1. junija, 2020

Strategije upravljanja energije za telekomunikacije in telematiko

Revija logo rutronik - Strategije upravljanja energije za telekomunikacije in telematikoRutronik GmbH
Avtorja Vanessa Jakob in Jürgen Auer
2020_286_18

Ko gledamo prihodnost digitalnega sveta, pričakujemo več udobja in varnosti. Vendar pa za avtonomno vožnjo, samodejno prepoznavanje prometnih znakov in situacij ter še marsikaj potrebujemo vedno večje količine podatkov in hitrosti prenosa. Stalno razpoložljive podatkovne povezave so že na voljo in bodo pri razvoju v prihodnje, telekomunikacijah ter prihajajoči telematiki izredno pomembne. Vendar pa je to zagotovljeno le, kadar imamo zagotovljeno stabilno, varno in zanesljivo električno napajanje iz obstoječih ali novih električnih omrežij.

Najpogostejši načini uporabe za brezprekinitveno napajanje (UPS) v telekomunikacijah in telematiki dandanes temeljijo na tehnologiji baterij. S tem se v veliki meri pokrivajo tudi konice obremenitve. Baterije na tem področju zagotavljajo prednosti zaradi relativno visoke energijske gostote, zrelosti tehnologije in dolgoletnih izkušenj. Arhitekture so zato seveda prilagojene lastnostim razpoložljive tehnologije baterij.

Ultrakondenzatorji se že skoraj 20 let uspešno uporabljajo kot rešitev za pokrivanje konic in izpadov za številne načine uporabe, na primer vetrne elektrarne, bazne postaje za mobilno telefonijo, industrijske robotske sisteme ter ogromno drugih elektronskih naprav in industrijskih strojev.

V zadnjih letih so z vedno večjim povpraševanjem zaradi številnih velikoserijskih načinov uporabe tako po stroških kot zmogljivosti razvili v rešitev za shranjevanje energije, ki je zanimiva alternativa tudi za večje in manjše sisteme UPS za premostitev izpadov v računalniških središčih, bolnišnicah ter visokotehnološki proizvodnji. Tipične velikosti sistemov se začnejo pri nekaj kW in lahko z modularnih rešitvah zlahka dosežejo več MW. Pri tem se posamezne celice ultrakondenzatorjev povezujejo v enote ali celo sisteme.

Odlična rešitev za pokrivanje konic in premostitev kratkotrajnih izpadov
Vsi ti načini uporabe, ne glede na potreben razred moči, zahtevajo električno energijo za kratek čas, na primer za zagotovitev potrebne moči (pokrivanje konic) ali premostitev dandanes največkrat zelo kratkih izpadov. Pri dolgotrajnih izpadih električnega omrežja se naprava ali sistem preklopi v varno stanje (angl. »graceful powerdown«). Časi pokrivanja konic in premostitve izpadov tipično znašajo od nekaj milisekund do 20 sekund. Ultrakondenzatorji so idealni ravno za to območje. V nekaj (mili)sekundah lahko oddajo večino shranjene energije ter jo tudi znova sprejmejo – in to neskončnokrat brez vsakršne škode. Zato so za take načine uporabe izvedljive življenjske dobe deset let in več. Ob tem jih je tudi preprosto uporabljati. Vzdrževanje in servisiranje nista potrebna, pa tudi nadzor je zelo preprost. Stanje ultrakondenzatorja preprosto ovrednotimo z napetostno karakteristiko in ga tako spremljamo. Svinčeve baterije, ki trenutno prevladujejo kot naprave za shranjevanje energije, imajo kratko življenjsko dobo tudi v idealnih pogojih, zaradi elektrokemične zgradbe pa pride do nepričakovanih izpadov. Njihov nadzor in ugotavljanje stanja je bistveno bolj zapleteno ter dražje kot pri ultrakondenzatorjih. Tudi proizvodnjo je težko zasnovati tako, da je prijazna okolju.

