CC BY
120
УДК 621.39
Альтернативные источники энергии для центров обработки данных
Т.С. Аббасова, к.т.н., доцент Российского государственного университета туризма и сервиса (РГУТиС), г. Москва, e-mail: [email protected]
Рассмотрены технические решения по снижению затрат на энергопотребление и эксплуатацию оборудования центров обработки данных; обоснована экономическая эффективность применения гелиоустановок в качестве дополнительного и экологически чистого источника энергии, а также приведены расчеты по выбору шага слежения электропривода гелиоустановки.
Technical decisions are considered on the decline of expenses on an energy consumption and exploitation of equipment of data centers; economic efficiency of application of sun batteries is grounded as an additional and environmentally clean energy source, calculations are resulted on the choice of step of track of electro mechanic of sun batteries.
Ключевые слова: накопитель энергии, солнечная батарея, следящий электропривод.
Key words: energy storage, solar battery, follow-up motor.
Ц е л ь р а б о т ы: рассмотреть технические решения использования гелиоустановок для центров обработки данных и установить зависимость стоимости электроэнергии, сэкономленной за период эксплуатации гелиоустановки, от шага слежения электропривода гелиоустановки.
Совместно используемая инфраструктура центров обработки данных (ЦОД) служит для размещения данных и их обработки на предприятиях не очень большого масштаба, которым легче арендовать вычислительные мощности у более крупной организации, чем оплачивать расходы на электропотребление и управление вычислительным оборудованием (концепция Cloud Computing). Услуги по размещению данных (аутсорсинг) предоставляют возможность передачи провайдеру всех рисков, связанных с размещением и поддержкой вычислительного оборудования. Для уменьшения плотности оборудования (портов оборудования) на единицу площади ЦОД (и соответствующего уменьшения инженерного оборудования для отвода тепла), увеличения коэффициента загрузки сервера и снижения энергопотребления применяются технологии виртуализации.
Дальнейшее снижение затрат на энергопотребление и эксплуатацию оборудования в ЦОД предполагается осуществлять за счет размещения вычислительных мощностей (и найма обслуживающего персонала) там, где это дешевле, и использования солнечных батарей в качестве дополнительного и экологически чистого источника энергии. То есть сегодня популярна идея выноса ЦОД из мегаполисов в регионы, возможно, южные, так как речь идет об использовании солнечной энергии.
В настоящее время правительство России приняло программу развития альтернативной энергетики, которая предполагает увеличение ее доли в энергобалансе страны до 4,5% к 2020 г. Премьер-министр России В.В. Путин подписал постановление об основных направлениях государственной политики в сфере повышения эффективности в электроэнергетике на основе использования возобновляемых источников энергии, в том числе солнечной. Основными препятствиями на пути использования солнечных батарей являются зависимость от погодных условий и времени суток (пик электропотребления приходится на вечерние часы, когда солнечные батареи работают недостаточно эффективно), малая удельная мощность солнечного излучения (порядка 1 кВт/м2) и низкий КПД солнечных элементов.
Для устранения зависимости от погодных условий и времени суток необходим накопитель энергии, который обеспечивает пиковые нагрузки в тех случаях, когда потребность в энергии меньше выходной мощности солнечной батареи. В случае большой интенсивности солнечного излучения вся потребность в энергии покрывается гелиогенератором, а избыток ее накапливается в аккумуляторных батареях. При слабом освещении или в неблагоприятных погодных условиях потребитель сначала использует запасенную в аккумуляторах энергию. Для оборудования ЦОД требуется напряжение питания 220 В переменного тока, поэтому в гелиоустановке должен присутствовать инвертор (рис. 1). Для нейтрализации существенных суточных колебаний солнечной энергии при электроснабжении используют в основном большие гелиогенераторы.
