nowatorskie własności funkcjonalne ups oraz superkondensatorowe

SYSTEMY ZASILANIA GWARANTOWANEGO UPS – NOWATORSKIE WŁASNOŚCI
FUNKCJONALNE ORAZ SUPERKONDENSATOROWE ZASOBNIKI ENERGII
Wprowadzenie
Osprzęt elektryczny i elektroniczny jest powszechnie stosowany we wszelkich obszarach działalności człowieka,
zarówno w życiu prywatnym, jak również w pracy zawodowej (przemysł, administracja, cała sfera usług, nauka
itp.). Bardzo ważnym elementem w jego funkcjonowaniu jest zapewnienie ciągłości oraz prawidłowych
parametrów zasilania elektrycznego, czyli dostarczenie energii o właściwej jakości. Spełnienie tych wymagań
umożliwiają systemy zasilania gwarantowanego (UPS). Oprócz podtrzymania zasilania podczas powstawania
nieprawidłowości bądź zaników napięcia sieciowego oraz bieżącej poprawy jakości zasilania i filtracji zakłóceń
systemy te oferują często wiele dodatkowych funkcjonalności. Umożliwiają one bardziej optymalne zarządzanie
energią, osiągnięcie oszczędności finansowych, poprawę jakości i bezpieczeństwa pracy urządzeń, jak również
bardziej elastyczne kreowanie parametrów funkcjonalnych układu zasilania zabezpieczanych odbiorników.
Waga jakości energii w zasilaniu urządzeń
Wszelki osprzęt elektryczny, dla właściwego funkcjonowania, wymaga doprowadzenia energii o określonych
parametrach. Od jakości dostarczanej energii elektrycznej zależą poprawność pracy, trwałość i niezawodność
urządzeń, jak również powstające straty energetyczne.
Każdy element, przez który przepływa prąd lub na którym występuje napięcie, jest źródłem oddziaływania
elektromagnetycznego. Jednocześnie w elementach poddanych oddziaływaniom elektromagnetycznym
generowane są sygnały elektryczne (napięcia, prądy), które w zależności od charakteru rozpatrywanego
elementu są sygnałami użytecznymi (wytwarzanymi świadomie w celu uzyskania określonych efektów
użytkowych) bądź też sygnałami niepożądanymi, pasożytniczymi, doprowadzającymi niejednokrotnie do
zakłóceń prawidłowej pracy lub uszkodzeń obiektów, w których są generowane. Zaburzenia oddziałujące na
odbiorniki związane są często z nieprawidłowościami parametrów układów zasilania elektrycznego. Z tych
powodów należy uwzględniać możliwość pojawienia się sygnałów zaburzających na zaciskach zasilania
urządzeń, a także możliwość przenikania zaburzeń z odbiorników do sieci zasilającej, z czym nierozerwalnie
wiąże się degradacja jakości przetwarzanej energii, a w konsekwencji powstanie zagrożeń związanych z
bezpieczeństwem osprzętu.
Zakłócenia występujące w układach zasilania i oddziałujące na odbiorniki mogą powodować:
 utratę przetwarzanych informacji i danych,
 powstawanie dodatkowych strat mocy, a w efekcie przegrzewanie się urządzeń,
 uszkodzenia podzespołów elektrycznych lub elektronicznych,
 zakłócanie pracy oraz przedwczesne starzenie się osprzętu,
 uszkodzenia elementów izolacyjnych,
 powstawanie zagrożeń pożarowych bądź porażeniowych,
 zmiany parametrów technicznych oraz sprawności odbiorników,
 powstawanie przestojów w pracy urządzeń (w wyniku awarii lub zadziałania zabezpieczeń) itp.
W świetle przedstawionych rozważań, dla zachowania poprawności pracy oraz bezpieczeństwa urządzeń i
systemów, należy dokładać wszelkich starań, aby wyeliminować możliwość powstawania opisanych problemów.
