数据中心UPS供电系统的备用电源技术

不间断电源(UPS)担负这许多的重要作用，其中最主要的是在电源中断的时候，为用户提供紧急备用电源，避免电力中断给敏感设备带来损伤及数据丢失，为IT人员争取更多的时间使其有序的启动备份系统或发电机。
　　
目前，大多数UPS产品都是以铅酸蓄电池作为存储电能的装置，它具有电动势能高、充放电可逆性好、使用温度范围广、原材料丰富廉价等特点，获得了广泛的应用。尽管铅酸蓄电池具有这些优点，但是在数据中心里，大规模的铅酸蓄电池应用也暴露出了其缺点，其重量造成的机房承重问题、维修要求高、相对寿命短、并且还富含毒性。因此，UPS制造商一直在寻找一种能够替代铅酸蓄电池的绿色电源技术，但是并不希望提高成本。
　　
随着UPS 制造商的努力，新的备用电源解决方案已经崭露头角，如飞轮技术、超级电容器、燃料电池和锂离子电池四种技术，其可行性都已经向着主流方向发展。本文就其新技术的优势、弱点和未来的前景进行讨论。
　　
一、铅酸蓄电池的优缺点
　　
从150年前第一只铅酸蓄电池问世至今，它依然是三首眩的备用能源存储解决方案，能够有效地满足数据中心独特的供电需求，其经济特性还没有其他主流技术可以匹敌。
　　
铅酸蓄电池在数据中心的使用情况不像叉车、电动车等，能获得正常稳定的使用，而是大部分时间处于闲置状态。铅酸蓄电池先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来，当市电中短时，UPS依靠储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作。在此期间，铅酸蓄电池可以提供充足的备份时间。当市电恢复后，蓄电池又进行充电，然后进入等后期。另外，铅酸蓄电池价格相对较低，是目前最具成本效益的电能储存解决方案。
　　
但是，铅酸蓄电池也有一些较为突出的缺点：
　　
1、 能量密度低。铅酸蓄电池质量比较重，体积较大，一台典型的中型UPS的电池组大约为5到8吨，需要考虑放置位置及承重问题。
　　
2、 高昂的维修费用。目前的UPS产品所使用的蓄电池通常叫做“免维护铅酸蓄电池”，事实上，它们面年至少需要两次检查，以确保它们无腐蚀、工作状态良好以及单只蓄电池之间连接紧密。
　　
3、 更换成本高：密封铅酸蓄电池的使用寿命一般为4到5年，而UPS的寿命一般是它们的2到3倍，所以在UPS的一个完整生命周期里，数据中心需要把更换电池组的费用也做在初期的预算里。

4、 高处理成本。UPS的电池组里均含大量的剧毒硫酸，因此，处理淘汰掉的蓄电池需要昂贵的费用。通常，废旧电池可用来循环再造，回收的蓄电池需要按照国家的要求做相应处理，其中包制造商回收时的运费。所以前期购置蓄电池组是应把后期的处置费用考虑进去。
　　
5、 可靠性的不可预见隐患。为了保障蓄电池的可靠性，唯一的途径是对蓄电池进行监测。然而每次测试蓄电池都会减少其容量并缩短其使用寿命。虽然最现代的UPS内置电池测试方案可以减少这种磨损，但是并没有消除。
　　
6、 电池监测系统。蓄电池容量检测时，无论是离线方式还是在线方式，都必须设置备用电源作为防范措施，以保证安全，但是，检测时因为电池组数量多，放电时间长，放电后又要及时进行充电，所需的人力和电能消耗很大，对蓄电池本身也有一定的损耗。在操作过程中，在脱开和链接蓄电池及假负载时，由于电位差的村财似的操作带有危险性。并且检测过程相当复杂，费用昂贵。

其他备用电源技术介绍
　　
尽管铅酸蓄电池有许多缺点，但数据中心管理人员一直以来并没有发现让他们惊喜的可代替品。目前，以下四种技术虽然并没有在现有的UPS供电系统中广泛使用，但是它们依然获得了支持声，并可能有更宽广的应用前景。

