Меры, предпринимаемые государством в борьбе с коронавирусом, потребовали более ответственного отношения к бесперебойному обеспечению электроэнергией, кроме действующих производственных предприятий, медицинских учреждений и объектов телекоммуникации, где перебои с электроснабжением недопустимы. Электротехническая отрасль предлагает новые и модернизированные образцы источников бесперебойного питания (ИБП) для различных условий применения.

Обеспечение надежной связи

Каждый телекоммуникационный объект, включая базовые станции связи, сотовой или проводной, обязательно оснащается ИБП на основе аккумуляторов, общей емкости которых достаточно для работы оборудования в течение 4-х часов при отсутствии в сети электричества.

Не всегда удается возобновить подачу электроэнергии за 4 часа. В этих случаях на помощь приходят дизельные или бензиновые генераторы, находящиеся в резерве на большинстве объектов, особенно, если станция расположена в малонаселенной или труднодоступной местности, а на устранение последствий аварии требуется 8-16 часов. Использование собственных генераторов – вынужденная мера. Приходится мириться с грохотом работающего генератора и вдыхать отработанные газы. К тому же, в условиях морозной зимы не всегда четко срабатывает автозапуск.

Водородный ИБП GenCell G5
Водородный ИБП GenCell G5

Интересное решение предлагает израильская компания GenCell Energy: применять в качестве резервных источников питания устройства на основе водородных топливных элементов. Главные преимущества замены дизельных генераторов водородными установками:

  • отсутствие движущейся механики, иногда тормозящей при запуске;
  • нет шума и копоти;
  • дистанционное управление установкой через Интернет.

На обслуживающем персонале лежит ответственность замены (вовремя) баллонов с водородом.

Водородный ИБП GenCell G5 в базовой комплектации может обеспечивать электропитанием станцию с потребляемой мощностью до 5 кВт в течение 15 часов (непрерывно или суммарно). В результате действия установки происходит выброс чистой воды в атмосферу и выработка тепла, частично используемого на собственный обогрев при низких температурах окружающего воздуха. Выходное напряжение: 230 В переменного тока, 130 В и 48 В постоянного. Последнее значение важно, поскольку для базовых станций сетей 5G используется питание 48 В, что исключает применение дополнительных преобразователей. Согласно утверждению разработчиков GenCell G5, их устройство вобрало в себя идеи и технологии NASA и советских ученых, занимавшихся созданием космических аппаратов, в том числе, орбитальной станции «Мир».

ИБП GenCell G5 вышел на свободный рынок в сентябре 2020 г. Рассчитанный на применение в телекоммуникационной сфере, оказался сразу же востребован оператором связи Tier One в одной из европейских стран и установлен на собственной базовой станции стандарта 5G.

Экономное отношение к энергоресурсам заставляет задуматься о том, как «загрузить» простаивающий без дела ИБП, когда перебои в сети маловероятны. Интересный эксперимент, итоги которого подвели в сентябре, был проведен в Нидерландах. В городе Амерсфорт, на телефонной станции, принадлежащей общенациональному оператору связи KPN, для аккумуляторной батареи ИБП был разработан специальный алгоритм работы. В стране, где большую часть электроэнергии получают «зеленым» способом (солнце, ветер), выгоднее использовать именно ее. Поэтому, в дневное время станция работает от общей сети, параллельно заряжаются аккумуляторы. В ночное время (или при других неблагоприятных погодных условиях) оборудование получает питание от ИБП. Выходит, станция практически постоянно использует энергию солнца и ветра даже в том случае, когда не имеет собственной энергоустановки. Алгоритм переключения учитывает кратковременные прогнозы о процентном значении «зеленой» энергии в общем объеме генерации: если минимум, переход на аккумуляторы, норма или выше – работа от сети. Расчеты производятся компьютерной системой, учитывающей ситуацию с энергообеспечением и прогнозами погоды. В эксперименте задействован литий- ионный аккумулятор емкостью 230 кВт·ч производства компании Nilar.