Jednym z elementów takich działań jest wprowadzenie standaryzacji związanej z jakością dostarczanej energii
oraz ze wzajemnymi oddziaływaniami elektromagnetycznymi urządzeń i systemów. Nie mniej istotnym jest
zapewnienie właściwych warunków fizycznych (czyli sprzętowych) ich funkcjonowania.
Zapewnienie właściwych, częstokroć znacznie zaostrzonych warunków zasilania elektrycznego, w których
przewidziane są odpowiednie procedury, związane z eliminacją niekorzystnych zdarzeń losowych, stanów
awaryjnych itp., jest szczególnie istotne w przypadkach funkcjonowania odbiorników o znaczeniu
strategicznym. Są to urządzenia lub systemy mające bezpośredni wpływ na zdrowie lub życie człowieka albo
związane z przetwarzaniem szczególnie ważnych danych bądź z procesami produkcyjnymi, w których powstanie
przerw prowadzi do wystąpienia znacznych strat ekonomicznych. Priorytetowym zagadnieniem w ich
funkcjonowaniu jest zapewnienie ciągłości zasilania oraz określonej jakości napięcia zasilającego (ograniczenie
do minimum oddziaływania zaburzeń).
Systemy zasilania gwarantowanego UPS
Podstawowym zadaniem systemów zasilania gwarantowanego (Uninterruptible Power Systems - UPS) jest
dostarczenie energii elektrycznej do odbiorników w określonym czasie w przypadku nieprawidłowości lub
zaniku napięcia sieciowego, a także poprawa parametrów i w ogóle jakości zasilania elektrycznego. Wypełnienie
tych zadań osiąga się poprzez bieżące monitorowanie stanu napięcia sieciowego oraz takie zarządzanie energią z
sieci, energią zgromadzoną w akumulatorach oraz blokami funkcjonalnymi zasilacza UPS, aby zapewnić jak
najkorzystniejsze warunki zasilania zabezpieczanych odbiorników, a w przypadku nieprawidłowości lub zaniku
napięcia sieciowego podtrzymać zasilanie odbiorników w określonym czasie, umożliwiającym bezpieczne
zakończenie realizowanych procesów.
Tryby pracy zasilaczy UPS
Z uwagi na warunki pracy sieci oraz odbiorników zasilacze UPS mogą być w różnych trybach funkcjonalnych.
Do podstawowych trybów pracy zasilaczy bezprzerwowych UPS należą:
a) Praca SIECIOWA (normalna) – jest trybem związanym z funkcjonowaniem załączonego UPS w warunkach
poprawności napięcia sieciowego (jego wartości i częstotliwości); UPS zasila odbiorniki (rys. 1)
wykorzystując napięcie sieciowe oraz doładowuje akumulatory (moduły bateryjne – zasobniki energii).
Rys. 1. Schemat przepływu energii (bilans mocy) w trybie SIECIOWYM
b) Praca REZERWOWA (bateryjna) – ma miejsce w pracującym UPS w przypadku nieprawidłowej wartości
i/lub częstotliwości napięcia sieciowego bądź jego zaniku; odbiorniki zasilane są (rys. 2) dzięki
wykorzystaniu energii zgromadzonej w akumulatorach (przetwarzanej przez falownik) do chwili
wyczerpania się zasobników (baterii).
Rys. 2. Schemat przepływu energii (bilans mocy) w trybie REZERWOWYM
Tryb OCZEKIWANIA – UPS przechodzi w ten tryb z trybu REZERWOWEGO (po rozładowaniu
akumulatorów). Zasilacz pozostaje w tym trybie, jeżeli jest on logicznie włączony, a na liniach
podstawowych brak jest napięcia spełniającego kryteria poprawności sieci. Po pojawieniu się napięcia o
prawidłowych parametrach zasilacz samoczynnie przełączy się do trybu NORMALNEGO (po osiągnięciu
przez akumulatory niezbędnego ładunku minimalnego).
d) Tryb CZUWANIA – linie podstawowe spełniają kryteria poprawności sieci, zasilacz jest logicznie
wyłączony; aktywne są mechanizmy konserwacji (doładowywania) baterii. Zasilacz jest gotowy do
załączenia ochrony odbiorników (trybu SIECIOWEGO). Odbiorniki zasilane są poprzez bypass statyczny.
