โซลูชันการกำหนดขนาดแบตเตอรี่ 48v สำหรับระบบจ่ายไฟสำรองในอุตสาหกรรม

เหตุใด 48V จึงเป็นมาตรฐานสำหรับพลังงานสำรองในอุตสาหกรรม

ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และความสามารถในการทำงานร่วมกันของระบบ 48V

โรงงานจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ กำลังเปลี่ยนมาใช้ระบบแบตเตอรี่ 48 โวลต์ เพราะระบบนี้ให้ประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และความเข้ากันได้กับอุปกรณ์อื่นๆ อย่างลงตัว เมื่อระบบทำงานที่ 48 โวลต์ จะใช้กระแสไฟน้อยลงสำหรับกำลังไฟฟ้าที่เท่ากัน ซึ่งหมายถึงการสูญเสียพลังงานผ่านความต้านทานในสายไฟน้อยลง (จำสูตร P = I²R ที่เรียนในโรงเรียนได้ไหม) นอกจากนี้ กระแสไฟที่ต่ำลงยังช่วยให้บริษัทต่างๆ สามารถใช้สายเคเบิลที่บางลง ซึ่งมีต้นทุนโดยรวมต่ำกว่า ข้อดีอีกประการหนึ่งคือเรื่องความปลอดภัย ที่ 48 โวลต์ ระบบเหล่านี้จะอยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าต่ำพิเศษเพื่อความปลอดภัยที่ 60 โวลต์ ที่กำหนดโดยมาตรฐานสากล เช่น IEC 61140 นั่นหมายความว่าคนงานไม่ต้องกังวลเกี่ยวกับประกายไฟที่เป็นอันตรายเมื่อทำการบำรุงรักษาตามปกติ และพวกเขาสามารถหลีกเลี่ยงการซื้ออุปกรณ์ป้องกันราคาแพงได้ในส่วนใหญ่ และรู้ไหมว่า ระดับแรงดันไฟฟ้านี้มีมานานแล้วในสิ่งต่างๆ เช่น เครือข่ายโทรศัพท์ ระบบอัตโนมัติในโรงงาน และแผงควบคุมต่างๆ ดังนั้นโรงงานต่างๆ สามารถเสียบระบบเหล่านี้เข้ากับสิ่งที่มีอยู่แล้วโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายจำนวนมากในการเดินสายไฟใหม่หรือการดัดแปลง

การรวมเข้ากับระบบ UPS, อินเวอร์เตอร์ และโครงสร้างพื้นฐานอุตสาหกรรมที่มีอยู่

มาตรฐาน 48V ทำให้การทำงานกับชิ้นส่วนไฟฟ้าพื้นฐานทั่วไปง่ายขึ้นมาก ในปัจจุบัน ระบบจ่ายไฟสำรอง (UPS) และอินเวอร์เตอร์จำนวนมากมาพร้อมการรองรับขาเข้ากระแสตรง 48V โดยตรงจากโรงงาน ซึ่งหมายความว่าสามารถต่อแบตเตอรี่ได้โดยตรง โดยไม่ต้องผ่านขั้นตอนการแปลงพลังงานจาก AC เป็น DC หรือ DC เป็น DC ที่สูญเสียพลังงานมาก ที่น่าสนใจคือระบบนี้ยังทำงานได้ดีในระบบอุตสาหกรรมเดิมหลายระบบด้วยกัน เนื่องจากโรงงานจำนวนมากยังคงใช้ไฟฟ้า 48V ในการจ่ายพลังงานให้กับเครือข่ายเซ็นเซอร์ อุปกรณ์ควบคุมโปรแกรมได้ (PLC) และวงจรควบคุมต่างๆ ด้วยเหตุนี้ การเปลี่ยนมาใช้แบตเตอรี่ลิเธียม 48V จึงทำได้อย่างรวดเร็ว มีความเสี่ยงต่อการดำเนินงานต่ำ และไม่จำเป็นต้องใช้เงินลงทุนจำนวนมาก

การประเมินความต้องการพลังงานอุตสาหกรรมและความต้องการของโหลดที่สำคัญ

การประเมินความต้องการพลังงานอุตสาหกรรมอย่างแม่นยำถือเป็นพื้นฐานของการออกแบบระบบสำรองแบตเตอรี่ 48V ที่เชื่อถือได้ กระบวนการนี้ช่วยระบุระบบที่จำเป็นซึ่งต้องได้รับการป้องกัน และคำนวณปริมาณการใช้พลังงานเพื่อป้องกันการหยุดทำงาน

