reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Schurter Technologie | 10 stycznia 2018

400 VDC dla centrów danych

Centra danych to potężne odbiorniki energii, a ich systemy zasilania oparte o liczne konwersje AC/DC, często nie są zbyt efektywne. Powstają duże straty, z którymi też coś trzeba zrobić, a podejście DC może to zmienić. Korzyści mogą być ogromne, zwłaszcza przy tak dużych odbiornikach.
Oszczędzanie energii niesie za sobą wiele korzyści. Przykładem może być tu dbałość o środowisko. Odmienić się też może podejście do budowania systemów zasilania na zgodne z ideą ‘lean’ („szczupłych” systemów zasilania). Pozwoli to oszczędzić koszty, ale też czas potrzebny na budowanie skomplikowanych systemów zasilania. Zmniejszy się też wysiłek potrzebny w zaplanowanie delikatnego ekosystemu zasilającego.

Sporo energii traci się bowiem poprzez ciągłą konwersję, transformację, ponowne konwersje, transformacje, itd. Wiele takich czynności nieustannie dzieje się w centrach danych. Zniwelowanie tych kroków pozwoli na spore oszczędności.

Rzut okiem wstecz

Obecnie prąd przemienny jest podstawowym sposobem transportowania energii. To od tej formy zaczynamy konwersję, często do niej wracając. Jednak nie zawsze prąd przemienny (AC) był standardem. I być może niedługo przestanie nim być, przynajmniej w niektórych obszarach.

Podczas „Wojny prądów”, która miała miejsce pod koniec XIX wieku, dwa przeciwne obozy (Nikola Tesla oraz George Westinghouse vs Thomas Alva Edison) walczyły do końca, co rusz przedstawiając argumenty za swoim sposobem i ukazując niedoskonałości drugiej metody.

Wojna ta była pierwszą tak dużą walką przemysłową o ustanowienie standardu. Obecnie wszyscy wiemy jak ta walka się skończyła.

Powrót prądu stałego

Jednak porażka Edisona wcale nie oznaczała, że prąd stały (DC) zostanie zapomniany. Jest on dzisiaj powszechnie wykorzystywany w wielu urządzeniach elektrycznych oraz elektronicznych. Przykładem mogą być urządzenia elektroniczne codziennego użytku, a także samochody (oraz wiele innych pojazdów), gdzie nieustannie od początku króluje prąd stały.

Jednocześnie wiele urządzeń, które generują prąd stały są w stanie ostatecznie oferować prąd przemienny, np. systemy fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, ogniwa paliwowe, itd. Przyjęło się, że duże moce przekazywane są za pomocą prądu przemiennego, jako efektywniejszej metody przekazywania energii jednak nie jest to regułą.

W niektórych zastosowaniach chętnie wykorzystuje się wysokonapięciowe systemy transmisyjne przekazywania energii z wykorzystaniem prądu stałego: HVDC. Zostały tak zaprojektowane, by generować bardzo małe straty, przy przekazywaniu dużych ilości energii z wykorzystaniem prądu stałego.

Prąd w formie stałej jest wykorzystywany niemalże wszędzie chociaż raz, w całym ciągu transmisyjnym: przy generowaniu energii, jej przemianie, gromadzeniu i/lub użytku. Mimo tej powszechności nadal w stosuje się prąd przemienny (AC) przy przekazywaniu energii o dużych mocach, lub na większe dystanse. Wynikać to może też chociażby z wielu lat upowszechnienia się tego standardu i dostosowanej do tego infrastruktury.

Jednak wymaga to wielu konwersji po drodze. To z kolei generuje liczne straty, a tym samym marnowanie energii. Warto też pamiętać o cieple, jakie powstaje w wyniku tych strat w wielu urządzeniach po drodze, od generatorów po odbiorniki końcowe.

Żarłoczne centra danych

Według brytyjskiego raportu z 2016 roku, centra danych są odpowiedzialne za pochłanianie około 3% światowych zasobów energetycznych. Odpowiadają też tym samym za emisję gazów cieplarnianych (około 2% całościowej emisji światowej). Są to wielkości porównywalne z przemysłem lotniczym, często oczernianym w kwestii ekologicznej.

