ومع تطور مستويات الهياكل الأساسية الحديثة لتلبية متطلبات الحوسبة السحابية والاستخبارات الاصطناعية والتشغيل الآلي الصناعي، يجب أن تتطور نظم الطاقة التي تدعم هذه البيئات تبعا لذلك، وقد برزت تصميمات الإمداد بالكهرباء الموحدة كحجر أساسي في توفير الطاقة الكهربائية الموثوقة والمرنة والمحافظة في النظم الواسعة النطاق، ومن مراكز البيانات العالية النطاق إلى طابقات المصنع ومراكز الاتصالات السلكية واللاسلكية، لا يمكن أن توفر القدرة على مصادرة الإمدادات الثابتة في المستقبل مزايا تشغيلية.

فهم إمدادات الطاقة النموذجية

أما الإمداد بالكهرباء فيوجد نظام تحويل للطاقة يتألف من وحدات مستقلة قابلة للاستعمال الساخن يمكن الجمع بينها لتلبية احتياجات محددة من الفولط والحالي والمبالغة، وخلافاً لمواد الطاقة الأحادية التي يجب استبدالها بالوحدة بأكملها إذا فشل عنصر ما، فإن التصميمات النموذجية تسمح بإضافة وحدات فردية أو إزالة أو استبدالها دون انقطاع تشغيل بقية النظام.

وتُستخدم إمدادات الطاقة المموَّلة عادة في عدة عوامل شكلية، وهي في مراكز البيانات، تبدو كإمدادات نموذجية غير قابلة للتداخل في الطاقة، ووحدات توزيع الطاقة النموذجية، ومصحات نموذجية لنظم البلدان النامية ذات القدرة العالية، وفي الاتصالات السلكية واللاسلكية، كثيرا ما تُبنى في مسارات المعدات كوحدات طاقة قابلة للتشغيل، وتستخدم التطبيقات الصناعية محولات مصممة ذات نطاق متجانس يمكن أن توازيها.

الفوائد الأساسية للنظم الكبيرة الحجم

Scalability and Flexibility

وفي عمليات النشر الواسعة النطاق، نادرا ما تظل احتياجات الطاقة ثابتة، وقد يبدأ مركز البيانات بحوالي مئات الكيلوات وينمو إلى عدة ميغاوات بمرور الزمن، كما أن إمدادات الطاقة الحديثة تسمح للمشغلين بتوفير القدرات اللازمة بصورة تدريجية، وتزيد من عدد الوحدات اللازمة للشحنات الحالية، ويقلل هذا النهج القائم على الدفع أولا بأول من الإنفاق الرأسي ويتفادى الإفراط في الإنفاق على رؤوس الأموال.

التعافي من الكوارث وقابلية التوافر

إن إعادة التكرار أمر حاسم بالنسبة إلى أوقات العمل في النظم الكبيرة، فالتصميمات النموذجية تدعم بالضرورة تركيبات التكرار الوطنية 1 أو N+2 أو 2N، وإذا فشلت وحدة واحدة، فإن الوحدات المتبقية تحمل كامل الحمولة دون انقطاع، ولأن الوحدات قابلة للتطبيق، يمكن استبدال عنصر فاشل في الوقت الذي يستمر فيه تشغيل النظام، وهذه القدرة ميزة كبيرة على إمدادات الطاقة الثابتة التقليدية، حيث قد يتطلب الفشل في نظاما كاملا.

الصيانة المبسّطة والحد من الوقت الميّز إلى الإصلاح (MTTR)

ومع إمدادات الطاقة النموذجية، فإن الوقت اللازم لإصلاح نظام (MTTR) ينخفض بشكل كبير، ويمكن للفني أن يحل محل وحدة مُعطلة في دقائق دون أدوات متخصصة أو عزلة كهربائية، ويعاد النموذج المعيب إلى مستودع إصلاحي أو يعاد تدويره ببساطة، ويتناقض مع إمدادات الطاقة الثابتة التي كثيرا ما تتطلب استئصال الشغب عزل الحمولة، وفتح الشظايا، واختبار عناصر داخلية متعددة.

تحسين الإدارة الحرارية

وتولد النظم الكبيرة قدرا كبيرا من الحرارة، وتؤثر كفاءة الإمداد بالطاقة تأثيرا مباشرا على حمولات التبريد، إذ تحقق الكثير من إمدادات الطاقة الحديثة النمطي كفاءة تفوق 96 في المائة (من مستوى تيتانيوم) لتحويل شركة AC-DC، وبالإضافة إلى ذلك، نظرا لأن الوحدات منفصلة ماديا، يمكن تفريق الحرارة بشكل أكثر فعالية، وتستخدم بعض التصميمات معجبين مستقلين لا يدورون إلا عندما يتم تحميل الوحدة، مما يقلل من الضجيج العام واسته.