二、飞轮储能UPS
　　
飞轮UPS的主体是个真空容器不停旋转的飞轮和与飞轮链接在一起的两个电机。当飞轮以一定速度旋转时，它就具有一定的动能。在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转，即用电给飞轮电广州做网站公司池“充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能;放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能(动能)到电能的转换，并在30秒内启动发电机组。由于负载的消耗，飞轮逐渐慢下来，产生的能量也越来越少，直到它停止旋转，由发电机组直接给UPS供电。
　　
优势分析：
　　
1、 外形紧凑。飞轮体积较小，比铅酸蓄电池组更轻。
　　
2、 不影响环境。飞轮不像铅酸蓄电池那样，不包含危险的有害化学物质。
　　
3、 寿命长。飞轮UPS通常享有20年的使用寿命，在整个使用周期里其性能不受任何影响。
　　
4、 降低维护成本。飞轮是相当简单的机械构造，预防性维护比传统蓄电池方便，且维护费用便宜。
　
劣势分析：

1、有限的备份时间。一个典型的铅酸蓄电池可以提供长达15分钟的放电时间，而一个典型的飞轮所存储的能量只能提供30秒钟，即便选择安装多个飞轮，但可用备份时间仍局限在几分钟。
　　
2、更高的购置成本。大多数飞轮UPS的性能都取决于高速旋北京做网站公司转的金属盘上，由于高速旋转产生磨损，大约每5年必须更换一次。如果利用磁悬浮技术，价格就会更加不菲。事实上，飞轮UPS的购买价格是普通UPS的两倍左右，但因为其维护成本很低，经过10年之后，其成本将和普通UPS持平，再往后成本将小于铅酸电池。其成本优势在20年使用年限的高寿命下才能显现。

3、特别重大的维修。飞轮UPS的维修项目可能包括轴承、真空泵等特殊的部件，例如真空泵油需要每年更换，至少需要停机10分钟，这就大大降低了UPS供电系统的可靠性。由于服役周期不同，每年产生的服务费也有所不同，所以在飞轮UPS的使用寿命周期内，这些特殊的经常出现的费用也要算入总成本。
　　
前景分析：
　　
虽然飞轮UPS技术已经历了20年的改善，但进展一直缓慢。因此让飞轮提供明显长于30秒的电力支持在短时间内不太容易实现。对于大多数数据中心来说，30秒不足以做好一切准备，特别是关键IT设备受到停电影响，损失往往无法估量，所以使用飞轮UPS作为数据中心唯一的后备供电系统在短期内将收到限制，不易实现。
　　
不过，在一些特定的环境下，飞轮UPS还是非常合适的，例如，大多数医院配备的发电机，一般在停电10秒后即可使用，飞轮UPS的30秒供电能力就足够了，在这样的情况下，用飞轮UPS代替普通UPS还是很具吸引力的。

三、超级电容器
　　
超级电容器采用了电化学双层原理，又叫双电层电容器(ElectricDoubleLayerCapacitor;EDLC)，也叫功率电容器(PowerCapacitor)，是一种介于普通电容器和二次电池之间的新型储能装置。超级电容器集高能量密度、高功率密度、长寿命。高可逆性等特性于一身，具有工作温度宽、可靠性高、可快速循环充放电和长时间放电等特点。
　　
优势分析：
　　
超级电容器与飞轮储能技术有着共同的优点。他们的体积更小，并且使用无毒害原料。即便是经常充放电也不会影响其性能和寿命。最重要的一点是，超级电容器是固态物体，没有可移动的部件，因此减少了维修量。
　　
劣势分析：
　　
超级电容器是一种提供待机能耗极短的脉冲电源。一个典型的超级北京网站建设电容器仅能提供10秒的待机能耗。和铅酸蓄电池相比，超级电容器也是昂贵的。平均而言，一个超级电容前期费用大约是一个等效铅酸蓄电池的1.5倍
　　
前景分析：
　　
在未来的3至5年，技术的进步可能是备份时间从10秒延长到30秒，不过这对数据中心关键负载来说仍远远不够，所以不可能普遍使用。不过，一旦超级电容器可以达到30秒待机能耗，以它的价格优势很可能代替飞轮储能技术，要做的只是设置一个有效的备用电源解决方案。

