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飛輪系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應用和發(fā)展
如今，數(shù)據(jù)存儲的巨大需求正在推動各地的數(shù)據(jù)中心呈指數(shù)級增長。人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）、虛擬化、云計算、電子商務、移動通信、社交媒體都取決于對海量數(shù)據(jù)正確而快速的處理。根據(jù)調(diào)研機構的預測，到2020年，將應用240億臺物聯(lián)網(wǎng)設備。從自動駕駛汽車到家用電器的物聯(lián)網(wǎng)連接將產(chǎn)生極大的數(shù)據(jù)量，并改變當今數(shù)據(jù)中心的運行方式。
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（例如托管服務提供商）都具有一些共同點：需要具有高度可靠性和可擴展性的電源基礎設施，并使用盡可能少的空間，所有這些都具有*的能源效率。
調(diào)研機構Research and Markets的調(diào)查報告表明，“數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模將從2018年的441億美元增長到2027年的899億美元。數(shù)據(jù)中心的建設需求在很大程度上受到綠色節(jié)能需求增長的影響，這些數(shù)據(jù)中心旨在實現(xiàn)大的能源效率，并減少對環(huán)境的影響。”
對于大多數(shù)數(shù)據(jù)中心設施管理人員來說，以節(jié)能環(huán)保和更低總體擁有成本（TCO）的方式保護關鍵負載不受到電力中斷影響是重要的事項。很多數(shù)據(jù)中心將UPS電源與飛輪系統(tǒng)配套使用是構建綠色電力基礎設施的下一步措施。諸如醫(yī)院的數(shù)據(jù)中心、超級計算中心、托管設施和許多其他運營設施已經(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、熱管理技術是數(shù)據(jù)中心的重要目標。但是組織如何在其電源保護解決方案中實現(xiàn)這些目標呢？
UPS電源變得更加緊湊
當前的三相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，由于其本身的化學性質，很難進一步減小尺寸，并且價格高昂。數(shù)據(jù)中心的環(huán)境控制、泄漏控制、抗震機架要求、導管、電纜運行以及持續(xù)維護、安全、環(huán)境影響和其他問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)能可靠的儲能組件
不可否認，電力設備的體積和能耗會給數(shù)據(jù)中心設施（尤其是占地面積有限的設施）帶來挑戰(zhàn)。將飛輪系統(tǒng)作為UPS電源的儲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)利用高速飛輪的動能存儲能量，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能作用。電池組通過UPS電源的直流總線進行充電流，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溫度比較敏感，因此不需要對飛輪系統(tǒng)進行額外的冷卻，從而消除了昂貴的電池組維護和更換過程，并降低了能源成本。如今的飛輪技術使其能夠在無數(shù)次循環(huán)中以高速率進行儲能和放電，并且在20年使用壽命周期中的性能都不會退化，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間內(nèi)就開始退化。
飛輪系統(tǒng)如何工作
動能是運動的能量，它由對象由于其運動而可以完成的工作量來量化，飛輪系統(tǒng)的動能由以下公式表示：
動能=mv2/2。其中m為飛輪的質量，v是飛輪的運動速度。
盡管飛輪已經(jīng)證明了其數(shù)千年的實用性（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)的應用帶來了許多新的好處。
飛輪作為一種機械式儲能系統(tǒng)，可以成為UPS電源電池組的替代品。飛輪系統(tǒng)通過高速旋轉質量來以動能形式存儲能量。飛輪采用電力使其轉子一直保持飛速旋轉狀態(tài)，直到需要釋放存儲的能量為止。其可用的能量及其持續(xù)時間取決于飛輪的質量和旋轉速度。
當與基于電池組的UPS電池系統(tǒng)一起結合使用時，飛輪系統(tǒng)會在電源故障時首先響應用電力中斷信號，通過其動能繼續(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電池組壽命。在飛輪系統(tǒng)工作時，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)電機只需不到10秒鐘即可啟動運行，因此飛輪系統(tǒng)提供了充足的時間使現(xiàn)場柴油發(fā)電機來平穩(wěn)地為數(shù)據(jù)中心負載供電。