การดำเนินการตรวจสอบพลังงาน: การวัดการบริโภคพลังงานรายวันและภาระสูงสุด

เริ่มต้นด้วยการจัดทำรายการอย่างละเอียดของทุกสิ่งทุกอย่างในสถานที่ให้ครบถ้วน จากนั้นวัดปริมาณพลังงานที่อุปกรณ์แต่ละชิ้นใช้จริง เครื่องวัดแบบแคลมป์มิเตอร์ทำงานได้ดีมากสำหรับงานประเภทนี้ แม้ว่าบางคนอาจชอบใช้ระบบซับมิเตอร์ (submetering systems) เมื่อจัดการกับติดตั้งขนาดใหญ่ ในขณะที่ทบทวนรายการ ควรเน้นสิ่งที่จำเป็นต้องเปิดใช้งานตลอดเวลาเป็นอันดับแรก สิ่งเหล่านี้รวมถึงตัวควบคุมกระบวนการ อุปกรณ์สวิตช์ความปลอดภัยที่หยุดเครื่องจักรเมื่อเกิดปัญหา และอุปกรณ์เครือข่ายทั้งหมดที่รักษาระบบการดำเนินงานให้เชื่อมต่อกันไว้ ควรให้ความสำคัญเป็นลำดับแรก ส่วนสิ่งอื่น ๆ เช่น แสงสว่างในพื้นที่สำนักงาน หน่วยทำความร้อนหรือทำความเย็นเพิ่มเติมที่ไม่ได้ผูกติดโดยตรงกับกระบวนการผลิต มักสามารถรอได้หรือแม้แต่ปิดชั่วคราวโดยไม่ก่อให้เกิดปัญหาใหญ่ ควรบันทึกตัวเลขการใช้งานตามปกติ แต่ก็ต้องคอยสังเกตการพุ่งขึ้นอย่างฉับพลันของความต้องการพลังงานด้วย โดยเฉพาะมอเตอร์และคอมเพรสเซอร์ขนาดใหญ่ มักจะดึงกระแสไฟฟ้าได้สูงถึงสามเท่าของค่าปกติเมื่อเริ่มทำงาน ดังนั้นจึงควรทราบให้แน่ชัดว่าเกิดอะไรขึ้นในช่วงเวลาเริ่มต้นใช้งาน

เครื่องมือการสร้างแบบจำลองเชิงพยากรณ์สมัยใหม่ช่วยลดข้อผิดพลาดในการกำหนดขนาดลง 39% เมื่อเปรียบเทียบกับการคำนวณด้วยตนเอง โดยเมื่อนำมาใช้ร่วมกับข้อมูลโหลดย้อนหลัง ให้คำนวณปริมาณพลังงานรวมต่อวันเป็นกิโลวัตต์-ชั่วโมงโดยการคูณค่าเฉลี่ยของวัตต์ด้วยจำนวนชั่วโมงการใช้งาน จากนั้นเพิ่มส่วนเผื่ออีก 25% เพื่อรองรับการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์และการขยายระบบในอนาคต

การจัดประเภทความต่อเนื่องในการทำงานและรอบการทำงานสำหรับการวางแผนแหล่งจ่ายไฟสำรองอย่างมีประสิทธิภาพ

ในปัจจุบัน สถานที่อุตสาหกรรมส่วนใหญ่ยังคงยึดตามการจัดประเภทเวลาทำงานปกติมาตรฐาน Tier III ต้องการค่าความพร้อมใช้งานโดยเฉลี่ยประมาณ 99.982% ในขณะที่สถานที่ระดับ Tier II มีเป้าหมายอยู่ที่ประมาณ 99.741% เมื่อพิจารณาจากวงจรการทำงานของอุปกรณ์ จะเห็นความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างภาระแบบต่อเนื่อง เช่น ระบบ SCADA กับเครื่องจักรที่เริ่มต้นและหยุดทำงานบ่อยครั้งในช่วงระยะเวลาการดำเนินงาน สำหรับการใช้งานที่มีความสำคัญอย่างยิ่ง (mission critical) ข้อกำหนดหลายประการระบุให้มีการตั้งค่าสำรองพลังงานแบบ N+1 redundancy ซึ่งหมายถึงการมีกำลังสำรองที่เกินกว่าความต้องการสูงสุดอยู่หนึ่งโมดูลเต็มๆ นอกจากนี้ ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมก็มีความสำคัญเช่นกัน สมรรถนะของแบตเตอรี่ลิเธียมจะลดลงอย่างมากเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าเงื่อนไขการปฏิบัติงานปกติ ที่อุณหภูมิเยือกแข็ง (0 องศาเซลเซียส) แบตเตอรี่เหล่านี้มักให้พลังงานเพียงประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ของความจุที่กำหนด เมื่อเทียบกับที่สามารถจ่ายได้ที่อุณหภูมิอ้างอิงมาตรฐาน 25 องศาเซลเซียส

