CN117628746A - 一种太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，包括数据中心、热源吸热单元、冷电联合循环系统和换热工质，热源吸热单元能够将太阳能转化为热能；冷电联合循环系统包括发电循环单元和制冷循环单元，制冷循环单元与发电循环单元管路连接；发电循环单元包括汽轮机和发电机，发电循环单元能够与热源吸热单元发生热交换并驱动汽轮机和发电机工作以进行发电，发电机与数据中心电连接；制冷循环单元能够与数据中心发生热交换以吸收数据中心在运行时产生的热能；换热工质设置于冷电联合循环系统内，换热工质能够发生相变；该系统能够实现太阳能驱动发电以及数据中心余热利用，从而进一步实现数据中心的碳减排的目的。
Description
技术领域
本申请涉及热力循环技术领域，尤其涉及一种太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统。
背景技术
数字经济时代的基础设施建设正在不断扩大，数据中心的规模也随之增大，相应的用电量以及运营成本都在不断增加，目前，为了及时将数据中心的产热排放到环境中，空调制冷的用电量高达40％，这意味着数据中心具有巨大的碳减排潜力，有必要对数据中心余热进行回收利用。对于数据中心的碳减排，有必要利用太阳能、风能、地热能等可再生能源进行电力供应。传统喷射式冷电联合循环中，使用喷射器驱动制冷循环，代价较大，喷射器中的损失最大；使用非共沸混合工质时，循环的净输出功与/>效率增大，而引射率、制冷量与循环热效率减小，在部分工质组份下引射率非常小，导致在工程上很难实现。
发明内容
本申请实施例提供一种太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，该数据中心发电制冷循环系统能够实现太阳能驱动发电以及数据中心余热利用，实现数据中心的碳减排。
本申请实施例提供的数据中心发电制冷循环系统包括：数据中心；
热源吸热单元，所述热源吸热单元能够将太阳能转化为热能；
冷电联合循环系统，所述冷电联合循环系统包括发电循环单元和制冷循环单元，所述制冷循环单元与所述发电循环单元管路连接；所述发电循环单元包括汽轮机和发电机，所述发电循环单元能够与所述热源吸热单元发生热交换并驱动所述汽轮机和所述发电机工作以进行发电，所述发电机与所述数据中心电连接；所述制冷循环单元能够与所述数据中心发生热交换以吸收所述数据中心在运行时产生的热能；
换热工质，所述换热工质设置于所述冷电联合循环系统内，所述换热工质能够发生相变。
另外，本申请实施例提供的数据中心发电制冷循环系统还可以具有如下附加的技术特征：
在一种可选的方案中，所述发电循环单元还包括蒸汽发生器、喷射器、第一冷凝器、分离器、第二冷凝器和工质泵；所述蒸汽发生器的出口与所述汽轮机的进口连通，所述汽轮机的出口与所述喷射器的进口连通，所述喷射器的出口与所述第一冷凝器的进口连通，
所述第一冷凝器的出口与所述分离器的进口连通，所述分离器具有气体出口和液体出口，所述分离器的气体出口与所述第二冷凝器的进口连通，所述第二冷凝器的出口连接所述工质泵后接入所述蒸汽发生器的进口以形成循环管路；所述蒸汽发生器用于与所述热源吸热单元发生热交换以吸收所述热源吸热单元的热能。
在一种可选的方案中，所述发电循环单元还包括第一冷却塔和第二冷却塔，所述第一冷却塔用于与所述第一冷凝器发生热交换，所述第二冷却塔用于与所述第二冷凝器发生热交换。
在一种可选的方案中，所述发电循环单元具有工作状态，在所述工作状态时，换热工质进入所述蒸汽发生器并被加热为高温高压的过热气体，然后对所述汽轮机做功，从所述汽轮机的出口流出的换热工质经所述喷射器增速减压和所述第一冷凝器冷凝后进入所述分离器进行气液分离，分离后的气体换热工质经所述第二冷凝器冷凝和所述工质泵压缩后循环回所述蒸汽发生器。
