Близится осень и приближаются проблемы с электроэнергией. Вполне типичная ситуация, когда отопление еще не включили, а все соседи начинают обогреваться электрокаминами и различными обогревателями, просаживая и без того нагруженную сеть. Бури ломают провода, провода рвутся, оборудование оказывается без питания. Выручает спасительный бесперебойник или ИБП. Но что делать, когда авария на линии продолжается больше часа, а бесперебойник вырабатывает весь ресурс за десятки минут? Наращивать емкость встроенных батарей. Как это сделать правильно и безопасно, а также как подобрать необходимую батарею я сегодня расскажу на реальном примере.
Буквально на днях возникла довольно тривиальная, но интересная задача. Уже давно существующая серверная стойка с небольшим количеством оборудования и примерным потреблением 250-400 Вт оснащена ИБП IPPON Smart Winner Pro 2000. Время его автономной работы составляет порядка часа, а в случае более продолжительного отсутствия электропитания вручную заводился бензогенератор, установленный на улице. Задача: с минимальными затратами обеспечить время автономной работы стойки не менее 6 часов.
Сразу напрашивается вывод оснастить генератор какой-нибудь системой автоматического пуска, типа этой. Плюс в том, что стоимость такой переделки составляет порядка 13 тысяч рублей, а минус в том, что требуется регулярное обслуживание и заправка генератора. Добавляется человеческий фактор, а значит, снижается общая надежность системы.
Вторым способом, который был избран за простоту и надежность, является наращивание емкости аккумуляторов. В этом случае достаточно просто нарастить емкость аккумуляторов, благо в данном экземпляре блок батарей выносной и подключается отдельным проводом. Так как стандартные аккумуляторы имеют емкость в 9 Ач и собраны в батарею на 48 В, то достаточно заменить их на аналогичные гелевые батареи, емкостью 40-50 Ач. Так как блок зарядки оснащен принудительной системой охлаждения, подобная нагрузка не будет критичной и повлияет только на время зарядки батарей.
А что делать тем, у кого и потребление гораздо выше и требования к времени автономной работы заметно отличаются. К примеру, стойка в 1-1.5 кВт и требуется до 24 часов автономии. В этом случае проще всего поставить бесперебойники на 10 минут работы и мощные генераторы с системой автоматического пуска, которые будут заводиться через 5 минут после отключения питания. Вся эта система стоит заметных денег, но иногда стабильность работы это окупает.
Я хочу рассмотреть промежуточный вариант для небольшого офиса или частного дома, когда требуется резерв для переменной нагрузки, с пиком в 6 кВт и средним потреблением до 1 кВт в течение длительного времени без внешней подпитки. Возможно дополнение генератором, тогда система становится полностью автономной.
В качестве бесперебойника для себя я выбрал стоечный вариант ИБП от компании МикроАРТ. Благо такой экземпляр отработал достаточно времени и продемонстрировал безотказную работу. Кроме того, он обладает широким диапазоном настроек, позволяя беречь ресурс аккумуляторов и правильно их эксплуатировать.
Пояснение: Во всех офисных ИБП используются гелевые аккумуляторы, которые имеют массу преимуществ: они поставляются заряженными, не требуют обслуживания и электролит находится в загущенном состоянии, а значит, никогда не выльется. Но все бесперебойники поддерживают на аккумуляторах повышенное напряжение, что позволяет использовать 100% емкости и заряжать их максимально быстро. Вот как раз два последних пункта заметно снижают срок службы аккумуляторов, приводя их к цифре 2-3 года до отказа.
Мне же хотелось 5-7 лет, а лучше все 10 без замены аккумуляторов. И тут мы приходим к выбору типа аккумуляторов.
Типы аккумуляторов
AGM
Технология AGM использует пропитанный жидким электролитом пористый заполнитель отсеков корпуса из стекловолокна. Микропоры этого материала заполнены электролитом не полностью. Свободный объем используется для рекомбинации газов.
Герметичные, необслуживаемые, не требуют вентилируемого помещения для установки. Батареи AGM отлично работают в режиме подзарядки (буферном режиме) со сроком службы до 10-12 лет. Если же их использовать в циклическом режиме (т.е. постоянно заряжать-разряжать на хотя бы 60%-80% от емкости), то их срок службы сокращается чуть ли не в два-три раза. Срок службы при полной автономии до 3-х лет. Рекомендуются для резервного бесперебойного электропитания.
