CN113364026A - 一种数据中心供能系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数据中心供能系统，其包括光伏发电系统、电化学储能系统、水电解制氢系统、燃料电池发电系统和供能控制系统；光伏发电系统接入到数据中心内部电网以及所述电化学储能系统，电化学储能系统接入数据中心内部电网，且光伏发电系统接入到水电解制氢系统；水电解制氢系统用于向所述燃料电池发电系统提供氢气，所述燃料电池发电系统接入数据中心内部电网。本申请还涉及一种数据中心供能系统的控制方法。本文所述的数据中心供能系统能源利用率高且节能环保，通过与本申请的控制系统和方法结合，使得整个供能系统即使在断电情况也能稳定运行。

Description

一种数据中心供能系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及数据中心供电设计技术领域，尤其涉及一种耦合可再生能源且利用常压储氢技术的用于数据中心的供能系统。
背景技术
目前大部分数据中心采用双回路市电给数据中心设备供电，其中一路市电断电后，另一路市电要完全能够承担所有负载的供电。但是，如果两路市电都断电后，数据中心将会停止工作，不能够保证数据中心长时间稳定运行。为了解决这一问题，有的数据中心采用柴油发电机组备用供电，以保证数据中心稳定的运行，但是这对于绿色数据中心存在一定的资源浪费和环境污染问题，不符合节能环保的需要。
氢能是近些年发展起来的清洁高效能源，其反应产物不会污染环境，而且生成的水还可继续制氢，反复循环使用，非常符合节能环保的要求。然而氢燃料电池仅在交通领域得到发展，这在一定程度上限制了氢能作为二次清洁能源在节能环保中的广泛应用。同时，氢气的存储与应用能够降低大规模电化学储能电池的报废量和不稳定性，增加了能量装置的使用寿命。
与此同时，数据中心的用电设备除了服务器主要耗能之外，制冷系统也占用了很大的用能比例。绿色数据中心的电能利用效率要降低就不得不降低制冷系统的用电量。
北半球夏天是数据中心制冷系统用能负荷最大的时候，据有关数据显示，屋顶光伏的铺设可减少室内5摄氏度以上的热量增加。
为此，本领域技术人员迫切需要开发一种能源利用率高且节能环保的数据中心供能系统。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本申请提供一种能源利用率高且节能环保的数据中心供能系统，以提高数据中心用电的稳定性。
在一种实施方式中，本申请公开了一种耦合可再生能源利用常压储氢技术构建数据中心的供能系统，包括：光伏发电系统，用于将采集的光能转化为电能向数据中心供电，光伏发电系统与水电解制氢系统连接，并连接到电化学储能系统接入数据中心内部电网。水电解制氢系统与常压固态储氢系统和气体缓冲罐连接将产生的氢气导入，所述的气体缓冲罐与燃料电池发电系统连接产生电能接入数据中心内部电网中。数据中心用能设备从内部电网取电后运行期间产生余热，同时，燃料电池发电系统工作时也产生相应的热量，将系统大量余热共同接入到相变储热系统。相变储热系统通过把系统大量余热和其他废热通过介质热相变存储起来，为所连接的充放氢辅助系统提供热源，加热所述的充放氢辅助系统的导热介质。流体导热介质在固态储氢系统与充放氢辅助系统之间进行热交换，维持固态储氢系统内部温度以满足充放氢需求，以便在应急供电条件下，经过气体缓冲罐及时供氢到燃料电池发电系统，为数据中心用能设备进行供电。该供能系统提升了数据中心的节能降耗效率，并且在应急供电条件下，可为数据中心用能提供有效可靠的供电质量。
在第一方面中，本申请提供一种数据中心供能系统，其特征在于，所述数据中心供能系统包括光伏发电系统、电化学储能系统、水电解制氢系统、燃料电池发电系统和供能控制系统；
