不間斷電源(UPS)供電系統(tǒng)執(zhí)行著許多重要功能,其使用價(jià)值在于停電期間為需要不間斷工作的精密設(shè)備提供緊急能源。在市電突然斷電且后發(fā)電機(jī)未啟動(dòng)前,為需要保護(hù)的敏感設(shè)備和關(guān)鍵數(shù)據(jù)提供電力支持。
現(xiàn)在,大多數(shù)的UPS產(chǎn)品仍在使用鉛酸蓄電池作為蓄能電源,其成熟的技術(shù)和良好的成本效益是目前使用最廣泛的儲(chǔ)能解決方案。盡管鉛酸蓄電池具有經(jīng)濟(jì)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),但是歐盟于2006年7月1日頒布的ROSH指令中,明確指出含有鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、多溴二苯醚、多溴聯(lián)苯等重金屬或阻燃劑的電子電氣產(chǎn)品將不允許進(jìn)入歐盟市場(chǎng)。由2007年3月1日起我國(guó)也開(kāi)始實(shí)施了ROHS認(rèn)證,凡在中華人民共和國(guó)銷售的電氣電子產(chǎn)品都應(yīng)符合ROHS指令。
從這一認(rèn)證開(kāi)始以來(lái),不間斷電源廠家都已經(jīng)開(kāi)始尋找一種更環(huán)保且不昂貴的電源技術(shù)來(lái)代替鉛酸蓄電池,并且已經(jīng)研發(fā)出了飛輪蓄能、超級(jí)電容器、燃料電池和鋰離子電池四種備用電源解決方案,其可行性似乎已經(jīng)為取代鉛酸蓄電池做好了準(zhǔn)備。
本文就鉛酸蓄電池和這四種備用電源解決方案探討其優(yōu)缺點(diǎn)以及未來(lái)發(fā)展前景。
鉛酸蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)
鉛酸蓄電池在發(fā)明的150年來(lái),其技術(shù)幾乎沒(méi)有明顯的改進(jìn),但是它卻仍然是應(yīng)用于UPS產(chǎn)品待機(jī)的首選儲(chǔ)能解決方案,主要原因是還沒(méi)有其他的主流技術(shù)可以有效地滿足不間斷工作系統(tǒng)的特殊需要。
優(yōu)點(diǎn):經(jīng)濟(jì)實(shí)惠
應(yīng)用于UPS供電系統(tǒng)的鉛酸蓄電池大部分時(shí)間處于閑置狀態(tài),只有在停電的情況下,才將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能經(jīng)UPS提供給負(fù)載。其使用率雖然很低,但是一旦出現(xiàn)停電,蓄電池能夠迅速釋放電能保證負(fù)載的不間斷運(yùn)行,所以鉛酸蓄電池是作為后備電源的理想選擇。
鉛酸蓄電池能夠提供相對(duì)較長(zhǎng)的備份時(shí)間,它相對(duì)較低的價(jià)格使其成為了最具成本效益且廣泛使用的儲(chǔ)能解決方案。
鉛酸蓄電池缺點(diǎn)分析:
第一, 一般用于大中型數(shù)據(jù)中心的蓄電池組體積較大,并且非常沉重,龐大的電池組占地面積及空間較多。
第二, 較高的維護(hù)費(fèi)用。現(xiàn)在UPS產(chǎn)品中使用的密封鉛酸蓄電池,廠家們通常成為“免維護(hù)鉛酸蓄電池”。事實(shí)上,這些鉛酸蓄電池每年至少檢查兩次,看它們的各極導(dǎo)線夾頭有無(wú)松動(dòng)或燒損現(xiàn)象,電池殼體有無(wú)開(kāi)裂和損壞的情況,以確保他們有良好的工作秩序。如果聘請(qǐng)專家來(lái)進(jìn)行這些工作,其費(fèi)用支出較高。
第三, 鉛酸選電池組壽命短,更換費(fèi)用高。鉛酸蓄電池的使用壽命一般為4年,而UPS的使用壽命一般為它們的2-3倍。這就意味著數(shù)據(jù)中心在建設(shè)初期必須把蓄電池組的費(fèi)用列在預(yù)算之內(nèi)。
第四, 昂貴的廢舊電池處理費(fèi)用。UPS所使用的大量鉛酸蓄電池含有劇毒硫酸,處理淘汰的鉛酸蓄電池費(fèi)用昂貴。
第五, 不可預(yù)測(cè)的可靠性。在對(duì)鉛酸蓄電池的每次放電檢測(cè)時(shí),都會(huì)降低鉛酸蓄電池的性能以及減少其壽命。另外,電池組需要安裝檢測(cè)系統(tǒng),用來(lái)檢測(cè)出需要更換的單只電池,并提供實(shí)時(shí)的報(bào)告和報(bào)警。以免出現(xiàn)老化的電池導(dǎo)致電池備份時(shí)間縮短。
由于鉛酸電池的諸多缺陷,使數(shù)據(jù)中心的管理人員渴望能夠有更新的技術(shù)來(lái)代替鉛酸蓄電池。目前,飛輪蓄能、超級(jí)電容器、燃料電池和鋰離子四種儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)顯示出可行性。雖然還沒(méi)有在UPS產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用,但是已經(jīng)獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。
飛輪儲(chǔ)能技術(shù)
