飞轮储能系统在数据中心的应用和发展

如今，数据存储的巨大需求正在推动全球各地的数据中心呈指数级增长。人工智能（AI）、物联网（IoT）/工业物联网（IIoT）、虚拟化、云计算、电子商务、移动通信、社交媒体都取决于对海量数据正确而快速的处理。根据调研机构的预测，到2020年，全球将应用240亿台物联网设备。从自动驾驶汽车到家用电器的物联网连接将产生极大的数据量，并改变当今数据中心的运行方式。

在确保数据始终可用方面，大规模/超大规模数据中心和规模较小分布式数据中心（例如托管服务提供商）都具有一些共同点：需要具有高度可靠性和可扩展性的电源基础设施，并使用尽可能少的空间，所有这些都具有最佳的能源效率。

调研机构Research and Markets的调查报告表明，“全球数据中心市场规模将从2018年的441亿美元增长到2027年的899亿美元。数据中心的建设需求在很大程度上受到绿色节能需求增长的影响，这些数据中心旨在实现最大的能源效率，并减少对环境的影响。”

对于大多数数据中心设施管理人员来说，以节能环保和更低总体拥有成本（TCO）的方式保护关键负载不受到电力中断影响是最重要的事项。很多数据中心将UPS电源与飞轮储能系统配套使用是构建绿色电力基础设施的下一步措施。诸如医院的数据中心、超级计算中心、托管设施和许多其他运营设施已经采用具有可靠性、成本、环境效益的飞轮储能系统。

采用循环利用、节能、热管理技术是数据中心的重要目标。但是组织如何在其电源保护解决方案中实现这些目标呢？

同时采用储能系统和电池的UPS供电系统

UPS电源变得更加紧凑

当前的三相UPS电池系统比之前的产品集成了更智能的传感器、处理器和更高效的组件，从而为数据中心管理人员提供了更加可靠和紧凑的电源解决方案。这是一个好消息，但是，就与UPS电源配套部署的电池组而言，由于其本身的化学性质，很难进一步减小尺寸，并且价格高昂。数据中心的环境控制、泄漏控制、抗震机架要求、导管、电缆运行以及持续维护、安全、环境影响和其他问题显著增加了基于电池的UPS电源系统的生命周期成本。那么，组织需要为此做些什么？

飞轮成为节能可靠的储能组件

不可否认，电力设备的体积和能耗会给数据中心设施（尤其是占地面积有限的设施）带来挑战。将飞轮储能系统作为UPS电源的储能组件是一种非常节能可靠且具有成本效益的方法。飞轮储能系统利用高速飞轮的动能存储能量，并提供恒定的直流电源。三相UPS电源采用的飞轮储能系统，起到与电池组一样的储能作用。电池组通过UPS电源的直流总线进行充电流，并在放电期间向UPS逆变器提供直流电源。飞轮系统并不像电池组那样对温度比较敏感，因此不需要对飞轮系统进行额外的冷却，从而消除了昂贵的电池组维护和更换过程，并降低了能源成本。如今的飞轮技术使其能够在无数次循环中以高速率进行储能和放电，并且在20年使用寿命周期中的性能都不会退化，而传统的铅酸蓄电池组的性能在不到一半使用寿命的时间内就开始退化。

飞轮系统如何工作

动能是运动的能量，它由对象由于其运动而可以完成的工作量来量化，飞轮储能系统的动能由以下公式表示：

动能=mv2/2。其中m为飞轮的质量，v是飞轮的运动速度。

尽管飞轮已经证明了其数千年的实用性（例如陶轮和纺锤），而在更高科技和更苛刻的环境中，飞轮系统的应用带来了许多新的好处。

飞轮作为一种机械式储能系统，可以成为UPS电源电池组的替代品。飞轮系统通过高速旋转质量来以动能形式存储能量。飞轮采用电力使其转子一直保持飞速旋转状态，直到需要释放存储的能量为止。其可用的能量及其持续时间取决于飞轮的质量和旋转速度。

当与基于电池组的UPS电池系统一起结合使用时，飞轮系统会在电源故障时首先响应用电力中断信号，通过其动能继续提供电力，这可以减少电池组的使用，并最大程度地减少放电周期以延长电池组寿命。在飞轮系统工作时，其典型配置可提供15秒到两分钟以上的备用电源（取决于负载水平和飞轮重量）。由于数据中心的备用柴油发电机只需不到10秒钟即可启动运行，因此飞轮系统提供了充足的时间使现场柴油发电机来平稳地为数据中心负载供电。

清洁能源的储能替代品

铅酸蓄电池一直是UPS电源的标准储能组件，由于价格因素，其经济始终是一个问题。并且由于其化学性质，很难准确预测电池的可靠性。在设计包含铅酸电池的系统时，重要的考虑因素包括：

