磁懸浮飛輪儲(chǔ)能設(shè)備在UPS系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

陳 鳳，成 彬 ，王 濤 ，邢 峰

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006）

磁懸浮飛輪儲(chǔ)能設(shè)備是一種在磁懸浮真空環(huán)境下通過(guò)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪來(lái)儲(chǔ)存能量的裝置。該裝置可以在市電中斷時(shí)給 UPS（Uninterruptibale Power Supply）的逆變器持續(xù)供電幾秒到十幾分鐘時(shí)間，直至后備柴油發(fā)電機(jī)恢復(fù)對(duì)重要負(fù)載的供電［1］。在國(guó)外采用飛輪儲(chǔ)能設(shè)備作為UPS系統(tǒng)后備電源的技術(shù)已經(jīng)比較成熟［2］，典型的廠商包括美國(guó)的 Active Power公司、VYCON公司，德國(guó) ATZ、GmbH 公司，日本的NEDO機(jī)構(gòu)。在國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能研究落后于國(guó)外10年左右，國(guó)內(nèi)英利集團(tuán)公司已經(jīng)正式進(jìn)軍飛輪儲(chǔ)能的研發(fā)并提出在‘十二五’期間將生產(chǎn)至少45萬(wàn)臺(tái)。目前，進(jìn)口飛輪儲(chǔ)能設(shè)備在60周年國(guó)慶慶典、世博會(huì)電力保障以及廣州亞運(yùn)會(huì)上的供電工程中得到初步試用，其能耗低、無(wú)污染可完全取代鉛酸蓄電池的成效得到初步驗(yàn)證［3］。隨著中國(guó)通信行業(yè)節(jié)能減排問(wèn)題提上日程，深入開(kāi)展利用飛輪儲(chǔ)能設(shè)備替代鉛酸蓄電池的研究具有重要意義。

1 飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)劣分析

1.1 飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)UPS供電系統(tǒng)大量采用鉛酸蓄電池作為后備電源，而且后備時(shí)間達(dá)到15分鐘以上甚至是幾個(gè)小時(shí)，而鉛酸蓄電池存在更換周期短、故障率高、占地面積大、需要配備專(zhuān)用空調(diào)、對(duì)樓層承重要求高、易污染環(huán)境、不便于擴(kuò)展和維護(hù)等一系列弊端［4，5］。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，一般市電電源的可靠性達(dá)到3個(gè)9（99.9%）以上，而且在斷電情況下后備油機(jī)一般能在15秒鐘內(nèi)迅速啟動(dòng)并恢復(fù)對(duì)重要負(fù)載的供電［6］。在此前提下，采用飛輪儲(chǔ)能設(shè)備替代鉛酸蓄電池作為UPS的后備電源在理論上是可行的，而且具有以下優(yōu)勢(shì)［7］：

（1）可完全取代鉛酸蓄電池，綠色無(wú)污染、無(wú)排放，100%可回收；

（2）故障率低，可靠性高，平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）在175 200小時(shí)以上；

（3）采用機(jī)柜式安裝，占地面積小，對(duì)機(jī)房樓層承重要求低；

（4）管理維護(hù)方便，可并機(jī)擴(kuò)容，適合按需分期投資建設(shè)；

（5）更換周期長(zhǎng)，一般在15年以上；

（6）自身能耗較低，無(wú)需額外配置空調(diào)；

（7）兼容性好，能和各大主流UPS主機(jī)良好地匹配；

（8）同等容量時(shí)系統(tǒng)供電效率更高，采用飛輪時(shí)為97%以上，而傳統(tǒng)為92%；

（9）安全性高，對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波反射，因而可改善電源品質(zhì)；

（10）采用液晶觸摸屏的人機(jī)交換界面，操作方便，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄各種狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)拷貝及上傳等功能；

（11）可實(shí)現(xiàn)整個(gè)供電系統(tǒng)（包括市電/油機(jī)、變配電、UPS等）的全自動(dòng)響應(yīng)功能，即在市電斷電或恢復(fù)時(shí)無(wú)需人工手動(dòng)干預(yù)，因而能大大減少整個(gè)供電系統(tǒng)的維護(hù)管理工作量及維護(hù)人員；