飛輪通常安裝在UPS的底部,由交流市電驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn),從而帶動(dòng)同軸的慣性飛輪利用磁懸浮軸承同速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)市電斷電時(shí),平時(shí)儲(chǔ)存在慣性飛輪中的動(dòng)能仍可不間斷地帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),使發(fā)電機(jī)繼續(xù)給負(fù)載供電。
優(yōu)勢(shì):
1.無(wú)需占地面積。飛輪置于UPS內(nèi)部,比起鉛酸蓄電池組,不需要專門的放置室。
2.環(huán)保無(wú)污染。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)不含有害化學(xué)物質(zhì),對(duì)環(huán)境的影響甚小。
3.使用壽命長(zhǎng)。飛輪通常的使用壽命為10年,且在工作過(guò)程中不影響其性能。
4.較低的維護(hù)費(fèi)用。飛輪的維護(hù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單,與預(yù)防行的蓄電池維護(hù)相比要便宜得多。
缺點(diǎn):
1.備份時(shí)間較短。鉛酸蓄電池可以根據(jù)UPS的容量進(jìn)行配置,應(yīng)急時(shí)間可達(dá)數(shù)十分鐘乃至幾個(gè)小時(shí)。但是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)只能提供30秒的待機(jī)能耗,即便是安裝多個(gè)飛輪,也只不過(guò)是幾分鐘而已,且不可以在線維護(hù)?! ?/span>
2.更高的成本。飛輪系統(tǒng)的金屬盤性能通常取決于軸承,此軸承每隔5年就必須更換,且價(jià)格昂貴。即便是采用飛磁懸浮軸承技術(shù),價(jià)格依然是讓人望而卻步。
3.部件更換費(fèi)用昂貴。飛輪系統(tǒng)包含磁懸浮軸承、真空泵、磁力線圈等,這些部件的更換的時(shí)間間隔需按照廠商提出的建議,由于部件的特殊性,其費(fèi)用要估算在系統(tǒng)的總成本里。
雖然飛輪技術(shù)在不斷地改善,但進(jìn)展緩慢。因此,飛輪對(duì)進(jìn)一步延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)在市電斷電時(shí)的繼續(xù)供電時(shí)間已無(wú)能為力,對(duì)大多數(shù)數(shù)據(jù)中心來(lái)說(shuō),30秒遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足重要IT系統(tǒng)不間斷運(yùn)行的需求。
飛輪的使用范圍可以向適合它們的特定環(huán)境發(fā)展。例如醫(yī)院,醫(yī)院往往配備有發(fā)電機(jī),并且可在市電斷電后10秒鐘投入使用,在這種前提下,飛輪的所提供的30秒待機(jī)能耗足夠完成這一任務(wù)。對(duì)符合這種情況的客戶,飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)他們具有一定的吸引力。
超級(jí)電容器
超級(jí)電容器采用了電化學(xué)雙層原理,又叫雙電層電容器(ElectricDoubleLayerCapacitor;EDLC),也叫功率電容器(PowerCapacitor),是一種介于普通電容器和二次電池之間的新型儲(chǔ)能裝置。超級(jí)電容器集高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)壽命等特性于一身,具有工作溫度寬、可靠性高、可快速循環(huán)充放電和長(zhǎng)時(shí)間放電等特點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn):
超級(jí)電容器與飛輪儲(chǔ)能技術(shù)有著共同的優(yōu)點(diǎn)。他們的體積更小,并且使用無(wú)毒害原料。即便是經(jīng)常充放電也不會(huì)影響其性能和壽命。最重要的一點(diǎn)是,超級(jí)電容器是固態(tài)物體,沒(méi)有可移動(dòng)的部件,因此減少了維修量。
缺點(diǎn):
超級(jí)電容器是一種提供待機(jī)能耗極短的脈沖電源。一個(gè)典型的超級(jí)電容器僅能提供10秒的待機(jī)能耗。和鉛酸蓄電池相比,超級(jí)電容器也是昂貴的。平均而言,一個(gè)超級(jí)電容前期費(fèi)用
大約是一個(gè)等效鉛酸蓄電池的1.5倍?! ?/span>
在未來(lái)的3至5年,技術(shù)的進(jìn)步可能是備份時(shí)間從10秒延長(zhǎng)到30秒,不過(guò)這對(duì)數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵負(fù)載來(lái)說(shuō)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,所以不可能普遍使用。不過(guò),一旦超級(jí)電容器可以達(dá)到30秒待機(jī)能耗,以它的價(jià)格優(yōu)勢(shì)很可能代替飛輪儲(chǔ)能技術(shù),要做的只是設(shè)置一個(gè)有效的備用電源解決方案。
燃料電池
