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    西門子斷電之憂 日漸淡去

    發布時間: 2019-01-09  點擊次數: 1018次

    飛輪蓄電系統能防止數據中心停運,它們甚至可以為起重機提供動力。迄今為止,類似蓄電裝置均要求進行繁復的維護。西門子新推出的解決方案,將很快改變這種狀況。

    過去,如果數據中心運營商想要保護其服務器不受斷電影響,那么,他需要一臺柴油發動機和大量電池,后者是一種名為“不間斷電源(UPS)”設備的組成部分。發動機啟動需耗時15秒左右。在此期間,電池可為機房持續供電。但是,盡管電池是很好的蓄電裝置,但它們并不能儲蓄大量電能,而服務器的能耗卻很高。目前,電池依然是解決方案。但西門子中央研究院的Matthias Gerlich博士認為,飛輪蓄電系統是合理的替代方案。他指出:“它們能快速輸出很高的功率,無需占用太大空間,也不要求帶空調的機房。”

    飛輪蓄電系統由沉重的轉子——即飛輪——和亦可用作發電機的電機構成。電機驅動飛輪以額定運行速度旋轉,從而儲蓄動能。反過來,飛輪可以將旋轉動能傳遞至電機/發電機,由后者將動能轉換為電能。這種裝置可以在短時間內產生數千千瓦的電能。

    以前飛輪蓄電系統的問題在于,它們通常價格高昂,并且要求進行繁復的維護。然而,Gerlich和他的團隊研發了一個運行成本更低的可靠系統。目前他們正在對原型機進行試驗。



    電機被安裝到飛輪蓄電系統中。

    260公斤重的飛輪以每分鐘9,000轉的速度運行

    西門子的這個系統能提供持續15秒、功率125千瓦的電能。這個系統高約一米,直徑60厘米。其核心是一個重達260公斤的鋼制飛輪,在全真空環境中,它在磁懸浮軸承的作用下懸浮于空,并以每分鐘9,000轉的速度旋轉。Gerlich解釋道,“飛輪在磁懸浮軸承的作用下旋轉,因而幾乎無需任何維護。”

    飛輪上方,安裝了一臺配有電力電子系統的西門子電機。Gerlich指出:“這些電機經專門設計,可運行很長時間,此外,得益于大批量生產,其成本不是很高。”電機本身不是在真空中,而是在大氣壓力下運行。Gerlich的團隊面臨的挑戰是將處于真空狀態的飛輪,與在大氣壓力下運行的電機連接起來。他們的解決方案是使用帶兩個轉子的磁阻耦合器——這支團隊已向德國慕尼黑局申報這項發明的。

    在這個系統中,一個陶瓷板充當了將飛輪與電機分隔開的真空隔板。此外,有兩個齒形離合器片,它們分別位于距陶瓷板三毫米處。一個連接到飛輪上,另一個安裝在電機軸承上。為了從飛輪蓄電系統獲得電能,電機在開啟后將以9,000 rpm的轉速運行,這也是飛輪的旋轉速度。然后,使用電磁體來產生磁場,在兩個離合器片之間形成牽引力。因其磁中性,真空隔板不會妨礙這個過程。牽引力可使系統嚙合,此時,電機就充當了發電機,提供所需電能。

    裝配前,飛輪蓄電系統被打開。

    陶瓷板將飛輪與電機分隔開來。

    安裝已獲得的磁阻耦合器。

    電機安裝精度必須達到毫米級。



    對飛輪蓄電系統進行功能試驗。

    低維護設計,降低運行成本

    電磁體接通,系統嚙合;電磁體關斷,系統分離。這個過程十分簡單,但其開發過程卻十分漫長。工程師不得不為電機開發一個足夠厚的、不會在系統嚙合時發生彎曲的離合器片。與此同時,離合器片必須足夠輕,以保證電機能盡快達到設計轉速。工程師開發的離合器片厚僅7毫米,因而,電機可在短短150毫秒內達到9,000 rpm的轉速。換句話說,這個系統能在轉瞬之間輸出電能。這意味著,當發生斷電時,這個系統也能用于在柴油發電機開始供電之前,維持電源穩定。

    為設計這個系統而付出的努力沒有白費,正如Gerlich在報告中所指出的,西門子飛輪系統的維護要求低于競爭對手的解決方案。Gerlich說:“在我們的系統中,僅當必須讓飛輪以設計轉速運行時,或者發電時,電機才會工作。”另一方面,在常規飛輪系統中,電機和飛輪被牢牢地連接在一起,電機會隨飛輪不停運行。這意味著必須更加頻繁地維護電機。此外,西門子飛輪系統不要求任何昂貴的特殊組件。相比而言,競品的電機也是在真空中運行,“但在真空中運行的電機成本不菲,”Gerlich解釋道。

    對超級電容器構成競爭

    價格實惠的標準組件、低維護設計、低運行成本。有了這樣的賣點,西門子推出的飛輪蓄電系統或許很快將對超級電容器構成競爭。Gerlich表示,“我們想打造一個價位與超級電容器相當的系統。” 工業企業一般采用超級電容器來在短時間內提供大量電能。然而,超級電容器的缺點在于其充電次數有限。而西門子的飛輪系統可以根據需要無限次運行。需要更換的只有電機——在其運行數千小時之后。

    未來,這個系統可能被用于各式各樣的應用。譬如,它可以在斷電時用作備用系統。不過,工業企業也可以使用這個系統。Gerlich還認為,起重機可以使用這個系統。這是因為升舉重物要在短時間內耗用大量電能,飛輪系統可以提供這樣的電能。當載荷降低時,它可以重新獲得電能,以用于再次加快飛輪轉速。電動汽車也能受益于飛輪蓄電系統。Gerlich說:“目前尚未計劃任何汽車應用,但不能排除其可能性。”

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