Правильно заданный алгоритм не только не снижает ресурс аккумулятора, наоборот, наблюдения за регулярным зарядом/разрядом дают возможность оценивать уровень его работоспособности, что обеспечивает резервному источнику питания надежность срабатывания в каждом последующем цикле.

Итоги проведенного в Амерсфорте эксперимента настолько удовлетворили компанию, что KPN решила внедрить технологию и на других телефонных станциях, которых в Нидерландах несколько сотен.

Пожаробезопасные аккумуляторы

Всеобщий переход от использования вместо свинцово-кислотных литий-ионных аккумуляторов, наряду с явными и неоспоримыми преимуществами вторых, сулит и некоторые неприятности. Одна из них – нарушение условий эксплуатации литий-ионного аккумулятора может привести к возгоранию или взрыву. Поведение таких устройств в зоне пожара – помощь стихии в распространении огня, в чем недавно убедились жители Калифорнии, когда до их домов, оборудованных литий-ионными аккумуляторами, добрались лесные пожары.

Следующее поколение аккумуляторов – натрий-ионные, разработано как негорючая альтернатива литий-содержащим. Соли натрия, используемые в качестве электролита, не вредят природе ни при производстве батарей, ни при их утилизации. Разработки велись достаточно давно, но возросшая потребность в надежном электроснабжении объектов, ускорила получение образцов, готовых к использованию в реальных условиях. Флагманами оказались две компании: американская Natron Energy и немецкая BlueSky Energy.

Аккумуляторная батарея Natron Energy BlueTray 4000 соответствует требованиям безопасности по стандарту UL
Аккумуляторная батарея Natron Energy BlueTray 4000 соответствует требованиям безопасности по стандарту UL

Natron Energy вела разработку совместно с международным холдингом ABB, представленный образец – аккумуляторная батарея BlueTray 4000. В анонсе указано применение: системы бесперебойного питания базовых станций стандарта 5G и дата-центров. Особая гордость разработчиков – первый в мире натрий-ионный аккумулятор, который получил сертификат на соответствие стандарту безопасности UL. К сожалению, пока нет публичного сообщения о емкости аккумулятора.

Конструкция натрий-ионного аккумулятора BlueSky Energy Greenrock
Конструкция натрий-ионного аккумулятора BlueSky Energy Greenrock

Натрий-ионный аккумулятор, созданный немецкой компанией BlueSky Energy, получил название Greenrock. В нем роль электролита возложена на водный раствор сульфата натрия.

В Германии компания BlueSky Energy создала свой вариант натрий-ионного аккумулятора, получившего название Greenrock. В нем в качестве электролита применяется водный раствор сульфата натрия.

В сентябре была начата эксплуатация данных аккумуляторов на реальных объектах. Так, новыми аккумуляторными батареями Greenrock емкостью 30 кВт·ч обеспечили два индивидуальных дома, каждый из которых имеет площадь 750 кв.м и получает электроэнергию от солнечных панелей. Когда солнечные батареи не выдают необходимую мощность, включаются Greеnrock, служащие накопителями. Заряд происходит в периоды максимальной освещенности.

Новое — хорошо забытое старое!

Сообществу специалистов по электроэнергетике американская компания Zinc8 заявила о разработке нового типа аккумуляторов, воздушно-цинковых (ВЦ). Упрощенно принцип работы ВЦ аккумулятора основан на окислении поверхности цинкового электрода под воздействием воздуха (стадия разрядки) и разрушении оксидного покрытия путем подачи электрического тока на электрод (стадия зарядки).

По мнению американских разработчиков, низкая стоимость хранения киловатт-часа электроэнергии (всего 95 долларов, тогда как у литий-ионных – 300) – главное преимущество ВЦ батарей. Не обошли вниманием и тот факт, что все материалы для ВЦ аккумуляторов доступны на собственной территории, тогда как месторождения лития находятся преимущественно в Китае, и в условиях объявленной торговой войны это важный фактор. В сравнении с литий-ионными воздушно-цинковые менее горючи, а производство и утилизация практически не наносят природе вред.