燃料電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置(通常是氫為能源的)。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等,像一個(gè)蓄電池,但實(shí)質(zhì)上它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。氫燃料蓄電池的排放物僅是水以及參與反映的氫和氧。
優(yōu)勢(shì):
1.效率高。燃料電池按著電化學(xué)原理直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能,理論上它的整體熱電合并效率可達(dá)90%以上。
2.噪音低。燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并且沒(méi)有高速運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械,可以安靜地將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,實(shí)驗(yàn)證明,距離40kW磷酸燃料電池4.6m的噪音值為60dB。
3.污染低。當(dāng)以氫燃料作為燃料電池原料時(shí),制取過(guò)程中二氧化碳的排放量比熱機(jī)過(guò)程少40%以上,可以有效地減緩地球溫室效應(yīng)。其次,由于燃料電池所使用的的燃料氣體在反應(yīng)前必須脫硫,所以幾乎不排放硫化物氣體和氮化物氣體,減輕了對(duì)大氣的污染。當(dāng)以純氫為燃料時(shí)它的產(chǎn)物只有純水。
4.原料廣。對(duì)于燃料電池而言,只要含有氫原子的物質(zhì)都可以作為燃料,例如天然氣、石油、煤炭等氣化產(chǎn)物,或是沼氣、酒精、甲醇等,因此燃料電池非常符合能源多樣化,可以減緩主流能源耗竭?! ?/span>
5.應(yīng)用廣泛。發(fā)電量由單節(jié)電池的功率和數(shù)目決定,不論發(fā)電規(guī)模大小均能保持高發(fā)電效率。目前發(fā)展中燃料電池所能提供的電力范圍在1W~1000MW之間,包括可攜帶式電力、車輛電力、現(xiàn)場(chǎng)型汽電共生電廠、分散型電廠以及集中型電廠等?! ?/span>
缺點(diǎn):
1.安全問(wèn)題。氫氣是可燃物,因此燃料電池的用戶在安裝、使用、存儲(chǔ)時(shí)必須小心謹(jǐn)慎?! ?/span>
2.高成本。雖然見(jiàn)年來(lái)燃料價(jià)格已經(jīng)顯著下降,但其價(jià)格還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸蓄電池?! ?/span>
3.供電系統(tǒng)切換時(shí)間長(zhǎng)。當(dāng)市電停止時(shí),燃料電池需要大約30秒的時(shí)間才能開(kāi)始運(yùn)行,在此期間,UPS的啟動(dòng)需要采用小電池提供后備電源?! ?/span>
考慮到氫氣的易燃性,燃料電池制造商正在尋找可代替氫氣的燃料,已提高安全性和加速采用率。然而,盡管燃料電池成本在不斷下降,但其價(jià)格仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鉛酸蓄電池,且這種情況仍將維持一段較長(zhǎng)的時(shí)間。因此,燃料電池在現(xiàn)階段可能僅作為UPS備用電源存在。
鋰離子電池
便攜式電子產(chǎn)品以電池作為電源。隨著便攜式產(chǎn)品的迅猛發(fā)展,鋰離子電池已普遍使用。雖然在數(shù)據(jù)中心或是工業(yè)應(yīng)用中很少用到,但鋰離子電池有著與鉛酸蓄電池相同的功能?! ?/span>
優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn):鋰離子電池最大的優(yōu)點(diǎn)是比能量比。目前,最好的鋰離子蓄電池與鉛酸蓄電池相比,其重量減輕30%,面積節(jié)省30%以上,同時(shí)備份時(shí)間提高了30%?! ?/span>
但是,其成本卻比鉛酸蓄電池高出了4倍。另外,其安全性較差,鋰離子電池可能會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱而爆炸?! ?/span>
現(xiàn)階段鋰離子電池價(jià)格昂貴,在短時(shí)間內(nèi)還不能有效地代替鉛酸蓄電池用于UPS供電系統(tǒng)。但是,鋰離子電池的小尺寸和高密度使其對(duì)電動(dòng)汽車廠商極具吸引力。因此,汽車制造商正積極同鋰離子電池供應(yīng)商開(kāi)發(fā)更安全,更緊湊,更便宜的產(chǎn)品。
事實(shí)上,鋰離子電池因?yàn)榕c鉛酸蓄電池?fù)碛邢嗤墓δ芘c性能,因此專家預(yù)測(cè)鋰離子電池可能成為UPS備用電源的首選技術(shù)。
結(jié)論
對(duì)于可以代替鉛酸蓄電池的可行性技術(shù),是人們一直追尋的目標(biāo)。作為UPS備用電池解決方案,飛輪、超級(jí)電容、燃料電池和鋰離子電池都在節(jié)能和環(huán)保上比鉛酸蓄電池具有優(yōu)勢(shì)。不過(guò)他們目前也有顯著的缺點(diǎn),特別是它們昂貴的價(jià)格還不能被UPS用戶所接受?! ?/span>
不過(guò)技術(shù)不斷在進(jìn)步,在備用電源領(lǐng)域一定會(huì)出現(xiàn)運(yùn)作更可靠,更符合成本效益,并能降低擁有成本的新技術(shù)。