การกำหนดขนาดความจุแบตเตอรี่ 48V สำหรับระยะเวลาสำรองเป้าหมาย

การคำนวณค่า kWh และ Ah ที่ต้องการ: พิจารณาความลึกของการคายประจุและประสิทธิภาพ

การเลือกขนาดที่เหมาะสมสำหรับแบตเตอรี่ธนาคาร 48V เริ่มจากการคำนวณจำนวนกิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) ที่เราต้องการ โดยใช้สูตรพื้นฐานดังนี้: นำโหลดที่จำเป็นในหน่วยกิโลวัตต์คูณกับระยะเวลาที่ต้องการสำรองไฟ จากนั้นนำผลลัพธ์ที่ได้มาหารด้วยสองปัจจัย คือ แรกคือเปอร์เซ็นต์ความลึกของการปล่อยประจุ (depth of discharge) และสองคือประสิทธิภาพของระบบ ส่วนใหญ่แล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมสามารถใช้งานได้ที่ระดับความลึกของการปล่อยประจุประมาณ 80 ถึง 90% ซึ่งเกือบจะเป็นสองเท่าของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่อยู่ที่ประมาณ 50% สมมติว่าผู้ใช้ต้องการพลังงาน 10 กิโลวัตต์ เป็นเวลา 4 ชั่วโมง โดยมีความลึกของการปล่อยประจุที่ 80% และระบบมีประสิทธิภาพ 95% การคำนวณจะได้ค่าประมาณ 52.6 กิโลวัตต์-ชั่วโมง ในการแปลงค่านี้เป็นแอมป์-ชั่วโมงสำหรับระบบ 48V ให้คูณค่า kWh ด้วย 1,000 แล้วหารด้วย 48 โวลต์ ผลลัพธ์จะได้ประมาณ 1,096 แอมป์-ชั่วโมง การทำตามวิธีนี้จะช่วยหลีกเลี่ยงการซื้อแบตเตอรี่ที่มีขนาดเล็กเกินไป ในขณะเดียวกันก็ช่วยควบคุมต้นทุนให้อยู่ในระดับที่สมเหตุสมผลในระยะยาว และรับประกันประสิทธิภาพการใช้งานตั้งแต่วันแรก

การวางแผนสำหรับวันแห่งความเป็นอิสระและการแลกเปลี่ยนด้านประสิทธิภาพในการใช้งานจริง

เมื่อเราต้องการขยายพลังงานสำรองให้มากกว่าหนึ่งวัน สิ่งที่เราทำก็คือการนำการใช้งานตามปกติในแต่ละวันมาคูณด้วยจำนวนวันที่ต้องการให้เพียงพอ ลองพิจารณาตัวอย่างนี้: ถ้าสถานที่แห่งหนึ่งใช้พลังงานประมาณ 120 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อวัน และต้องการสำรองพลังงานได้สามวันเต็ม โดยยังคงระดับการคายประจุ (depth of discharge) ไว้ที่ 80% การคำนวณจะเป็นดังนี้ นำ 120 กิโลวัตต์ชั่วโมง คูณด้วย 3 วัน เท่ากับ 360 แล้วหารด้วย 0.8 เนื่องจากข้อกำหนดที่ 80% ซึ่งจะได้ค่าประมาณ 450 กิโลวัตต์ชั่วโมงที่ต้องการ อย่างไรก็ตาม ไม่มีใครทำงานภายใต้สภาวะที่สมบูรณ์แบบ อุณหภูมิต่ำเพียงอย่างเดียวสามารถลดความจุของแบตเตอรี่ได้ประมาณ 20% เมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง แบตเตอรี่ลิเธียมยังสูญเสียประสิทธิภาพเมื่อเวลาผ่านไปโดยประมาณ 3% ต่อปี และเมื่อใดก็ตามที่มีความต้องการกระแสไฟฟ้าสูงอย่างฉับพลัน ระบบจะเกิดแรงดันตก ซึ่งทำให้ความจุที่ใช้ได้จริงต่ำกว่าที่คาดการณ์ไว้ ด้วยเหตุนี้ วิศวกรส่วนใหญ่จึงเพิ่มค่าเผื่ออีก 25 ถึง 30% เพื่อความปลอดภัย ซึ่งจะทำให้ประมาณการเดิมของเราเพิ่มขึ้นจาก 450 เป็นประมาณ 562 กิโลวัตต์ชั่วโมงโดยรวม เพื่อให้มั่นใจว่าระบบจะยังทำงานได้อย่างเหมาะสมแม้จะเกิดปัญหาที่ไม่คาดคิดขึ้นระหว่างการหยุดจ่ายไฟฟ้าเป็นเวลานาน