在一种可选的方案中，所述制冷循环单元包括蒸发器和膨胀阀，所述膨胀阀的进口与所述分离器的液体出口连通，所述膨胀阀的出口与所述蒸发器的进口连通，所述蒸发器的出口与所述喷射器的进口连通；所述蒸发器用于与所述数据中心发生热交换以吸收所述数据中心在运行时产生的热量。
在一种可选的方案中，所述制冷循环单元具有运行状态，在所述运行状态时，所述分离器分离后的液体换热工质经所述膨胀阀节流降压后进入所述蒸发器，经所述蒸发器进行换热后的换热工质循环进入所述喷射器。
在一种可选的方案中，所述热源吸热单元包括熔盐太阳能接收器、热熔盐罐和冷熔盐罐，所述熔盐太阳能接收器、所述热熔盐罐和所述冷熔盐罐依次管路连接并形成循环管路。
在一种可选的方案中，所述分离器为调控型非共沸混合工质分离器，所述分离器具有调节模块，所述调节模块能够调节所述分离器的加热量，以调节出口换热工质中的气液组分比例。
本申请实施例的有益效果在于：
本申请实施例提供了一种太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，其每个过程的能量转换关系十分清晰：在蒸发器/冷凝器中发生吸热/放热过程中，换热工质的内能与冷热源的热量相互转换，不涉及电功。在汽轮机中发生绝热膨胀过程中，换热工质的内能和外部电功互相转换，不涉及热量。在换热工质泵与膨胀阀中分别发生升压与降压过程中，换热工质的内能和外部功互相转换，也不涉及热量。这样一一对应的能量转换关系不涉及多种能量间相互转换的复杂匹配关系，在热力学上的合理性强，对应的循环性能上限高。因此在实际中具有高度的可行性，可结合既有的太阳能热源、数据中心以及冷电联合循环系统实现，为实现清洁能源的有效利用以及数据中心的余热利用开辟了一条新的路径。此外，太阳能驱动数据中心发电制冷循环系统无需外部电源辅助即可将低品位热能转换为电能对外输出。另外，本申请提出的发电制冷循环系统的换热过程都是非等温的，可更好地与变温低品位热源进行换热匹配，从而达到更高的热效率。综上所述，本申请实施例提供的太阳能驱动的数据中心发电制冷循环系统具有清晰的能量转换关系、高效能量利用和可行性，为清洁能源利用和数据中心冷热能共享提供了新的解决方案。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
图1为本申请提供的数据中心发电制冷循环系统的组成结构示意图；
图2为本申请提供的冷电联合循环系统的组成结构示意图；
图3为本申请提供的分离器的结构示意图。
附图标记：数据中心1，热源吸热单元2，熔盐太阳能接收器21，热熔盐罐22，冷熔盐罐23，冷电联合循环系统3，汽轮机31，发电机32，蒸汽发生器33，喷射器34，第一冷凝器35，分离器36，第二冷凝器37，工质泵38，蒸发器39，膨胀阀30，第一冷却塔4，第二冷却塔5。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
需要注意的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
本申请实施例提供一种太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，本文以该发电制冷循环系统应用到数据中心为例描述技术方案及技术效果，当然，本申请实施例中制冷循环系统的应用领域不局限于本文的描述，还可以用于其他需要供电同时自身也会有余热散出的场景和环境中，对此本文不进行展开描述。
如图1-3所示，本申请实施例提供了一种太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，该数据中心发电制冷循环系统包括数据中心1、热源吸热单元2、冷电联合循环系统3和换热工质。其中，热源吸热单元2能够将太阳能转化为热能；冷电联合循环系统3包括发电循环单元和制冷循环单元，制冷循环单元与发电循环单元管路连接；发电循环单元包括汽轮机31和发电机32，发电循环单元能够与热源吸热单元2发生热交换并驱动汽轮机31和发电机32工作以进行发电，发电机32与数据中心1电连接；制冷循环单元能够与数据中心1发生热交换以吸收数据中心1在运行时产生的热能；换热工质设置于冷电联合循环系统3内，换热工质能够发生相变。