e) Tryb BYPASS (obejściowy) – do odbiorników dostarczana jest energia z linii bypass, z pominięciem
bloków przetwarzania UPS. Włączany jest, gdy zasilacz jest przeciążony lub jeżeli zostanie zrealizowane
takie wymuszenie przez użytkownika.
f) Tryb AWARYJNY – przejście do tego trybu może być spowodowane zwarciem w obwodzie wyjściowym
zasilacza, przeciążeniem, wystąpieniem błędów wewnętrznych, przekroczeniem dozwolonej temperatury
lub wyzwoleniem EPO (awaryjnego wyłącznika zasilania – Emergency Power Off). Zasilacz zostaje
logicznie wyłączony, bloki przetwarzania nie pracują. W trybie tym linie BYPASS są załączone (z
wyjątkiem przypadku aktywności EPO).
g) Tryb STOP – zasilacz jest logicznie wyłączony (z poziomu interfejsu użytkownika), a na liniach
podstawowych brak jest napięcia spełniającego kryterium poprawności (np. może być odłączone napięcie
wejściowe). Odbiorniki energii nie są zasilane.
Trybem najczęściej występującym jest praca SIECIOWA, podczas której odbiorniki zasilane są dzięki
wykorzystaniu energii dostarczonej do UPS z sieci zasilającej. Nie jest wówczas pobierana energia z zasobników
bateryjnych, lecz przeciwnie – uzupełniana jest w nich gromadzona energia, której nieznaczne ubytki powstają
w procesie samorozładowania akumulatorów. W przypadkach wystąpienia nieprawidłowości bądź zaników
napięcia sieciowego podtrzymanie zasilania odbiorników realizowane jest w trybie REZERWOWYM, do
którego przechodzi system automatycznie po wykryciu takiego stanu sieci. Dla trybu tego wyznaczany jest czas
podtrzymania zasilania, zależny od mocy załączonych odbiorników oraz ilości energii zmagazynowanej w
akumulatorach. Czas ten można często wydłużyć przez załączenie dodatkowych modułów bateryjnych (czyli
zwiększenie zasobności magazynów energii). Odbiorniki energii nie są zasilane w trybach: STOP oraz
OCZEKIWANIA, natomiast w trybach BYPASS , CZUWANIA oraz AWARYJNYM zasilane są (za wyjątkiem
przypadku aktywności układu EPO) przez układ obejściowy napięciem sieciowym.
c)
Typy (topologie) zasilaczy UPS
Odbiorniki energii elektrycznej mają różny charakter, spełniają różnorodne funkcje, mają zapotrzebowanie na
określone moce, z czym wiążą się różne wymagania co do warunków ich zasilania elektrycznego. Adekwatnie
do tych odmiennych oczekiwań produkowane i stosowane są konstrukcje systemów zasilania gwarantowanego o
różnym stopniu komplikacji funkcjonalnej oraz układowej (złożoności rozwiązań). Reprezentatywnymi
rozwiązaniami w tym względzie są następujące konfiguracje UPS:
a) VFD – Voltage Frequency Dependent (off-line) – w której wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego
(zasilającego odbiorniki) są uzależnione od parametrów napięcia wejściowego (rys. 3). System kontroli
analizuje parametry energii na wejściu. Jeśli napięcie sieciowe (z uwagi na wartość i częstotliwość) spełnia
warunki poprawności (mieści się w określonych zakresach), odbiorniki zasilane są tym napięciem oraz
doładowywane są baterie (zasobniki energii). Odbiorniki zasilane są niekorygowanym przebiegiem
sieciowym. W przypadku nieprawidłowych parametrów napięcia wejściowego system kontrolujący
przełącza zasilanie na tryb REZERWOWY i odbiorniki zasilane są przez falownik energią zgromadzoną w
zasobniku (bateriach), do czasu wyczerpania akumulatorów. Przełączenie z pracy SIECIOWEJ na
REZERWOWĄ związane jest z powstaniem przerwy w zasilaniu rzędu kilku milisekund. UPS zazwyczaj
posiadają odpowiedni zestaw filtrów na wejściu, aby wyeliminować oddziaływanie zaburzeń sieciowych
(przepięć). W bardziej zaawansowanych rozwiązaniach realizowana jest synchronizacja wytwarzanego
przebiegu z przywracanym napięciem sieci. Przykładem zasilacza należącego do tej grupy może być UPS
EVER ECO LCD, w którym dzięki rozbudowanemu panelowi LCD oraz przyciskowi wielofunkcyjnemu
można łatwo zarządzać jego dodatkowymi funkcjonalnościami.