การออกแบบการจัดวางแบงก์แบตเตอรี่ 48V ที่สามารถปรับขนาดได้และมีความสำรองข้อมูล

สถาปัตยกรรมแบบอนุกรม-ขนาน: การรับประกันความเสถียรของแรงดันไฟฟ้าและความสมดุลของกระแสไฟฟ้า

ระบบสำรองในสภาพแวดล้อมอุตสาหกรรมมักใช้การต่อแบบอนุกรม-ขนานเพื่อรักษาระดับแรงดันขาออกที่ 48 โวลต์ให้คงที่ แม้เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของภาระโหลด เมื่อต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรม จะสามารถขึ้นถึงระดับแรงดันที่ต้องการได้ การต่อเพิ่มในแบบขนานจะช่วยเพิ่มความจุโดยรวม (วัดเป็นแอมป์-ชั่วโมง) ทำให้ระบบสามารถทำงานต่อไปได้นานขึ้นในช่วงที่ไฟฟ้าดับ ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือ การจัดระบบนี้ช่วยป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งมักนำไปสู่การเสียหายของแบตเตอรี่ก่อนกำหนด ตัวอย่างเช่น การจัดวางทั่วไปที่เรียกว่า 4S4P หมายถึง แบตเตอรี่สี่ชุดที่แต่ละชุดมีสี่ตัวต่อแบบอนุกรมแล้วนำมาต่อขนานกัน ซึ่งจะให้แรงดัน 48 โวลต์ตามต้องการ พร้อมทั้งเพิ่มความจุรวมเป็นสี่เท่า สิ่งที่สำคัญมากคือ การทำให้มั่นใจว่ากระแสไฟฟ้าไหลอย่างสม่ำเสมอผ่านการต่อแบบขนานทั้งหมด ช่างเทคนิคที่มีประสบการณ์ส่วนใหญ่ทราบดีว่า การควบคุมความแตกต่างให้อยู่ต่ำกว่าประมาณ 5% นั้นจำเป็นต้องวางแผนการจัดวางบัสบาร์อย่างรอบคอบ และเลือกเซลล์ที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน การทดสอบด้วยกล้องถ่ายภาพความร้อนที่ดำเนินการในพื้นที่อุตสาหกรรมจริงยืนยันผลลัพธ์เหล่านี้อย่างต่อเนื่อง

การแยกจุดขัดข้อง ความสำรองข้อมูล และการขยายระบบในอนาคตสำหรับการติดตั้งในอุตสาหกรรม

สำหรับผู้ที่ดำเนินการสถานที่ระดับ Tier III หรือ IV ที่มุ่งเป้าไปที่จุดสมดุลที่ต้องการคืออัพไทม์ 99.995% ความสำรองแบบ N+1 ไม่ใช่แค่สิ่งที่ดีมีไว้แต่เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง เมื่อโมดูลหนึ่งตัวหยุดทำงาน ระบบปฏิบัติการจะยังคงดำเนินต่อไปได้อย่างไม่มีสะดุด แนวทางแบบโมดูลาร์นี้มาพร้อมสวิตช์ตัดไฟแบบฟิวส์ที่ทันสมัย ซึ่งสามารถตัดส่วนที่ขัดข้องออกได้ภายในครึ่งวินาทีเท่านั้น สำหรับการเติบโตนั้น ระบบเหล่านี้ถูกออกแบบมาให้สามารถขยายขนาดได้ง่ายด้วยอินเทอร์เฟซแร็คมาตรฐาน สถานที่ต่างๆ สามารถขยายกำลังการผลิตทีละน้อย โดยเพิ่มทีละ 5 kWh ตามความต้องการ โดยไม่จำเป็นต้องเดินสายไฟใหม่ บริษัทต่างๆ รายงานว่าประหยัดค่าใช้จ่ายในการอัปเกรดได้ประมาณ 60% เมื่อเปลี่ยนจากระบบเดิมแบบโมโนลิธิก งานวิจัยล่าสุดในปี 2023 ยืนยันข้อมูลนี้ แสดงให้เห็นว่าโครงสร้างพื้นฐานที่ยืดหยุ่นแบบนี้สามารถประหยัดค่าใช้จ่ายได้มากเพียงใดในระยะยาว