（12）該設(shè)備移動(dòng)方便，相比鉛酸蓄電池更適用于移動(dòng)式UPS電源系統(tǒng)中。

1.2 飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的不足

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的應(yīng)用還處于試用摸索階段，主要是因?yàn)閷?duì)飛輪儲(chǔ)能設(shè)備表現(xiàn)出來(lái)的劣勢(shì)還心存疑慮和擔(dān)憂(yōu)，主要表現(xiàn)在：

（1）飛輪設(shè)備儲(chǔ)存的能量是有限的，更適合應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。飛輪設(shè)備的放電時(shí)間會(huì)隨著負(fù)載量的增加而減少，但鑒于成本及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的原因，飛輪設(shè)備的容量近期不可能做得很小；

（2）采用飛輪儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，要求后備油機(jī)及高低壓變配電設(shè)備必須具備快速響應(yīng)功能。對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)及維護(hù)理念轉(zhuǎn)變提出了較高的要求；

（3）國(guó)內(nèi)在技術(shù)上落后于國(guó)外，應(yīng)用較少且還要依賴(lài)于進(jìn)口。在這些客觀因素及國(guó)內(nèi)各大運(yùn)營(yíng)商推行采購(gòu)與維護(hù)分離的機(jī)制下，初期較高的投資成本在一定程度上限制其大面積的推廣應(yīng)用。

綜上，飛輪儲(chǔ)能設(shè)備替代鉛酸蓄電池作為UPS的后備電源具備的優(yōu)勢(shì)十分明顯，但其備受?chē)?guó)內(nèi)關(guān)注的劣勢(shì)有其產(chǎn)生的客觀因素且不容忽視，這并不影響飛輪儲(chǔ)能設(shè)備取代鉛酸蓄電池的大趨勢(shì)。為了能更好地研究該技術(shù)及產(chǎn)品結(jié)合UPS使用的可行性，十分有必要搭建一套系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和深入分析。

2 飛輪儲(chǔ)能設(shè)備＋UPS的聯(lián)動(dòng)測(cè)試

2.1 系統(tǒng)搭建方案

中國(guó)電信北京分公司率先在亦莊局?jǐn)?shù)據(jù)中心綜合樓利用現(xiàn)有的部分供電設(shè)備及高低壓變配電系統(tǒng)搭建了一套飛輪＋UPS供電測(cè)試系統(tǒng)并進(jìn)行了聯(lián)動(dòng)測(cè)試。本次選用的是美國(guó)VYCON公司VDC－CE型號(hào)產(chǎn)品，單機(jī)功率為215 kW，且為獨(dú)立柜式結(jié)構(gòu)，與Active Power公司開(kāi)發(fā)的一體式飛輪UPS設(shè)備不同［8］。如圖1所示，該系統(tǒng)包含2臺(tái)油機(jī)（科勒公司2 000 kW）、1個(gè)市電進(jìn)線柜、1個(gè)市電/油機(jī)切換柜、1個(gè)低壓開(kāi)關(guān)柜、1臺(tái)UPS輸入配電屏、1臺(tái)UPS主機(jī)（艾默生公司400 kVA）、1臺(tái)UPS輸出配電屏以及1臺(tái)飛輪儲(chǔ)能設(shè)備。

圖1 飛輪測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

為了保證飛輪測(cè)試系統(tǒng)的獨(dú)立性，需要對(duì)大樓內(nèi)原有已建供電系統(tǒng)進(jìn)行改造。由于亦莊綜合樓內(nèi)市電尚未引入，本次選用1＃油機(jī)作為替代市電，用2＃油機(jī)作為后備油機(jī)，并將原有油機(jī)并機(jī)線、市電進(jìn)線柜與變壓器之間的電纜、UPS主機(jī)與蓄電池開(kāi)關(guān)柜的電纜進(jìn)行斷開(kāi)并做好防護(hù)，待測(cè)試完成后再行恢復(fù)。本期需自1＃油機(jī)引接一條4×150 mm2電纜連至市電進(jìn)線柜輸出端，作為替代市電（負(fù)載為30 kW）。市電/油機(jī)切換柜配置了ATS自動(dòng)切換裝置，還需要新敷設(shè)1條4×2.5 mm2的信號(hào)電纜，供市電/油機(jī)切換柜給2＃后備油機(jī)發(fā)送啟動(dòng)和關(guān)閉信號(hào)。飛輪儲(chǔ)能設(shè)備與UPS主機(jī)的線纜連接包括直流輸入線纜連接、弱電控制信號(hào)線連接以及飛輪設(shè)備引自UPS輸出配電屏的輔助電源線連接。本次自UPS主機(jī)輸出配電屏引接1路63 A/220 V分路連接到實(shí)驗(yàn)用30 kW負(fù)載電阻箱，以模擬真實(shí)帶載情況。另外，此次試驗(yàn)UPS與飛輪儲(chǔ)能設(shè)備間沒(méi)有連接切換開(kāi)關(guān)控制線，故UPS無(wú)法主動(dòng)切斷VDC電源。UPS的參數(shù)設(shè)定與正常工作時(shí)一樣，如開(kāi)機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)間仍然設(shè)定為24 s。