Szacuje się, że wszystkie centra danych na świecie zużywają ponad 400 TWh (tera-wato-godzin). Jest to więcej, niż średnie zużycie Wielkiej Brytanii w ostatnich latach (około 300 TWh). Centra danych są więc dość żarłocznymi odbiorcami energii.

Warto zwrócić uwagę jednak na współczynnik efektywności PUE („Power Usage Effectiveness”). Pozwala on zaznajomić się z efektywnością danych odbiorników, porównując energię pobieraną przez całe centra z tym, ile energii potrzebują same komputery. Przykładowo współczynnik wynoszący 1.3 oznacza, że około 30% energii marnuje się na ciepło. Jednak taka wartość byłaby wartością pożądaną, bowiem w rzeczywistości wielkość ta obecnie często przekracza 2.

Czemu powstają straty?

Straty są wszędzie. Przykładowo: w procesorze, w systemie chłodzenia, klimatyzacji, ale też w układach dystrybucji energii. Przyjrzymy się temu ostatniemu. Głównym źródłem zasilania dla centrów danych są linie napięciowe prądu przemiennego (AC), które należy przetransformować w dogodniejszą formę. Trzeba więc napięcie obniżyć i przekonwertować do postaci DC. Jest to konieczne by zasilić baterie w UPS.

Następnie ponownie uzyskuje się napięcie AC, by dostarczyć energię w odpowiedniej formie do dalszych urządzeń dystrybucji energii (PDU). W kolejnych etapach następuje ponowna konwersja, by ostatecznie móc zasilić poszczególne komponenty komputerów. Stopni konwersji energii jest więc wiele i każdy z nich generuje straty. Straty te najczęściej objawiają się generowanym ciepłem, które dodatkowo trzeba odprowadzić, co pociąga za sobą konieczność budowania większych systemów chłodzenia, a te znowu pochłaniają kolejne porcje energii.

Podejście DC

Podejście polegające na tym, by sieć zasilająca w centrach pracowała niemal od początku na napięciu stałym ma więc sens, tym bardziej że ostatecznie i tak wymaga się tej formy energii. Napięcie wejściowe z sieci (AC) jest transformowane i konwertowane przez wysoce wydajne prostowniki na postać stałą.

Można w ten sposób bezpośrednio zasilać odpowiednie UPS, by dalej dostarczyć energię już w odpowiedniej formie od razu do maszyn. Koniecznym będzie tylko sprowadzenie napięcia do odpowiedniego poziomu.



Po co to wszystko?

Jak nietrudno się domyśleć, takie podejście pozwoli zredukować ilość strat generowanych przy dystrybucji energii (PDU) w centrach danych. Wynika to z wyraźnie mniejszej ilości komponentów, niż w przypadku wykorzystywania prądów przemiennych i konieczności ciągłej konwersji do tej formy.

Jak podają badania i testy (np. przeprowadzone przez ABB), efektywność pracy układów zasilających przy takim podejściu zwiększa o nawet 10%, oszczędzając na samych tylko procesach konwersji i transformacji energii. To jednak nie wszystko. Całościowy zysk może być większy. Warto zwrócić uwagę na mniejsze koszty inwestycyjne, mniej zajmowanej powierzchni i mniejsze koszty związane z chłodzeniem. Wszystko to pozwala na osiągnięcie oszczędności na poziomie sięgającym nawet 25%.

Korzyści może być nawet więcej. Mniej komponentów, to sprawniejsza instalacja, szybszy serwis (diagnostyka, wymiana, itd.), a także stworzenie warunków dla mniejszej liczby usterek. System będzie więc bardziej niezawodny, a także tańszy, nie tylko w zakupie, ale też utrzymaniu.

Zyskać możemy także na jakości. Prąd stały to pozbycie się problemu z harmonicznymi, czy też kompensacją fazową. Nie będzie też potrzeby synchronizacji i strojenia różnych urządzeń (np. sieciowych) pod kątem tych problemów. Uproszczeniu ulegną także niektóre urządzenia, jak np. UPS, gdyż zniknie konieczność stosowania w nich prostowników oraz falowników.



