HVDC高壓直流供電-最新節能趨勢

1. 高壓直流供電(higher voltage Direct Current) - 最新節能趨勢
高壓直流供電(higher voltage Direct Current) - 最新節能趨勢現今絕大部分的資料中心與IDC機房使用交流電源(Alternating Current),供應電力給直流運算的ICT設備(Information and Communications Technology Equipment),如圖一所示,從AC UPS一次側端起算整個電力供應的能源效率僅有48%與使用高效率電力設備的68%, 其中AC UPS的兩次AC/DC轉換與伺服器中電源供應單元(Power Supply Unit)的AC/DC轉換,共計三次的交/直流轉換與PDU的降壓變壓器所產生的能源效率損失,造成整個交流供電機房的效率低落。從能源損耗的角度而言,據EPRI統計(直流電源白皮書_June2006),一個10 MW的IDC機房,會有高達2-3 MW的能源耗損在轉換電力上,換算為台灣營業用電計價,每年會有超過7千萬台幣(營業用電NT$4.5每度平均)以上價值的能源損耗在交直流電源的轉換,所以如何減少或降低不必要的電源轉換,為今日IDC機房設計與運營者必須面對的重要課題。

圖一: 資料來源Intel Data Center Energy Efficiency Research

傳統AC UPS除能耗高之外,尚存在著以下多項問題
·         並聯冗餘系統多為1+1或2+1,各單機的負載率多低過50%,UPS實際效率會低於滿載使用效率
·         並聯冗餘系統複雜,電壓、頻率、相位與相序之同步要求,致使AC UPS擴充容量的高風險與可用性降低
·         各UPS設備商的產品更新換代,亦使得前後代UPS無法並聯擴充與設備故障無法更換
·         UPS並聯卡、靜態轉換開關與輸出切換開關等單一故障點與不可維護性
·         直接建置與維護成本高、間接成本高20%以上(發電機容量、諧波抑制設備等)
hvDC(higher voltage Direct Current) - 高壓直流供電,源於相較電信通訊所用的48V DC,hvDC定義為使用在ICT設備,其直流電壓高於200V DC至600V DC的電壓區間。自2006年3月在瑞典Gnesta建置第一套實驗性質的HVdc 供電系統後,全球各地包括鄰近的日本、韓國與中國大陸,歐洲的瑞典、德、法、荷,以及北美的美國,紛紛建置實驗性質或實際運轉的直流供電機房;而中國大陸工業和信息化部更搶先於2012年2月1日,正式批准《通信用240V直流供電系統》行業標準發佈實施,中國大陸在經過2010年起大量的測試與試營運HVdc後,節能效果顯著,其電信系統運營商,中國電信統計2010年末,該公司使用hvDC系統僅110套,2011年末增長至252套,且對現存的AC UPS採取淘汰不補的方案, 于此同時阿里巴巴、南京日博、江蘇廣電、騰訊等都已開始採用HVdc供電技術,並對其穩定性、節能效果進行廣泛的試營運,預估今年起的新建資料數據中心的HVdc系統比例將顯著提升。

圖二: 資料來源Intel Data Center Energy Efficiency Research


據Uptime報告統計ICT設備端每省下1瓦,其層級累積效果(Cascade Effect),系統總耗能量可節省2.84瓦,從根源處消除損耗,實為IDC機房增進能源使用效率最基本且最有效的方法,hvDC高壓直流供電即為降低能源損耗之根本方式。
hvDC伺服器每台每年電費節省3000元台幣以上單就市售伺服器AC PSU 350W的效率75.2% @ 120VAC; 77.8% @208VAC 供電,若改為hvDC PSU 93~94% @ 380V DC 供電的效率,此等大幅的效率提升(最高達18.8% vs. 120VAC)與節能減排,比起任何AC UPS或相關配電產品的效率提升所花費的改造與升級費用,改採
hvDC供電的伺服器是最為值得投資的一項改變。根據INTEL的報告,亦同時驗證HVdc供電伺服器在PSU端與DC Converter(Voltage Regulation)電壓調節效率皆有提升;AC伺服器整體效率(75.2% x 75% 56.4% @ 120VAC)相較於HVdc伺服器(94% x 86% = 80.8% @ HP HVdc Server),其中效率落差最高達24.4%,一台350W的伺服器能耗節省換算為每年實際可省下的電力費用超過3000元台幣(0.35kW x 0.244 x 365 x 24 x NT4.5 = 3366 );如果以每機櫃十台伺服器計算(機櫃電力密度3.5kW),每年可節省的用電支出為3.3萬元/每櫃,而每個70kW機房模組(20個機櫃),每年電力費用支出可減少66萬元台幣以上,hvDC可大幅降低IDC機房運轉費用,從ICT設備源頭降低能耗,為一個必須貫徹的節能策略。
2. hvDC 高壓直流供電歐盟標準 ETSI EN 300 132-3-1
資通訊設備(ICT)的A3電源介面,設備的直流服務電壓範圍定義為最低電壓: 260V DC~最高電壓: 400V DC
3. hvDC 高壓直流供電接地標準 ETSI EN 301 605
TNS接地系統負極接地
     