Rys. 3. Schemat blokowy UPS VFD (off-line)
b) VI – Voltage Independent (line interactive) – w której wartość napięcia wyjściowego nie zależy od napięcia
wejściowego (rys. 4), natomiast częstotliwość zależy. Działają podobnie jak UPS VFD, ale posiadają
dodatkowo regulator poziomu napięcia wyjściowego (układ AVR – Automatic Voltage Regulation). Mają
zatem zdolność korekcji napięcia bez użycia energii z akumulatorów. Wykorzystując wewnętrzne układy
funkcjonalne sprowadzają wartość napięcia wyjściowego jak najbliżej wartości nominalnej. Zazwyczaj
synchronizują przebiegi komutowane przed zmianą trybu pracy. Czas przełączania z sieci na baterie wynosi
kilka milisekund, natomiast przejście z pracy rezerwowej na sieciową realizowane jest bezprzerwowo.
Falownik może pracować dwukierunkowo, wówczas w trybie REZERWOWYM wytwarza napięcie
przemienne wykorzystując energię zgromadzoną w bateriach, natomiast w trybie SIECIOWYM spełnia rolę
ładowarki akumulatorów. Przykładowymi urządzeniami w tej grupie mogą być UPS EVER SINLINE (CDS,
XL, PRO), w których zastosowane są zaawansowane systemy ładowania baterii, dodatkowe filtry
teleinformatyczne, jak również rozbudowane systemy komputerowego zarządzania ich pracą.
Rys. 4. Schemat blokowy UPS VI (line interactive)
c)
VFI – Voltage Frequency Independent (on-line) – w której wartość i częstotliwość napięcia wyjściowego
nie zależą od napięcia wejściowego (rys. 5). Zasilacz przetwarza energię z wejścia w formę energii
pośredniej, a następnie wykorzystuje ją do wygenerowania przebiegu wyjściowego o założonych
parametrach. W systemach tych ma miejsce podwójne przetwarzanie energii. Napięcie sieciowe zostaje
doprowadzone na wejście UPS, wyprostowane w układzie prostowniczym, a następnie poprzez magistralę
stałonapięciową przekazane do falownika, gdzie przetwarzane jest na napięcie przemienne o wysokiej
jakości parametrach, którym podczas normalnej pracy zasilane są zabezpieczane odbiorniki. Jednocześnie
napięciem z obwodu stałoprądowego doładowywane są baterie. W czasie wystąpienia nieprawidłowości lub
zaników napięcia sieciowego odbiorniki zasilane są bezprzerwowo niezaburzonym napięciem dzięki
zasileniu falownika energią zgromadzoną w akumulatorach. Zasilacze te cechują się pełną separacją
energetyczną toru wyjściowego od wejściowego. Zmiana trybu pracy z sieciowego na bateryjny i odwrotnie
odbywa się całkowicie bezprzerwowo. W przypadku przeciążenia lub uszkodzenia elementów
wewnętrznych bloków UPS statyczny bypass automatycznie łączy odbiornik z siecią zasilającą poprzez
układ obejściowy. Zasilacze tego typu stosowane są do zasilania najbardziej wymagających pod względem
jakości energii odbiorników. Przykładowym rozwiązaniem tego typu jest UPS EVER POWERLINE
GREEN 33, którego dodatkowe funkcjonalności zostaną przedstawione w dalszej części artykułu.