2.2 系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程

本次主要是檢測(cè)市電通電、斷電、閃斷等各種情況下飛輪設(shè)備能否充當(dāng)后備電源的功能，測(cè)試市電/油機(jī)切換柜能否自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)和控制油機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉，以及后備油機(jī)能否根據(jù)控制指令自行完成操作，并記錄各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)作及延時(shí)時(shí)間等。具體測(cè)試過(guò)程如下：

（1）啟動(dòng)1＃柴油機(jī)模擬市電供電，待電壓正常后，依次接通各開(kāi)關(guān)柜內(nèi)對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)，給C6＃UPS主機(jī)供電；待UPS輸出穩(wěn)定后，開(kāi)啟飛輪VDC設(shè)備進(jìn)行儲(chǔ)能充電，經(jīng)過(guò)20分鐘后VDC達(dá)到最高轉(zhuǎn)速（36 000轉(zhuǎn)/分）并充滿(mǎn)電，至此系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，可以開(kāi)始進(jìn)行切換試驗(yàn)；

（2）將系統(tǒng)假負(fù)載調(diào)節(jié)到30 kW；

（3）關(guān)閉1＃油機(jī)，模擬市電掉電；

（4）VDC發(fā)出報(bào)警聲，顯示屏界面上顯示VDC處于輸出狀態(tài)，儲(chǔ)存的能量在減少，飛輪的轉(zhuǎn)速在降低；

（5）2＃油機(jī)自市電斷電迅速啟動(dòng)，自市電斷電至送電到UPS主機(jī)耗時(shí)約24 s，加上UPS設(shè)置了約24 s的開(kāi)機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)間，共計(jì)耗時(shí)48 s。在此時(shí)間內(nèi)，飛輪VDC設(shè)備一直承擔(dān)后備電源為負(fù)載供電。直至UPS回復(fù)正常工作狀態(tài)，飛輪VDC設(shè)備停止輸出轉(zhuǎn)回儲(chǔ)能狀態(tài)；

（6）經(jīng)過(guò)約10分鐘后，VDC的轉(zhuǎn)速達(dá)到36 000轉(zhuǎn)/分，重新充滿(mǎn)能量。VDC替代蓄電池實(shí)驗(yàn)獲得完全成功；

（7）接著將 UPS輸入電源關(guān)斷，仍連接30 kW的負(fù)載作為放電負(fù)載，測(cè)試VDC存儲(chǔ)的全部能量的放電過(guò)程。經(jīng)過(guò)96 s后飛輪轉(zhuǎn)速由36 000 轉(zhuǎn)/分降至18 600轉(zhuǎn)/分，說(shuō)明 VDC在帶30 kW的負(fù)載條件下可以正常供電96 s（見(jiàn)圖2）。此時(shí)飛輪VDC設(shè)備由于輸出電壓低于設(shè)定值，自動(dòng)切斷輸出；

圖2 VDC－CE飛輪儲(chǔ)能放電過(guò)程記錄結(jié)果

（8）為使VDC逐步停機(jī)，去掉負(fù)載，UPS打到旁路狀態(tài)。經(jīng)過(guò)約120分鐘飛輪降至0轉(zhuǎn)速后，依次關(guān)閉系統(tǒng)，結(jié)束試驗(yàn)；

