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產(chǎn)品時間：2023-12-24
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飛輪蓄電系統(tǒng)能防止數(shù)據(jù)中心停運(yùn)，它們甚至可以為起重機(jī)提供動力。迄今為止，類似蓄電裝置均要求進(jìn)行繁復(fù)的維護(hù)。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(shù)據(jù)中心運(yùn)營商想要保護(hù)其服務(wù)器不受斷電影響，那么，他需要一臺柴油發(fā)動機(jī)和大量電池，后者是一種名為“不間斷電源（UPS）”設(shè)備的組成部分。發(fā)動機(jī)啟動需耗時15秒左右。在此期間，電池可為機(jī)房持續(xù)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(wù)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(rèn)為，飛輪蓄電系統(tǒng)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(diào)的機(jī)房。”
飛輪蓄電系統(tǒng)由沉重的轉(zhuǎn)子——即飛輪——和亦可用作發(fā)電機(jī)的電機(jī)構(gòu)成。電機(jī)驅(qū)動飛輪以額定運(yùn)行速度旋轉(zhuǎn)，從而儲蓄動能。反過來，飛輪可以將旋轉(zhuǎn)動能傳遞至電機(jī)/發(fā)電機(jī)，由后者將動能轉(zhuǎn)換為電能。這種裝置可以在短時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)千千瓦的電能。
以前飛輪蓄電系統(tǒng)的問題在于，它們通常價格高昂，并且要求進(jìn)行繁復(fù)的維護(hù)。然而，Gerlich和他的團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一個運(yùn)行成本更低的可靠系統(tǒng)。目前他們正在對原型機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。
電機(jī)被安裝到飛輪蓄電系統(tǒng)中。
260公斤重的飛輪以每分鐘9,000轉(zhuǎn)的速度運(yùn)行
西門子的這個系統(tǒng)能提供持續(xù)15秒、功率125千瓦的電能。這個系統(tǒng)高約一米，直徑60厘米。其核心是一個重達(dá)260公斤的鋼制飛輪，在全真空環(huán)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(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。Gerlich解釋道，“飛輪在磁懸浮軸承的作用下旋轉(zhuǎn)，因而幾乎無需任何維護(hù)。”
飛輪上方，安裝了一臺配有電力電子系統(tǒng)的西門子電機(jī)。Gerlich指出：“這些電機(jī)經(jīng)專門設(shè)計，可運(yùn)行很長時間，此外，得益于大批量生產(chǎn)，其成本不是很高。”電機(jī)本身不是在真空中，而是在大氣壓力下運(yùn)行。Gerlich的團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)是將處于真空狀態(tài)的飛輪，與在大氣壓力下運(yùn)行的電機(jī)連接起來。
在這個系統(tǒng)中，一個陶瓷板充當(dāng)了將飛輪與電機(jī)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(jī)軸承上。為了從飛輪蓄電系統(tǒng)獲得電能，電機(jī)在開啟后將以9,000 rpm的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，這也是飛輪的旋轉(zhuǎn)速度。然后，使用電磁體來產(chǎn)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(tǒng)嚙合，此時，電機(jī)就充當(dāng)了發(fā)電機(jī)，提供所需電能。
裝配前，飛輪蓄電系統(tǒng)被打開。
陶瓷板將飛輪與電機(jī)分隔開來。
安裝已獲的磁阻耦合器。
電機(jī)安裝精度必須達(dá)到毫米級。
對飛輪蓄電系統(tǒng)進(jìn)行功能試驗(yàn)。
低維護(hù)設(shè)計，降低運(yùn)行成本
電磁體接通，系統(tǒng)嚙合；電磁體關(guān)斷，系統(tǒng)分離。這個過程十分簡單，但其開發(fā)過程卻十分漫長。工程師不得不為電機(jī)開發(fā)一個足夠厚的、不會在系統(tǒng)嚙合時發(fā)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(jī)能盡快達(dá)到設(shè)計轉(zhuǎn)速。工程師開發(fā)的離合器片厚僅7毫米，因而，電機(jī)可在短短150毫秒內(nèi)達(dá)到9,000 rpm的轉(zhuǎn)速。換句話說，這個系統(tǒng)能在轉(zhuǎn)瞬之間輸出電能。這意味著，當(dāng)發(fā)生斷電時，這個系統(tǒng)也能用于在柴油發(fā)電機(jī)開始供電之前，維持電源穩(wěn)定。
為設(shè)計這個系統(tǒng)而付出的努力沒有白費(fèi)，正如Gerlich在報告中所指出的，西門子飛輪系統(tǒng)的維護(hù)要求低于競爭對手的解決方案。Gerlich說：“在我們的系統(tǒng)中，僅當(dāng)必須讓飛輪以設(shè)計轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，或者發(fā)電時，電機(jī)才會工作。”另一方面，在常規(guī)飛輪系統(tǒng)中，電機(jī)和飛輪被牢牢地連接在一起，電機(jī)會隨飛輪不停運(yùn)行。這意味著必須更加頻繁地維護(hù)電機(jī)。此外，西門子飛輪系統(tǒng)不要求任何昂貴的特殊組件。相比而言，競品的電機(jī)也是在真空中運(yùn)行，“但在真空中運(yùn)行的電機(jī)成本不菲，”Gerlich解釋道。
對超級電容器構(gòu)成競爭
價格實(shí)惠的標(biāo)準(zhǔn)組件、低維護(hù)設(shè)計、低運(yùn)行成本。有了這樣的賣點(diǎn)，西門子推出的飛輪蓄電系統(tǒng)或許很快將對超級電容器構(gòu)成競爭。Gerlich表示，“我們想打造一個價位與超級電容器相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)。” 工業(yè)企業(yè)一般采用超級電容器來在短時間內(nèi)提供大量電能。然而，超級電容器的缺點(diǎn)在于其充電次數(shù)有限。而西門子的飛輪系統(tǒng)可以根據(jù)需要無限次運(yùn)行。需要更換的只有電機(jī)——在其運(yùn)行數(shù)千小時之后。
未來，這個系統(tǒng)可能被用于各式各樣的應(yīng)用。譬如，它可以在斷電時用作備用系統(tǒng)。不過，工業(yè)企業(yè)也可以使用這個系統(tǒng)。Gerlich還認(rèn)為，起重機(jī)可以使用這個系統(tǒng)。這是因?yàn)樯e重物要在短時間內(nèi)耗用大量電能，飛輪系統(tǒng)可以提供這樣的電能。當(dāng)載荷降低時，它可以重新獲得電能，以用于再次加快飛輪轉(zhuǎn)速。電動汽車也能受益于飛輪蓄電系統(tǒng)。Gerlich說：“目前尚未計劃任何汽車應(yīng)用，但不能排除其可能性。”