Rys. 5. Schemat blokowy UPS VFI (on-line)
W celu zabezpieczenia zasilania mniej wrażliwych, pojedynczych urządzeń, jak np. komputery PC, konsole do
gier, sieci i urządzenia telekomunikacyjne (WiFi), monitory, drukarki, systemy kasowe, układy sterowania
kotłów centralnego ogrzewania, układy solarne, kominki z płaszczem wodnym, stosuje się zazwyczaj ze
względów ekonomicznych prostsze rozwiązania, czyli UPS w konfiguracji VFD bądź VI. Są to najczęściej
odbiorniki mniejszych mocy. W przypadku szczególnie wrażliwych odbiorników, o dużym zapotrzebowaniu na
moc, jak np. serwery, sieci komputerowe, systemy obróbki danych, linie produkcyjne, niezbędne jest
wykorzystanie zaawansowanych technologicznie zasilaczy VFI (on-line). Ponadto w sytuacjach zasilania
odbiorników o znaczeniu strategicznym, czyli urządzeń bądź systemów mających bezpośredni wpływ na
zdrowie lub życie człowieka lub związanych z przetwarzaniem szczególnie ważnych danych bądź z procesami
produkcyjnymi, w których powstanie przerw prowadzi do wystąpienia znacznych strat ekonomicznych, oprócz
wykorzystania bardziej profesjonalnych zasilaczy VFI zaleca się wprowadzenie nadmiarowości sprzętowomocowej, czyli redundancji. Polega to na zastosowaniu urządzeń nadmiarowych (dodatkowych, zapasowych) w
stosunku do stanu, jaki jest wymagany w systemie zasilania, aby w przypadku wystąpienia awarii określonych
układów wykorzystać elementy nadmiarowe i uzyskać nieprzerwaną, prawidłową pracę rozpatrywanego
systemu.
Dodatkowe własności funkcjonalne UPS
Wraz z dynamicznym rozwojem systemów zasilania gwarantowanego (UPS) wprowadzane są elementy
ubogacające ich własności użytkowe. Te nowe funkcjonalności umożliwiają uzyskanie oszczędności
ekonomicznych w eksploatacji urządzeń, zwiększenie wydajności pracy, jak również poprawę pewności, jakości
i bezpieczeństwa funkcjonowania układu zasilania oraz zabezpieczanych odbiorników.
Jednym z takich elementów jest zaawansowany system ładowania baterii (Cool
Battery Charging), w którym poprzez monitorowanie stanu naładowania
akumulatorów i odpowiednie zarządzanie prądem ładowania osiąga się skrócenie
czasu ładowania i wydłużenie czasu eksploatacji (żywotności) baterii.
Korzystnym również czynnikiem jest zastosowanie dużego prąd zwarcia UPS, dzięki
czemu uzyskuje się wysoką selektywność zabezpieczeń na liniach dystrybucji
zasilania, czyli w przypadku wystąpienia zwarcia w jednej z zasilanych linii
możliwość zasilania pozostałych linii, w których zwarcie nie występuje (po odcięciu
toru zwarciowego przez zabezpieczenie linii).
Nie bez znaczenia jest także wprowadzenie dynamicznego algorytmu sterowania
chłodzeniem, pozwalającego na adaptacyjne dostosowanie wydajności układu
chłodzenia do aktualnego stanu urządzenia, przez co osiąga się minimalizację strat
mocy i kosztów wynikających z zapotrzebowania na chłodzenie.
Korzyści ekonomiczne płyną również z faktu osiągania
wysokich sprawności w szerokim zakresie obciążeń dzięki
zastosowaniu podzespołów o wysokiej jakości. Wynika to
z ograniczania powstających strat mocy, a zatem lepszego
gospodarowania energią.
Wygodną funkcjonalnością jest możliwość uzyskania na podstawie realizowanych
pomiarów informacji o parametrach środowiskowych (temperaturze, wilgotności itp.).
