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飛輪系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用和發(fā)展
如今，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的巨大需求正在推動(dòng)各地的數(shù)據(jù)中心呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、虛擬化、云計(jì)算、電子商務(wù)、移動(dòng)通信、社交媒體都取決于對(duì)海量數(shù)據(jù)正確而快速的處理。根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，到2020年，將應(yīng)用240億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。從自動(dòng)駕駛汽車(chē)到家用電器的物聯(lián)網(wǎng)連接將產(chǎn)生極大的數(shù)據(jù)量，并改變當(dāng)今數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行方式。
在確保數(shù)據(jù)始終可用方面，大規(guī)模/超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和規(guī)模較小分布式數(shù)據(jù)中心（例如托管服務(wù)提供商）都具有一些共同點(diǎn)：需要具有高度可靠性和可擴(kuò)展性的電源基礎(chǔ)設(shè)施，并使用盡可能少的空間，所有這些都具有*的能源效率。
調(diào)研機(jī)構(gòu)Research and Markets的調(diào)查報(bào)告表明，“數(shù)據(jù)中心市場(chǎng)規(guī)模將從2018年的441億美元增長(zhǎng)到2027年的899億美元。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)需求在很大程度上受到綠色節(jié)能需求增長(zhǎng)的影響，這些數(shù)據(jù)中心旨在實(shí)現(xiàn)大的能源效率，并減少對(duì)環(huán)境的影響。”
對(duì)于大多數(shù)數(shù)據(jù)中心設(shè)施管理人員來(lái)說(shuō)，以節(jié)能環(huán)保和更低總體擁有成本（TCO）的方式保護(hù)關(guān)鍵負(fù)載不受到電力中斷影響是重要的事項(xiàng)。很多數(shù)據(jù)中心將UPS電源與飛輪系統(tǒng)配套使用是構(gòu)建綠色電力基礎(chǔ)設(shè)施的下一步措施。諸如醫(yī)院的數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算中心、托管設(shè)施和許多其他運(yùn)營(yíng)設(shè)施已經(jīng)采用具有可靠性、成本、環(huán)境效益的飛輪系統(tǒng)。
采用循環(huán)利用、節(jié)能、熱管理技術(shù)是數(shù)據(jù)中心的重要目標(biāo)。但是組織如何在其電源保護(hù)解決方案中實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)呢？
UPS電源變得更加緊湊
當(dāng)前的三相UPS電池系統(tǒng)比之前的產(chǎn)品集成了更智能的傳感器、處理器和更的組件，從而為數(shù)據(jù)中心管理人員提供了更加可靠和緊湊的電源解決方案。這是一個(gè)好消息，但是，就與UPS電源配套部署的電池組而言，由于其本身的化學(xué)性質(zhì)，很難進(jìn)一步減小尺寸，并且價(jià)格高昂。數(shù)據(jù)中心的環(huán)境控制、泄漏控制、抗震機(jī)架要求、導(dǎo)管、電纜運(yùn)行以及持續(xù)維護(hù)、安全、環(huán)境影響和其他問(wèn)題顯著增加了基于電池的UPS電源系統(tǒng)的生命周期成本。那么，組織需要為此做些什么？
飛輪成為節(jié)能可靠的儲(chǔ)能組件
不可否認(rèn)，電力設(shè)備的體積和能耗會(huì)給數(shù)據(jù)中心設(shè)施（尤其是占地面積有限的設(shè)施）帶來(lái)挑戰(zhàn)。將飛輪系統(tǒng)作為UPS電源的儲(chǔ)能組件是一種非常節(jié)能可靠且具有成本效益的方法。
飛輪系統(tǒng)利用高速飛輪的動(dòng)能存儲(chǔ)能量，并提供恒定的直流電源。三相UPS電源采用的飛輪系統(tǒng)，起到與電池組一樣的儲(chǔ)能作用。電池組通過(guò)UPS電源的直流總線進(jìn)行充電流，并在放電期間向UPS逆變器提供直流電源。飛輪系統(tǒng)并不像電池組那樣對(duì)溫度比較敏感，因此不需要對(duì)飛輪系統(tǒng)進(jìn)行額外的冷卻，從而消除了昂貴的電池組維護(hù)和更換過(guò)程，并降低了能源成本。如今的飛輪技術(shù)使其能夠在無(wú)數(shù)次循環(huán)中以高速率進(jìn)行儲(chǔ)能和放電，并且在20年使用壽命周期中的性能都不會(huì)退化，而傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池組的性能在不到一半使用壽命的時(shí)間內(nèi)就開(kāi)始退化。
