譯自：《Taking Energy Storage Beyond the Limits》- www.missioncriticalmagazine.com
中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：歐美新冠肺炎大流行徹底顛覆了“一切照舊”的定義，強(qiáng)調(diào)了對(duì)更新的、與眾不同的思維方式的需求。對(duì)于今天的企業(yè)來說尤其如此，云計(jì)算和主機(jī)托管設(shè)施因遠(yuǎn)程操作、虛擬教室、賽事活動(dòng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻流媒體、社交媒體以及無數(shù)其他數(shù)據(jù)處理引起了數(shù)據(jù)爆炸。并且，隨著5G服務(wù)的推出，人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)將進(jìn)一步挑戰(zhàn)IT基礎(chǔ)設(shè)施。
美國協(xié)同研究集團(tuán)(Synergy Research Group)的數(shù)據(jù)顯示，在2020年第二季度，全世界各地的數(shù)據(jù)中心在硬件設(shè)施和軟件方面的花銷激增了25%，達(dá)到了414億美元，AWS、谷歌和微軟等公共云服務(wù)提供商的支出同比增長7%。
高德納公司（Gartner）副總裁希德·納吉（Sid Nag）表示:“在未來一年內(nèi)，發(fā)展遠(yuǎn)程工作功能的機(jī)構(gòu)將優(yōu)先考慮協(xié)作軟件、移動(dòng)設(shè)備管理、遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)教育解決方案和證券，以及擴(kuò)大規(guī)模以支持增加產(chǎn)能的基礎(chǔ)設(shè)施。”
隨著對(duì)IT基礎(chǔ)設(shè)施的日益關(guān)注，對(duì)數(shù)據(jù)中心供電的可靠性提出了更高的要求，因?yàn)槿魏沃袛喽紩?huì)對(duì)數(shù)字生態(tài)圈造成嚴(yán)重破壞。
圖1.洞穴科技（Cavern Technologies）位于北美地下數(shù)據(jù)中心的臨界負(fù)荷，由4臺(tái)2N設(shè)計(jì)的300kVA在線雙變換式UPS和與之配套的4臺(tái)300kW美國VYCON公司VDC飛輪儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行保護(hù)
電力中斷造成的損失
因計(jì)劃外電力中斷造成的損失正在迅速增加。根據(jù)波耐蒙研究所（Ponemon Institute）的調(diào)查，他們自2010年以來一直跟蹤數(shù)據(jù)中心因停電事故造成的損失情況，停電的平均成本從2010年的505,502美元穩(wěn)步上升到2016年的740,357美元(凈變化38%)?？紤]到如今人們對(duì)信息的依賴程度，2021年及以后的停電成本將更高。
作為研究的一部分，波耐蒙研究所（Ponemon Institute）計(jì)算了直接和間接成本，包括對(duì)任務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的影響；停機(jī)對(duì)組織生產(chǎn)力的影響；對(duì)設(shè)備和其他資產(chǎn)的影響；對(duì)法律和監(jiān)管影響，包括訴訟辯護(hù)費(fèi)用；對(duì)聲譽(yù)的影響等。
而且不僅僅是數(shù)據(jù)中心容易受到電力中斷引起的影響；所有關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用--從醫(yī)療設(shè)施到工業(yè)工廠、運(yùn)輸系統(tǒng)、國防和微電網(wǎng)，它們的連續(xù)運(yùn)行都需要可靠的電源保障。
電網(wǎng)電源
美國許多地區(qū)的電網(wǎng)的恢復(fù)能力仍然有待商榷。在加州，緩解火災(zāi)蔓延或控制需求高峰引發(fā)的高溫、火災(zāi)和公用事業(yè)強(qiáng)制停電可能是個(gè)大問題。盡管依托2009年的《美國復(fù)蘇與再投資法案》(ARRA)，電網(wǎng)現(xiàn)代化建設(shè)取得了長足進(jìn)展，但其可靠性仍然存在挑戰(zhàn)。
憂思科學(xué)家聯(lián)盟(Union of Concerned Scientists)在最近的一篇博客中報(bào)道：“美國需要投資大容量輸電系統(tǒng)，以緩解阻塞，更新老化的基礎(chǔ)設(shè)施，并使更多的可再生能源并網(wǎng)。我們需要對(duì)我們的配電系統(tǒng)和人工系統(tǒng)加大投入，以適應(yīng)分布式的屋頂太陽能、新的能源效率和靈活的需求技術(shù)。”
推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施
根據(jù)核實(shí)市場(chǎng)研究公司(Verified Market Research)的數(shù)據(jù)，2019年全球數(shù)據(jù)中心電力市場(chǎng)價(jià)值174.5億美元，預(yù)計(jì)到2027年將達(dá)到284.4億美元，從2020年到2027年，復(fù)合年增長率(CAGR)為6.32%。如今的數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商在電力系統(tǒng)上花費(fèi)了相當(dāng)大的一筆資金，以確保電力可以7*24h全天候的持續(xù)運(yùn)行。不過，隨著更節(jié)能的系統(tǒng)投入使用，比如儲(chǔ)能裝置，數(shù)據(jù)中心的總擁有成本(TCO)將會(huì)降低，而效率卻將提高。
企業(yè)、中到大型數(shù)據(jù)中心、主機(jī)托管設(shè)施和超級(jí)計(jì)算中心正在采取行動(dòng)，將節(jié)能和低成本的電力系統(tǒng)納入其中，這促使人們思索有創(chuàng)新精神的想法。數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商和設(shè)備經(jīng)理通常采用他們認(rèn)為無風(fēng)險(xiǎn)的方法來保護(hù)他們的IT基礎(chǔ)設(shè)施，這一點(diǎn)也不足為奇。為了追求更有效的電力保護(hù)，促使主要的UPS供應(yīng)商在其三相系統(tǒng)方面取得重大進(jìn)展，包括高達(dá)99%的效率、模塊化電力電子、可擴(kuò)展設(shè)計(jì)和更小的占地空間。直流儲(chǔ)能系統(tǒng)是UPS需要特別關(guān)心的關(guān)鍵部件。