GEL
В жидкий электролит добавляют вещество на основе двуокиси кремния (SiO2), в результате чего образуется густая масса, напоминающая по консистенции желе. Этой массой и заполнено пространство между электродами внутри аккумулятора. В процессе химических реакций в толще электролита возникают многочисленные газовые пузыри. В этих порах и раковинах происходит встреча молекул водорода и кислорода, т.е. газовая рекомбинация. Почти все испарения, таким образом, возвращаются обратно в аккумулятор и это называется рекомбинацией газа. Сепаратор в гелевых аккумуляторах тоже необычный — микропористый дюропластик, за счёт присадок из алюминия он обладает высокой стойкостью в агрессивной среде, обладает высокой температурной стабильностью и механической прочностью; последнее обеспечивает высокую вибростойкость и ударопрочность конструкции. При производстве гелевых аккумуляторов используют высокочистый свинец — это увеличивает эксплуатационные характеристики АКБ в несколько раз. Срок службы при автономии до 4-х лет, при резервном питании до 12 лет. Рекомендуются для резервного бесперебойного электропитания.
Аккумуляторы типа GEL и AGM практически неотличимы внешне и имеют довольно близкие характеристики. Дальше интереснее.
Панцирные
Основой панцирной пластины является чехол (панцирь), изготовленный из нетканого микропористого пластика в виде ряда параллельных трубок. Внутри трубок заключена активная масса. Токоотводящей деталью пластины служит запрессованная в активную массу стержневая рамка, отлитая из свинцово-сурьмянистого сплава. Стержневая рамка отливается под давлением, что исключает образование в токоотводящих стержнях раковин и других литейных дефектов, значительно увеличивая срок службы. Микропористый панцирь надежно защищает положительную активную массу от осыпания и оползания на протяжении всего периода эксплуатации аккумулятор. Рекомендуются для полной автономии и/или резервных систем. Срок службы панцирных АКБ в условиях автономии не менее 10 лет при правильной эксплуатации (или 1500 циклов 80% разрядов), или 15 — 17 лет при резервном питании. Поставляются в сухозаряженном виде.
Литий-железо-фосфатные (LiFePo4):
Изготовленные по литий-железо фосфатной технологии герметичные АКБ. Рекомендуются для полной автономии и/или резервных систем. Срок службы литий-железофосфатных АКБ в условиях автономии до 20 лет при правильной эксплуатации (или 5000 циклов 70%-ных разрядах), или 25 — 30 лет при резервном питании. Поставляются в комплекте с BMS. Данные АКБ имеют ряд важнейших преимуществ и являются самыми перспективными АКБ в мире.
Выбор
Все говорит в пользу Литий-железо-фосфатных батарей(LiFePo4), но первоначальные вложения довольно-таки велики, хотя преимущества неоспоримы: никакой кислоты, герметичные, не требуют обслуживания и самая низкая стоимость цикла заряд-разряд. С учетом всех плюсов и минусов, я решил остановиться на сухозаряженных панцирных аккумуляторах.
Подготовка и сборка аккумуляторной батареи
Так как панцирные аккумуляторы, которые я выбрал, поставляются банками по 2В, а мне необходимо было получить 24В, то потребовалось самостоятельно собирать батарею из 12 штук. Первым этапом стала заправка электролитом. Процедура связана с риском для здоровья, поэтому требуется использовать защитные средства: очки или маска для глаз, респиратор, резиновые перчатки, резиновые сапоги. Еще я добавил дождевик, на случай расплескивания электролита, в котором содержится кислота. Также аккумуляторы лучше всего заливать на резиновом или пластиковом коврике, чтобы в случае проливания электролита на полу не осталось следов.
Для заливания электролита я воспользовался вот таким ручным насосом, устойчивым к кислоте.
Сама заправка аккумулятора достаточно проста, но с учетом 12 банок отнимает немало времени. Сода в кадре не просто так. Из курса химии известно, что кислоту гораздо эффективнее не смывать водой, а нейтрализовать содой, поэтому по технике безопасности лучше держать открытую пачку соды поблизости.
После заправки аккумуляторов электролитом требуется поставить батарею на дозарядку не позднее, чем через 3 часа. Сама процедура зарядки должна осуществляться соответствующим зарядником с током, составляющим 10% (0,1С) от емкости аккумуляторной батареи. К примеру, если емкость составляет 210 Ач, то максимальный зарядный ток должен быть не более 21 А. Толстые перемычки используются для того, чтобы они не стали бутылочным горлышком при протекании больших стартовых токов. Кроме того, при протекании тока по тонким проводам, они заметно разогреваются, что может привести к преждевременному износу аккумуляторов или пожару. Ведь нагрев аккумулятора с +25 до +35 градусов вдвое снижает срок службы батареи.