本申请实施例提供的数据中心发电制冷循环系统耦合了太阳能热源与数据中心1，其在运行时通过从太阳能热源吸热，利用太阳能的热量对数据中心1进行供电并对数据中心1进行冷却。即通过热源吸热单元2吸收的太阳能的热量，由发电循环单元进行发电对数据中心1进行电能供给，同时由制冷循环单元利用数据中心1的余热进一步驱动循环做功，实现了余热利用，到达了碳减排的目的。
如图1-2所示，在一种具体实施例中，发电循环单元还包括蒸汽发生器33、喷射器34、第一冷凝器35、分离器36、第二冷凝器37和工质泵38；蒸汽发生器33的出口与汽轮机31的进口连通，汽轮机31的出口与喷射器34的进口连通，喷射器34的出口与第一冷凝器35的进口连通，第一冷凝器35的出口与分离器36的进口连通，分离器36具有气体出口和液体出口，分离器36的气体出口与第二冷凝器37的进口连通，第二冷凝器37的出口连接工质泵38后接入蒸汽发生器33的进口以形成循环管路；蒸汽发生器33用于与热源吸热单元2发生热交换以吸收热源吸热单元2的热能。另外，发电循环单元还包括第一冷却塔4和第二冷却塔5，第一冷却塔4用于与第一冷凝器35发生热交换，第二冷却塔5用于与第二冷凝器37发生热交换。
在一种具体实施例中，发电循环单元具有工作状态，在工作状态时，换热工质进入蒸汽发生器33并被加热为高温高压的过热气体，然后对汽轮机31做功，从汽轮机31的出口流出的换热工质经喷射器34增速减压和第一冷凝器35冷凝后进入分离器36进行气液分离，分离后的气体换热工质经第二冷凝器37冷凝和工质泵38压缩后循环回蒸汽发生器33。
如图1-2所示，在一种具体实施例中，制冷循环单元包括蒸发器39和膨胀阀30，膨胀阀30的进口与分离器36的液体出口连通，膨胀阀30的出口与蒸发器39的进口连通，蒸发器39的出口与喷射器34的进口连通；蒸发器39用于与数据中心1发生热交换以吸收数据中心1在运行时产生的热量。制冷循环单元具有运行状态，在运行状态时，分离器36分离后的液体换热工质经膨胀阀30节流降压后进入蒸发器39，经蒸发器39进行换热后的换热工质循环进入喷射器34。
需要说明的是，发电循环单元和制冷循环单元是两个相互独立的通路，饱和汽进入发电循环，饱和液进入制冷循环，两股流体在喷射器34处结合。由于非共沸换热工质的饱和汽与饱和液中换热工质组份不同，因此发电循环与制冷循环的换热工质组份也不相同，所以需要对部分参数进行设定以求得不同循环中的换热工质组份，保证做功和制冷的双重效果。
另外，蒸汽发生器33用于饱和汽从太阳能热源吸热，进而膨胀做功发电，蒸发器39用于饱和液对数据中心1进行降温冷却，在这两种蒸发器39内发生热交换的温度不同，循环换热工质组分也不同。在换热工质经过汽轮机31后，膨胀后的气体作为一次流体进入喷射器34增速减压，与蒸发器39出口的换热工质混合后增压减速，为了实现变工况调节，采用可以调节喉管面积的喷射器34。增压减速后的换热工质在第一冷凝器35中进行不完全冷凝，换热工质被冷却为气液两相然后进入分离器36。通过调节分离器36的加热量，可以控制出口换热工质的不同组分。
换热工质不完全冷凝后进入分离器36，为了解决按照流量要求进行气液与组份的分离问题，可以将结构简单紧凑，价格低廉，容易与系统集成的T型管引入热力循环系统，用以分离分别进入发电循环与制冷循环的有机换热工质，使得换热工质在两蒸发器39中的分布更加均匀，从而强化蒸汽发生器33与蒸发器39的换热效果。换热工质经过分离器36后分离为饱和汽与饱和液，分别进入发电循环与制冷循环，饱和汽需要经过再次冷凝被冷凝为液相后进入换热工质泵38升压然后进入蒸汽发生器33，饱和液经过膨胀阀30降压后进入蒸发器39制冷。
