天上30秒 地下20年——戲說飛輪儲能UPS

2020-12-08 51CTO

記得《西遊記》裡有一集，唐僧被地洞裡的女妖精給綁了，要就地成親。孫悟空到天上找人求助，找到太上老君時，老君不幫忙，孫悟空撒野，老君說：「天上一天，地上一年，不快點，不要說成親，娃娃都有了」。

雖然屬於神話故事，但這句經典的「天上一天，地上一年」卻帶給人們無數遐想。記得有報導稱，空間站的科學家回地球後年齡要比其雙胞胎兄弟小，科學家由此證明太空上的時間過的比地球慢，這也許變相印證了太上老君的話吧。

書歸正文，小編今天跟大家說的並不是猴哥救唐僧和相對論的事，它是一款電源，但卻和天空、時間有著微妙的關係。

天上30秒真的要地下20年麼？

看來是的。

磁懸浮飛輪儲能UPS歷史

在前幾天，我們報導了一篇《鉛酸電池太土！圖解新型磁懸浮飛輪儲能UPS》的文章，讀者的關注度很高。許多問題由此而生：這東西誰發明的？它和普通鉛酸電池有什麼區別？誰用過它？價格是多少？它靠譜麼？等等。帶著此類問題，小編採訪了飛輪儲能UPS供應商的相關技術人員，得到一些相對專業的解釋。

說起飛輪儲能UPS，我們不妨先了解一下它的歷史：

圖1

1972年，美國NASA（國家航空航天局）開始研究磁懸浮動量輪，但限於當時的技術水平，並沒有得到發展。20世紀90年代初，由於電路拓撲思想的發展，碳纖維材料的廣泛應用，在NASAPowerandPropulsionOffice的支持下，基於電磁軸承的磁懸浮姿控儲能兩用飛輪技術迅速發展。美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池，聯合在一起可提供超過150KW的電能。而相比普通鉛酸電池，它僅能儲存30秒的電能，說它是「天上30秒」？「天上」、「30秒」正是因此而來。

飛輪儲能的研究之路並不平坦，美國人從70年到80年，再從90年到2000年，這項技術經歷了斷斷續續20年的發展，終於可以在各個領域使用。說其研究時間為「地下20年」，並不為過。

在國內，基於磁懸浮飛輪的研究始於20世紀90年代末，主要研製單位有北京航空航天大學、國防科技大學等單位。北京航空航天大學於1999年開始論證單框架磁懸浮控制力矩陀螺之後，在國家863-2高技術航天領域項目的支持下進行了我國空間站用高速、長壽命單框架磁懸浮控制力矩陀螺的攻關，研製出多臺角動量為200Nms的磁懸浮控制力矩陀螺原理樣機。

但是，由於經驗、人員、經費、選材、環境等各種原因，我國的飛輪技術尚只處於試驗階段，不能達到長時間、高儲能的標準，所以該技術離產品出現還有很長一段路要走。

飛輪UPS基本原理

磁懸浮飛輪UPS的主體是個真空容器裡的不停旋轉的飛輪和與飛輪連接在一起的兩個電機。飛輪裡有磁鋼片，外面裹著碳纖維材料防止飛輪解體。當飛輪以一定角速度旋轉時，它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉換成電能的。

在外電源的驅動下，電機帶動飛輪高速旋轉，即用電給飛輪電池「充電」增加了飛輪的轉速從而增大其功能；放電時，電機則以發電機狀態運轉，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能（動能）到電能的轉換。當飛輪電池發出電的時，飛輪轉速逐漸下降，由於飛輪是在真空環境下運轉的，所以轉速極高。現在飛輪一般都能做到四五萬轉，所以儲存的能量極大。

這個原理說起來並不複雜，但就產品本身材質和內部元件構成部分，一直是處於外國商家完全保密的狀態。對於20多年的技術投資，人家自然不會輕易送給他人。

三點主要差異

和鉛酸電池相比，飛輪UPS也有著許多特點，這裡面有相同點有不同點，相比其他產品參數，我覺得以下這些特點更能突顯它的優勢和劣勢。接下來，小編就儲能時間、成本、溫控這三個角度來談談飛輪UPS與傳統產品的差別。

