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数据中心中UPS的备用电源介绍
  • 当下,数据中心业界对于铅酸电池可行的替代方案的长期性的追求或将接近其有效结论了。有鉴于业界相关人士的不断探索,发现锂离子电池、飞轮、超级电容器和燃料电池都要比铅酸电池用作数据中心不间断电源(UPS)备用电源解决方案更具有其显著的重要优势。

    当下,数据中心业界对于铅酸电池可行的替代方案的长期性的追求或将接近其有效结论了。有鉴于业界相关人士的不断探索,发现锂离子电池、飞轮、超级电容器和燃料电池都要比铅酸电池用作数据中心不间断电源(UPS)备用电源解决方案更具有其显著的重要优势。
      
      尽管不间断电源(UPS)在企业的数据中心运营过程中执行着许多重要的功能,但事实上,绝大多数的企业用户目前仍然将其主要的关注点聚焦在这些UPS设备在发生停电中断期间为企业数据中心提供的应急供电。通过启动备份发电机,有序地关闭相关系统,或将数据和处理转移到灾难恢复站点,UPS可以为企业数据中心的IT管理人员们提供所需的时间,以保护敏感设备和数据免受电力服务中断的影响。
      
      今天,市场上绝大多数的UPS产品所使用的都是铅酸电池来存储应急备用电源。经过验证的技术在各种工业环境中都已经积累了数十年的成功服务经验,铅酸电池通常是最具成本效益的能源存储解决方案。
      
      尽管其拥有上文中所介绍的这些优点,但由于其本身的规格尺寸、重量、维护要求、含有毒成分和相对较短的使用寿命等等方面的问题,使得铅酸电池在当下的数据中心管理人员中可能并不受欢迎。因此,UPS制造商们也一直在寻找替代备用电源技术,该技术需要比铅酸电池的规格尺寸更小、更可靠、更“绿色环保”,同时操作的成本也不昂贵。
      
      今天,对于这一可行的替代方案的寻找或许即将结束了。几种令人振奋的新型备用电源解决方案都快速接近主流商业的可行性需求,并且似乎较之铅酸电池的运行更均资金成本优势。在本文中,我们就将与广大的读者朋友们共同探讨这四种此类替代技术的优势、劣势及其未来的发展前景,其分别是:锂离子电池,飞轮,超级电容器和燃料电池。
      
      一、传统的选择:铅酸电池
      
      铅酸电池几乎已经称不上是什么尖端技术了。事实上,第一款铅酸电池是在150年前发明的。然而,它们目前仍然是UPS产品中备用储能解决方案的首要选择。并且其作为首要选择仍然有着充分的理由:没有其他主流技术可以有效或经济地处理当下企业数据中心的独特需求。
      
      与****车或混合动力汽车中的电池不同,该电池能够定期和稳定地使用,UPS中的电池大部分时间都处于闲置状态。然后,有鉴于当下的企业数据中心每年都有可能发生两到三次的停电中断事故,导致UPS能够非常迅速地以高电流放电。当数据中心的正常供电恢复之后,UPS给电池充电,随之便进入了另一个较长的等待期。
      
      因此,尽管企业数据中心的UPS电池并不经常使用,但其一旦需要使用,通常就需要很快响应,并且处理起来很难。
      
      1、优点:
      
      1)内部成分的化学特性:铅酸电池几乎适用于不可预测且不一致的IT环境,因为它们的内部成分的化学特性使其能够在短时间内提供大量电流,同时仍然能够在浮置或空闲模式下提供合理的使用寿命。
      
      2)备份时间:铅酸电池可提供相对较长的备份时间,通常为5到15分钟。
      
      3)价格优势:铅酸电池的价格相对较低,使其成为目前市场上可用的最具成本效益的备用电源存储解决方案。但这一优势现在正在迅速变化,因为其他技术目前已经符合企业数据中心的经济负担能力了。其仅在目前是具有竞争力的价格选择。
      