مجموع تكلفة الملكية

وفي حين أن سعر الشراء الأولي لإمدادات الطاقة النموذجية قد يكون أعلى من وحدة ثابتة معادلة، فإن الشركة كثيرا ما تكون أقل من دورة حياة النظام، إذ تأتي الوفورات من انخفاض وقت العمل، وانخفاض تكاليف العمل في الصيانة، وتقليل المخزون من قطع الغيار إلى أدنى حد )لا بد من تخزين عدد قليل من أنواع الوحدات( والقدرة على تأجيل رأس المال إلى حين الحاجة إليها، علاوة على ذلك، عندما تصبح التحسينات التكنولوجية متاحة )مثلا، زيادة كفاءة الوحدات الأساسية القائمة على الشبكة(.

التنفيذ في البيئات الرئيسية ذات النطاق الكبير

مراكز البيانات

وتشكل مراكز البيانات أكبر معتمدين لتكنولوجيا الإمداد بالطاقة الكهربائية في الوحدات النموذجية، وفي المرافق الحديثة ذات النطاق الفائق، تشكل وحدات نموذجية من اتحاد البريد العالمي من بائعين مثل شركة شنيدر للكهرباء، وشركة " فيرتيب " العمود الفقري للبنية التحتية الكهربائية، وهي تتألف عادة من 10 إلى 50 وحدة من وحدات الكمبيوت التي يمكن أن توازيها في نظام واحد يدعم عدة ميغاوات، وكثيرا ما يتم ترتيب الوحدات في شكلها في شكل آلي " زائد " .

وفيما عدا نظام البريد الالكتروني الموحد، تستخدم إمدادات الطاقة من طراز AC-DC داخل الخواديم ومعدات الشبكات، وكثيرا ما تحدد مسارات المشروع المفتوح رفوف الطاقة من الوحدات النموذجية التي تقبل وحدات متعددة من الطاقة قابلة للاستعمال المباشر في وحدات الإمداد بالطاقة الكهربائية من مواقد الطاقة، وهذا التصميم يسمح برف واحد لدعم مجموعة متنوعة من أعباء العمل التي تحتاج إلى طاقة مختلفة، وذلك بمجرد أن تُشغل الوحدات العالية من نوع GSUs)٦(.

وتوضح دراسة حالة في العالم الحقيقي الفوائد: نقلت إحدى الجهات الرئيسية التي تقدم خدمات السحب من تراثها إلى وحدات نموذجية في ثلاث مراكز بيانات، وأتاحت لها البنية الجديدة تحسين توافرها من 99.999 في المائة (خمسة تسعات) إلى 99.99 في المائة (ست تسعات) عن طريق إزالة نقاط الفشل الوحيدة، وانخفضت تكاليف الصيانة بنسبة 30 في المائة لأن التقنيين لم يعدوا بحاجة إلى جدولة عمليات إغلاق النظام على مراحل للبطارية أو خدمات إضافية.

الاتصالات السلكية واللاسلكية و5G Edge Sites

وتعتمد شبكات الاتصالات السلكية واللاسلكية على تحويل الطاقة على نطاق واسع في مواقع الخلايا والمكاتب المركزية والمراكز الحاسوبية الحافة، وكثيرا ما تكون هذه المواقع محدودة في الحيز المادي، ويجب أن تعمل في ظروف نائية مع حد أدنى من الموظفين في الموقع، كما أن نظم الطاقة في العاصمة (عادة 48V) هي مثالية لهذه البيئة، ويقبل رف توليد الطاقة الكهربائية المعيارية وحدات استجمامية تحول قوتي تركيز أو مولدات كهربائية احتياطية إلى مبنى DC المنظمة.

ومع بدء تشغيل 5 جي، تشهد مواقع الحواف زيادة في طلبات الطاقة بسبب ارتفاع حجم التجهيز وأجهزة الهوائي العاملة، وتتيح إمدادات الطاقة الحديثة للناقلات إضافة قدرات دون استبدال خزانات كاملة، بل إن بعض التصميمات تدعم نماذج الاستخدام المعتاد التي يمكن تشكيلها لإنتاج ثاني أكسيد الكربون أو مصانع البيوت، مما يزيد من تعقيد المخزون، ويعني الطابع القابل للتأثر لهذه الوحدات أن التقنيين الميدانيين يمكن أن يحلوا محل الدقائق الخفيفة.