Компания Zinc8 предполагает на основе технологии ВЦ разработать модульную сборку ИБП (предполагаемое название ESS), которая позволит создавать конфигурации для питания нагрузки от 20 кВт до 50 МВт, по времени – от 8 до 100 часов. Первая партия ВЦ аккумуляторов должна покинуть конвейер в конце 2020-го года, к 2023 году предполагается внедрить технологию в коммерческих целях. Теория подсказывает, что ВЦ технология может заменить литий-ионную за счет большей плотности хранения электроэнергии.

Разработчики, назвавшие технологию ВЦ батарей принципиально новой, немного слукавили. В свое время исследования в этом направлении проводились, но были признаны бесперспективными. Спустя более полувека, когда наука и техника шагнули вперед, появилась возможность вернуться к базовым изысканиям.

Родиной изобретения принципа ВЦ элементов питания были США (50-е годы прошлого века). В 60-80-е годы весь мир, в том числе СССР, пользовался батарейками «Крона ВЦ», прежде всего, из-за их компактности. Как и другие батарейки, Крону, после разрядки, предполагалось заменять новой (подзарядка производителем не предусматривалась). Но наши умельцы научились перезаряжать ее, в среднем, до 5 раз.

Осторожно! С современными аналогами «Кроны ВЦ» подобные действия производить нельзя, если не хотите получить травму от разорвавшейся батарейки.

ВЦ элементы питания имели существенный недостаток: быстрый саморазряд, происходивший из-за того, что цинковый электрод начинал окисляться под воздействием воздуха сразу после снятия защитной заглушки или герметичной упаковки. Чтобы максимально использовать запасенную энергию, вскрывать упаковку рекомендовалось непосредственно перед установкой в приемник, магнитофон или фонарик. Распечатанная батарейка, оставленная «про запас» за полгода полностью разряжалась. Постепенно ВЦ элементы были вытеснены с рынка щелочными (алкалиновыми), работоспособность которых не так зависит от срока хранения. Полностью от выпуска этих элементов не отказались, но масштабы не те: применяют их только в устройствах, где ВЦ аккумулятор внесен в документацию в качестве единственно допустимого источника питания.

Современные ВЦ аккумуляторы рассчитаны на тысячи циклов «заряд-разряд». Возникает вопрос, как специалистам компании Zinc8 удалось преодолеть проблему саморазряда, но об этом умалчивается. В принципе, ИБП, в котором каждые 6 месяцев придется производить замену элементов (относительно недорогих), вполне может конкурировать в своей нише.

ИБП от «Росэлектроники»

На ознакомление заинтересованным специалистам (потенциальным пользователям) холдинг «Росэлектроника», входящий в госкорпорацию «Ростех», представил первый ИБП собственной разработки. Для его выпуска предполагается задействовать мощности Специального конструкторско-технологического бюро по релейной технике (СКТБ РТ). Запуск производства – 2021 год.

Российский ИБП отличается весьма стильным дизайном
Российский ИБП отличается весьма стильным дизайном

Проект создания ИБП был включен в программу «Конверсия», финансирование (80 млн. руб.) производилось за счет льготного кредита из Фонда развития производства. Запланирован ежегодный выпуск – 50 тыс. штук.

Технические характеристики в официальном пресс-релизе описаны сжато: ИБП универсальный, принцип работы – двойное преобразование, время питания нагрузки – не менее 5 минут. Подключение дополнительных аккумуляторов дает возможность увеличить это время. К сожалению, мощность допустимой нагрузки не указана.

Разумеется, в России уже производятся ИБП с различными характеристиками. Но, как оказалось, их производство несколько отстает от требований, предъявляемых к современной технике. Если это сборка приборов зарубежных брендов, то далеко не новые разработки. Если свои небольшие производства, то, при ограниченности в средствах, опять же, ничего кардинально нового не создашь. Привлечение ресурсов (разработок, специалистов) госкорпорации «Ростех» показывает, что государство заинтересовано в выпуске своих ИБП, современных и успешно конкурирующих с зарубежными аналогами.