      4)电池监控系统:有几种商业系统可以持续测量单个电池的性能,并在需要对其实施关注或更换电池时提供实时的报告和警报。较新的铅酸电池可以主动检测并减轻热失控。这些都是相当复杂的工具,而且成本较高,需要用户解释信息并严格按照合格供应商的安排来检查或更换已识别的电池。正确使用电池监控系统有助于延长密封铅酸电池的使用寿命,并防止单个电池发生故障时的中断,从而缩短备份时间。
      
      2、缺点:
      
      1)规格因素:铅酸电池体积庞大,且重量极重。实际上,典型的中型UPS电池重达五到八吨。因此,较之其他一些电池类型,铅酸电池所提供的能量重量比(energy-to-weightratio)和能量体积比(energy-to-volumeratio)更低。
      
      2)成本:在其维护、更换和报废处置的过程中,铅酸电池的寿命周期成本要高得多。
      
      -维护:当今市场上的UPS设备产品中通常所使用的密封铅酸蓄电池通常被称为“免维护”。然而,实际上,企业数据中心应每年至少对其检查两次,以确保它们紧密连接,无腐蚀,并处于良好的工作状态。企业数据中心需要聘请相关的专家来执行此类工作,而这可能每年需要花费2000美元或更多,具体的开销则将取决于电池的规格大小。
      
      -更换:密封的铅酸电池通常具有5至6年的使用寿命。这意味着数据中心必须进行预算,以便在典型UPS设备的使用寿命内将其更换两到三次。
      
      -旧设备的报废处置:通常,典型的UPS设备中的电池可能含有高达数百加仑的剧毒稀硫酸。因此,对于达到使用寿命的旧设备的报废处理必须是合法的、经过严格管理的过程,其成本必然是相当昂贵的。大多数的企业UPS设备所有者都是选择将其废旧的电池运回制造商,以便进行回收再利用,但这需要为几吨极其危险的货物支付运费。其处置成本应始终包含在对电池更换的成本估算中,并特别需要根据国家相关监管政府机构对电池处置和回收的要求执行适当的处理过程。
      
      3)可靠性:确认铅酸电池是否能够提供紧急备用电源的唯一可靠的方法是进行测试放电。然而,不幸的是,每次当企业数据中心对铅酸电池进行测试时,都会永久性的降低其容量,并略微缩短其使用寿命。虽然大多数现代UPS设备均内置了电池测试程序,可以减少对于电池的磨损,但上述劣势毕竟并没有完全消除。
      
      二、替代选项一:锂离子电池
      
      当前,绝大多数的手机和笔记本电脑都使用的是锂离子电池。而在过去的十年中,锂离子电池的规格尺寸越来越小,越来越轻,越来越密集。在工业环境或数据中心中,锂离子电池能够执行与铅酸电池相同的功能,同时还提供了极其显著的附加优势。
      
      1、优点:
      
      1)紧凑的外形:目前,市场上可用的最佳锂离子电池与铅酸电池相比,可节省60%的重量和40%的占位面积。
      
      2)备份时间获得改善:锂离子电池不仅更轻,更小,而且还将备份时间缩短了30%。
      
      3)使用寿命长:锂离子电池具有10年的使用寿命和更高的循环寿命,从长远来看,这将为您企业数据中心节省更多的资金。进而使得锂离子电池成为了电网共享应用出现的理想选择,并被当前的一些数据中心运营商们所考虑。
      
      4)电池监控系统:领先的锂离子电池具有一个内置的电池管理系统,为温度,电压等级和电流问题提供自动平衡,优化和保护。
      
      2、缺点:
      
      1)成本更高:直到最近,锂离子电池的成本几乎是前期可比铅酸电池的几倍。
      
      2)安全问题:安全性是锂离子电池的一大问题。如果过热或过度充电,锂离子电池会被点燃爆炸,并大量燃烧。然而,当下UPS设备所应用的锂化学物质使用的是更安全的化学物质,其具备了在发生危险情况之前就早已经断开了故障电池的主动管理系统。
      
      3、未来的市场发展前景展望
      
      现在的锂离子电池现在可以作为铅酸UPS电池的有吸引力的替代品。锂离子电池所具备的小规格尺寸和高密度等优势使其成为了混合动力车和插入式电动车的最佳选择。因此,汽车制造商们正在积极的与供应商合作开发更安全,更紧凑,更实惠的车型。
      
