随着数据中心规模的迅速增长，其高能耗、高污染、高成本等问题日益突出。最近，可再生能源驱动的绿色数据中心凭借其低耗费和清洁环保等优点获得了越来越多的关注。然而，可再生能源具有波动性和间歇性，很难直接驱动数据中心负载。因此，绿色数据中心已经开始考虑采用能量存储设备来平滑能量源的波动。能量存储体系结构及能耗管理算法是高效能量存储系统的关键，低效的能量存储设计很容易导致数据中心成本开销的显著增长。本文针对绿色数据中心的高效率能量存储体系结构开展研究工作，以提升绿色数据中心的能量效率和成本效率。
首先，本文分析了传统数据中心已有能量存储设备（即不间断电源）的体系结构和特性。针对于将传统数据中心改造为绿色数据中心的情况，本文设计了基于传统不间断电源设备的动态能量存储系统来提高绿色数据中心的能量效率。该系统可以充分利用已有的不间断电源设备，并进一步采用了太阳能变化区域感知的动态能耗管理算法来调度不同的能量源供负载使用。该系统能有效提升可再生能源利用率，同时满足不间断电源系统期望的后备容量。
第二，针对绿色数据中心常用的电池能量存储设备，本文设计了一种可重构的电池能量存储管理系统来提高绿色现场计算数据中心的能量存储效率。平滑可再生能源波动的关键在于高效且及时地存储足够的绿色能量。本文设计的可重构电池能量存储系统可以随着可再生能源的输出和负载能耗需求的变化，动态地管理电池单元并灵活地配置充电的电池组和放电的电池组来提高系统的存储效率。同时，细粒度的能量存储单元管理有效提高了能量存储效率减少了充放电过程中不必要的能量损失，特别适用于能量受限的绿色现场数据中心。
第三，本文在分析不同种类的能量存储设备特性基础上，设计了采用异构能量存储系统来进一步提升数据中心的能效。已有能量存储系统中普遍采用的铅酸电池虽然成本低，但具有能量效率低、寿命短、不适合大电流放电等缺点。采用新兴的超级电容能量存储设备虽然能避免铅酸电池的缺点，但成本较高。因此，本文提出将铅酸电池与超级电容一起组成异构的能量存储系统，并进一步提出一种针对异构能量存储的能耗管理算法。与已有同构能量存储系统相比，该系统能以合理的成本获得能量效率的显著提高。
最后，本文对能量存储设备的老化问题进行了研究，并提出了一种电池抗老化的管理算法。该算法通过采用隐藏电池老化、减缓电池老化和规划电池老化三种电池老化管理策略从计算机体系结构和系统控制的角度来解决能量存储系统中电池老化的问题。该算法能有效地减轻电池老化作用，延长电池的寿命，改善绿色数据中心能量存储系统的成本效率。
本文提出的能量存储体系结构及能量管理算法从多个层面提高了可再生能源驱动的绿色数据中心的能量效率和成本效率。这些技术都通过了充分的仿真实验和实际原型系统测试。实验结果表明，本文提出的方法可以显著提高可再生能源的利用率，降低能耗成本和碳排放，改善负载性能和能量存储设备寿命，进而有效提高了能量存储系统的整体效率。