EN
SZYBKI DOSTĘP
Coraz więcej fabryk przechodzi na systemy baterii 48 V, ponieważ oferują one odpowiednią kombinację wydajności, funkcji bezpieczeństwa i kompatybilności z innym sprzętem. Gdy systemy pracują pod napięciem 48 woltów, pobierają mniejszy prąd przy tej samej mocy wyjściowej, co oznacza mniejsze straty energii spowodowane oporem przewodów (pamiętaj o wzorze P równym I do kwadratu razy R z lekcji fizyki). Dodatkowo niższy prąd pozwala firmom na stosowanie cieńszych kabli, które są ogólnie tańsze. Kolejną dużą zaletą jest bezpieczeństwo. Systemy o napięciu 48 V pozostają poniżej granicy 60 V określonej jako Bezpieczne Niskie Napięcie przez międzynarodowe normy, takie jak IEC 61140. Oznacza to, że pracownicy nie muszą się martwić o niebezpieczne wyładowania elektryczne podczas rutynowych czynności konserwacyjnych i najczęściej mogą zrezygnować z zakupu drogiego sprzętu ochronnego. Co więcej, ten poziom napięcia jest już od dawna stosowany w sieciach telefonicznych, systemach automatyki przemysłowej oraz panelach sterowania na całym świecie. Dlatego zakłady mogą łatwo podłączyć te systemy do istniejącej infrastruktury bez konieczności ponoszenia dużych kosztów związanych z nowymi instalacjami elektrycznymi lub przebudową.
Standard 48 V znacznie ułatwia pracę ze wszystkimi podstawowymi komponentami zasilania. Wiele współczesnych systemów zasilania awaryjnego (UPS) oraz falowników oferuje wbudowaną obsługę wejścia prądu stałego 48 V już w podstawowej konfiguracji. Oznacza to, że baterie mogą być podłączone bezpośrednio, bez konieczności wykonywania kroków konwersji prądu przemiennego na stały lub stałego na stały, które pochłaniają dużą ilość energii. Ciekawe jest również, że rozwiązanie to dobrze sprawdza się również w starszych instalacjach przemysłowych. Wiele fabryk nadal zasila swoje sieci czujników, sterowniki PLC oraz różne obwody sterujące napięciem 48 V. Dzięki tej istniejącej infrastrukturze przejście na litowe akumulatory 48 V odbywa się szybko, stanowi minimalne ryzyko dla działania zakładu i nie wymaga również dużych inwestycji kapitałowych.
Dokładna ocena potrzeb energetycznych przemysłu stanowi podstawę niezawodnego projektowania systemu rezerwowego z baterią 48 V. Ten proces identyfikuje kluczowe systemy wymagające ochrony oraz określa ich zużycie energii, aby zapobiec przestojom.
Zacznij od sporządzenia kompletnego spisu wszystkiego znajdującego się w obiekcie, a następnie zmierz, ile energii zużywa każdy z elementów. Mierniki cęgowe świetnie sprawdzają się do tego rodzaju zadań, choć niektórzy preferują systemy pomiaru poboru mocy dla większych instalacji. Przeglądając listę, skup się przede wszystkim na tych urządzeniach, które muszą działać bez przerwy. Takie elementy jak sterowniki procesowe, wyłączniki bezpieczeństwa zatrzymujące maszyny w przypadku awarii oraz całe wyposażenie sieciowe utrzymujące połączenia operacyjne, powinny mieć pierwszeństwo. Pozostałe urządzenia? Oświetlenie w strefach biurowych, dodatkowe jednostki grzewcze lub chłodnicze niepowiązane bezpośrednio z procesami produkcyjnymi – te zwykle mogą poczekać albo nawet zostać tymczasowo wyłączone bez powodowania większych problemów. Pamiętaj o rejestrowaniu regularnych wartości zużycia energii, ale również zwracaj uwagę na nagłe szczyty zapotrzebowania na energię. Silniki i duże sprężarki są notorycznie znane z pobierania trzykrotnie większego prądu podczas uruchamiania, dlatego warto dokładnie wiedzieć, co dzieje się w tych chwilach rozruchu.
| Rodzaj urządzenia | Zakres mocy | Istotność |
|---|---|---|
| Systemy sterowania procesami | 300–800 W | Wysoki |
| Serwery i sprzęt sieciowy | 500–1500 W | Wysoki |
| Sprężarki HVAC | 2000–5000 W | Średni |
| Oświetlenie obiektu | 100–300 W | Niski |
Nowoczesne narzędzia modelowania predykcyjnego zmniejszają błędy doboru mocy o 39% w porównaniu z obliczeniami ręcznymi, gdy są łączone z danymi historycznymi obciążeń. Oblicz całkowitą dzienną liczbę kWh, mnożąc średnią moc w watach przez liczbę godzin pracy, a następnie dodaj rezerwę 25% na zużycie sprzętu i przyszły rozwój.
Obecnie większość zakładów przemysłowych przestrzega standardowych klasyfikacji czasu działania. Instalacje kategorii Tier III wymagają średnio dostępności około 99,982%, podczas gdy obiekty kategorii Tier II dążą do dostępności rzędu 99,741%. Przyglądając się cyklom pracy urządzeń, istnieje znacząca różnica między obciążeniami ciągłymi, takimi jak systemy SCADA, a maszynami, które w trakcie swojej pracy często uruchamiają się i zatrzymują. W przypadku naprawdę krytycznych zastosowań wiele specyfikacji przewiduje tzw. konfigurację nadmiarowości N+1. Oznacza to w praktyce posiadanie rezerwowej mocy zapasowej przekraczającej maksymalne zapotrzebowanie o cały dodatkowy moduł. Również czynniki środowiskowe mają znaczenie. Wydajność baterii litowych znacząco spada, gdy temperatura opada poniżej normalnych warunków eksploatacji. W temperaturze zamarzania (0 stopni Celsjusza) baterie te zazwyczaj dostarczają jedynie około 15–20 procent swojej nominalnej pojemności w porównaniu do tego, co mogą osiągnąć w standardowej temperaturze odniesienia równej 25 stopni Celsjusza.