Гелиогенератор Регулятор Аккумулятор Инвертор Сеть
заряда потребителя
Рис. 1. Гелиогенератор в схеме электроснабжения переменного тока
Для повышения надежности функционирования предполагается использовать гибридные схемы использования возобновляемых источников энергии для заряда аккумулятора [1]. На рис. 2 приведена схема включения дизель-генераторного агрегата, который начинает работать при возникновении опасности глубокого разряда батареи для питания нагрузки и одновременного заряда аккумуляторной батареи. Гелиогенератор может дополнять ветросиловая установка (в тех местностях, где бывают сильные ветры). В этом случае частота и продолжительность включения дизель-генераторной установки снижается. При этом обеспечивается значительная экономия жидкого топлива.
Рис. 2. Гибридная схема с гелиогенератором, мотор-генераторным агрегатом и ветросиловой установкой
В настоящее время еще не существует достаточно легких и энергоемких аккумуляторных батарей. Самый высокий потенциал имеют литиевополимерные батареи. Они достаточно компактны и могут быть фактически любой формы. Поэтому эти батареи можно поместить в любые неиспользуемые объемы. Сегодня литиево-полимерные батареи производятся для сотовых телефонов и портативных ЭВМ, но уже скоро данная технология будет доступной для создания достаточно мощных батарей. Этот тип аккумуляторных батарей экологически чище других [2]. Проблема малой удельной мощности солнечного излучения нерешаема. Но если повысить КПД фотоэлементов, то она станет уже не так существенна.
На сегодняшний день наибольшее применение получили фотоэлементы на базе монокристал-
лического кремния. У лучших солнечных моно-кристаллических кремниевых фотоэлементов КПД достигает 15...20%, а КПД серийных кремниевых фотоэлементов достигает 10.15%. Недостатком подобных фотоэлектрических преобразователей является высокая стоимость и низкий КПД.
Переход на гетеросоединения типа арсенида галлия и алюминия и применение концентраторов солнечной радиации с коэффициентом концентрации 50.100 позволяет повысить КПД до 35%. Однако стоимость элементов на базе соединения арсенида галлия и алюминия значительно выше, чем на базе кремния. Фотопреобразователи с концентрацией потока лучистой энергии требуют дополнительной системы наведения на Солнце и в настоящее время они нашли применение исключительно в космических аппаратах [3]. Пленочные фотоэлементы имеют более высокое отношение выходной мощности к массе, меньшую стоимость, но и меньший КПД. Фотоэлементы на базе поликристаллического и аморфного кремния обладают низкой стоимостью, однако и КПД таких элементов значительно ниже, чем у элементов из монокристаллического кремния.
Наиболее перспективны фотоэлементы на базе высокоомных эпитаксиальных структур кремния, на дешевых низкоомных подложках [4]. Фотоэлементы на основе эпитаксиальных структур обладают рядом особенностей: повышенная фоточувствительность, широкие пределы ватт-амперной характеристики (зависимость тока фотопреобразователя от мощности излучения), логарифмическое возрастание напряжения холостого хода с ростом освещенности (область насыщения отсутствует). КПД таких фотоэлементов соизмерим с КПД моно-кристаллических фотопреобразователей.
К интересным разработкам в области создания фотоэлементов можно отнести работу сотрудников Массачусетского технологического института, которые изготовили экспериментальный фотоэлемент, генерирующий электричество с помощью растительных белков. Его КПД составляет 12%, но при этом время его жизни не более трех недель. Однако экспериментаторы рассчитывают значительно увеличить время жизни своего устройства, а также довести его КПД как минимум до 20% [5].
Рассмотрим применение кремниевых фотоэлементов как наиболее перспективных. Выходная мощность кремниевых элементов тем выше, чем меньше отклонение угла падения на них лучистого потока энергии от 90°. На рис. 3 приведена зависимость, характеризующая это явление.