Korzystnym
elementem
jest
zastosowanie
dodatkowych
możliwości
komunikacyjnych (również do komunikacji zdalnej), takich jak programowalne wyjścia bezpotencjałowe
(służące do sygnalizacji określonych, dobranych programowo za pomocą interfejsu użytkownika, stanów pracy
zasilacza), programowalne wejścia sterujące (pozwalające zdalnie wysterować określone działania funkcjonalne
UPS) czy współpraca z zewnętrznymi panelami zarządzającymi (działającymi na systemie Android).
Szczególnie ważnym użytkowo czynnikiem w zasilaczach UPS jest skalowalność
czasu pracy autonomicznej, czyli możliwość wydłużenia czasu podtrzymania
zasilania w trybie REZERWOWYM poprzez stworzenie warunków technicznych dla
załączenia dodatkowych modułów bateryjnych (kolejnych układów zasobników
energii, czyli akumulatorów).
Kolejną istotną zaletą jest możliwość wprowadzenia trybu hybrydowego (rys. 6),
polegającego na zastosowaniu szerokiego zakresu zmian napięcia wejściowego w
UPS. Po przekroczeniu wartości prądu maksymalnego dla obwodu prostownika (przy
napięciu sieciowym wyższym od dolnego progu podanego zakresu) z sieci pobierana
jest moc ograniczona maksymalnym prądem wejściowym, a pozostała część mocy zapotrzebowanej przez
odbiorniki dostarczana jest z akumulatorów (z zespołów bateryjnych pobierana jest różnica mocy
zapotrzebowanej i pobranej z sieci o złych parametrach).
Rys. 6. Schemat przepływu energii (bilans mocy) w trybie HYBRYDOWYM
Uzyskuje się dzięki temu wydłużenie czasu pracy autonomicznej (w konwencjonalnych rozwiązaniach
funkcjonowania w trybie rezerwowym) dla określonego przedziału zmian parametrów napięcia sieciowego oraz
wydłużenie trwałości eksploatowanych akumulatorów. Nowatorskim rozwiązaniem wprowadzonym przez firmę
EVER jest możliwość zastosowania jako zasobników energii superkondensatorów zamiast akumulatorów.
Porównanie tych dwóch magazynów energii i zalety zastosowania superkondensatorów przedstawiono szerzej w następnym rozdziale.
Znaczną ekonomiczną korzyścią jest zgłoszone przez
EVER Sp. z o.o. w Urzędzie Patentowym wprowadzenie
kompensacji mocy biernej w UPS. Polega to na takim
zarządzaniu prądem na wejściu zasilacza (pobieranego
przez układ prostowniczy), że następuje kompensacja
mocy biernej pojemnościowej UPS-a, czyli współczynnik
mocy takiego układu sprowadzany jest do wartości bliskiej 1, niezależnie od wartości
pobieranej mocy czynnej. Uzyskuje się zatem pełną eliminację opłat z tytułu
ponadumownego poboru mocy przez UPS, a zatem wymierne, realne oszczędności
finansowe.
Opisane funkcjonalności zostały zaimplementowane w systemach EVER POWERLINE GREEN 33 –
trójfazowych zasilaczach VFI (on-line). Szersze informacje, również na temat funkcji nie przedstawionych w
artykule, można uzyskać na stronie internetowej www.ever.eu.
Zasobniki energii – akumulatory a superkondensatory
Akumulatory są wtórnymi ogniwami elektrochemicznymi. Energia elektryczna jest w nich gromadzona w
postaci energii chemicznej, przy czym elektrody i elektrolit biorą udział w zachodzących reakcjach
chemicznych, czego rezultatem są zmiany parametrów technicznych oraz pogarszanie trwałości podczas ich
eksploatacji.
Akumulatory posiadają stosunkowo dużą gęstość energii, czyli jednostkową ilość zgromadzonej energii
elektrycznej wyrażaną masowo bądź objętościowo (jest ona rzędu 100 Wh/kg). Osiągają sprawności rzędu 70%.
