например компютърни центрове, е необходимо непрекъснато целогодишно охлаждане. В повечето компютърни зали трябва чрез охладителната система за няколко минути да се компенсират промени в температурата в границите от +25 до +60°С. Към това се прибавя и необходимостта от наличието в много предприятия на специално помещение за акумулаторните батерии, чието обезопасяване е задължително. Същевременно е известно, че увеличаването на температурата с 10 °С намалява 2 пъти експлоатационния срок на оловните акумулаторни батерии.

На фиг. 2 е дадена теоретичната зависимост на коефициента на намаляване на експлоатационния срок от температурата. Стойността на този коефициент, равна на 1, съответства на температура 27 °С, докато при 34 °С тя е 2, т.е. експлоатационният срок намалява 2 пъти. Използването на високооборотен маховик за съхраняване на кинетична енергия позволява монтирането му максимално близко до UPS и товара. Не е необходимо изграждането на климатична инсталация и следователно трябват по-малко кабели. Ефективността е подобрена, благодарение на по-малкото кабели, по-слабото охлаждане, реализацията на модулен принцип и поради възможността за съхраняване само на количеството енергия, което е необходимо.

 

Улеснена поддръжка

Намаляването на разходите за поддръжката е основна цел на съвременния мениджмънт. Стратегията на доброто поддържане изисква намаляване на времето за престой и на продължителността на ремонтите. За избягване на износването на механичните детайли на каквато и да е система, е препоръчително използването на електромагнити. Високооборотните маховици са разработени с оглед всички части, които подлежат на износване, да са подложени на минимално триене, с което се постига удължаване на експлоатационния им живот.

 

Издръжливост на устройствата

Понятието издръжливост в областта на индустрията включва постигането както на проектна сигурност на работа, така и на експлоатационна. Класическата оценка на риска от повреда се основава на обобщаване на резултатите от мониториране работата на системите и изчисляване на вероятността от появата на дефект, докато науката за издръжливостта включва методи за усъвършенстване на производствените процеси, за контрол и коригиране моделите за оценка на рисковете, за използването на превантивни мерки срещу появата на некачествена продукция и др. В науката за издръжливостта понятието повреда не се отнася до прекъсване или промяна на нормалната работа на системата, а по-скоро представлява невъзможността за справяне със сложността на изпълняваната задача. В този аспект успешно е решена задача, в която промените в риска са предвидени преди настъпването на повредата. Тя представлява временна или постоянна липса на такова предвиждане.

Като се имат предвид тези принципи, при оптимизацията и постигането на желана издръжливост с помощта на малки модели устройства за съхраняване на кинетична енергия с високооборотен маховик, могат да се реализират гъвкави системи, които лесно да се надграждат, променят или усложняват.

За подобряване на издръжливостта е по-добре вместо една централизирана система за дадено място да се реализират няколко, разположени на различни места и захранващи отделни части на общия товар. Също така е възможно за повишаване на общата издръжливост на системата да се използват различни технологии за реализация на отделните й елементи. Освен това, при необходимост от достъп до някое място на технологичната линия чрез подходящ превключвател може да се изключи съответстващата част от системата.

Съвременните устройства за съхраняване на кинетичната енергия, базирани на високооборотен маховик, позволяват непрекъснат мониторинг на всичките им работни параметри. При следенето на всички важни параметри съществува праг, който позволява да се предвижда всяко нежелано прекъсване на работата, далеч преди то да се случи. Така зарядът в устройството може да се поддържа на максимална стойност. Отдаването на натрупаната енергия на товара е възможно във всеки момент от времето.

Модулният принцип има пряка връзка с издръжливостта. С цел улеснения, конструкторът би могъл да раздели системата на няколко части, всяка от които работи самостоятелно и работата й се контролира независимо от останалите.

 

Надеждност на системата

В рамките на експлоатационния си срок акумулаторните батерии имат ограничен брой цикли заряд-разряд. За някои приложения този брой се оказва достатъчен, но има случаи на често и пълно разреждане на батериите на промишлени предприятия, например по няколко пъти дневно, поради прекъсване на електрозахранването, макар и за период от няколко секунди. Това постоянно използване на акумулаторните батерии може да доведе до износването им за по-малко от година.