Uzyskanie odpowiedniego rozmiaru banku baterii 48 V zaczyna się od ustalenia, ile kilowatogodzin (kWh) potrzebujemy. Podstawowe obliczenia wyglądają mniej więcej tak: bierzemy obciążenie krytyczne w kilowatach i mnożymy je przez czas, na jaki chcemy mieć rezerwowe zasilanie. Następnie dzielimy tę liczbę przez dwa czynniki – po pierwsze, procent głębokości rozładowania, a po drugie, współczynnik sprawności systemu. Większość baterii litowych może pracować przy głębokości rozładowania rzędu 80–90%, co jest niemal dwukrotnie więcej niż u baterii kwasowo-ołowiowych, które osiągają około 50%. Przyjmijmy, że ktoś potrzebuje 10 kW mocy przez cztery godziny przy głębokości rozładowania 80% i sprawności systemu na poziomie 95%. Po wykonaniu obliczeń otrzymujemy wartość około 52,6 kWh. Aby przeliczyć to na amperogodziny dla systemu 48 V, wystarczy pomnożyć wartość w kWh przez 1000, a następnie podzielić przez 48 woltów. Daje to około 1096 amperogodzin. Stosowanie tej metody pozwala uniknąć zakupu zbyt małej baterii, jednocześnie utrzymując rozsądny poziom kosztów w dłuższej perspektywie oraz zapewniając dobrą wydajność od samego początku.
Gdy chcemy wydłużyć czas pracy awaryjnej powyżej jednego dnia, w zasadzie mnożymy nasze normalne dzienne zużycie przez liczbę dni, na jaką chcemy zapewnić zasilanie. Spójrzmy na przykład: jeśli obiekt zużywa około 120 kilowatogodzin dziennie i potrzebuje trzech pełnych dni autonomii przy jednoczesnym zachowaniu 80% głębokości rozładowania, obliczenia wyglądają następująco. Bierzemy 120 kWh razy trzy dni, co daje 360, następnie dzielimy przez 0,8 z powodu wymogu 80%, co daje około 450 kWh potrzebnej pojemności. Jednak nikt nie pracuje w warunkach idealnych. Same tylko niskie temperatury mogą zmniejszyć pojemność baterii o około 20%, gdy spadną poniżej zera. Baterie litowe tracą również skuteczność z czasem, mniej więcej o 3% rocznie. A za każdym razem, gdy występują nagłe wysokie obciążenia prądowe, system doświadcza spadków napięcia, które sprawiają, że rzeczywista dostępna pojemność jest jeszcze niższa niż się spodziewamy. Z tego powodu większość inżynierów dodaje dodatkowe 25–30% dla bezpieczeństwa. To podnosi nasze pierwotne oszacowanie z 450 do około 562 kWh całkowitej pojemności, zapewniając prawidłowe działanie nawet w przypadku nieoczekiwanych problemów podczas długotrwałych przerw w dostawie energii.
Systemy rezerwowe w ustawieniach przemysłowych zazwyczaj wykorzystują konfiguracje szeregowo-równoległe, aby utrzymać stabilne napięcie wyjściowe 48 V, nawet przy zmieniających się obciążeniach. Gdy akumulatory są połączone szeregowo, osiągane jest wymagane napięcie. Dodanie ich równolegle zwiększa całkowitą pojemność (mierzoną w Ah), dzięki czemu system może pracować dłużej podczas przerw w dostawie energii. Dużą zaletą tego rozwiązania jest zapobieganie nieregularnemu przepływowi prądu, który często prowadzi do wczesnego uszkodzenia akumulatorów. Weźmy na przykład typową konfigurację zwaną 4S4P, co oznacza cztery zestawy po cztery baterie połączone razem. Daje to żądane 48 woltów, jednocześnie czterokrotnie zwiększając całkowitą pojemność. Co naprawdę ważne, to zapewnienie równomiernego przepływu prądu przez wszystkie połączenia równoległe. Większość doświadczonych techników wie, że utrzymanie różnic poniżej około 5% wymaga starannego planowania szyn zbiorczych i dokładnego dopasowania ogniw. Testy wykonywane za pomocą termowizji na rzeczywistych obiektach przemysłowych potwierdzają te ustalenia w sposób spójny.
Dla osób zarządzających obiektami klasy Tier III lub IV, dążących do osiągnięcia atrakcyjnego poziomu czasu działania na poziomie 99,995%, rezerwowanie N+1 nie jest tylko pożądane, ale absolutnie konieczne. Gdy jeden moduł wyjdzie z dalszej pracy, operacje trwają bez przeszkód. Modularne podejście oferuje zaawansowane łączniki odłączające z bezpiecznikiem, które potrafią odciąć uszkodzoną część w pół sekundy. Co do rozwoju, te systemy zostały zaprojektowane tak, aby łatwo można je było skalować dzięki standardowym interfejsom szaf rackowych. Obiekty mogą stopniowo zwiększać moc, dodając przyrosty po 5 kWh zgodnie z potrzebami. Nie wymaga to również żadnego bałaganu w przewodach. Firmy donoszą o oszczędnościach rzędu około 60% na modernizacjach w porównaniu ze staromodnymi, monolitycznymi rozwiązaniami. Najnowsze badania z 2023 roku potwierdzają to, pokazując, ile pieniędzy można zaoszczędzić w dłuższej perspektywie dzięki tej elastycznej infrastrukturze.