Odnawialne źródła energii

Centra danych coraz rzadziej tworzy się w centrach miast. Wynika to chociażby z powierzchni, jaką trzeba na nie poświęcać, a ta nie jest tania. Coraz częściej takie inwestycje powstają na uboczu dużych miast, a nawet dalej. To tworzy kolejne, nowe możliwości i korzyści dla podejścia DC.

Odnawialne źródła energii mogą bez problemu generować energię od razu w formie stałej. Przykładem mogą być panele fotowoltaiczne, ogniwa paliwowe, a także turbiny wiatrowe. W dość łatwy i tani sposób będzie można te źródła energii zintegrować z dystrybucją DC.

Standardy

Niektóre centra danych już przeszły na technologię DC. Przykładem mogą być te budowane w Japonii, USA, Chinach, a także Niemczech czy Szwajcarii. Do niedawna jednak był problem ze standardami dla tej technologii.

Komicja IEC („International Electrotechnical Commission”) utworzyła niedawno (w 2015 roku) standard, oznaczony jako IEC TS 62735-1. Określa on między innymi standardy dla gniazd i wtyczek stosowanych w technologiach DC do mocy dystrybuowanej 2.6 kW. Kolejna wersja tego standardu (IEC TS 62735-2) wypuszczona w grudniu 2016 określała normy dla urządzeń operujących mocami do 5.2 kW.

Kolejnym krokiem jest ustanowienie standardów dla urządzeń końcowych. Obecnie tworzy się rozwiązania dla złącz DC, bazując na standardach AC, takich jak IEC 60320. Jak na razie powstało kilka propozycji, lecz żadne z nich nie przetrwały zbyt długo, w związku z wprowadzanymi powoli standardami. Dlatego też wielu dostawców nawiązuje współpracę z IEC, by móc zaoferować rozwiązania zgodne z międzynarodowymi standardami, które stanowić będą zastępstwo dla rozwiązań własnych.

Wady?

Tam gdzie światło, jest i cień. Również technologia DC i systemy zasilania 400 VDC nie są całkowicie pozbawione wad. Jedną z nich jest dość mała jeszcze wiedza na temat długoterminowych skutków pracy takich systemów. Odpowiednią wiedzę zdobędzie się dopiero na przestrzeni kilku najbliższych lat.

Z faktem, że jest to technologia nowa wiąże się też inna wada. Niewiele jest sprzętu, który wspiera to nowe podejście. Co więcej, wymaga to dokładnego i przemyślanego planowania całej sieci, niemalże od początku, czyli od momentu pobrania energii z sieci, aż do dostarczenia jej w odpowiedniej formie do poszczególnych komponentów w komputerach. Oczywiście uwzględniając wszelkie kroki pośrednie.

Zmianie ulegną nie tylko zasilacze komputerowe czy UPS, ale także zasilanie dla systemów chłodzenia, które również powinny pracować na zasilaniu DC. Mimo, że systemy DC generują mniejsze straty, to nadal one powstają; powstaje więc też ciepło z którym trzeba sobie radzić.

Producenci tego typu rozwiązań powinni współpracować ze sobą. Współpraca jest bowiem najefektywniejszym sposobem na ustanowienie standardów, a także szybsze upowszechnienie się danych technologii.

Perspektywy i korzyści

Zasilanie centrów danych prądem stałym niesie ze sobą ogromne korzyści. Można uzyskać spore oszczędności: zmniejszyć wydatki na systemy zasilania, oszczędzić miejsce, zasoby i czas. Nie bez znaczenia jest też wpływ na środowisko.

Nie tylko zredukujemy ilość gazów cieplarnianych, ale będzie można efektywniej korzystać ze źródeł energii odnawialnej (dostarczać energię niemal bezpośrednio, bez transformacji czy konwersji). Warto jeszcze podkreślić inną korzyść z przejścia na DC: jakość zasilania ulegnie wyraźnej poprawie. System zyska większą niezawodność i zmniejszy się ilość komponentów w układzie.



Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © Schurter

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
Załaduj więcej newsów
June 15 2018 00:12 V9.6.1-1