其中所述光伏发电系统通过DC/AC接入到数据中心内部电网以及所述电化学储能系统，所述电化学储能系统接入数据中心内部电网，且所述光伏发电系统通过DC/DC接入到水电解制氢系统；
其中所述水电解制氢系统的直流侧耦合所述光伏发电系统，用于向所述燃料电池发电系统提供氢气，所述燃料电池发电系统接入数据中心内部电网；
其中所述供能控制系统使得整个供能系统即使在断电情况也能稳定运行。
在第一方面的一种实施方式中，本文所述的数据中心供能系统还包括固态储氢系统和气体缓冲罐，所述气体缓冲罐设置在所述水电解制氢系统与所述燃料电池发电系统的氢气流动路径上；
所述水电解制氢系统与所述固态储氢系统流体连通，所述固态储氢系统与所述气体缓冲罐流体连通。
在第一方面的一种实施方式中，本文所述的数据中心供能系统还包括充放氢辅助系统，所述充放氢辅助系统与所述固态储氢系统之间存在用于循环输送流体导热介质的循环通路。
在第一方面的一种实施方式中，本文所述的数据中心供能系统还包括相变储热系统，所述相变储热系统同时与光伏发电系统、电化学储能系统以及数据中心的内部电网电连接，且与数据中心用能设备以及所述燃料电池发电系统存在热量传输通路；
所述充放氢辅助系统包括换热装置，用于从所述相变储热系统中吸收热量。
在第一方面的一种实施方式中，所述的固态储氢系统的填充材料为镁系固态储氢材料，包括Mg、Mg-Ni、Mg-Ni-RE、LaMgNi-Co、Mg(BH4)2、Mg(BH4)2@MgH2中一种或多种。
在第一方面的一种实施方式中，所述的固态储氢系统的填充材料为LaMgNi-Co。
在第一方面的一种实施方式中，所述流体导热介质包括热蒸汽、熔融盐和导热油中一种或多种。
在第一方面的一种实施方式中，所述导热介质为导热油。
在第二方面中，本申请提供一种适用于如第一方面所述的数据中心供能系统的功能控制方法。
与现有技术相比，本申请的有益效果在于：本文所述的数据中心供能系统能源利用率高且节能环保，通过与本申请的控制系统和方法结合，使得整个供能系统即使在断电情况也能稳定运行。
附图说明
通过结合附图对于本申请的实施方式进行描述，可以更好地理解本申请，在附图中：
图1是一种耦合可再生能源利用常压储氢技术的数据中心供能系统的结构示意图；
图2是一种耦合可再生能源利用常压储氢技术的数据中心供能系统应急供电示意图；
图3是一种耦合可再生能源利用常压储氢技术的数据中心供能系统应急供电控制流程图。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在一种实施方式中，本申请提供一种耦合可再生能源且利用常压储氢技术构建的用于数据中心的供能系统，以提高数据中心用电的稳定性并建立一种节能环保的数据中心供能系统。
在一种具体实施方式中，本申请提供一种耦合可再生能源利用常压储氢技术构建数据中心的供能系统，其包括架设在数据中心建筑顶部的光伏发电系统，置于地面或室内的电化学储能系统、水电解制氢系统、固态储氢系统、充放氢辅助系统、燃料电池发电系统和供能控制系统，置于地下的相变储热系统，以及相关的电泵、管阀件等辅助设备和材料构成。
在一种实施方式中，所述的光伏发电系统在某种程度下可以节省数据中心冷却系统的用电量，光伏发电系统通过DC/AC接入到数据中心内部电网和电化学储能系统，通过DC/DC接入到水电解制氢系统。
在一种实施方式中，所述的水电解制氢系统为低温水电解制氢设备构建，多机组并联运行，直流侧耦合可再生能源，通过光伏发电系统制备绿氢；多机组可有效适配光伏发电系统，减少因当地气象条件变化对整个供能系统产生的能源匹配问题。