      事实上,现在,有业界的相关专家们认为,锂离子电池比铅酸电池的总拥有成本更低。许多观察人士认为锂离子电池很可能成为UPS备用电源的首选技术。
      
      值得一提的是,锂离子电池不是UPS应用中唯一的新电池化学品。UPS系统目前正在使用镍锌、钠硫,甚至盐水电池进行测试。与铅酸或锂离子电池相比,这些化学品具有出色的性能和更好的安全性。
      
      三、替代选项二:飞轮
      
      飞轮通常是围绕大型金属磁盘构建的机械装置。在正常的运行过程中,电源会迅速旋转磁盘。当发生停电事故时,磁盘继续自行旋转,产生直流电,UPS设备可以将其用作紧急电源。随着UPS设备消耗该电力,磁盘逐渐失去动力,产生越来越少的能量,直到最终完全停止移动。
      
      1、优点:
      
      1)紧凑的外形:飞轮比铅酸UPS电池小得多,重量轻。
      
      2)低环境影响:与铅酸电池不同,飞轮不含危险和对生态环境有害的化学物质。
      
      3)使用寿命长:飞轮通常有十年的使用寿命,而大多数铅酸电池的使用寿命大约为五年。此外,每次卸下电池时,电池会稍微变弱一些,但您企业可以使用飞轮数百次甚至数千次,而不会影响其性能或使用寿命。
      
      4)降低维护成本,并降低总体拥有成本:飞轮是机械的,需要更少的预防性维护,以及更便宜的化学存储系统。
      
      2、缺点:
      
      1)有限的备份时间:典型的铅酸UPS电池提供3至15分钟的应急电源。而典型的飞轮仅提供15到30秒的时间待机能量。企业可以选择安装多个飞轮,但这仍然将备用能量的时间限制到了几分钟之内。
      
      2)成本较高:大多数大飞轮核心处的金属磁盘通常位于成本非常昂贵的轴承上,并且必须每五年更换一次。采用磁悬浮技术而非轴承的高速轻量型磁盘的型号的成本仍然很昂贵。实际上,基于飞轮的待机系统的平均采购价格可能是普通铅酸蓄电池系统的前期价格的两倍。飞轮较低的维护成本和较高的耐久性可以缩短这段方面的差距,但这一差距不会被抹去。
      
      3)需要特别的维护:飞轮可能含有轴承,真空泵或需要根据制造商建议的时间间隔更换占空比的特殊组件。而制造商的这些建议各不相同,因此年度服务成本将在产品的整个使用期限内有所不同。如果您企业数据中心执行总拥有成本估算,请使用15年的期限来完全捕获这些特殊的经常性成本。
      
      3、未来的市场发展前景展望
      
      虽然飞轮技术正在逐步的获得改进,但其进展缓慢。因此,实际飞轮能够产生超过30秒的功率的目标不会很快就能实现。对于大多数的企业组织来说,仅仅以30秒的时间来准备好关键IT系统,以应对重大停电的影响是远远不够的。因此,在近期内广泛采用飞轮作为企业数据中心备用电源的独占来源可能会受到限制。
      
      但是,飞轮的使用可能会在适合的特定情况下得到扩展。例如,大多数的医院都有发电机,可以在发生停电后的十秒钟内准备好使用。在这样的设置下,30秒的待机功率完全足够,使得飞轮成为铅酸电池的有吸引力的替代品。
      
      另外,企业经常会使用飞轮来作为补充电池,而不是将其作为替换品。95%以上的停电事故实际只持续几秒钟,而更严重的故障通常每年会发生几次。混合解决方案中,飞轮在发生短暂的停电事故期间提供备用电源,电池可处理更长的停电事故,可延长电池的使用寿命,这也可能会减少UPS设备使用寿命期间内的电池更换次数。
      
      四、替代选项三:超级电容器
      
      超级电容器(ultracapacitor)也被称为supercapacitors。其是专用的,密度极高,高速的能量存储选项。它们是非机械的替代方案,通常含有无毒的碳基材料,如活性炭和石墨烯。他们是一个非机械的选择替代方案。
      