（9）在進(jìn)行模擬市電掉電之前，VDC還捕捉并記錄了一次0.2 s和一次0.13 s的供電閃斷過(guò)程（圖3）。

圖3 VDC－CE飛輪儲(chǔ)能設(shè)備全過(guò)程延時(shí)時(shí)間記錄結(jié)果

2.3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

（1）VDC在試驗(yàn)中分別捕捉到0.2 s和0.13 s的兩次電源電壓跌落，說(shuō)明采用VDC系統(tǒng)后，能夠?qū)㈦娋W(wǎng)電壓的瞬間跌落消除于無(wú)形中，提高了系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備抗擊電源干擾的能力，對(duì)提高IDC機(jī)房電源的供電質(zhì)量有明顯幫助；

（2）VDC在帶30 kW的情況下，從模擬市電掉電開(kāi)始，至市電最終送達(dá)負(fù)載整個(gè)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的延時(shí)共計(jì)48 s，根據(jù)測(cè)試具體如下：從市電掉電開(kāi)始計(jì)時(shí)0→市電/油機(jī)切換柜延時(shí)5 s后開(kāi)始切換到油機(jī)端→油機(jī)收到啟動(dòng)信號(hào)到輸出油機(jī)電耗時(shí)10 s→油機(jī)電送達(dá)低壓開(kāi)關(guān)柜延時(shí)5 s→油機(jī)電送達(dá)UPS輸入配電屏延時(shí)4 s→UPS經(jīng)過(guò)24 s的開(kāi)機(jī)軟啟動(dòng)，恢復(fù)對(duì)負(fù)載供電，至此飛輪設(shè)備立即進(jìn)入充電狀態(tài)，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)約48 s。需要說(shuō)明的是，UPS主機(jī)設(shè)置了24 s的開(kāi)機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)間，這是為了消除市電斷電、蓄電池瞬間接通時(shí)釋放出的極大電流對(duì)UPS主機(jī)產(chǎn)生的沖擊作用，避免UPS主機(jī)因此產(chǎn)生故障。而對(duì)于VDC而言，由于輸出功率是根據(jù)需要人為設(shè)定的，不會(huì)產(chǎn)生沖擊電流。因此，實(shí)際使用時(shí)可以將UPS主機(jī)的軟啟動(dòng)時(shí)間設(shè)定為3～5 s，這樣可以大幅度提高VDC的帶載能力；

（3）通過(guò)對(duì)VDC在帶30 kW的最大維持時(shí)間分析，如果將系統(tǒng)各部分調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)，VDC完全可以在帶載100 kW的情況下達(dá)到最大維持時(shí)間：

（4）在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)VDC在達(dá)到規(guī)定轉(zhuǎn)速36 000轉(zhuǎn)/分后，處于準(zhǔn)備好（Ready）狀態(tài)，此時(shí)的維持電流小于3 A，且噪聲很小，可以知道VDC中飛輪的摩擦系數(shù)極小，工作能耗很低。因此VDC是一種非常節(jié)能的產(chǎn)品；

（5）通過(guò)測(cè)試操作發(fā)現(xiàn)，相比鉛酸蓄電池，VDC自帶液晶觸摸屏，具備良好的人機(jī)交互界面，能提供工作狀態(tài)記錄，并且飛輪設(shè)備支持所有數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳和拷貝，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)和控制，且不需要像蓄電池一樣定期進(jìn)行容量測(cè)試；

（6）VDC從16 000轉(zhuǎn)/分到充滿(mǎn)電36 000轉(zhuǎn)/分，用時(shí)10分鐘左右，這說(shuō)明VDC的恢復(fù)時(shí)間很短，而相比蓄電池組幾個(gè)小時(shí)的充電時(shí)間，優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

3 飛輪儲(chǔ)能設(shè)備＋UPS的可行性分析

從前面的理論分析和測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在傳統(tǒng)的UPS供電系統(tǒng)中利用飛輪儲(chǔ)能設(shè)備替代鉛酸蓄電池是可行的，而且后備油機(jī)及高低壓變配電均能滿(mǎn)足自動(dòng)快速響應(yīng)的要求。下面從投資見(jiàn)效期、節(jié)能減排效果和社會(huì)效益方面進(jìn)一步來(lái)分析：

3.1 相對(duì)投資見(jiàn)效期

按照同等功率情況下，分別構(gòu)建單獨(dú)飛輪設(shè)備的投資成本增長(zhǎng)模型與單獨(dú)采用蓄電池的投資成本增長(zhǎng)模型，進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)綜合考慮飛輪設(shè)備相對(duì)于蓄電池的投資見(jiàn)效期。