如图1和图3所示，在一种具体实施例中，热源吸热单元2包括熔盐太阳能接收器21、热熔盐罐22和冷熔盐罐23，熔盐太阳能接收器21、热熔盐罐22和冷熔盐罐23依次管路连接并形成循环管路。另外，分离器36为调控型非共沸混合工质分离器36，分离器36具有调节模块，调节模块能够调节分离器36的加热量，以调节出口换热工质中的气液组分比例。
以下将结合工作原理对本申请实施例提供的数据中心发电制冷循环系统进行描述：
发电循环单元由四个基本热力过程构成，分别为等熵压缩过程G-A，蒸发吸热过程A-B，绝热膨胀过程B-C，冷凝放热过程F-G。制冷循环单元也由四个基本热力过程构成，分别为绝热膨胀过程H-I，蒸发吸热过程I-J，增压减速过程I-D，冷凝放热过程D-E。
经过发电循环的有机朗肯循环工质与喷射式制冷循环工质通过喷射器34混合在一起，在新增的冷凝器中，被冷却为气液两相，然后进入分离器36，被分离为饱和液与饱和汽，二者分别进入制冷循环和发电循环。记流经发电循环的工质组分为X，流经制冷循环的工质组份为Y。
在发电循环的等熵压缩过程G-A中，工质组分不发生变化，由于在绝热条件下接受外界的电功，工质X压力由P7升高至P1，温度由T7升高至T1；在发电循环的蒸发吸热过程A-B中，工质X的温度因受太阳能热源加热进一步升高至T2，工质状态由液态转变为过热蒸汽；在发电循环的绝热膨胀过程B-C中，工质X对外膨胀做功，温度因此降至T3，此时状态仍为过热蒸汽；在发电循环的冷凝放热过程F-G中，工质X必须从饱和汽冷凝为饱和液，才能进入工质泵38被压缩；在制冷循环的绝热膨胀过程H-I中，饱和液Y被节流降压，才能达到更好的吸热效果。
在制冷循环的蒸发吸热过程I-J中工质Y从数据中心1吸热蒸发，完成了对数据中心1的降温冷却；在制冷循环的增压减速过程J-D中，工质Y先被喷射器34中的工质X吸入喷射器34，两者一起增压减速，实现制冷循环中的升压过程；在制冷循环的冷凝放热过程D-E中，工质X向外界放热，被不完全冷凝；在第一冷凝器35中，工质X与Y被不完全冷凝，然后进入分离器36又重新被分离为工质X与工质Y，分别分别进入发电循环和制冷循环，自此，循环完成。
该发电制冷循环系统的吸热量是在发电循环A-B中从太阳能热源吸热，以及制冷循环I-J中从数据中心1吸热，净发电量是膨胀做功过程输出电功与等熵压缩过程消耗电功的差值，由于热功转换的大小与温度呈正相关，且膨胀做功的工质温度远高于等熵压缩过程工质的温度，所以系统可以对数据中心1输出正功，从而实现热能向电能的转换。结合上述太阳能驱动数据中心发电制冷循环的热力学原理，本发明提供的太阳能驱动数据中心发电制冷循环系统的具体工作原理如下：
X工质进入蒸汽发生器33，被储存的太阳能加热为高温高压的过热气体，进入汽轮机31做功，膨胀后的气体作为一次流体进入喷射器34增速减压，与蒸发器39出口的工质混合后，增压减速，然后进入第一冷凝器35被部分冷凝。被冷凝后的气液两相工质进入分离器36，分离为饱和汽X与饱和液Y，饱和液Y进入节流阀，节流降压，然后进入蒸发器39蒸发制冷，实现对数据中心1的冷却。而饱和汽X则进入第二冷凝器37被再次冷却，直至冷凝为饱和液，然后进入工质泵38被压缩至高压，再从太阳能热源吸热为过热蒸汽继续膨胀做功重复整个循环。
为了说明所述系统的优势，取热源入口温度50℃，冷源温度20℃，热源质量流量20kg/s，冷冻水入口温度12℃，冷冻水出口温度15℃，汽轮机等熵效率80％，工质泵等熵效率70％，蒸汽发生器中窄点温度为10℃，冷凝器中窄点温度为5℃，蒸发器中窄点温度为5℃。结果表明，异丁烷的组份为在40％时，本发明提出的太阳能驱动数据中心发电制冷循环系统的效率有最大值8.59％。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，其特征在于，包括：