الصناعة والتألق

وتشتمل المرافق الصناعية الكبيرة مثل خطوط التجميع بالسيارات، وشبه الموصلات، والنباتات الكيميائية - على إمدادات قوية من الطاقة لمركبات PLC، والسيمن، والمجس، ونظم التحكم، وكثيرا ما تنطوي هذه البيئات على درجات حرارة عالية، وهزات، وضوضاء كهربائية، وتدمج إمدادات الطاقة الصناعية الحديثة من بائعين مثل شركة Phoenix Contact، وSemens، وأجهزة الحماية المتعددة الكلورات، في العادة، معدة.

ففي مصحف شبه موصل، مثلا، قد تحتاج أداة واحدة إلى عدة فولتات منفصلة (24V, 48V, 5V, etc.) وباستخدام مجموعة نموذجية من إمدادات الطاقة، يمكن للمهندسين أن يقطنون الخليج بأنواع مختلفة من الوحدات (مثلاً، 24V 10A, 48V 5A) من فصيلة مشتركة، وإذا تغيرت الاحتياجات من الفولطية، فإن الوحدة المناظرة لها أكثر كفاءة من حيث توزيع الطاقة.

التحديات والنظر في المسألة

التكلفة الأولية مقابل المدخرات الطويلة الأجل

وعادة ما تحمل إمدادات الطاقة المتجددة أقساط تتراوح بين ٢٠ و ٤٠ في المائة على الوحدات الثابتة ذات القدرة الإجمالية المماثلة، ويمكن أن تشكل هذه التكلفة الأولية حاجزا للمشاريع الصغيرة أو الميزانيات التي تقيدها حدود الإنفاق الرأسمالي، غير أن التكلفة الإجمالية لتحليل الملكية ينبغي أن تمثل قطع الغيار المخفضة، والصيانة، والقدرة على التصعيد، أما المنظمات التي تخطط للنمو أو التي تتطلب توافرا كبيرا، فستعيد عادة زيادة هذه الأقساط في غضون سنتين و ٤ سنوات.

الحجم المادي وكثافة الطاقة

ونظرا لأن كل وحدة من الوحدات تتضمن مجموعة عناصرها الخاصة (المحددات، والمكثفات، والمشجعات، ومجالس الرقابة)، فإن التصميمات النموذجية يمكن أن تكون أقل كثافة من القدرة على الإمداد الثابت الأمثل، وفي التطبيقات التي يكون فيها الفضاء ضيقا للغاية، مثل داء الخواديم الصاروخية، فإن هذا المفاضلة قد يكون غير مقبول، غير أن التقدم في أجهزة العرض شبه الوصل الواسعة النطاق (GaN، تصميم نظام سي سي سي سي) يغلق أبواب الثغرات.

المراقبة والرصد

وتتطلب إدارة وحدات متعددة نظاما متطورا للمراقبة يعالج تقاسم الحمولة، وكشف الأخطاء، وتزامن البرمجيات الثابتة، وفي بعض الحالات، يمكن أن تكون خطة التحكم الأساسية نفسها نقطة فشل واحدة، وللتخفيف من ذلك، تستخدم النظم النموذجية العالية أجهزة التحكم الزائدة أو تستخدم معلومات استخبارات موزعة يمكن لكل وحدة أن تعمل بشكل مستقل في حالة فشل المتحكم، بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تقدم برامجيات الرصد نظرة واضحة عن الوحدات الصحية، والمدخلات/النواتجات.

قابلية التشغيل البيني والمعايير

ولا توجد جميع إمدادات الطاقة النموذجية على قدم المساواة، ففي حين أن العديد من عوامل الشكل التي تتبع المعايير الصناعية (مثل وحدات التفوق الأولى أو عوامل الشكل المشتركة التي تبلغ 3000 دبليو)، يمكن أن تتباين بروتوكولات الاتصالات الداخلية، وتعتمد بعض النظم على أوامر شركة PMBus المسجلة الملكية، بينما تستخدم نظم أخرى شركة Canopen، وتعتمد التصميمات الأحدث على توافق نظام الدمج الرأسي المفتوح المصدر (الطاقة الرقمية المتحقق منها).