飛輪系統(tǒng)如何工作
動(dòng)能是運(yùn)動(dòng)的能量，它由對(duì)象由于其運(yùn)動(dòng)而可以完成的工作量來(lái)量化，飛輪系統(tǒng)的動(dòng)能由以下公式表示：
動(dòng)能=mv2/2。其中m為飛輪的質(zhì)量，v是飛輪的運(yùn)動(dòng)速度。
盡管飛輪已經(jīng)證明了其數(shù)千年的實(shí)用性（例如陶輪和紡錘），而在更高科技和更苛刻的環(huán)境中，飛輪系統(tǒng)的應(yīng)用帶來(lái)了許多新的好處。
飛輪作為一種機(jī)械式儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以成為UPS電源電池組的替代品。飛輪系統(tǒng)通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)質(zhì)量來(lái)以動(dòng)能形式存儲(chǔ)能量。飛輪采用電力使其轉(zhuǎn)子一直保持飛速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，直到需要釋放存儲(chǔ)的能量為止。其可用的能量及其持續(xù)時(shí)間取決于飛輪的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度。
當(dāng)與基于電池組的UPS電池系統(tǒng)一起結(jié)合使用時(shí)，飛輪系統(tǒng)會(huì)在電源故障時(shí)首先響應(yīng)用電力中斷信號(hào)，通過(guò)其動(dòng)能繼續(xù)提供電力，這可以減少電池組的使用，并*程度地減少放電周期以延長(zhǎng)電池組壽命。在飛輪系統(tǒng)工作時(shí)，其典型配置可提供15秒到兩分鐘以上的備用電源（取決于負(fù)載水平和飛輪重量）。由于數(shù)據(jù)中心的備用柴油發(fā)電機(jī)只需不到10秒鐘即可啟動(dòng)運(yùn)行，因此飛輪系統(tǒng)提供了充足的時(shí)間使現(xiàn)場(chǎng)柴油發(fā)電機(jī)來(lái)平穩(wěn)地為數(shù)據(jù)中心負(fù)載供電。
清潔能源的儲(chǔ)能替代品
鉛酸蓄電池一直是UPS電源的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)能組件，由于價(jià)格因素，其經(jīng)濟(jì)始終是一個(gè)問(wèn)題。并且由于其化學(xué)性質(zhì)，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池的可靠性。在設(shè)計(jì)包含鉛酸電池的系統(tǒng)時(shí)，重要的考慮因素包括：
危險(xiǎn)品許可證
防止酸液泄漏
地板荷載問(wèn)題
充電時(shí)間慢
鉛處理合規(guī)性和運(yùn)輸
溫度控制
這些原因促使數(shù)據(jù)中心專(zhuān)業(yè)人員和管理人員評(píng)估儲(chǔ)能方案。一些UPS制造商開(kāi)始使用鋰離子電池代替鉛酸蓄電池。盡管鋰離子電池具有一些優(yōu)勢(shì)，例如與鉛酸電池相比，具有更長(zhǎng)的壽命和更低的冷卻要求，但安全性仍是首要問(wèn)題。*的2018年《鋰離子電池防火規(guī)范》（NFPA 855）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，每個(gè)鋰離子電池柜的長(zhǎng)度為36英寸，并且需要一定的安全間距。與類(lèi)似的鉛酸電池配置相比，還需要更多的空間。很多數(shù)據(jù)中心位于土地價(jià)格昂貴的城鎮(zhèn)中心，因此需要節(jié)省更多的成本。
無(wú)論電池技術(shù)如何發(fā)展，其可靠性始終是個(gè)問(wèn)題。例如電池是否充滿電力？電池組中的某塊電池是否損壞？上次測(cè)試是什么時(shí)候？一些數(shù)據(jù)中心設(shè)施管理人員很少或不愿測(cè)試他們的電池，因?yàn)槊看坞姵販y(cè)試都會(huì)在某種程度上消耗電池性能和壽命。相比之下，飛輪系統(tǒng)可以即時(shí)提供可靠的電能，確保無(wú)縫過(guò)渡到備用發(fā)電機(jī)。此外，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)可以清晰顯示飛輪系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。通過(guò)了解系統(tǒng)狀態(tài)、操作參數(shù)、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、充電容量、放電事件歷史記錄和事件日志菜單可確保用戶了解當(dāng)前操作條件。
飛輪是否是數(shù)據(jù)中心的正確選擇？