Търсенето на решения на проблема с поддръжката и надеждността на акумулаторните батерии налага създаването на алтернативи, които са достатъчно сигурни и изискват по-малки експлоатационни разходи. В отговор на пазарната необходимост в края на 90-те години на миналия век бяха пуснати в серийно производство устройства с маховик за съхраняване на енергия. Днес, десет години по-късно, съвременните устройства с маховик, комбинирани с утвърден начин за запис на прекъсванията, имат нарастващо приложение. Устройствата с маховик “поемат” краткотрайните прекъсвания, запазвайки по този начин капацитета на акумулаторната батерия за по-дълги прекъсвания. Това води до подобряване на надеждността и удължаване на експлоатационния срок, тъй като се избягва честото разреждане и зареждане поради краткотрайни прекъсвания.

Устройствата с маховик могат да се използват за заместване или с цел подобряване надеждността на химическите акумулаторни батерии на компютърни системи и в индустриални приложения. Отличават се с надеждност и безпроблемно преминаване към използването на класическите генератори, които продължават да имат своето място за осигуряване работата на захранваните системи при продължително прекъсване на захранването. Специфичните работни характеристики на бързо зареждане и широк работен температурен обхват позволяват на устройствата с маховик да бъдат използвани и в случаите на изключване на акумулаторните батерии.

Известно е, че механичните системи имат предимството, че са по-предсказуеми и по-лесно се контролират в сравнение с електрохимичните реакции, които обикновено силно зависят от условията в околната среда.

 

По-висока сигурност

Използването на обикновен метален бавно въртящ се маховик не би могъл да гарантира сигурността на цялата система, твърдят експерти. Съвременните технически решения имат лек маховик, изработен от въглеродни влакна. Маховикът не е монолитен блок, а е съставен от влакна. Теглото му е около 5 пъти по-малко от това на съответните метални маховици. Скоростта му на въртене непрекъснато се следи по оптичен път паралелно с температурата му и много други параметри. Резултатът е постигането на много по-висока степен на сигурност.

 

Стабилизация на електрическата мрежа

Поради това, че маховикът непрекъснато се “зарежда” и “разрежда”, той представлява добро техническо средство за подобряване на една нестабилна мрежа. Във възможностите му е да реагира на резки промени в консумацията на енергия и на намаляване на мрежовото напрежение.

 

Принцип на действие на маховика

Принципът му на работа се състои в натрупването на кинетична енергия в маховик от въглеродни влакна с тегло от порядъка на 20 kg. Предлаганите доскоро на пазара маховици разчитаха на масата си като източник на енергия, например двойно по-голямата маса води до удвояване на енергията. От друга страна, по-голямата маса ограничава максималната скорост на въртене, което възпрепятства увеличаването на плътността на енергията. Този проблем бе решен преди няколко години чрез подобряване на характеристиките на високооборотните маховици. В тях източникът на енергията не е масата им, а скоростта на въртене - колкото тя е по-висока, толкова по-малка маса е необходима за получаване на дадена енергия. И докато удвояването на масата увеличава 2 пъти енергията, удвояването на скоростта на въртене води до 4 пъти повече енергия.

Формулата за кинетичната енергия на въртящо се тяло е E=0,5w2J, където w е скоростта на въртене, J=kMR2 е инерционният момент и k е инерционната константа. Тя зависи от формата на маховика и има стойности k=1 при маховици, натоварени само по периферията (подобно на велосипедно колело), които са и високооборотни; k=0,5 при твърд равномерно дебел диск (бавнооборотни маховици) и k=0,4 при сферична форма на маховика. С М в последната формула е означена масата на маховика, а R е радиусът му.

 

Високооборотен маховик от въглеродни влакна

Поставя се във вътрешен контейнер, в който е осигурен вакуум, и представлява част от ротора на електродвигател. Обикновено се използва синхронен двигател-генератор.

Маховикът представлява цилиндър от въглеродни влакна с оптимална скорост на въртене над 50 000 об./мин, която е една от основните разлики в сравнение с масово използваните маховици. По принцип всеки маховик се тества при скорост с 50% по-голяма от оптималната.

Важен елемент от конструкцията е използваната система за окачване на маховика. Съвременните модели обикновено позволяват оптималното положение на маховика непрекъснато да се следи и регулира.

Вакуумът се поддържа постоянно във вътрешен контейнер, който е монтиран във вътрешността на конструкцията. За гарантиране на сигурността по време на работа, въртящите се части при някои модели се поставят в корпус от въглеродна стомана с дебелина 50 mm, който би могъл да издържа на силни удари. В случай на такъв удар материалът от въглеродни нишки се разпрашава и остава във вътрешността на конструкцията. Маховикът и останалите детайли понякога се поставят в кожух и са потопени в нетоксична маслена течност. Тя се използва за охлаждане, налагащо се след разреждане, и също така действа като спирачна течност при евентуално нарушаване на нормалната работа.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top