清潔能源的儲能替代品
鉛酸蓄電池一直是UPS電源的標準儲能組件，由于價格因素，其經(jīng)濟始終是一個問題。并且由于其化學性質，很難準確預測電池的可靠性。在設計包含鉛酸電池的系統(tǒng)時，重要的考慮因素包括：
危險品許可證
防止酸液泄漏
地板荷載問題
充電時間慢
鉛處理合規(guī)性和運輸
溫度控制
這些原因促使數(shù)據(jù)中心專業(yè)人員和管理人員評估儲能方案。一些UPS制造商開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，例如與鉛酸電池相比，具有更長的壽命和更低的冷卻要求，但安全性仍是首要問題。*的2018年《鋰離子電池防火規(guī)范》（NFPA 855）標準規(guī)定，每個鋰離子電池柜的長度為36英寸，并且需要一定的安全間距。與類似的鉛酸電池配置相比，還需要更多的空間。很多數(shù)據(jù)中心位于土地價格昂貴的城鎮(zhèn)中心，因此需要節(jié)省更多的成本。
無論電池技術如何發(fā)展，其可靠性始終是個問題。例如電池是否充滿電力？電池組中的某塊電池是否損壞？上次測試是什么時候？一些數(shù)據(jù)中心設施管理人員很少或不愿測試他們的電池，因為每次電池測試都會在某種程度上消耗電池性能和壽命。相比之下，飛輪系統(tǒng)可以即時提供可靠的電能，確保無縫過渡到備用發(fā)電機。此外，通過監(jiān)控系統(tǒng)可以清晰顯示飛輪系統(tǒng)的當前狀態(tài)。通過了解系統(tǒng)狀態(tài)、操作參數(shù)、轉子轉速、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)中心運營商正在獲得使用飛輪系統(tǒng)的可靠性和成本優(yōu)勢。例如，堪薩斯州主機托管服務提供商Cavern Technologies公司需要為其地下300平方英尺的數(shù)據(jù)中心設施提供電源保護替代方案。對于該公司數(shù)據(jù)中心設施工程副總裁Mike McDaniel來說，選擇新的儲能解決方案的原因主要是可靠性和耐用性。
McDaniel說，“知道任何時間的可用能量是飛輪系統(tǒng)與電池的關鍵區(qū)別。考慮到我們的備用電源能夠在10秒內(nèi)上線運營，因此飛輪系統(tǒng)非常適合我們的規(guī)劃和設計。自從安裝了飛輪以來，我們進行了內(nèi)部測試，并遇到了一些天氣災害和電網(wǎng)中斷的問題。每次電力中斷事件發(fā)生時，飛輪系統(tǒng)的表現(xiàn)都無缺。”
如今的飛輪系統(tǒng)易于使用、維護和監(jiān)控，具有自我診斷、日志文件、可調(diào)電壓設置、RS-232/485接口、報警狀態(tài)觸點、從直流母線軟啟動預充電和按鈕關機?？捎眠x項包括直流斷開、遠程監(jiān)控、Modbus和SNMP通信以及實時監(jiān)視軟件。
壽命更長并且可預測
在飛輪系統(tǒng)20年的使用壽命中，由于維護要求低、無廢物處置問題、無冷卻成本，并且總擁有成本低于鉛酸電池型，因此將會得到數(shù)據(jù)中心運營商的青睞。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10萬至20萬美元。實際上，飛輪系統(tǒng)的計算在四年內(nèi)就可以收回全部投資。此外，采用無觸點磁懸浮技術的飛輪系統(tǒng)可為用戶節(jié)省10,000美元，因為無需更換軸承。
UPS電源的電池組確實提供了更長的備用時間，通常為10分鐘，而典型飛輪配置提供的備用時間為20秒。但是，如果在停電期間幾秒鐘后，備用柴油發(fā)電機如果仍未啟動，那么10分鐘后也不太可能啟動。
采用飛輪系統(tǒng)的好處
飛輪系統(tǒng)正越來越多地用于確保關鍵任務應用（從醫(yī)院到政府機構）的*電能質量和可靠性。飛輪系統(tǒng)的靈活性允許根據(jù)預算、可用空間和環(huán)境方面的考慮，量身定制各種配置，以達到終用戶所需的功率保護水平。
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，其中包括：
1、無需冷卻
2、高功率密度，占地面積小
3、并行功能，可用于將來的擴展和N+1冗余、
3、99％的效率，可降低運營成本
4、無需特殊設施
5、部署飛輪系統(tǒng)可消除空間問題，并為未來的運營擴展和重新安排提供現(xiàn)場靈活性
6、減少維護工作
7、20年使用壽命
8、安裝簡單，運行安靜
9、更寬的溫度容限（-4°F至104°F）
10、遵守UL和CE安全標準
11、使組織獲得更高的LEED®評分
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，并變得越來越復雜，數(shù)據(jù)中心管理人員、工程師和顧問需要不斷評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，將飛輪儲能技術結合到新的或改進的電氣系統(tǒng)設計中，可以作為提高數(shù)據(jù)中心可靠性和降低運行成本目標的良好基礎。由于具有節(jié)能環(huán)保的好處，在數(shù)據(jù)中心運營中使用飛輪系統(tǒng)將是一個明智的選擇。