很多數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商正在獲得使用飛輪系統(tǒng)的可靠性和成本優(yōu)勢(shì)。例如，堪薩斯州主機(jī)托管服務(wù)提供商Cavern Technologies公司需要為其地下300平方英尺的數(shù)據(jù)中心設(shè)施提供電源保護(hù)替代方案。對(duì)于該公司數(shù)據(jù)中心設(shè)施工程副總裁Mike McDaniel來(lái)說(shuō)，選擇新的儲(chǔ)能解決方案的原因主要是可靠性和耐用性。
McDaniel說(shuō)，“知道任何時(shí)間的可用能量是飛輪系統(tǒng)與電池的關(guān)鍵區(qū)別。考慮到我們的備用電源能夠在10秒內(nèi)上線運(yùn)營(yíng)，因此飛輪系統(tǒng)非常適合我們的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。自從安裝了飛輪以來(lái)，我們進(jìn)行了內(nèi)部測(cè)試，并遇到了一些天氣災(zāi)害和電網(wǎng)中斷的問(wèn)題。每次電力中斷事件發(fā)生時(shí)，飛輪系統(tǒng)的表現(xiàn)都無(wú)缺。”
如今的飛輪系統(tǒng)易于使用、維護(hù)和監(jiān)控，具有自我診斷、日志文件、可調(diào)電壓設(shè)置、RS-232/485接口、報(bào)警狀態(tài)觸點(diǎn)、從直流母線軟啟動(dòng)預(yù)充電和按鈕關(guān)機(jī)。可用選項(xiàng)包括直流斷開(kāi)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、Modbus和SNMP通信以及實(shí)時(shí)監(jiān)視軟件。
壽命更長(zhǎng)并且可預(yù)測(cè)
在飛輪系統(tǒng)20年的使用壽命中，由于維護(hù)要求低、無(wú)廢物處置問(wèn)題、無(wú)冷卻成本，并且總擁有成本低于鉛酸電池型，因此將會(huì)得到數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商的青睞。與使用5分鐘的鉛酸蓄電池組相比，飛輪系統(tǒng)可以每年節(jié)省10萬(wàn)至20萬(wàn)美元。實(shí)際上，飛輪系統(tǒng)的計(jì)算在四年內(nèi)就可以收回全部投資。此外，采用無(wú)觸點(diǎn)磁懸浮技術(shù)的飛輪系統(tǒng)可為用戶節(jié)省10,000美元，因?yàn)闊o(wú)需更換軸承。
UPS電源的電池組確實(shí)提供了更長(zhǎng)的備用時(shí)間，通常為10分鐘，而典型飛輪配置提供的備用時(shí)間為20秒。但是，如果在停電期間幾秒鐘后，備用柴油發(fā)電機(jī)如果仍未啟動(dòng)，那么10分鐘后也不太可能啟動(dòng)。
采用飛輪系統(tǒng)的好處
飛輪系統(tǒng)正越來(lái)越多地用于確保關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用（從醫(yī)院到政府機(jī)構(gòu)）的*電能質(zhì)量和可靠性。飛輪系統(tǒng)的靈活性允許根據(jù)預(yù)算、可用空間和環(huán)境方面的考慮，量身定制各種配置，以達(dá)到終用戶所需的功率保護(hù)水平。
在這些配置中，用戶終將受益于基于飛輪系統(tǒng)的許多*優(yōu)勢(shì)，其中包括：
1、無(wú)需冷卻
2、高功率密度，占地面積小
3、并行功能，可用于將來(lái)的擴(kuò)展和N+1冗余、
3、99％的效率，可降低運(yùn)營(yíng)成本
4、無(wú)需特殊設(shè)施
5、部署飛輪系統(tǒng)可消除空間問(wèn)題，并為未來(lái)的運(yùn)營(yíng)擴(kuò)展和重新安排提供現(xiàn)場(chǎng)靈活性
6、減少維護(hù)工作
7、20年使用壽命
8、安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行安靜
9、更寬的溫度容限（-4°F至104°F）
10、遵守UL和CE安全標(biāo)準(zhǔn)
11、使組織獲得更高的LEED®評(píng)分
隨著處理物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT / IIoT）數(shù)據(jù)的需求不斷增加，并變得越來(lái)越復(fù)雜，數(shù)據(jù)中心管理人員、工程師和顧問(wèn)需要不斷評(píng)估提高能源可靠性和效率的電源解決方案。盡管電力系統(tǒng)可用性始終是首要需求，但環(huán)保和降低碳足跡的要求更高。通過(guò)使用飛輪系統(tǒng)取代電池組，數(shù)據(jù)中心管理人員在綠色環(huán)保設(shè)施和降低總擁有成本方面又邁出了一步。
在許多情況下，將飛輪儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合到新的或改進(jìn)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以作為提高數(shù)據(jù)中心可靠性和降低運(yùn)行成本目標(biāo)的良好基礎(chǔ)。由于具有節(jié)能環(huán)保的好處，在數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)中使用飛輪系統(tǒng)將是一個(gè)明智的選擇。