الاتجاهات المستقبلية في تصميم إمدادات الطاقة الحديثة

الطاقة الرقمية والرسوم المكتشفة

ويمكن أن تكون إمدادات الطاقة النموذجية الحديثة قابلة للتداول على نحو متزايد، وباستخدام حلقات المراقبة الرقمية (DSPs أو أجهزة التحكم بالمايكرو) يمكن أن تكون وحداتها مضخة للنواتج، والحد الحالي، والحدود الدنيا للحماية، وأن تُعدل عن بعد، مما يتيح وحدة واحدة من وحدات المعدات لخدمة أدوار متعددة: مثلا، يمكن تشكيل نفس وحدة الاستجمامات من أجل إدخال تغييرات على أجهزة التموين/المركبات أو لتحديث عن طريق الاتصالات.

التكامل مع منظمة العفو الدولية والتحليلات الافتراضية

مع أجهزة الاستشعار المدمجة والقدرة على الاتصال، تولد إمدادات الطاقة المتحركة ثروة من البيانات عن جودة الطاقة، ودرجة الحرارة في الوحدات، وسرعة المعجبين، وأكثر، ويمكن لخامات التعلم الآلات أن تحلل هذه البيانات للتنبؤ بالفشل الوشيك، وتوسّع نطاق رفوف الحمل إلى أقصى حد، بل وتكيف التبريد لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة، ويعرض بعض البائعين الرئيسيين الآن لوحات برمجية للرصد الصحي، مما يعطي مديري المرافق رؤية فعلية.

موصلات نسق واسعة النطاق: GaN و SiC

أما مترجمو الغيليوم (GaN) وكاربيد السيليكون (SiC) فيحولون تصميم إمدادات الطاقة، وتتيح هذه المواد زيادة تحويل الترددات والخسائر الأقل، مما يؤدي إلى تحويلات أصغر ووعات حرارية، وفي إمدادات الطاقة الأساسية، يمكن أن تحقق الوحدات القائمة على الغازات المتعددة الكلور كثافة في الطاقة تبلغ 100+ واتس لكل بوصة مكعبة، مع الحفاظ على 96 في المائة + كفاءة.

البطاريات الساخنة والمتحركات الهجينة

وفي تطبيقات نظام البريد العالمي، فإن الحدود التالية هي وحدات البطاريات القابلة للاستعمال الساخنة التي يمكن استبدالها دون أن تطفئ المنحنى، وبعض النظم تقدم بالفعل " استقلال البطاريات " حيث تواصل وحدة البريد العالمي نفسها توفير تكييف الطاقة حتى أثناء تبادل البطاريات الساخنة، إضافة إلى وحدات هجينة تجمع بين تحويل شركة AC-DC وبين مهام متكاملة لشحن البطاريات ولافتات السحب، وهي نماذج " تحويل عدد القوى زائدا للتخ " آخذة في الظهور.

الاستدامة والاقتصاد العلماني

ونظراً لأن مراكز البيانات والمرافق الكبيرة تواجه ضغوطاً لتقليل آثار الكربون، فإن إمدادات الطاقة النموذجية تدعم أهداف الاستدامة، ولأن الوحدات يمكن تحسينها بصورة فردية، فإن النظام العام يتمتع بحياة أطول من الخدمات، مما يقلل من النفايات الإلكترونية، إذ يقدم العديد من البائعين الآن برامج للاسترداد للوحدات القديمة لإعادة تدوير المكونات والمواد الأرضية النادرة، وعلاوة على ذلك، فإن وحدات الكفاءة العالية تخفض مباشرة استهلاك الطاقة - أي تحسين النسبة المئوية للكفاءة يوفر تكاليف كبيرة من الكهرباء وما يرتبط بها من انبعاثات غازات الدفيئة على نطاقها.

خاتمة

وقد تطورت تصميمات الإمداد بالطاقة الكهربائية من خيار متكرر إلى هيكل موحد للنظم الواسعة النطاق التي تتطلب المرونة والتوافر وسهولة الصيانة، ومن مراكز البيانات والاتصالات السلكية واللاسلكية إلى التشغيل الآلي الصناعي، والقدرة على إضافة وحدات الطاقة وإزالتها والاستعاضة عنها بصورة مستقلة توفر للمشغلين سيطرة غير متداخلة على هياكلهم الأساسية الكهربائية، وفي حين تظل التكاليف الأولية والتعقيدات قائمة، فإن الفوائد شبه الطويلة الأجل في مجال التحكم الرقمي الواسع النطاق، والقابلية للتنبؤ.

For further reading on modular UPS structures and industry standards, see Schneider Electric’s guide to modular UPS and the