Альтернативные источники энергии для центров обработки данных
Рис. 3. Зависимость тока преобразователя 1ф от угла а падения излучения
Источником лучистой энергии является Солнце, которое перемещается по небосклону. Если гелиоустановка неподвижна и сориентирована в полдень по направлению на Солнце, то она теряет часть энергии по сравнению с подвижной гелиоустановкой [6]. Гелиоустановка без концентрации лучистого потока энергии теряет до 40% энергии. Гелиоустановка с концентрацией лучистого потока энергии еще более чувствительны к углу падения излучения. Следовательно, для поддержки угла падения излучения на фотоэлемент, близкого к 90°, необходима система слежения за Солнцем - следящий электропривод. Он должен работать как в постоянном режиме, так и в пошаговом с экономией электроэнергии в период ее отключения.
Экономию электроэнергии в электроприводе в результате перехода от непрерывного режима к пошаговому режиму автосопровождения Солнца целесообразно оценить через коэффициент эффективности [7], представляющий собой отношение потерь при непрерывном слежении и пошаговом режиме:
Кэф = лрса /ладш, (1)
где ЛРсл - общие потери мощности в двигателе и силовой электрической части при непрерывном слежении, Вт; 4 - продолжительность непрерывного слежения, с; ЛЖш - потери энергии в двигателе при отработке одного шага, Дж; Мш - число шагов за время слежения.
В качестве базового электропривода примем электропривод с преобразователем напряжения на транзисторах и для него определим потери ЛРсл. Допускаем, что двигатель и механическая часть при переходе от непрерывного режима к шаговому режиму не изменились. Это возможно благодаря тому, что непрерывное слежение осуществляется при частоте вращения двигателя, значительно меньшей
номинальной. Более высокие частоты вращения резервируются для режимов «переброса», когда после захода Солнца установка совершает поворот с запада на восток, и для режимов «захвата цели». Потери в приводе представим как сумму постоянных и переменных потерь в двигателе, а также потерь в силовом регуляторе напряжения:
ЛРсл=ЛРСт+ЛРмех+ЛРдоб+ЛРв+ЛРя+ЛРщ+ЛРс.р, (2) где ЛРст и ЛРмех - потери в стали и механические потери в двигателе при частоте вращения, соответствующей частоте вращения непрерывного слежения, Вт; ЛРдоб и ЛРв - добавочные потери и потери в обмотке возбуждения, Вт; ЛРя - потери мощности в обмотке якоря, Вт; ЛРщ - потери мощности на щеточных контактах в двигателе, Вт; ЛРср - потери мощности в силовом регуляторе напряжения, Вт.
После ряда преобразований выражение (1) можно представить в виде
Кэф ® ш/® с[-^(® с/® ш) +£]/[ЛРуст + В(Юш/0 ш)] (3)
где юс и юш - угловые частоты вращения исполнительного вала в процессах непрерывного и пошагового слежения, рад/с; ЛРуст - потери мощности в течение шага в установившемся режиме, Вт;
0ш - шаг слежения, рад:
^(®с/®ш) КотЛРмех.ном (юс/юш)+ Кот ЛРст.ном +
+(йс/йш)1,3+КотФТс [1-Ю ном (ю с/ю ш)Кот];
параметр В (не зависящий от частоты вращения вала двигателя) -
В=ЛРдоб +ЛРв +/с2Кя+2ЛЦщ /с(/НОм + Тс)/сДя+
+(Ц -ЦномУс;
параметр В (отражающий потери энергии в переходном процессе) -
В = К + ТмЛруст;
коэффициент К -
К = Тм[1/2(/к.з - 1с)2 Дя+(/,з - /с)(2Лищ+Ли,рот+
+21с К) - Кот(ЛРст.ном+ЛРмех.ном)] +ЛРв0о - 1,5Тв).
В последних трех формулах Кот - коэффициент отклонения установившейся скорости вала двигателя от номинальной; Ф - магнитный поток в двигателе, Вб; 1с - статический ток якоря двигателя, А; юном - номинальная частота вращения двигателя, рад/с; Кя - сопротивление якоря, Ом; 1ном -номинальный ток двигателя, А; Лищ - падение напряжения на щеточном контакте, В; ином - номинальное напряжение двигателя, В; Тм и Тв - постоянные времени механической системы и обмотки возбуждения, с; /к.з - ток короткого замыкания, А; Лис.рот - падение напряжения на силовом ключе в открытом состоянии, В; ис - напряжение сети, В; ^о - время опережения включения обмотки возбуждения перед подачей на якорь двигателя, с [8].