3.1.1 飛輪儲(chǔ)能設(shè)備的投資成本增長(zhǎng)模型

本期新增一臺(tái)飛輪設(shè)備功耗為215 kVA，為1個(gè)機(jī)柜，凈占地面積為0.54 m2，設(shè)備初期投資為300萬(wàn)，飛輪與UPS主機(jī)之間的電纜材料費(fèi)用很少，20年無(wú)需更換，且后期維護(hù)費(fèi)用很低。具體運(yùn)營(yíng)成本計(jì)算如下：

設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用：300萬(wàn)（含運(yùn)輸、安裝費(fèi)用）；

年耗 電 費(fèi) 用：0.9元/度 × （220 V×3 A×0.8/1 000×24 h×365天＝0.42萬(wàn)元/年；

設(shè)定經(jīng)過(guò)X年，則飛輪設(shè)備的投資成本增長(zhǎng)模型為：300萬(wàn)元＋0.42 X 萬(wàn)元＝（300＋0.42 X）萬(wàn)元

3.1.2 采用鉛酸蓄電池的投資成本增長(zhǎng)模型

傳統(tǒng)UPS系統(tǒng)的主機(jī)按照1臺(tái)200 kVA艾默生主機(jī)計(jì)列，按照后備放電時(shí)間20分鐘考慮計(jì)算出需要配置的蓄電池容量為400 Ah，總共配置2組×32節(jié)/組＝64節(jié)蓄電池，單節(jié)蓄電池為12 V/200 Ah，同時(shí)需要配置電池開(kāi)關(guān)柜1個(gè)。參照國(guó)家相關(guān)規(guī)范和工程預(yù)算定額，具體投資成本計(jì)算如下：

蓄電池首次購(gòu)置設(shè)備費(fèi)、建筑安裝費(fèi)及其他費(fèi)用：29.3萬(wàn)元；

蓄電池每年耗電費(fèi)用：0.9元/度×（384 V×2 A×24 h/1 000）×365天＝0.61萬(wàn)元/年（廠商建議400 Ah蓄電池耗電按照平均2 A考慮）；

每年為蓄電池而額外增加的空調(diào)耗電費(fèi)用：0.9元/度×（4 kW/2.5）×24 h×365天＝1.26萬(wàn)元/年（用于蓄電池的空調(diào)制冷量按照4 kW考慮，能耗比為2.5）；

蓄電池5年更換一次，因更換產(chǎn)生的蓄電池購(gòu)置費(fèi)及安裝維護(hù)等費(fèi)用為：221 077.34（設(shè)備費(fèi)）元＋10 462.35（建安費(fèi)）元＋12 260.46（安裝其他費(fèi)）元＋7 314元（預(yù)備費(fèi)）元＝25.1萬(wàn)元，此項(xiàng)平均每年費(fèi)用為：25.1/5＝5.02萬(wàn)元/年；

采用蓄電池導(dǎo)致整體系統(tǒng)故障率相對(duì)飛輪要高很多，按照每5年發(fā)生一次大的故障，因維修故障造成的損失按照10萬(wàn)元/次估列，平均到每年故障維修費(fèi)用為2萬(wàn)元/年；

在同時(shí)考慮維護(hù)通道情況下，蓄電池及開(kāi)關(guān)柜占地面積約為（1.076＋0.8×2）×4.4 m2＋0.6×（1＋0.8×2）m2＝13.33 m2，飛輪設(shè)備占地面積為：0.7×0.8×2 m2＝1.12 m2，前者相比飛輪設(shè)備多占用約（13.33－1.12）m2＝12.21 m2，可按照12 m2估算。這多占用的機(jī)房面積一方面需要前期投入建筑成本為：12 m2×1.5萬(wàn)元/m2＝18萬(wàn)元。另一方面這多占用的機(jī)房面積本來(lái)可以增加機(jī)柜擺放數(shù)量而帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益，被蓄電池占用后就損失了該部分經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)調(diào)查了解到，目前北京地區(qū)IDC機(jī)房出租給客戶(hù)平均收益在12 000元/（月×機(jī)柜）左右，按照凈利潤(rùn)25%計(jì)算，每個(gè)機(jī)柜能帶來(lái)凈利潤(rùn)3 000元/（月×機(jī)柜），折算成單位面積（考慮單個(gè)機(jī)柜的維護(hù)通道占地面積）的凈利潤(rùn)為：3 000元/［0.6×（0.9＋0.8）］）月×m2＝2 941.2元/（月×m2）。保守估算，可按照單位面積的凈利潤(rùn)為2 800元/（月×m2）考慮，因采用蓄電池多占用的機(jī)房面積每年損失的經(jīng)濟(jì)效益為：12 m2×2 800元/（月×m2）×12月＝40.32萬(wàn)/年；

