CN111555437A - 一种海上风电供能的水下数据中心 - Google Patents

一种海上风电供能的水下数据中心 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种依托海上风机进行布置和供电的水下数据中心，主要由海上风机、依托于风机结构布置的水下数据中心舱体、冷却系统、直流环形供电网等组成。本发明将数据中心服务器布置于海水环境中实现数据中心的散热冷却，大幅度降低数据中心冷却系统的初投资和运营期空调系统电力消耗；本发明水下数据中心电力供应以海上风机自供给为主，岸基电网为辅助备用，充分利用了海上可再生能源，大幅度降低了数据中心电力供应；本发明水下数据中心在布置上依托现有海上风机桩基结构物。

Description

一种海上风电供能的水下数据中心
技术领域
本发明涉及一种水下数据中心，属于水下结构物和数据中心领域，特别是依托海上风电桩基基础安装布置、依托海上风电机组供电和依托海水冷源进行冷却的水下数据中心。
背景技术
随着世界信息技术的迅猛发展，人类已快步踏入了云时代，对数据存储和计算资源的需求越来越大，数据中心的规模也越来越大，其能耗也以惊人的速度快速增加。在美国，数据中心的能源消耗占电网总消耗的2％，我国2016年数据中心能耗也已增长到全社会用用电量的1.87％，并持续以两位数的速度增长。根据IBM公司的统计表明，能源成本占数据中心总运营成本的50％，而IT设备所消耗的电能除少部分以电磁辐射形式消散外，绝大多数的电能最终转换为热能，巨大的散热需求使得数据中心冷却设备耗电占总功耗的40％以上。利用自然冷源来冷却数据中心是降低功耗的最直接有效手段之一。
现有技术中，公开号为专利CN105556113公布了一种水基数据中心设备和利用闭环热管理系统的方法，该专利提出将数据中心布置于海上船舶舱室内，并利用抽取底层海水来循环冷却数据中心；专利CN106102413公布了一种水下数据处理器，将数据中心用锚系泊于海底实现利用海水冷却。将数据中心布置在船舶或直接布置在水下达到了利用海水冷源的目的，但数据中心巨大的电力负荷需求要求系统具有海上大功率电力的供应能力，且单独为数据中心配置的依托结构物如船舶或水下结构物成本高昂。
海上风电是一种成熟的可再生能源，但其海上远距离输电的成本和损耗较大，风电的不稳定性对电网的冲击较大，风电在实际应用中的弃网率也较高。
发明内容
为克服上述现有技术的缺陷，本发明提出一种海上风电供能的水下数据中心，采用海上风力发电机组(1)作为水下数据中心舱体布置的依托结构物和供电设备；水下数据中心舱体作为水下数据中心服务器、冷却系统、电力变换设备的储存舱，以成组环绕形式布置于海上风机桩腿(2)周围；采用冷却系统作为将服务器热量带出数据中心舱体的热交换设备；采用环形直流供电网络作为水下数据中心电力供应的传输网。
作为优选例，所述水下数据中心舱体的成组环绕形式包括沿海上风机桩腿(2)从上至下顺序布放，或者围绕海上风机桩腿(2)从里到外叠加布放。
作为优选例，所述海上风力发电机组(1)除了通过系泊锚链(3)、系泊锚(4)进行固定，还可以根据海上风机自身的结构形式，如半潜式、张力腿式和固定桩基式进行固定。
作为优选例，所述水下数据中心舱体包括至少一个标准舱体单元(6)、内水循环水路(7)、内水循环泵(8)、外水给水泵(9)、外水水路(10)、换热器(11)、数据中心隔离电源(14)；当数据中心负荷较小或海水温度较低时，数据中心标准舱体单元(6)内温度较低，依靠舱体壁面实现与海水的自然换热，水-水强迫冷却系统停止工作，当标准舱体单元(6)内温度过高，作为辅助冷却的水-水强迫冷却系统启动工作，海水通过外水循环水路(9)进出换热器(11)，并将热量带走。
作为优选例，所述环形直流供电网络由风力发电机组(1)、数据中心负载、岸基双路电源共同组成，所述海上风力发电机组(1)在海上成片形成风电场，并通过风电整流器(12)连接到环形直流母线(15)；所述标准舱体单元(6)通过数据中心隔离电源(14)电气连接到环形直流母线(15)；所述环形直流母线(15)分别通过第一岸电可逆变流器(17)、第二岸电可逆变流器(18)电气连接第一岸电电源(16)、第二岸电电源(19)。
作为优选例，水下数据中心标准舱体单元(6)的电力供应在应急情况下由双路冗余岸基主电网供电，当海上风力较小时或部分风机故障导致风电供电能力小于数据中心电力负荷需求时，双路岸电电源从岸基主电网取电补偿风电供电的不足部分；当海上风力较大，风电供电能力大于数据中心电力负荷需求时，盈余风电经双路岸电电源馈电线向岸基主电网供电。
本发明的技术效果在于：(1)数据中心在物理上依托广泛应用的海上风机桩基实现安装和固定，不需要额外的安装船舶、水面或水下结构物，也不需要额外系泊设备；(2)依托于海上风电桩基的数据中心舱体处于浅层海水包覆的环境，与水面式数据中心相比水温更低、与海底式数据中心相比海水流动性大，具有很好的自然换热效果，并以强迫水-水冷却作为辅助换热手段；(3)数据中心在供电上以就地利用本地风力发电机组为主，以陆地主电网为辅助电源，且当数据中心用电不足以消纳风电时可反向向陆地主电网供电，减小了电力输送的成本、损耗和提高了供电可靠性、提高了风电利用率；(4)数据中心采用环形直流母线系统供电，并与岸基主电网通过双路方式相连接，具有较强的供电冗余性。
附图说明