На рис. 4 представлена зависимость коэффициента эффективности от шага слежения, построенная по формуле (3), для наглядности размер шага переведен из радиан в угловые градусы. В качестве примера взят двигатель постоянного тока СЛ-321, устанавливаемый на гелиоустановках мощностью до 4 кВт (наиболее применяемый класс гелиоустановок). Из рис. 4 видно, что в рассматриваемом случае коэффициент эффективности высокий даже при малых значениях шага.
Рис. 4. Зависимость Кэф от 0ш
После установления зависимости коэффициента эффективности электропривода от шага слежения перейдем к экономической оценке эффективности. Определим стоимость электроэнергии, сэкономленной за период эксплуатации гелиоустановки [9]:
ЛР = - Рл)[1 - 1/ Кэф(0ш)], (4)
где N - срок службы гелиоустановки (20 лет), выраженный в часах (175 200 часов); C - стоимость
1 Вт-ч, руб.; P - мощность, потребляемая электродвигателем, Вт; ^ - КПД электродвигателя;
Кэф(0ш) - коэффициент эффективности в зависимости от шага слежения.
Из рис. 5 видно, что экономический эффект оказывается большим уже при шаге приблизительно
0,1°, а при дальнейшем увеличении шага он возрастает незначительно.
Использование альтернативных источников энергии может дать дополнительную экономическую эффективность при резервировании источника бесперебойного питания (ИБП) кабельной системы. В [10] рассмотрено использование аккумуляторных батарей ИБП различной емкости. После выработки ресурсов батарей ИБП включается дизель-генераторная установка, частоту и продолжительность включения которой можно снизить не за счет более дорогих батарей, рассчитанных на более продолжительное время работы, а за счет гибридных схем, подобных приведенной на рис. 2.
Использование гелиоустановок для центров обработки данных экономически эффективно. Для окончательного выбора шага слежения гелиоустановки за Солнцем необходимо искать компромисс между экономией электроэнергии в следящем электроприводе, что требует увеличения шага слежения, и вызванным этим уменьшением тока на фотоэлементе, а следовательно, и выходной мощности гелиоустановки.
ЛИТЕРАТУРА
electric cars.
Рис. 5. Зависимость стоимости электроэнергии, сэкономленной за период эксплуатации гелиоустановки, от шага слежения излучения
1. W. Roth. Elektrische Bahnen, 2002, № 8/9.
2. Frederic Hauge. Battery-driven www.belona.org.
3. Андреев В.М., Грилихес ВА, Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. - Л.: Наука, 1989.
4. Фотопреобразователь на основе кремниевых эпитаксиальных структур n-n+ -типа // Гелиотехника, 1985, №6.
5. Научная Интернет-библиотека // www.nature.com.
6. Овсянников Е.М. Электропривод энергетической установки // Привод и управление, 2000, №2.
7. Терехов В.М., Овсянников Е.М., Гулям Савар. Оптимизация режимов слежения по потерям электроэнергии в тихоходных следящих электроприводах. -Тр. МЭИ, 1995, вып. 672.
8. Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. 2-е изд. - М.: Энергия, 1973.
9. Овсянников Е.М., Пшеннов В.Б., Аббасов Э.М.Эко-номический эффект в результате перехода к пошаговому режиму слежения гелиоустановки за Солнцем // Промышленная энергетика, 2007, №9, С. 51 - 53.
10. Артюшенко В.М., Аббасова Т.С. Особенности резервирования источников бесперебойного питания компьютерного и телекоммуникационного оборудования // Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2007, т. 3, №3, С. 20 - 23.
Поступила 28.06.2009 г.