Следующим этапом, позволяющим из обслуживаемых аккумуляторов сделать малообслуживаемые или совсем необслуживаемые, стала установка пробок рекуперации. Выделяемый при зарядке водород, поднимаясь в такую пробку, объединяется с кислородом и стекает назад в аккумулятор. Прежде чем установить такие пробки, требуется полностью зарядить батарею и дать ей отстояться несколько дней, так как первое время возможно повышенное газообразование, на которое такие рекуператоры не рассчитаны. Если же пренебречь этой ситуацией, то возможен печальный итог: перегрев рекуператора.
В итоге батарея приобрела вот такой вид и потребует лишь профилактической проверки разницы напряжений между аккумуляторными банками раз в год, и проверки уровня электролита раз в 6 лет. Если напряжение у разных АКБ начнёт «разбегаться», то необходимо провести уравнивающий заряд (заряд повышенным напряжением). Если уровень электролита окажется ниже – достаточно долить дистиллированной воды.
Здесь стоит преимущество подобного решения: у герметизированных АКБ (GEL и AGM), водород, несмотря на внутреннюю рекуперацию, тоже всё же потихоньку испаряется, но вот долить воды уже невозможно и такие герметизированные АКБ приходится выкидывать намного раньше.
Запасенная энергия конкретно этой сборки составляет 5040 Вт*ч, а без особых потерь для здоровья батареи можно потратить половину. То есть два-три ноутбука в нормальном режиме работы смогут просуществовать сутки и еще останется запас энергии. Если добавить к этому внешний генератор или солнечные батареи, то система становится полностью автономной и позволит работать не один год.
Заключение
Инвертор с внешним блоком батарей оказался габаритнее стандартного компактного ИБП со встроенными аккумуляторами, но практически бесконечная емкость внешних батарей позволяет заметно увеличить время автономной работы. И если время аварийного питания от ИБП составляет минуты или десятки минут, то при использовании инвертора с внешними аккумуляторами время автономной работы считается в часах или днях.
Если будет интересно, то могу сравнить в лоб два устройства: ИБП Powercom Smart King SMK-2000A-RM-LCD и инвертор МАП SIN Энергия Pro HYBRID с внешним блоком батарей.
Буквально на днях возникла довольно тривиальная, но интересная задача. Уже давно существующая серверная стойка с небольшим количеством оборудования и примерным потреблением 250-400 Вт оснащена ИБП IPPON Smart Winner Pro 2000. Время его автономной работы составляет порядка часа, а в случае более продолжительного отсутствия электропитания вручную заводился бензогенератор, установленный на улице. Задача: с минимальными затратами обеспечить время автономной работы стойки не менее 6 часов.
Сразу напрашивается вывод оснастить генератор какой-нибудь системой автоматического пуска, типа этой. Плюс в том, что стоимость такой переделки составляет порядка 13 тысяч рублей, а минус в том, что требуется регулярное обслуживание и заправка генератора. Добавляется человеческий фактор, а значит, снижается общая надежность системы.
Вторым способом, который был избран за простоту и надежность, является наращивание емкости аккумуляторов. В этом случае достаточно просто нарастить емкость аккумуляторов, благо в данном экземпляре блок батарей выносной и подключается отдельным проводом. Так как стандартные аккумуляторы имеют емкость в 9 Ач и собраны в батарею на 48 В, то достаточно заменить их на аналогичные гелевые батареи, емкостью 40-50 Ач. Так как блок зарядки оснащен принудительной системой охлаждения, подобная нагрузка не будет критичной и повлияет только на время зарядки батарей.
А что делать тем, у кого и потребление гораздо выше и требования к времени автономной работы заметно отличаются. К примеру, стойка в 1-1.5 кВт и требуется до 24 часов автономии. В этом случае проще всего поставить бесперебойники на 10 минут работы и мощные генераторы с системой автоматического пуска, которые будут заводиться через 5 минут после отключения питания. Вся эта система стоит заметных денег, но иногда стабильность работы это окупает.