化學(xué)儲(chǔ)能裝置
閥控鉛酸(VRLA)電池長期以來一直是UPS能量存儲(chǔ)的首選。它們經(jīng)過長期應(yīng)用驗(yàn)證，而且比其他電池技術(shù)的前期購買成本更低。然而，它們也有很多缺點(diǎn)，包括：
?故障率高——根據(jù)波耐蒙研究所（Ponemon Institute）的研究，55%的計(jì)劃外數(shù)據(jù)中心停電和三分之一的UPS故障是由VRLA電池引起的。
?壽命短，意味著更頻繁的更換。
?需要空調(diào)控溫。
?需要頻繁的測(cè)試和維護(hù)。
?對(duì)空間和重量有限制要求。
?要按規(guī)定進(jìn)行回收和處置。
?控制酸液泄漏。
一些主要的UPS公司嘗試提供鋰離子電池作為儲(chǔ)能選擇。雖然它們比VRLA電池有更高的能量密度和更長的壽命，它們也存在缺點(diǎn)。根據(jù)NFPA 855標(biāo)準(zhǔn)，鋰離子電池必須包含一個(gè)經(jīng)過批準(zhǔn)的電池管理系統(tǒng)(BMS)，具有熱失控管理功能，以減輕火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，電池柜周圍需要3英尺的空間來減輕火勢(shì)蔓延，盡管壽命更長，但它們的總擁有成本(TCO)很高。
飛輪儲(chǔ)能
為了降低對(duì)環(huán)境的影響，一些主流的運(yùn)營商正在逐步使用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)代替電池系統(tǒng)，為其關(guān)鍵負(fù)載提供應(yīng)急電源保障，降低公共事業(yè)成本及減少碳排放。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)就像一個(gè)動(dòng)態(tài)的物理電池，飛輪以旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的形式存儲(chǔ)動(dòng)能。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要組成部分包括高速電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、在運(yùn)行期間維持飛輪轉(zhuǎn)子懸浮的五軸主動(dòng)磁軸承懸浮以及一套智能軟件控制系統(tǒng)。外部輸入的電能經(jīng)過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)飛輪本體加速旋轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速，使其在7*24h內(nèi)保持高速旋轉(zhuǎn)，直到需要釋放存儲(chǔ)的能量。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通過正負(fù)極電纜連接至UPS直流總線，與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池接入U(xiǎn)PS不間斷電源系統(tǒng)的方式完全相同。在電源中斷期間，飛輪將經(jīng)過UPS逆變器立即提供備用電源為負(fù)載供電，直到無縫切換至柴油發(fā)電機(jī)組供電，以保證更長的供電時(shí)間，這個(gè)過程持續(xù)的時(shí)間約30秒，可能有人覺得30秒的后備時(shí)間是不夠的。“飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)與電池的關(guān)鍵的區(qū)別在于，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)只要保持在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)就可以隨時(shí)提供可用能量，狀態(tài)透明”，洞穴技術(shù)公司（Cavern Technologies）設(shè)備工程副總裁麥克·麥克丹尼爾（Mike McDaniel）這樣說道。“考慮到我們的發(fā)電機(jī)組可以在10秒內(nèi)上線，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以和我們的供電設(shè)計(jì)系統(tǒng)完美配合。”
目前全美已經(jīng)有超過2000臺(tái)飛輪在為數(shù)百家用戶提供高可靠性的關(guān)鍵電力保障，2020年1月DataBank選擇部署了VYCON公司的12套VDC XXT 450kW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，與飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)配套使用的是三菱9900B-750kVA在線雙變換式UPS。DataBank技術(shù)總監(jiān)艾倫（Allen）評(píng)論說道：“VYCON公司的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具備高安全可靠性、極低的運(yùn)行維護(hù)成本及綠色節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。當(dāng)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以準(zhǔn)確知道儲(chǔ)能裝置的狀態(tài)，而鉛酸蓄電池則不同，無法預(yù)測(cè)它們是否處于正常的工作狀態(tài)，或者在需要不間斷電源供電時(shí)它們能否正常工作。更重要的是，飛輪系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量不會(huì)像鉛酸蓄電池一樣隨著使用年限的增加而衰減?！?