      1、优点:
      
      紧凑的外形:像飞轮一样,超级电容器比铅酸电池更小更轻。
      
      低环境影响:超级电容器(以及飞轮)不含硫酸,从而缓解了处理有毒化学品的担忧。
      
      充电不会影响其使用寿命:您企业数据中心也可以在不影响容量、性能或使用寿命的情况下,随时放电并再充电。
      
      无需维护:超级电容器是一种没有移动部件的固态器件,因此不需要维护。
      
      2、缺点:
      
      有限的备份时间:像飞轮一样,超级电容器在极短的时间内提供电力。直到最近超级电容器也仅仅只提供了十秒钟的待机能量。现代化的超级电容器系统现在可以提供长达30秒的备份时间,使其成为飞轮的非机械替代品。
      
      成本较高:超级电容器的成本也比铅酸电池高。平均而言,超级电容器的前期成本大约是铅酸电池的两倍。
      
      3、未来的市场发展前景展望
      
      未来三到五年内,价格将继续下降。而随着用户对较短的备份时间的适应,用户对其的需求将会增加。
      
      五、替代选项四:燃料电池
      
      与电池不同,燃料电池发电而不是储存电源。燃料电池基本上是一种将燃料(通常是氢气或天然气)转化为能量的电化学装置。然而,与也将燃料转化为能量的内燃机不同,氢动力燃料电池的唯一排出的燃烧产物是水。
      
      因此,从汽车制造商到电力公司,再到UPS制造商,每家企业都在测试其应用中的燃料电池,或者调查其使用情况。一些更先进的数据中心客户使用燃料电池与2N或双总线配置中的公用电源相结合。
      
      1、优点:
      
      1)环保:与铅酸电池不同,燃料电池对环境几乎没有危险。
      
      2)长备份时间:只要您企业数据中心具有足够的燃料,燃料电池就会持续供应紧急电力。这意味着平均燃料电池能够比铅酸电池或本文中所讨论的其他三种备用电源中的任何一种提供更多的待机能量。
      
      2、缺点:
      
      成本较高:尽管近年来价格大幅下降,但燃料电池仍然比铅酸电池昂贵得多。电力成本是一个重要的考虑因素,因为典型的燃料电池只有85%的效率。
      
      安全问题:燃料源是易燃的,因此企业数据中心对于燃料电池必须非常小心地安装、存放和提供支持。
      
      延迟开始时间:通常需要大约30秒才能使燃料电池启动并以全功率运行。因此,基于燃料电池的UPS设备通常会使用小型电池在启动期间提供备用电源。
      
      3、未来的市场发展前景展望
      
      燃料电池制造商们正在试验氢气的替代品,这样可以提高安全性,并提高采用率。然而,尽管燃料电池成本在下降,但它们仍然远高于铅酸电池,并且可能会持续一段时间。因此,燃料电池在未来几年可能只能看作是UPS备用电源的有限部署,但可能会在分布式能源环境中看到更多的部署,成为这些环境的主要电源。
      
      结论
      
      当下,数据中心业界对于铅酸电池可行的替代方案的长期性的追求或将接近其有效结论了。有鉴于业界相关人士的不断探索,发现锂离子电池、飞轮、超级电容器和燃料电池都要比铅酸电池用作数据中心不间断电源(UPS)备用电源解决方案更具有其显著的重要优势。然而,其中一些替代方案仍然较之铅酸技术具有更高的成本,而成本因素是绝大多数UPS企业买主的首要考虑因素。但是,这种状况正在迅速变化。锂离子和飞轮技术已经在有限的一系列情况下开始使用,具有成本效益。随着需求的不断增长,以及对于环境负责任的能源存储解决方案的需求提升,制造商们正在努力缩减成本,并解决本文中所讨论的备用技术的缺点。
      
      因此,如果备用电源领域有一件事是值得肯定的话,那就是新技术看起来不同,运行更可靠,并且比现在的系统拥有更低的拥有成本。存储技术的下一个突破可能即将到来。
      
      编辑:Harris
      
      

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