Я хочу рассмотреть промежуточный вариант для небольшого офиса или частного дома, когда требуется резерв для переменной нагрузки, с пиком в 6 кВт и средним потреблением до 1 кВт в течение длительного времени без внешней подпитки. Возможно дополнение генератором, тогда система становится полностью автономной.
В качестве бесперебойника для себя я выбрал стоечный вариант ИБП от компании МикроАРТ. Благо такой экземпляр отработал достаточно времени и продемонстрировал безотказную работу. Кроме того, он обладает широким диапазоном настроек, позволяя беречь ресурс аккумуляторов и правильно их эксплуатировать.
Пояснение: Во всех офисных ИБП используются гелевые аккумуляторы, которые имеют массу преимуществ: они поставляются заряженными, не требуют обслуживания и электролит находится в загущенном состоянии, а значит, никогда не выльется. Но все бесперебойники поддерживают на аккумуляторах повышенное напряжение, что позволяет использовать 100% емкости и заряжать их максимально быстро. Вот как раз два последних пункта заметно снижают срок службы аккумуляторов, приводя их к цифре 2-3 года до отказа.
Мне же хотелось 5-7 лет, а лучше все 10 без замены аккумуляторов. И тут мы приходим к выбору типа аккумуляторов.
Типы аккумуляторов
AGM
Технология AGM использует пропитанный жидким электролитом пористый заполнитель отсеков корпуса из стекловолокна. Микропоры этого материала заполнены электролитом не полностью. Свободный объем используется для рекомбинации газов.
Герметичные, необслуживаемые, не требуют вентилируемого помещения для установки. Батареи AGM отлично работают в режиме подзарядки (буферном режиме) со сроком службы до 10-12 лет. Если же их использовать в циклическом режиме (т.е. постоянно заряжать-разряжать на хотя бы 60%-80% от емкости), то их срок службы сокращается чуть ли не в два-три раза. Срок службы при полной автономии до 3-х лет. Рекомендуются для резервного бесперебойного электропитания.
GEL
В жидкий электролит добавляют вещество на основе двуокиси кремния (SiO2), в результате чего образуется густая масса, напоминающая по консистенции желе. Этой массой и заполнено пространство между электродами внутри аккумулятора. В процессе химических реакций в толще электролита возникают многочисленные газовые пузыри. В этих порах и раковинах происходит встреча молекул водорода и кислорода, т.е. газовая рекомбинация. Почти все испарения, таким образом, возвращаются обратно в аккумулятор и это называется рекомбинацией газа. Сепаратор в гелевых аккумуляторах тоже необычный — микропористый дюропластик, за счёт присадок из алюминия он обладает высокой стойкостью в агрессивной среде, обладает высокой температурной стабильностью и механической прочностью; последнее обеспечивает высокую вибростойкость и ударопрочность конструкции. При производстве гелевых аккумуляторов используют высокочистый свинец — это увеличивает эксплуатационные характеристики АКБ в несколько раз. Срок службы при автономии до 4-х лет, при резервном питании до 12 лет. Рекомендуются для резервного бесперебойного электропитания.
Аккумуляторы типа GEL и AGM практически неотличимы внешне и имеют довольно близкие характеристики. Дальше интереснее.
Панцирные
Основой панцирной пластины является чехол (панцирь), изготовленный из нетканого микропористого пластика в виде ряда параллельных трубок. Внутри трубок заключена активная масса. Токоотводящей деталью пластины служит запрессованная в активную массу стержневая рамка, отлитая из свинцово-сурьмянистого сплава. Стержневая рамка отливается под давлением, что исключает образование в токоотводящих стержнях раковин и других литейных дефектов, значительно увеличивая срок службы. Микропористый панцирь надежно защищает положительную активную массу от осыпания и оползания на протяжении всего периода эксплуатации аккумулятор. Рекомендуются для полной автономии и/или резервных систем. Срок службы панцирных АКБ в условиях автономии не менее 10 лет при правильной эксплуатации (или 1500 циклов 80% разрядов), или 15 — 17 лет при резервном питании. Поставляются в сухозаряженном виде.
Литий-железо-фосфатные (LiFePo4):
Изготовленные по литий-железо фосфатной технологии герметичные АКБ. Рекомендуются для полной автономии и/или резервных систем. Срок службы литий-железофосфатных АКБ в условиях автономии до 20 лет при правильной эксплуатации (или 5000 циклов 70%-ных разрядах), или 25 — 30 лет при резервном питании. Поставляются в комплекте с BMS. Данные АКБ имеют ряд важнейших преимуществ и являются самыми перспективными АКБ в мире.