Największymi mankamentami akumulatorów ołowiowych jako magazynów energii są: mała gęstość mocy
(wynosząca około 100 W/kg), długie czasy uzupełniania energii (od kilku do kilkunastu godzin), mała trwałość
wyrażana w cyklach ładowania-rozładowania (poniżej 1000 cykli), stosunkowo duża masa oraz znaczna
zależność parametrów (SEM, rezystancji wewnętrznej, pojemności oraz trwałości) od temperatury. Mała gęstość
mocy świadczy o małej dynamice przyjmowania i oddawania ładunku elektrycznego, a zatem ograniczeniu
wartości prądów użytkowych. Długotrwałe duże prądy ładowania i rozładowania intensywnie wpływają na
zmniejszenie trwałości oraz pojemności akumulatorów. Temperatura pracy wyższa od zalecanej wywołuje
niszczenie materiału aktywnego elektrod oraz korozję kratki, co powoduje skrócenie czasu eksploatacji
akumulatora (o 50% przy każdym trwałym wzroście temperatury o około 10ºC) i analogiczne zmniejszenie jego
pojemności oraz przyspiesza proces samorozładowania akumulatora. W niskich temperaturach maleje napięcie
źródłowe akumulatora, wzrasta rezystancja wewnętrzna i obniżają się zdolność rozruchowa oraz zdolność do
przyjmowania ładunku. Z uwagi na ograniczenie obsługi urządzeń (zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych)
oraz eliminację możliwości powstawania wycieków elektrolitu obecnie często stosuje się akumulatory
bezobsługowe (żelowe lub AGM).
Konkurencyjnym rozwiązaniem w stosunku do akumulatorów są układy związane z gromadzeniem energii w
polu elektrycznym (w których nie zachodzą reakcje chemiczne), czyli kondensatory. W konwencjonalnych
rozwiązaniach charakteryzują się małą ilością gromadzonego ładunku elektrycznego, czyli małą gęstością
energii.
Specyficznej budowy kondensatorami elektrolitycznymi, wykorzystującymi zaawansowane nanotechnologie, są
superkondensatory. Największą zaletą superkondensatorów jest duża gęstość mocy (sięgająca 10000 W/kg,
rzędu 100-krotnie wyższa niż w akumulatorach), z czego wynika możliwość poboru z tych źródeł bardzo dużych
energii w krótkim czasie, czyli stosowania bardzo dużych prądów ładowania i rozładowania. Związane jest to w
rezultacie z uzyskiwaniem krótkich czasów uzupełniania gromadzonej energii (rzędu kilku minut), a zatem
osiągania znacznej szybkości przywracania gotowości do ponownej pracy po rozładowaniu zasobnika energii.
Ponadto superkondensatory mogą pracować w szerokim zakresie temperatur (– 40˚C ÷ 65˚C), mają bardzo dużą
żywotność (ponad 20 lat lub 1000000 cykli ładowania-rozładowania), małą rezystancję wewnętrzną i mały prąd
upływu, czyli znikome wewnętrzne straty energetyczne, dzięki czemu charakteryzują się wysoką sprawnością
(nawet przekraczającą 95%). Niewielka jest degradacja ich własności użytkowych przy wielokrotnym ładowaniu
i rozładowaniu oraz znikoma szkodliwość dla środowiska. Największą wadą superkondensatorów jest bardzo
wysoka cena. Jednakże wraz z burzliwym rozwojem nanotechnologii oraz masowej produkcji niedogodność ta
może szybko ulec zmianie. Z uwagi na wcześniej wymienione zalety superkondensatorów (nawet przy obecnym
poziomie cen) całkowite koszty inwestycyjne i eksploatacyjne na przestrzeni lat mogą być niższe niż w
przypadku użytkowania akumulatorów. Związane jest to z różnicami w trwałościach i częstotliwościach
wymiany tych zasobników energii oraz w kosztach ich obsługi.
Uwagi końcowe i wnioski
Układy zasilania gwarantowanego (UPS) w wielu przypadkach są wyjątkowo ważnymi elementami systemu
zasilania, umożliwiającymi prawidłowe funkcjonowanie zabezpieczanych odbiorników.