•危险品许可证

•防止酸液泄漏

•地板荷载问题

•充电时间慢

•铅处理合规性和运输

•温度控制

这些原因促使数据中心专业人员和管理人员评估储能方案。一些UPS制造商开始使用锂离子电池代替铅酸蓄电池。尽管锂离子电池具有一些优势，例如与铅酸电池相比，具有更长的寿命和更低的冷却要求，但安全性仍是首要问题。最新的2018年《锂离子电池防火规范》（NFPA 855）标准规定，每个锂离子电池柜的长度为36英寸，并且需要一定的安全间距。与类似的铅酸电池配置相比，还需要更多的空间。很多数据中心位于土地价格昂贵的城镇中心，因此需要节省更多的成本。

无论电池技术如何发展，其可靠性始终是个问题。例如电池是否充满电力？电池组中的某块电池是否损坏？上次测试是什么时候？一些数据中心设施管理人员很少或不愿测试他们的电池，因为每次电池测试都会在某种程度上消耗电池性能和寿命。相比之下，飞轮系统可以即时提供可靠的电能，确保无缝过渡到备用发电机。此外，通过监控系统可以清晰显示飞轮系统的当前状态。通过了解系统状态、操作参数、转子转速、充电容量、放电事件历史记录和事件日志菜单可确保用户了解当前操作条件。

飞轮是否是数据中心的正确选择？

很多数据中心运营商正在获得使用飞轮系统的可靠性和成本优势。例如，堪萨斯州主机托管服务提供商Cavern Technologies公司需要为其地下300平方英尺的数据中心设施提供电源保护替代方案。对于该公司数据中心设施工程副总裁Mike McDaniel来说，选择新的储能解决方案的原因主要是可靠性和耐用性。

McDaniel说，“知道任何时间的可用能量是飞轮系统与电池的关键区别。考虑到我们的备用电源能够在10秒内上线运营，因此飞轮系统非常适合我们的规划和设计。自从安装了飞轮以来，我们进行了内部测试，并遇到了一些天气灾害和电网中断的问题。每次电力中断事件发生时，飞轮系统的表现都完美无缺。”

如今的飞轮系统易于使用、维护和监控，具有自我诊断、日志文件、可调电压设置、RS-232/485接口、报警状态触点、从直流母线软启动预充电和按钮关机。可用选项包括直流断开、远程监控、Modbus和SNMP通信以及实时监视软件。

寿命更长并且可预测

在飞轮系统20年的使用寿命中，由于维护要求最低、无废物处置问题、无冷却成本，并且总拥有成本低于铅酸电池型，因此将会得到数据中心运营商的青睐。与使用5分钟的铅酸蓄电池组相比，飞轮系统可以每年节省10万至20万美元。实际上，飞轮系统的投资回报计算在四年内就可以收回全部投资。此外，采用无触点磁悬浮技术的飞轮系统可为用户节省10,000美元，因为无需更换轴承。

UPS电源的电池组确实提供了更长的备用时间，通常为10分钟，而典型飞轮配置提供的备用时间为20秒。但是，如果在停电期间几秒钟后，备用柴油发电机如果仍未启动，那么10分钟后也不太可能启动。

采用飞轮系统的好处

飞轮系统正越来越多地用于确保关键任务应用（从医院到政府机构）的最高电能质量和可靠性。飞轮系统的灵活性允许根据预算、可用空间和环境方面的考虑，量身定制各种配置，以达到最终用户所需的精确功率保护水平。

在这些配置中，用户最终将受益于基于飞轮系统的许多独特优势，其中包括：

•无需冷却；

•高功率密度，占地面积小；

•并行功能，可用于将来的扩展和N+1冗余；

•99％的效率，可降低运营成本；

•无需特殊设施；

•部署飞轮系统可消除空间问题，并为未来的运营扩展和重新安排提供现场灵活性；

•减少维护工作；

•20年使用寿命；

•安装简单，运行安静；

•更宽的温度容限（-4°F至104°F）；

•遵守UL和CE安全标准；

•使组织获得更高的LEED®评分。

随着处理物联网/工业物联网（IoT / IIoT）数据的需求不断增加，并变得越来越复杂，数据中心管理人员、工程师和顾问需要不断评估提高能源可靠性和效率的电源解决方案。尽管电力系统可用性始终是首要需求，但环保和降低碳足迹的要求更高。通过使用飞轮储能系统取代电池组，数据中心管理人员在绿色环保设施和降低总拥有成本方面又迈出了一步。

在许多情况下，将飞轮储能技术结合到新的或改进的电气系统设计中，可以作为提高数据中心可靠性和降低运行成本目标的良好基础。由于具有节能环保的好处，在数据中心运营中使用飞轮储能系统将是一个明智的选择。