蓄電池需要經(jīng)常進(jìn)行容量測(cè)試，考慮測(cè)試人員的各種成本，按照每年測(cè)試費(fèi)用2萬(wàn)元/年計(jì)列；

采用飛輪儲(chǔ)能設(shè)備后，整個(gè)供電系統(tǒng)具備全自動(dòng)的響應(yīng)功能，無(wú)需人工干預(yù)操作，管理和維護(hù)十分便捷，可大大降低系統(tǒng)的維護(hù)工作量。而采用鉛酸蓄電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)全自動(dòng)響應(yīng)功能，需要人工手動(dòng)操作，從整體供電系統(tǒng)的維護(hù)和管理角度考慮，需要配置2名維護(hù)人員，按照每人每年工資7萬(wàn)元計(jì)列，每年需要支出的維護(hù)人員工資為：14萬(wàn)元/年；

設(shè)定經(jīng)過(guò)X年，則蓄電池的投資成本增長(zhǎng)模型為：

3.1.3 相對(duì)投資見(jiàn)效期

從上面分析知道，設(shè)定年限為X年，飛輪設(shè)備的投資成本增長(zhǎng)模型為：（300＋0.42 X ）（萬(wàn)元）；蓄電池的投資成本增長(zhǎng)模型為：（47.3＋65.21 X ）萬(wàn)元。

假設(shè)經(jīng)過(guò)20年，及X＝20時(shí)，飛輪設(shè)備的投資成本總共為：308.4萬(wàn)元；蓄電池的投資成本總共為：1 351.5萬(wàn)元，相比飛輪設(shè)備投資多出1 043.1萬(wàn)元。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，相對(duì)蓄電池來(lái)說(shuō)采用飛輪設(shè)備可節(jié)約的投資成本效益十分明顯。

相對(duì)投資見(jiàn)效期的計(jì)算：假設(shè)當(dāng)X年后蓄電池的投資成本總額等于飛輪設(shè)備的投資成本與飛輪間接利潤(rùn)的差，說(shuō)明從第X年開(kāi)始飛輪設(shè)備相對(duì)于蓄電池開(kāi)始顯現(xiàn)出節(jié)約投資成本的經(jīng)濟(jì)效益。即此時(shí)的X年為飛輪設(shè)備相對(duì)于蓄電池的投資見(jiàn)效期。由此計(jì)算出飛輪設(shè)備投資見(jiàn)效期為47.3＋65.21 X＝300＋0.42 X，計(jì)算得到：X＝3.9年。

因此，同等功率情況下飛輪設(shè)備相對(duì)蓄電池的相對(duì)投資見(jiàn)效期為3.9年。

3.2 節(jié)能減排效益分析

在節(jié)能方面，飛輪UPS系統(tǒng)有良好的熱穩(wěn)定性和適應(yīng)環(huán)境溫度范圍寬等特點(diǎn)，在機(jī)房中產(chǎn)生的熱量幾乎可以忽略，無(wú)需配置專(zhuān)用空調(diào)，因而節(jié)省了購(gòu)置空調(diào)的設(shè)備費(fèi)用和耗電成本。由前面的分析知，20年的使用期內(nèi)傳統(tǒng)的UPS電費(fèi)＝蓄電池用電費(fèi)用＋空調(diào)用電費(fèi)＝（0.61×20＋1.26×20）萬(wàn)元＝（12.20＋25.20）萬(wàn)元＝37.4萬(wàn)元；而飛輪UPS系統(tǒng)20年內(nèi)用費(fèi)用＝0.42×20萬(wàn)元＝8.4萬(wàn)元，相比蓄電池節(jié)省了：（37.4－8.4）萬(wàn)元＝29萬(wàn)元，平均每年節(jié)省1.45萬(wàn)元。因此，相比蓄電池而言飛輪系統(tǒng)的節(jié)電率為：（37.4－8.4）/37.4＝77.54%。