Выбор
Все говорит в пользу Литий-железо-фосфатных батарей(LiFePo4), но первоначальные вложения довольно-таки велики, хотя преимущества неоспоримы: никакой кислоты, герметичные, не требуют обслуживания и самая низкая стоимость цикла заряд-разряд. С учетом всех плюсов и минусов, я решил остановиться на сухозаряженных панцирных аккумуляторах.
Подготовка и сборка аккумуляторной батареи
Так как панцирные аккумуляторы, которые я выбрал, поставляются банками по 2В, а мне необходимо было получить 24В, то потребовалось самостоятельно собирать батарею из 12 штук. Первым этапом стала заправка электролитом. Процедура связана с риском для здоровья, поэтому требуется использовать защитные средства: очки или маска для глаз, респиратор, резиновые перчатки, резиновые сапоги. Еще я добавил дождевик, на случай расплескивания электролита, в котором содержится кислота. Также аккумуляторы лучше всего заливать на резиновом или пластиковом коврике, чтобы в случае проливания электролита на полу не осталось следов.
Для заливания электролита я воспользовался вот таким ручным насосом, устойчивым к кислоте.
Сама заправка аккумулятора достаточно проста, но с учетом 12 банок отнимает немало времени. Сода в кадре не просто так. Из курса химии известно, что кислоту гораздо эффективнее не смывать водой, а нейтрализовать содой, поэтому по технике безопасности лучше держать открытую пачку соды поблизости.
После заправки аккумуляторов электролитом требуется поставить батарею на дозарядку не позднее, чем через 3 часа. Сама процедура зарядки должна осуществляться соответствующим зарядником с током, составляющим 10% (0,1С) от емкости аккумуляторной батареи. К примеру, если емкость составляет 210 Ач, то максимальный зарядный ток должен быть не более 21 А. Толстые перемычки используются для того, чтобы они не стали бутылочным горлышком при протекании больших стартовых токов. Кроме того, при протекании тока по тонким проводам, они заметно разогреваются, что может привести к преждевременному износу аккумуляторов или пожару. Ведь нагрев аккумулятора с +25 до +35 градусов вдвое снижает срок службы батареи.
Следующим этапом, позволяющим из обслуживаемых аккумуляторов сделать малообслуживаемые или совсем необслуживаемые, стала установка пробок рекуперации. Выделяемый при зарядке водород, поднимаясь в такую пробку, объединяется с кислородом и стекает назад в аккумулятор. Прежде чем установить такие пробки, требуется полностью зарядить батарею и дать ей отстояться несколько дней, так как первое время возможно повышенное газообразование, на которое такие рекуператоры не рассчитаны. Если же пренебречь этой ситуацией, то возможен печальный итог: перегрев рекуператора.
В итоге батарея приобрела вот такой вид и потребует лишь профилактической проверки разницы напряжений между аккумуляторными банками раз в год, и проверки уровня электролита раз в 6 лет. Если напряжение у разных АКБ начнёт «разбегаться», то необходимо провести уравнивающий заряд (заряд повышенным напряжением). Если уровень электролита окажется ниже – достаточно долить дистиллированной воды.
Здесь стоит преимущество подобного решения: у герметизированных АКБ (GEL и AGM), водород, несмотря на внутреннюю рекуперацию, тоже всё же потихоньку испаряется, но вот долить воды уже невозможно и такие герметизированные АКБ приходится выкидывать намного раньше.
Запасенная энергия конкретно этой сборки составляет 5040 Вт*ч, а без особых потерь для здоровья батареи можно потратить половину. То есть два-три ноутбука в нормальном режиме работы смогут просуществовать сутки и еще останется запас энергии. Если добавить к этому внешний генератор или солнечные батареи, то система становится полностью автономной и позволит работать не один год.
Заключение
Инвертор с внешним блоком батарей оказался габаритнее стандартного компактного ИБП со встроенными аккумуляторами, но практически бесконечная емкость внешних батарей позволяет заметно увеличить время автономной работы. И если время аварийного питания от ИБП составляет минуты или десятки минут, то при использовании инвертора с внешними аккумуляторами время автономной работы считается в часах или днях.
Если будет интересно, то могу сравнить в лоб два устройства: ИБП Powercom Smart King SMK-2000A-RM-LCD и инвертор МАП SIN Энергия Pro HYBRID с внешним блоком батарей.