在一种实施方式中，所述的固态储氢系统为减少高压容器存在的安全隐患，采用常压储氢装置通过化学吸附的方式将氢气进行有效的储放，并配有相应的充放氢辅助系统为其提供充放氢所需要的能量。
在一种实施方式中，所述的固态储氢系统的填充材料为镁系固态储氢材料，包括Mg、Mg-Ni、Mg-Ni-RE、LaMgNi-Co、Mg(BH4)2、Mg(BH4)2@MgH2等，优选的填充材料为LaMgNi-Co。
在一种实施方式中，所述的充放氢辅助系统内置热交换器，能够从相变储热系统获取能量以升温导热介质，通过导热介质的循环运行将热量传递到固态储氢系统中为填充材料储放氢提供热能，导热介质包括热蒸汽、熔融盐、导热油等，优选的导热介质为导热油。
在一种实施方式中，所述的相变储热系统能够通过获取数据中心机房所产生的热量和燃料电池发电产生的大量余热进行储热，同时，当获取热量不充足时，通过光伏供电或者谷电进行电升温储热以满足充放氢辅助系统的热量需求。
在一种实施方式中，所述的供能系统具有供能控制系统，能够控制整个供能系统即使在断电情况也能稳定运行。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。
实施例1
本实施例将详细描述根据本申请的一种实施方式的数据中心供能系统。
首先参考图1，本文所述的数据中心供能系统可包括光伏发电系统、电化学储能系统、水电解制氢系统、燃料电池发电系统和供能控制系统。所述光伏发电系统通过DC/AC接入到数据中心内部电网以及所述电化学储能系统，所述电化学储能系统接入数据中心内部电网。所述光伏发电系统既可以直接向数据中心的内部电网供电，也可以先把电能储存在电化学储能系统中，然后通过电化学储能系统向数据中心的内部电网供电。在一种具体实施方式中，光伏发电系统位于建筑屋顶，在某种程度下可以节省数据中心冷却系统的用电量，通过DC/AC接入到数据中心内部电网和电化学储能系统，通过DC/DC接入到水电解制氢系统。
所述光伏发电系统还通过DC/DC接入到水电解制氢系统，所述水电解制氢系统的直流侧耦合所述光伏发电系统，所述水电解制氢系统的氢气输出侧则可与燃料电池发电系统流体连通，用于向所述燃料电池发电系统提供氢气。所述燃料电池发电系统接入数据中心内部电网，可用于向所述数据中心的内部电网供电。在一种具体实施方式中，水电解制氢系统为低温水电解制氢设备构建，多机组并联运行，直流侧耦合可再生能源减少逆变过程的电量损失，通过光伏发电系统制备绿氢。多机组可有效适配光伏发电系统，减少因当地气象条件变化对整个供能系统产生的能源匹配问题。
此外，所述供能控制系统使得整个供能系统即使在断电情况也能稳定运行。供能控制系统所用的硬件均为本领域商业化的设备，其具体控制方法将在下文中详细描述。
在另一种实施方式中，为了提高水电解制氢系统向燃料电池发电系统供氢的稳定性，本文所述的数据中心供能系统还可任选地包括固态储氢系统、气体缓冲罐和充放氢辅助系统。在该实施方式中，气体缓冲罐设置在所述水电解制氢系统与所述燃料电池发电系统的氢气流动路径上，且与所述固态储氢系统流体连通。所述水电解制氢系统与所述固态储氢系统流体连通，所述固态储氢系统与所述气体缓冲罐流体连通。在一种具体实施方式中，固态储氢系统为减少高压容器存在的安全隐患，采用常压镁系固态储氢装置通过化学吸附的方式将氢气进行有效的储放，并配有相应的充放氢辅助系统为其提供充放氢所需要的能量。更具体的，所述的固态储氢系统的填充材料为镁系固态储氢材料，包括Mg、Mg-Ni、Mg-Ni-RE、LaMgNi-Co、Mg(BH4)2、Mg(BH4)2@MgH2中一种或多种，优选的填充材料为LaMgNi-Co。