儲能時間：據悉，飛輪UPS和傳統UPS產品的技術都很成熟，雖然就蓄電時間方面一個只有30秒，一個有個幾小時，但其結果並無差異，都是通過暫時的放電給柴油發電機，由柴油發電機維持設備的正常運行。

雖然專家這麼說，但就小編的感受，這個蓄電時間真是差了十萬八千裡，如果30秒沒能啟動發電機，那後果……

雖然困惑明顯，但技術人員對自己的產品頗為自信。他們認為啟動發電機只需要15秒的時間，30秒已經為各種時間損耗可能性做了充足的準備。

好吧，我就算不能完全相信專家的言論，總要給NASA一點面子，下次51CTO一定會採訪一下飛輪UPS用戶，聽聽他們對這款產品的意見。

成本：這個的確是飛輪UPS的軟肋。由於產品理念的差異，導致其設計材料成本要高出普通UPS不少（價格約是鉛酸同型號電池的3倍左右），這也是不少用戶放棄購買它的主要原因。

專家承認其產品的初次投入價格高於普通產品，但因為其維護成本很低，經過10年之後，其成本將和普通UPS持平，再往後成本將小於鉛酸電池。其成本優勢在20年使用年限的高壽命下才能顯現。

聽到這裡，小編突然腦海中浮現出了一則A.O史密斯熱水器的廣告：我們的熱水器可以用50年……也許外國產品真的名副其實，也許不是。電源壽命問題總要20年後才能得出結論，但初期的投入成本是實打實的。

雖然飛輪UPS價格略高，我認為能買得起飛輪UPS的客戶都是不差錢的，所以這個差異可以用高品質的產品所代替掉。

溫控：為什麼說這個差異，「飛輪」還有模塊化安裝、低碳、支持過載、高品質電流輸出等眾多特點，因為這個技術是大多數UPS幾乎無法比擬的，是磁懸浮飛輪UPS真正的殺手鐧。

0-40度的可適應溫差使其能在缺少空調、十分惡劣的工作環境下正常工作。為什麼NASA會花20年的時間研究它？恰恰是因為太空中無法滿足傳統UPS對環境的需求，無法保障電源的持續穩定的供給。所以經過了兩個10年的時間，磁懸浮飛輪UPS浮出水面，滿足了NASA對電源溫度的要求。

不得不承認，美國國家航空航天局的案例總給人一種遠在天邊的感覺（的確離地球太遠了），但其實這個傢伙已經來到了我們的身邊。

在60年國慶閱兵期間，在十運會期間，甚至在現在正如火如荼的世博會上，都有飛輪UPS的身影。只不過在戶外以貨櫃卡車形象出現的它，並沒有引來媒體過多的關注。相信其還是完成了其基本的供電任務，至少小編並沒有發現這些重要慶典中出現斷電的新聞。

感慨30秒與20年

通過對磁懸浮飛輪UPS的了解，小編深深感受到我們和國際先進技術的差距所在。UPS產品有20年的差距，處理器產品有多少年的差距，生活水平有多少年的差距。想想UPS、想想龍芯，想想我們正在後面一路追趕的科學技術，這需要我們幾代人來追趕呢？如果我們能承認差距、踏踏實實、腳踏實地的去追趕，也許為時不晚。如果我們的科研僅僅停留於應付論文，混文憑、職稱，那我們和西方發達國家的科技差距將越來越大。

人家花了20年的時間，研究出了個30秒產品。過20年後，本國的UPS市場會有哪些驚喜帶給我們呢。也許真是一個天上，一個地下吧。

寫在最後

對磁懸浮飛輪UPS感興趣的朋友，也許更加期待51CTO提供一些實操方面的體驗文章。小編已經和專家約定，在其每年一次的飛輪檢修期間，我們一同前往「飛輪」機房一探究竟，不過時間可能要等到12月份左右，大家請先耐心等待。為了讓大家先飽眼福，小編特意向專家索要了一些外國UPS的產品應用視頻，因為高清文件過大，所以視頻還在處理中，我會在近期為大家呈現，同時敬請大家繼續關注51CTO伺服器頻道。

【責任編輯：

景琦

TEL：（010）68476606】

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