Pri ultrakondenzatorjih je drugače: Njihove lastnosti temeljijo na materialu z aktivnim ogljem, ki ima ogromno električno aktivno površino. Ta material se uporablja kot elektroda, elektrolit, s katerim so impregnirane celice, pa zagotavlja potrebno izmenjavo naboja.

Zgradba ultrakondenzatorjev
Na aktivnem oglju (angl. »carbon electrode«) se glede na napolnjenost nabirajo ioni elektrolita in ostanejo od njega oddaljeni nekaj nanometrov. Ker je kapacitivnost sorazmerna površini in obratno sorazmerna razdalji, lahko ultrakondenzatorji shranijo več stokrat več energije kot običajni kondenzatorji. Polnjenje in praznjenje pri tem potekata elektrostatično ter brez kemičnih reakcij, ki so potrebne v baterijah. Ultrakondenzatorji lahko shranjeno energijo zato sprejmejo veliko hitreje in brez poslabšanja lastnosti. S tem so naravnost idealni za načine uporabe z velikimi močmi in visoko porabo ter velikim številom ciklov. Sicer lahko baterije shranijo do 20-krat več energije, vendar pa ultrakondenzatorji zaradi naglega polnjenja/praznjenja zagotavljajo do 20-krat večjo gostoto moči kot baterije.

Baterije zagotavljajo visoko razpoložljivost baterije
Če je potrebna visoka razpoložljivost energije, je baterijsko shranjevanje še vedno prva izbira – kljub njenim znanim pomanjkljivostim in ne glede na tehnologijo baterij, s katerimi se izvaja. Vedno pogosteje pa se uporablja kombinacija baterij z ultrakondenzatorji. Pri tem pa je treba biti pozoren na dejstvo, da sta napetostni karakteristiki teh tehnologij različni.

Baterije shranjujejo in oddajajo svojo energijo z redoks reakcijami (tj. Faradayevi procesi s prenosom snovi) ter zato vzdržujejo skoraj stalen potencial, dokler se reakcijska masa ne porabi. Pri ultrakondenzatorjih se napetost spreminja s shranjenim nabojem.

Sanjska ekipa baterije in ultrakondenzatorja
Za načine uporabe v telekomunikacijah in telematiki lahko dosežemo prednosti z neposredno vzporedno vezavo. Če na primer posamezne litijeve celice (~4 V) vzporedno povežemo z dvema zaporedno vezanima ultrakondenzatorjema (~2,5 V), bo ultrakondenzator s svojo zelo nizko notranjo upornostjo oddal večino potrebne konice moči za prenos. Litij-ionska celica pri tem zagotavlja vso potrebno rezervno moč in moč v pripravljenosti. Ta kombinacija bistveno izboljša čas delovanja. Podobne primere najdemo pri napajanju telekomunikacijskih baznih postaj. Te pri padcih in izpadih napajalne napetosti potrebujejo krajevno shranjevanje energije za od nekaj milisekund do nekaj sekund.

Aktivna vzporedna kombinacija zahteva čim bolj učinkovit močnostni pretvornik: dvosmerni pretvornik DC–DC, ki ga ne zmotijo velika nihanja napetosti na vhodu in ki omogoča takojšnje spremembe pretoka moči brez izgube regulacije. Sodobni ultrakondenzatorji s svojimi zelo nizkimi notranjimi upornostmi omogočajo realizacijo za učinkovit sistem potrebnih izkoristkov (ultrakondenzator plus pretvornik DC–DC) nad 90 %. Pri tem seveda velja upoštevati tudi stroške. Kljub temu pa pri celostnem vrednotenju razmerja med stroški in koristjo prevladajo prednosti kombinirane rešitve. Preizkusi življenjske dobe so pokazali, da lahko kombiniranje z ultrakondenzatorji bistveno podaljša življenjsko dobo baterijskih shranjevalnih enot in močno poveča razpoložljivo moč. Z ustreznimi kombiniranimi rešitvami se ukvarjajo številna podjetja po vsem svetu, ki so tudi razvila potrebno močnostno elektroniko.

Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
www.rutronik.com
Tags: