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2018/11/20

新興UPS要求與日俱增 備援電力穩定持久難度高

鉛酸電池不再獨佔鰲頭 四新興電源技術急起直追

Ed Spears
儘管不斷電系統(UPS)增添了許多重要功能,但多數使用者最重視的功能仍是電力中斷時可即時提供的緊急電源。UPS可於電力服務中斷時啟動備用發電機,同時依照流程關閉系統,或將資料移動、處理至災難復原區等,讓IT人員有更充裕的時間保護敏感設備和資料。
現今,大多數的不斷電系統(UPS)皆採用鉛酸電池儲存緊急備用電源。鉛酸電池的技術已經過驗證,且數十年來在各種不同的產業中皆有出色成績;根據其每分鐘的備用時間測試結果,鉛酸電池往往是最具成本效益的儲能解決方案。

然而,鉛酸電池雖然具有上述優勢,但因鉛酸電池的體積、重量、保養條件、有毒物質及使用壽命相對較短等諸多因素,使其無法受到資料中心管理者所採用。有鑑於此,UPS製造商不斷地尋找比鉛酸電池更小、更可靠、「更環保」,但營運成本更低的備用電源技術替代方案。

許多令人期待的全新備用電源解決方案正加速升級為主流商用提供可行性規格,並且不再讓鉛酸電池繼續獨占備用電源的鰲頭。本文將探討四種相關技術的優缺點及未來發展,包括鋰離子電池(Lithium-ion Batteries)、飛輪(Flywheels)、超級電容器(Ultracapacitors)以及燃料電池(Fuel Cells)。

傳統選擇:鉛酸電池

鉛酸電池(Lead Acid)其實很難稱作是尖端技術(圖1),事實上,第一個鉛酸電池早在一百五十多年前就已問世。然而,由於沒有其他主流技術可以有效或符合經濟效益地處理資料中心的特殊需求,使得鉛酸電池至今仍是UPS備用能源儲存的首選。


▲圖1 鉛酸電池。


不同於堆高機或油電混合車規律、穩定使用的電池,UPS的電池大半時間均處於閒置狀態。一年中可能有二至三次電力中斷的意外發生,促使UPS的電池迅速在高電流狀態下放電。當電力恢復後,UPS將重新為電池充電,隨後便進入另一段等待期。因此,雖然UPS的電池並不常使用,一經使用後通常緊迫且猛烈。關於鉛酸電池的優點,可從內部化學成分、備用時間、價格、電池監控系統四方面來加以說明。

就內部化學成分而言,鉛酸電池專為無法預測且無一致性的IT環境量身打造,因其內部的化學成分能在接獲指示時提供大量電流,同時又能在浮動或閒置模式中維持合理使用壽命。而其備用時間相對較長,通常為5~15分鐘。

在價格方面,鉛酸電池的價格相對較低,是目前最具成本效益的備用儲能解決方案,不過這項優點正迅速改變中,因其他技術正以實惠的價格迎頭趕上,現今已有與其價格相當的替代方案。

然後是其電池監控系統,現在有許多商用系統可持續測量單一電池的性能,並在需要特別留意電池狀態或更換電池時提供即時回報與警報。新系統更可主動偵測並減緩熱散逸(Thermal Runaway)等危險狀況。這些工具相當複雜,不僅價格昂貴,還需有分析數據能力的使用者,且需要安排合格廠商檢查或替換指定電池。不過,只要正確使用,電池監控系統就能延長密封鉛酸電池的使用年限,避免在單一電池故障時電力中斷,導致備用時間減少。

鉛酸電池的缺點,可由外型尺寸、成本、可靠性三個面向來解釋。首先是外型尺寸,鉛酸電池非常龐大且重量相當重。典型的中型UPS電池重達5~8噸,因此,相較於其他電池類型,鉛酸電池的能量重量比(Energy-to-weight Ratios)及能量體積比(Energy-to-volume Ratios)都較為遜色。

在成本方面,考量保養、更換及棄置費用,鉛酸電池的生命週期成本較高。一般用於今日UPS中的密封鉛酸電池通常都標榜「免保養」。實際上,這種電池至少仍需一年檢查兩次,確保其連接緊密、沒有腐蝕情形,可正常運作。視電池尺寸而定,若聘請專家進行檢查,一年則可能花費2,000美元以上。此外,密封鉛酸電池的使用壽命一般為5~6年,這代表資料中心須在一般的UPS壽命期間編列兩、三次電池更換預算。




除此之外,一般UPS內的電池可能含有高達數百加侖的劇毒稀釋硫酸,因此棄置這類電池須透過合法、昂貴且規範嚴謹的處理程序。多數UPS使用者會將廢電池送回製造廠回收,這意味著他們須為數噸高危險貨物支付運費。棄置成本須包含在電池更換預估成本中,尤其必須參閱根據國家或地區對電池棄置與回收要求所制定的適當棄置流程。

論及可靠性,確認鉛酸電池可提供緊急備用電源的唯一方法是執行測試放電。不幸的是,每次為鉛酸電池測試放電,都會永久性地減少電容量並略為縮減運作壽命。雖然最先進的UPS都有內建電池測試程式以降低這類電池耗損,但仍無法完全避免。

替代選項1:鋰離子

鋰離子電池(Lithium-ion)在過去十年中持續縮小,不但變得更輕、密度也更高,行動電話及筆記型電腦多採用此種電池(圖2)。以工業產業或資料中心而言,鋰離子電池與鉛酸電池的性能不相上下,卻提供更多好處。


▲圖2 鋰離子。


鋰離子擁有外型小巧、備用時間長、壽命長、內建電池監控系統等優點。目前最佳的鋰離子電池比鉛酸電池少了60%的重量,體積也少了40%。鋰離子電池不僅更輕、更小,備用時間更延長了30%。此外,鋰離子電池其長達10年的使用壽命為一大特色,生命週期更長,就長期而言,更具經濟效益。這項優點特別適合應用於電網共享,是某些資料中心營運商的理想選擇。而進階的鋰離子電池更有內建電池管理系統,可針對溫度、電壓位準(Voltage Level)和電流問題提供自動平衡、最佳化和保護。

 
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