数据中心；
热源吸热单元，所述热源吸热单元能够将太阳能转化为热能；
冷电联合循环系统，所述冷电联合循环系统包括发电循环单元和制冷循环单元，所述制冷循环单元与所述发电循环单元管路连接；所述发电循环单元包括汽轮机和发电机，所述发电循环单元能够与所述热源吸热单元发生热交换并驱动所述汽轮机和所述发电机工作以进行发电，所述发电机与所述数据中心电连接；所述制冷循环单元能够与所述数据中心发生热交换以吸收所述数据中心在运行时产生的热能；
换热工质，所述换热工质设置于所述冷电联合循环系统内，所述换热工质能够发生相变。
2.根据权利要求1所述的太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，其特征在于，所述发电循环单元还包括蒸汽发生器、喷射器、第一冷凝器、分离器、第二冷凝器和工质泵；所述蒸汽发生器的出口与所述汽轮机的进口连通，所述汽轮机的出口与所述喷射器的进口连通，所述喷射器的出口与所述第一冷凝器的进口连通，所述第一冷凝器的出口与所述分离器的进口连通，所述分离器具有气体出口和液体出口，所述分离器的气体出口与所述第二冷凝器的进口连通，所述第二冷凝器的出口连接所述工质泵后接入所述蒸汽发生器的进口以形成循环管路；所述蒸汽发生器用于与所述热源吸热单元发生热交换以吸收所述热源吸热单元的热能。
3.根据权利要求2所述的太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，其特征在于，所述发电循环单元还包括第一冷却塔和第二冷却塔，所述第一冷却塔用于与所述第一冷凝器发生热交换，所述第二冷却塔用于与所述第二冷凝器发生热交换。
4.根据权利要求2所述的太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，其特征在于，所述发电循环单元具有工作状态，在所述工作状态时，换热工质进入所述蒸汽发生器并被加热为高温高压的过热气体，然后对所述汽轮机做功，从所述汽轮机的出口流出的换热工质经所述喷射器增速减压和所述第一冷凝器冷凝后进入所述分离器进行气液分离，分离后的气体换热工质经所述第二冷凝器冷凝和所述工质泵压缩后循环回所述蒸汽发生器。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，其特征在于，所述制冷循环单元包括蒸发器和膨胀阀，所述膨胀阀的进口与所述分离器的液体出口连通，所述膨胀阀的出口与所述蒸发器的进口连通，所述蒸发器的出口与所述喷射器的进口连通；所述蒸发器用于与所述数据中心发生热交换以吸收所述数据中心在运行时产生的热量。
6.根据权利要求5所述的太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，其特征在于，所述制冷循环单元具有运行状态，在所述运行状态时，所述分离器分离后的液体换热工质经所述膨胀阀节流降压后进入所述蒸发器，经所述蒸发器进行换热后的换热工质循环进入所述喷射器。
7.根据权利要求2-4中任一项或权利要求6所述的太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，其特征在于，所述热源吸热单元包括熔盐太阳能接收器、热熔盐罐和冷熔盐罐，所述熔盐太阳能接收器、所述热熔盐罐和所述冷熔盐罐依次管路连接并形成循环管路。
8.根据权利要求7所述的太阳能热驱动的数据中心发电制冷循环系统，其特征在于，所述分离器为调控型非共沸混合工质分离器，所述分离器具有调节模块，所述调节模块能够调节所述分离器的加热量，以调节出口换热工质中的气液组分比例。
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