Są aplikacje związane ze sterowaniem, dla których krótka przerwa w dostawie energii lub obniżenie napięcia stanowi problem. Jednakże dla większości procesów sterowanych komputerowo nawet krótka awaria źródła zasilania jest nie do zaakceptowania i zarazem kosztowna. Tradycyjnym środkiem zagwarantowania ciągłego zasilania jest zastosowanie układów UPS w powiązaniu z generatorami.
Układy UPS są uznanym rozwiązaniem, lecz baterie kwasowo-ołowiowe ładuje się dość wolno, wymagają stałej konserwacji, są czułe na zmiany temperatury oraz stanowią duży koszt dla ochrony środowiska. Problemem jest także odpowiednie złomowanie, które jest regulowane przez restrykcyjne przepisy.
Producenci baterii akumulatorowych twierdzą, że życie baterii może być utrzymywane co najmniej przez 4 lata, jeśli są one trzymane w stałej temperaturze 24°C i nie są nadmiernie często wykorzystywane. To może być problematyczne dla firm, w których dochodzi do częstych i krótkich przerw w dostawie energii. Za każdym razem, gdy baterie są załączane, tracą powoli swoją żywotność. Dodatkowo większość baterii w UPS-ach jest połączona szeregowo, co oznacza, że jedno rozładowane ogniwo może sprawić, iż cały szereg będzie bezużyteczny.
Alternatywne rozwiązanie
Działając jako bateria mechaniczna, koło zamachowe magazynuje energię kinetyczną w szybko obracającym się mechanizmie i przetwarza ją na energię elektryczną w celu zapewnienia zasilania krytycznych elementów systemu. Zapewniający energię na czas, gdy do pracy włączą się generatory szczytowe, system ten oparty na kole zamachowym nie zajmuje dużo miejsca, jest prawie bezobsługowy oraz stanowi stosunkowo niedrogie źródło gwarantujące stałe zasilanie dla instalacji o wysokim ryzyku przerw w zasilaniu. Chociaż początkowy koszt systemu z kołem zamachowym jest z reguły większy niż koszt baterii, którą ma zastępować lub uzupełniać, to jego dłuższa żywotność i tańsze utrzymanie często przynosi oszczędności w ciągu całego życia układu.
Magazynowanie czystej energii
Technologia wykorzystująca koła zamachowe magazynuje energię kinetyczną w cichym, wirującym dysku, zapewniając niezawodne i przewidywalne źródło napięcia stałego.
Wraz z ostatnim postępem, który uczynił ten system bardziej kompaktowym i jednocześnie zdolnym do zasilania aplikacji o większym poborze mocy, technologia wykorzystująca koła zamachowe okazała się niezawodnym, przyjaznym środowisku rozwiązaniem zapewniającym dodatkowe źródło energii magazynujące ją w sposób mechaniczny, a nie chemiczny, i tym samym zwiększającym niezawodność oraz zmniejszającym ślad węglowy.
Zaprojektowany do aplikacji o dużym poborze mocy i krótkim okresie eksploatacji, system z kołem zamachowym może zastąpić baterie kwasowo-ołowiowe, pracując jak bateria dynamiczna, która gromadzi energię kinetyczną w obracającej się wokół osi masie. Zasilanie elektryczne na bieżąco napędza wirnik koła zamachowego, a stałe źródło zasilania podtrzymuje obracanie się koła 24 godziny na dobę, aż do momentu, gdy nie zajdzie potrzeba oddania energii.
Sprawdzona technologia wykorzystana w kole zamachowym pozwala głowicy wirnika, która jest rodzajem wysoko obrotowego silnika/generatora z magnesem stałym wyposażonego w bezkontaktowe łożyska magnetyczne, lewitować na 100% i podtrzymywać wirnik podczas pracy. Taki układ pozwala głowicy wirnika na obracanie się bez kontaktu metalicznego, eliminując zużycie mechaniczne, smarowanie łożysk i konserwację. W rezultacie nie ma potrzeby wymiany łożysk w ciągu całego czasu eksploatacji.
W przeciwieństwie do tradycyjnych baterii koło zamachowe może się ładować i rozładowywać przez nieskończoną liczbę cykli bez degradacji w ciągu jego 20-letniego cyklu eksploatacji. Ilość zgromadzonej energii i jej czas zużycia jest proporcjonalny do masy koła i do kwadratu jego prędkości obrotowej.
W połączeniu z układem UPS koła zamachowe mogą dostarczać energię prądu stałego na czas zaniku zasilania podstawowego oraz zapewniać stabilizację napięcia podczas krótkich przerw w zasilaniu z sieci dystrybucyjnej i krótkotrwałych spadków napięcia, chroniąc baterie akumulatorów na czas, gdy zajdzie potrzeba dłuższego zasilania ze źródła rezerwowego. Większość generatorów rezerwowych wymaga od 6 do 10 sekund do pełnego uruchomienia i połączenia się z układem UPS przez automatyczny łącznik zasilań.
Niektóre układy kół zamachowych mogą zapewniać do 300 kW stałej mocy oraz stabilizację napięcia przez ponad 20 sekund (lub inne kombinacje mocy i czasu), co jest nawet więcej niż wystarczającym czasem dla większości awarii układów zasilania elektrycznego.
Zwrot kosztów z inwestycji
Porównując koszt baterii i koszt koła zamachowego w stosunku do cyklu życia tych układów, staje się jasne, która technologia cechuje się większymi oszczędnościami. Inżynierowie odkryli, że koło zamachowe jest faworyzowane w stosunku do baterii z powodu zwrotu kosztów w ciągu trzech do czterech lat.
Warto także wiedzieć, że decyzja zakupu nie jest koniecznie opcją typu „albo-albo”, ponieważ koło zamachowe może pracować z baterią lub bez baterii.
W przypadku pracy z baterią koło zamachowe stanowi pierwszą linię obrony przed szkodliwymi awariami układu zasilania, ponieważ absorbuje wszystkie krótkotrwałe rozładowania.
Koło zamachowe redukuje ilość i częstotliwość rozładowań, które skracają żywotność baterii. W przypadku użycia koła zamachowego z układem UPS i bez baterii system zapewni stałe zasilanie podłączonego obciążenia w taki sam sposób, jak z układem baterii.
Jeśli awaria zasilania trwa dość długo, tzn. ma znamiona trwałej awarii, wtedy koło zamachowe przełącza układ na generator rezerwowy.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
Autor: Frank DeLattre