通过这样的设置，水电解制氢系统既可通过气体缓冲罐向燃料电池发电系统供氢，也可以先把氢气储存在固态储氢系统中，然后在需要使用氢气时，固态储氢系统将氢气释放到气体缓冲罐，再向燃料电池发电系统供氢。
固体储氢系统中充放氢气的过程中，需要消耗热能。为此，可设置放氢辅助系统来向固体储氢系统提供所需的热量，所述充放氢辅助系统与所述固态储氢系统之间存在用于循环输送流体导热介质的循环通路。通过导热油的循环运行将热量传递到固态储氢系统中为镁系固态填充材料储放氢提供热能。在一种具体实施方式中，所述流体导热介质包括热蒸汽、熔融盐和导热油中一种或多种，优选的导热介质为导热油。
在另一种实施方式中，为了进一步回收余热，本文所述的数据中心供能系统还可包括相变储热系统，该相变储热系统与所述充放氢辅助系统流体连通，并向其提供热量。所述相变储热系统同时与光伏发电系统、电化学储能系统以及数据中心的内部电网电连接，且与数据中心用能设备以及所述燃料电池发电系统存在热量传输通路，用于回收它们产生的大量余热。在一种具体实施方式中，所述的相变储热系统能够通过获取数据中心机房所产生的热量和燃料电池发电产生的大量余热进行储热，同时，当获取热量不充足时，通过光伏供电或者谷电进行电升温储热以满足充放氢辅助系统的热量需求。
在数据中心供能系统包括相变储热系统的实施方式中，所述充放氢辅助系统可包括换热装置，用于从所述相变储热系统中吸收热量。在一种具体实施方式中，所述的充放氢辅助系统内置换热器，能够从相变储热系统获取能量以升温导热油，通过导热油的循环运行将热量传递到固态储氢系统中为镁系固态填充材料储放氢提供热能。
实施例2
本实施例涉及用于如上所述的数据中心供能系统的控制方法。
如图2和图3所示，本文所述的耦合可再生能源利用常压储氢技术构建数据中心的供能系统包括一套完善的供能控制系统，使得整个供能系统即使在断电情况也能稳定运行。
该实施例的具体控制方法如下：
S1.判断市电是否正常供电，若供电正常，则由市电为数据中心服务器提供主要电力，光伏发电系统一部分并入内部电网，另一部分为制氢和储氢供电，燃料电池发电系统从固态储氢系统获取氢气后为部分服务器提供电力支持，若供电不正常，则运行S2；
S2.通过快速切换开关，该快速切换开关可使供电电源在市电和电化学储能系统之间切换，切换到电化学储能系统，进入应急供电状态；
S3.判断是否在有效光照条件下，若在有效光照条件下，则电化学储能系统平抑光伏发电系统所发电量，将主供电电路切换为光伏发电系统，燃料电池发电系统对设备辅助供电，其余负载依照数据中心用电需求和实际用电功率进行匹配，然后运行S6，若不在有效光照条件下，则运行S4；
S4.判断是否有可利用光，若有能够利用的光辐射，则固态储氢提供为燃料电池发电系统提供氢气，燃料电池发电系统为主机房提供电力，电化学储能系统对设备辅助供电，较弱的可利用光伏电能补入到电化学储能系统中，数据中心负载依照用电需求和实际用电功率进行匹配，然后运行S6，若没有能够利用的光辐射条件，则运行S5；
S5.燃料电池发电系统接入到10kV电源母线为主机房提供电力，数据中心其余负载依照用电需求和实际用电功率进行匹配；
S6.判断燃料电池发电系统内部是否存在故障，若有内部故障，则利用电化学储能系统代替燃料电池发电系统为主机房提供电力，待燃料电池冗余发电模组启动后，关闭电化学储能系统，然后运行S7，若不存在内部故障，则运行S7；
S7.待紧急抢修后，市电恢复正常，将快速切换开关切换到市电，恢复原来的供电工况，继续进行系统监控。
以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种数据中心供能系统，其特征在于，所述数据中心供能系统包括光伏发电系统、电化学储能系统、水电解制氢系统、燃料电池发电系统和供能控制系统；