在環(huán)保方面，飛輪設(shè)備具有生產(chǎn)應(yīng)用全程綠色環(huán)保的特點(diǎn)，而且不會(huì)產(chǎn)生鉛污染。近年來(lái)國(guó)內(nèi)鉛酸蓄電池高速發(fā)展，而因?yàn)樯a(chǎn)/回收蓄電池導(dǎo)致在生產(chǎn)廠區(qū)周邊地帶屢屢發(fā)生大面積的鉛污染事件，給當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ詈椭苓叚h(huán)境都帶來(lái)極大的危害。另外，參照《鉛酸蓄電池單位產(chǎn)量綜合能耗計(jì)算方法及限額》，鉛酸蓄電池單位產(chǎn)量綜合能耗2.7 kg（標(biāo)準(zhǔn)煤）/kVAh。對(duì)于單塊12 V/200 Ah的鉛酸蓄電池，按每組96塊，20年更換4次，共計(jì)384塊蓄電池，計(jì)算得：2.7 kg（標(biāo)準(zhǔn)煤）/kVAh×（12 V/1 000）×200 Ah×96×4＝2 488.32 kg≈2.49噸（標(biāo)準(zhǔn)煤）。一般1 kg標(biāo)準(zhǔn)煤可產(chǎn)生至少3 kgCO2，因此20年內(nèi)因采用蓄電池產(chǎn)生的CO2排放量為：2.49噸×3＝7.47噸

3.3 社會(huì)效益

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)作為一種綠色環(huán)保新興儲(chǔ)能技術(shù)，在國(guó)外已經(jīng)相當(dāng)成熟并得到普遍應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)十分少見(jiàn)。北京電信分公司大膽率先開(kāi)展了飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)品實(shí)地應(yīng)用測(cè)試工作，對(duì)提升運(yùn)營(yíng)商的整體維護(hù)管理水平、構(gòu)建精細(xì)化的維護(hù)管理體系及降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本都具有現(xiàn)實(shí)和積極意義。

4 結(jié)論和建議

本文通過(guò)搭建一套模擬飛輪＋UPS供電測(cè)試系統(tǒng)，從工程實(shí)際角度論證了在UPS供電系統(tǒng)中利用飛輪設(shè)備替代鉛酸蓄電池的可行性。通過(guò)利用飛輪儲(chǔ)能設(shè)備，有助于實(shí)現(xiàn)整個(gè)供電系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行和快速響應(yīng)，而且從投資見(jiàn)效期、節(jié)能減排效果和社會(huì)效益方面相比鉛酸蓄電池優(yōu)勢(shì)明顯。為了促進(jìn)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)品在中國(guó)的推廣應(yīng)用，建議一方面加強(qiáng)相關(guān)規(guī)范和制度的建設(shè)，整合各類(lèi)資源進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，研發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)并適合國(guó)內(nèi)應(yīng)用特點(diǎn)的一體式飛輪UPS產(chǎn)品，逐步淘汰鉛酸蓄電池。另一方面，在運(yùn)維方面要改變傳統(tǒng)的單一手動(dòng)操作和管理理念，隨著飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的日益成熟和應(yīng)用，是可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)供電系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)和精細(xì)化維護(hù)管理的。最后，鑒于飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)品的巨大優(yōu)勢(shì)和效益，建議政府在政策及資金方面給予支持，鼓勵(lì)各大運(yùn)營(yíng)商及企事業(yè)單位積極參與，共同推動(dòng)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)及產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)的良性發(fā)展和應(yīng)用。

［1］ 鄧成博.磁懸浮飛輪儲(chǔ)能技術(shù)UPS及連續(xù)供電［J］.電源世界，2008，12 ：31－34.

［2］ http：//datacenter.chinabyte.com/1/12083501.shtml.

［3］ 飛輪 UPS的技術(shù)原理及應(yīng)用［EB/OL］.http：//www.jifang360.com/news/2011323/n729418016＿2.html.

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［5］ 飛輪技術(shù)進(jìn)入中國(guó)［EB/OL］.http：//datacenter.chinabyte.com/220/12080220.shtml.

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［7］ VYCON VDC and VDC XE User Manual（CE VERSION）［Z］.美國(guó) VYCON公司，2008，11：1－40.

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