图1为本发明的主视图。
图2为标准舱体单元。
图3为水-水强迫冷却(换热)系统。
图4为环形直流供电网。
图5为本发明的另一种实施实例二。
图6为本发明的另一种实施实例三。
图7为本发明的另一种实施实例四。
图中，海上风力发电机组1、海上风机桩腿2、系泊锚链3、系泊锚4、固定板5、标准舱体单元6、内水循环水路7、内水循环泵8、外水给水泵9、外水水路10、换热器11、风电整流器12、风力发电机组13、数据中心隔离电源14、环形直流母线15、第一岸电电源16、第一岸电可逆变流器17、第二岸电可逆变流器18、第二岸电电源19。
具体实施方式
本发明的一种海上风电供电的水下数据中心，包括海上风力发电机组、海上风机桩腿、系泊锚链、系泊锚、固定板、标准舱体单元、内水循环水路、内水循环泵、外水给水泵、外水水路、换热器、风电整流器、风力发电机组、数据中心隔离电源、环形直流母线、第一岸电电源、第一岸电可逆变流器、第二岸电可逆变流器、第二岸电电源。
如图1-4所示，海上风力发电机组1通过系泊锚链3、系泊锚4固定在海上；所述的标准舱体单元6内布置数据中心服务器设备，标准舱体单元6通过固定板5焊接安装在海上风机桩腿2上；所述的标准舱体单元6内布置有内水循环水路7和内水循环泵8，内水为纯水；每个标准舱体单元6内还布置有所述的换热器11和外水循环水泵9，海水通过外水循环水路9进出换热器11，并将热量带走；所述的海上风力发电机组1在海上成片形成风电场，并通过风电整流器12连接到环形直流母线15；所述的标准舱体单元6通过数据中心隔离电源14电气连接到环形直流母线15；所述的环形直流母线15上还分别通过第一岸电可逆变流器17、第二岸电可逆变流器18电气连接有第一岸电电源16、第二岸电电源19，实现冗余。
在供电方面上，水下数据中心标准舱体单元6的电力供应主要来自海上风力发电机组1，在应急情况下可由双路冗余岸基主电网供电，并在风电充裕时向陆地主电网供给过剩的电能。具体来说，当海上风力较小时或部分风机故障导致风电供电能力小于数据中心电力负荷需求时，双路岸电电源从岸电主电网取电补偿风电供电的不足部分；当海上风力较大，风电供电能力大于数据中心电力负荷需求时，盈余风电经双路岸电电源馈电线向岸电主电网供电。
在冷却方面上，当数据中心负荷较小或海水温度较低时，数据中心舱体单元内温度较低，依靠舱体壁面实现与海水的自然换热，水水强迫冷却系统停止工作，当标准舱体单元内温度过高，作为辅助冷却的水水强迫冷却系统启动工作。
图1仅为本发明的一种实施实例，由于海上风机的形式有多种，如图5所示的半潜式、如图6所示的张力腿式、如图7所示的固定桩基式实施实例均在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种海上风电供能的水下数据中心，其特征在于，采用海上风力发电机组(1)作为水下数据中心舱体布置的依托结构物和供电设备；水下数据中心舱体作为水下数据中心服务器、冷却系统、电力变换设备的储存舱，以成组环绕形式布置于海上风机桩腿(2)周围；采用冷却系统作为将服务器热量带出数据中心舱体的热交换设备；采用环形直流供电网络作为水下数据中心电力供应的传输网。
2.根据权利要求1所述的一种海上风电供能的水下数据中心，其特征在于，所述水下数据中心舱体的成组环绕形式包括沿海上风机桩腿(2)从上至下顺序布放，或者围绕海上风机桩腿(2)从里到外叠加布放。
3.根据权利要求1或2所述的一种海上风电供能的水下数据中心，其特征在于，所述海上风力发电机组(1)除了通过系泊锚链(3)、系泊锚(4)进行固定，还可以根据海上风机自身的结构形式，如半潜式、张力腿式和固定桩基式进行固定。
4.根据权利要求3所述的一种海上风电供能的水下数据中心，其特征在于，所述水下数据中心舱体包括至少一个标准舱体单元(6)、内水循环水路(7)、内水循环泵(8)、外水给水泵(9)、外水水路(10)、换热器(11)、数据中心隔离电源(14)；当数据中心负荷较小或海水温度较低时，数据中心标准舱体单元(6)内温度较低，依靠舱体壁面实现与海水的自然换热，水-水强迫冷却系统停止工作，当标准舱体单元(6)内温度过高，作为辅助冷却的水-水强迫冷却系统启动工作，海水通过外水循环水路(9)进出换热器(11)，并将热量带走。
5.根据权利要求1所述的一种海上风电供能的水下数据中心，其特征在于，所述环形直流供电网络由风力发电机组(1)、数据中心负载、岸基双路电源共同组成，所述海上风力发电机组(1)在海上成片形成风电场，并通过风电整流器(12)连接到环形直流母线(15)；所述标准舱体单元(6)通过数据中心隔离电源(14)电气连接到环形直流母线(15)；所述环形直流母线(15)分别通过第一岸电可逆变流器(17)、第二岸电可逆变流器(18)电气连接第一岸电电源(16)、第二岸电电源(19)。
6.根据权利要求5所述的一种海上风电供能的水下数据中心，其特征在于，所述水下数据中心标准舱体单元(6)的电力供应在应急情况下由双路冗余岸基主电网供电，当海上风力较小时或部分风机故障导致风电供电能力小于数据中心电力负荷需求时，双路岸电电源从岸基主电网取电补偿风电供电的不足部分；当海上风力较大，风电供电能力大于数据中心电力负荷需求时，盈余风电经双路岸电电源馈电线向岸基主电网供电。
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