4. hvDC 高壓直流供電國際電信聯盟標準 ITU L.1200
資通訊設備(ICT)的電源介面(Interface P),設備的直流服務電壓範圍定義為最低電壓: 260V DC~最高電壓: 400V DC
5. hvDC 高壓直流供電解決方案
高壓直流提供高品質的不中斷電源供電  
“高壓直流供電是解決舊問題的新方法” 可應用於: - 數據中心 - 綠建築
hvDC高壓直流供電滿足數據中心和綠建築的成本效益、 高效率以及高可靠性的電力新需求
·         智能型配電盤、配電櫃(包含瓦時計)
·         以IP為基礎的電源管理系統
·         系統可整合太陽能電源(Solar Power)
·         系統可整合LED照明系統
+高效率+高可靠性的系統+高可靠度的電力品質
DC  UPS是新的節能方法傳統的AC系統有著內部所產生的諧波情形,此產品能除去AC組件系統中所產生轉換的問題,同時將能源效率系統的可靠性更為提高。


Netpower hvDC技術優勢與傳統AC的之比較:

˙設備佔地面積減少        40%
˙能源消耗減少            25%
˙維修成本降低            30%
˙設備成本降低            40% (隨需安裝)
˙用於安裝電纜中的銅減少  50%
˙PV(Solar)裝置效率提高   25%
˙可靠性提高              100%
Netpower 提供完整的hvDC高壓直流供電系列產品


高壓直流hvDC UPS外,Netpower 還提供:
˙NetFormer®     低損耗隔離變壓器
˙NetTracker®     太陽能充電控制器99%的效率
˙NetLight®        LED照明模組
˙IDMTM             智能配電模組
˙NetManagerTM   電力系統管理軟體
˙NetlnTM           DC安裝物料、配電盤、配電排插、保險絲及電纜套件
Netpower 提供整合太陽能電源太陽能發電透過Netpower DC UPS運作後之效率將是領先全球:


˙使用NetTracker®技術,太陽能面板至負載整體效率高達99%
˙市電電源與太陽能供電的無縫切換
˙整合瓦時計kWh,提供能源產生的可視化控制
˙拔插容易可輕易加載更多的太陽能板
˙無變壓器
˙夜間零損耗



Netpower 提供LED照明系統



NetLight® 高能源效益的LED照明系統
 -高效節能
 -壽命長
 -有外接電氣需求
 -色彩修正
 -可裝置取代現有的標準日光燈管
 -不含有毒物質             
 -可應用於多種場所  - 辦公室 - 製造業- 醫療院所
6. Berkerly 實驗室 - hvDC供電改善典型資訊中心28.2%電力效率
報告引自"DC Power for improved Data Center Efficiency" - Lawrence Berkeley National Laboratory此實驗性專案由LBNL,PIER與Ecos Consulting於2008年在LBNL實驗室進行實驗報告結果節錄: Chapter 1.4
系統效率
UPS 效率
變壓器效率
電源供應器效率(Power Supplier)
系統效率
AC 典型交流配電效率
85%
98%
73%
61%
hvDC 直流配電效率
92%
100%
92%
85%

消耗能源
電腦性負載(W)
輸入端負載耗電(W)
獲得改善之效率%
典型交流配電效率
10,000
16,455
hvDC 直流供電效率(最佳化)
10,000
11,815
hvDC能源耗損改善百分比% VS. 典型AC交流配電
28.2%

這份報告的結果顯示,hvDC的電力節能效果顯著,吾等在設計資訊中心時,針對AC UPS的AC-AC效率是錙銖必較,殊不知設備廠商所寫的是滿載效率,實際運轉的負載率也會因並聯冗餘(N+1)的原因,將AC UPS的效率再次往下修正,不相信的話,到機房去把AC UPS的操作手冊或技術規格翻出來看看,找一下50%或40%負載率的效率是多少?? LNBL的實驗證實hvDC的節能效果,而好消息是NEC跟HP已經或即將發表hvDC高壓直流供電的ICT設備,依據各廠商發表的資料,ICT設備的hvDC PSU(Power Supplier Uint)電源供應器的效率高達94%,筆者常自嘲這幾年的等待還是有代價,未來我們的機房的效率有機會達成以下的表格顯示,端看各知名設備大廠的進度了。
讓我們發夢一下,
系統效率
UPS 效率
變壓器效率
電源供應器效率(Power Supplier)
系統效率
AC 典型交流配電效率
85%
98%
73%
61%
Netpower hvDC 直流配電效率
97%
100%
94%
91.2%

目前世界各地在IDC機房節能的方向,以及降低資料中心PUE值,朝向幾個方向努力:1. 高顯熱/效率空調 2. Free Cooling自然冷卻3. 高壓直流(HVdc) 供電4. 再生能源(Renewable Energy)。台灣位處亞熱帶區域,無法同Google, Microsoft或日本SAKURA Internet位於高緯度的IDC機房,可充分利用Free Cooling,大幅降低PUE值,惟採用高效率的空調系統搭配冷熱通道設計,或採用造價高昂的機櫃型空調系統,應付高電力密度的需求,此等設計方式PUE值的目標值雖可望達到1.5,但一些根本性的問題如冷卻水進入機房,卻成為不得不妥協的議題,另外,為因應日益高漲的電力費用與電力密度需求,導致ICT設備產生耗費更高的電力與冷卻量來移除熱源,也間接造成現有高密度機房模組造價居高不下,所以,高壓直流供電(HVdc)與再生能源(Renewable Energy)的導入,搭配合宜的高效率空調系統設計,絕對可達到更優化的PUE值。

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