Pominięcie UPS w systemach zasilania wrażliwych odbiorników może prowadzić do utraty przetwarzanych
informacji lub danych, powstawania dodatkowych strat mocy, a w efekcie przegrzewania się urządzeń,
uszkodzeń bądź zakłócenia pracy podzespołów elektrycznych lub elektronicznych, powstawania kosztownych
przestojów w pracy urządzeń (w wyniku wystąpienia awarii albo zadziałania zabezpieczeń), utraty możliwości
skorzystania z urządzeń kontroli dostępu, uniemożliwienia prawidłowego funkcjonowania systemów
grzewczych, zmiany parametrów technicznych oraz sprawności odbiorników, uszkodzenia elementów
izolacyjnych oraz przedwczesnego starzenia się osprzętu itp.
Właściwe rozumienie własności użytkowych UPS umożliwia pełne wykorzystanie oferowanych przez nie
funkcjonalności. Osiąga się dzięki temu bardziej elastyczne zarządzanie systemem zasilania urządzeń,
korzystniejsze gospodarowanie energią, oszczędności ekonomiczne oraz większe bezpieczeństwo i jakość
funkcjonowania zarówno układu zasilania, jak również zabezpieczanych odbiorników.
Zastosowanie superkondensatorów może być bardzo korzystnym rozwiązaniem problemu magazynowania
energii w wielu systemach elektrycznych. Szczególnie przydatne może być ich wykorzystanie do pracy w
układach wymagających szybkiej wymiany ładunku elektrycznego, w których istnieje silna potrzeba w krótkim
czasie odzyskania ponownej gotowości do pracy po rozładowaniu bądź w trudnych warunkach
temperaturowych takich jak nasłonecznione pomieszczenia nie posiadające klimatyzacji. Wprowadzenie w
takich przypadkach jako zasobników energii tradycyjnych akumulatorów wiąże się z koniecznością częstej ich
wymiany, co pociąga za sobą znaczne koszty. Superkondensatory natomiast (dzięki swej specyfice) mają
dłuższą żywotność oraz są odporne zarówno na trudne warunki środowiskowe, jak również na degradację
parametrów technicznych ze względu na warunki eksploatacji i oddziaływanie czynników zewnętrznych.
Bardzo ciekawym i przyszłościowym rozwiązaniem, poprawiającym sprawność ogólną oraz trwałość systemu
zasilania, wysoce zasobnym i gotowym do dynamicznych warunków eksploatacji źródeł jest zastosowanie
hybrydowego układu zasobników energii, składającego się z równolegle pracujących akumulatorów i
superkondensatorów.
Literatura
1. Bednarek K., Jakość, pewność i właściwa konstrukcja układu zasilania a bezpieczeństwo urządzeń
elektrycznych, Elektro.info, nr 12, 2012.
2. Bednarek K., Własności użytkowe systemów zasilania gwarantowanego (UPS), Energetyka &
Elektrotechnika, nr 1, 2013.
3. Wiatr J., Miegoń M., Zasilacze UPS oraz baterie akumulatorów w układach zasilania gwarantowanego, seria
Zeszyty dla elektryków - nr 4, DW MEDIUM, W-wa, 2008.
4. Bednarek K., Akumulatory czy superkondensatory – zasobniki energii w UPS-ach, Elektro.info, nr 1-2,
2012.
5. Bednarek K., Kasprzyk L., Zasobniki energii w systemach elektrycznych, cz. 1 i 2, Academic Journals,
Electrical engineering, No 69, Poznan University of Technology, Poznań 2012.
6. Opracowania wewnętrzne firmy EVER Sp. z o.o.
Opublikowano w:
1. Bednarek K., Własności użytkowe systemów zasilania gwarantowanego
Energetyka&Elektrotechnika, nr 1 (23), 2013, ISSN 1898-6064, s. 16-18.
(UPS),
2. Bednarek K., Systemy zasilania gwarantowanego UPS – nowatorskie własności funkcjonalne
oraz superkondensatorowe zasobniki energii, Forum Informatyki w Bankowości – Trendy
informatyczne w bankowości spółdzielczej, Warszawa, marzec 2013, s. 69-80.