其中所述光伏发电系统通过DC/AC接入到数据中心内部电网以及所述电化学储能系统，所述电化学储能系统接入数据中心内部电网，且所述光伏发电系统通过DC/DC接入到水电解制氢系统；
其中所述水电解制氢系统的直流侧耦合所述光伏发电系统，用于向所述燃料电池发电系统提供氢气，所述燃料电池发电系统接入数据中心内部电网；
其中所述供能控制系统使得整个供能系统即使在断电情况也能稳定运行。
2.如权利要求1所述的数据中心供能系统，其特征在于，还包括固态储氢系统和气体缓冲罐，所述气体缓冲罐设置在所述水电解制氢系统与所述燃料电池发电系统的氢气流动路径上；
所述水电解制氢系统与所述固态储氢系统流体连通，所述固态储氢系统与所述气体缓冲罐流体连通。
3.如权利要求2所述的数据中心供能系统，其特征在于，还包括充放氢辅助系统，所述充放氢辅助系统与所述固态储氢系统之间存在用于循环输送流体导热介质的循环通路。
4.如权利要求3所述的数据中心供能系统，其特征在于，还包括相变储热系统，所述相变储热系统同时与光伏发电系统、电化学储能系统以及数据中心的内部电网电连接，且与数据中心用能设备以及所述燃料电池发电系统存在热量传输通路；
所述充放氢辅助系统包括换热装置，用于从所述相变储热系统中吸收热量。
5.如权利要求2-4中任一项所述的数据中心供能系统，其特征在于，所述的固态储氢系统的填充材料为镁系固态储氢材料，包括Mg、Mg-Ni、Mg-Ni-RE、LaMgNi-Co、Mg(BH4)2、Mg(BH4)2@MgH2中一种或多种。
6.如权利要求5所述的数据中心供能系统，其特征在于，所述的固态储氢系统的填充材料为LaMgNi-Co。
7.如权利要求2-4中任一项所述的数据中心供能系统，其特征在于，所述流体导热介质包括热蒸汽、熔融盐和导热油中一种或多种。
8.如权利要求7所述的数据中心供能系统，其特征在于，所述导热介质为导热油。
9.一种适用于如权利要求2所述的数据中心供能系统的功能控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：判断市电是否正常供电，若供电正常，则由市电为数据中心服务器提供主要电力，光伏发电系统一部分并入内部电网，另一部分为制氢和储氢供电，燃料电池发电系统从固态储氢系统获取氢气后为部分服务器提供电力支持，若供电不正常，则运行S2；
S2：通过快速切换开关，切换到电化学储能系统，进入应急供电状态；
S3：判断是否在有效光照条件下，若在有效光照条件下，则电化学储能系统平抑光伏发电系统所发电量，将主供电电路切换为光伏发电系统，燃料电池发电系统对设备辅助供电，其余负载依照数据中心用电需求和实际用电功率进行匹配，然后运行S6，若不在有效光照条件下，则运行S4；
S4：判断是否有可利用光，若有能够利用的光辐射，则固态储氢提供为燃料电池发电系统提供氢气，燃料电池发电系统为主机房提供电力，电化学储能系统对设备辅助供电，较弱的可利用光伏电能补入到电化学储能系统中，数据中心负载依照用电需求和实际用电功率进行匹配，然后运行S6，若没有能够利用的光辐射条件，则运行S5；
S5：燃料电池发电系统接入到10kV电源母线为主机房提供电力，数据中心其余负载依照用电需求和实际用电功率进行匹配；
S6：判断燃料电池发电系统内部是否存在故障，若有内部故障，则利用电化学储能系统代替燃料电池发电系统为主机房提供电力，待燃料电池冗余发电模组启动后，关闭电化学储能系统，然后运行S7，若不存在内部故障，则运行S7；
S7：待紧急抢修后，市电恢复正常，将快速切换开关切换到市电，恢复原来的供电工况，继续进行系统监控。
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