四、燃料蓄电池
　　
燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置(通常是氢为能源的)。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。氢燃料蓄电池的排放物仅是水以及参与反映的氢和氧。
　　
优势分析：
　　
第一，效率高。燃料电池按着电化学原理直接将燃料的化学能转换为电能，理论上它的整体热电合并效率可达90%以上。
　　
第二，噪音低。燃料电池结构简单，并且没有高速运转机械，可以安静地将燃料的化学能转化为电能，实验证明，距离40kW磷酸燃料电池4.6m的噪音值为60dB。
　　
第三，污染低。当以氢燃料作为燃料电池原料时，制取过程中二氧化碳的排放量比热机过程少40%以上，可以有效地减缓地球温室效应。其次，由于燃料电池所使用的的燃料气体在反应前必须脱硫，所以几乎不排放硫化物气体和氮化物气体，减轻了对大气的污染。当以纯氢为燃料时它的产物只有纯水。
　　
第四，原料广。对于燃料电池而言，只要含有氢原子的物质都可以作为燃料，例如天然气、石油、煤炭等气化产物，或是沼气、酒精、甲醇等，因此燃料电池非常符合能源多样化，可以减缓主流能源耗竭。
　　
第五，应用广泛。发电量由单节电池的功率和数目决定，不论发电规模大小均能保持高发电效率。目前发展中燃料电池所能提供的电力范围在1W~1000MW之间，包括可携带式电力、车辆电力、现场型汽电共生电厂、分散型电厂以及集中型电厂等。
　　
劣势分析：
　　
第一，安全问题。氢气是可燃物，因此燃料电池的用户在安装、使用、存储时必须小心谨慎。
　　
第二，高成本。虽然见年来燃料价格已经显著下降，但其价格还是远远高于铅酸蓄电池。
　　
第三，供电系统切换时间长。当市电停止时，燃料电池需要大约30秒的时间才能开始运行，在此期间，UPS的启动需要采用小电池提供后备电源。

前景分析：
　　
考虑到氢气的易燃性，燃料电池制造商正在寻找可代替氢气的燃料，已提高安全性和加速采用率。然而，尽管燃料电池成本在不断下降，但其价格仍远远高于铅酸蓄电池，且这种情网站建设况仍将维持一段较长的时间。因此，燃料电池在现阶段可能仅作为UPS备用电源存在。
　　
五、锂离子电池
　　
便携式电子产品以电池作为电源。随着便携式产品的迅猛发展，在过去的10年，锂离子电池已普遍使用。虽然在数据中心或是工业应用中很少用到，但锂离子电池有着与铅酸蓄电池相同的功能。
　　
优势和劣势：锂离子电池最大的优点是比能量比。目前，最好的锂离子蓄电池与铅酸蓄电池相比，其重量减轻30%，面积节省30%以上，同时备份时间提高了30%。
　　
但是，其成本却比铅酸蓄电池高出了4倍。另外，其安全性较差，锂离子电池可能会因为过热而爆炸。
　　
前景分析：
　　
现阶段锂离子电池价格昂贵，在短时间内还不能有效地代替铅酸蓄电池用于UPS供电系统。但是，锂离子电池的小尺寸和高密度使其对电动汽车厂商极具吸引力。因此，汽车制造商正积极同锂离子电池供应商开发更安全，更紧凑，更便宜的产品。
　　
事实上，锂离子电池因为与铅酸蓄电池拥有相同的功能与性能，因此专家预测锂离子电池可能成为UPS备用电源的首选技术。
　　
结论
　　
对于可以代替铅酸蓄电池的可行性技术，是人们一直追寻的目标。作为UPS备用电池解决方案，飞轮、超级电容、燃料电池和锂离子电池都在节能和环保上比铅酸蓄电池具有优势。不过他们目前也有显著的缺点，特别是它们昂贵的价格还不能被数据中心用户所接受。

不过技术不断在进步，在备用电源领域一定会出现运作更可靠，更符合成本效益，并能降低拥有成本的新技术。