CN218570721U - 一种发电系统和数据中心 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种发电系统和数据中心。在本申请实施例中，数据中心的余热可以用于包括热泵、集热器和热力发电机组的发电系统进行发电。在热泵的帮助下，即能吸收低温冷冻水的热量，又吸收高温介质的热量，进而能够得到较高品位余热的中温介质，最后，利用较高品位余热的中温介质直接提供给热力发电机组进行发电，进而充分利用低温冷冻水的余热和高温介质的高温热量，提高数据中心的余热利用率，减少大量能源的浪费。

Description

一种发电系统和数据中心

技术领域

本申请涉及数据中心技术领域，尤其涉及一种发电系统和数据中心。

背景技术

随着数据中心的硬件设施越来越多，数据中心消耗的电能也越来越多，冷却系统对数据中心进行冷却产生的余热也越来越多。数据中心的余热虽然量大但余热温度较低，一般在40℃以下，属于低品位余热，难以直接被利用。目前，少量的数据中心探索了回收余热进行建筑供暖的利用方式，但是该余热利用方式有很强的季节局限性，北方大部分城市供暖期不超过半年时间，该余热利用方式能够回收余热的有限，绝大部分余热都被数据中心的空调机组散到室外环境中，因此，数据中心的余热利用率较低，造成了大量能源的浪费。

实用新型内容

本申请的多个方面提供一种发电系统和数据中心，用以提高数据中心的余热利用率，节约能源。

本申请实施例提供一种发电系统，包括：热泵、集热器和热力发电机组；热泵的第一进液口与用于冷却数据中心的冷却系统的冷冻水回水管路连通，热泵的第二进液口与集热器的出液口连通，热泵的第三出液口与热力发电机组的进液口连通；其中，从冷冻水回水管路流出的低温冷冻水和从集热器流出的高温介质流入热泵，在热泵内低温冷冻水的低温热量和高温介质的高温热量被吸收后转化成中温热量传递到中温介质，中温介质流入热力发电机组，以使热力发电机组利用中温介质的热能进行发电。

进一步可选的，热泵的第一出液口与用于冷却数据中心的冷却系统的冷冻水供水管路连通，以使被吸收热量的低温冷冻水回流到冷冻水供水管路中；或者，热泵的第二出液口与集热器的进液口连通，以使被吸收热量的高温介质回流到集热器中；或者，热泵的第三进液口与热力发电机组的出液口连通，以使被吸收热量的中温介质回流到热泵中。

进一步可选的，发电系统还包括：第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵中至少一种；第一循环泵设置在热泵的第一进液口和冷冻水回水管路之间，用于为低温冷冻水流向热泵提供动力；第二循环泵设置在热泵的第二进液口与集热器的出液口之间，用于为高温介质流向热泵提供动力；第三循环泵设置在热泵的第三出液口与热力发电机组的进液口之间，用于为中温介质流向热力发电机组提供动力。

进一步可选的，热泵为吸收式热泵，或者，集热器为太阳能集热器，或者，热力发电机组为有机朗肯循环发电系统。

进一步可选的，有机朗肯循环发电系统包括：蒸发器和膨胀发电机；热泵的第三进液口与蒸发器的出液口连通，热泵的第三出液口与蒸发器的第一进液口连通；蒸发器的出气口与膨胀发电机的进气口连通；从热泵流入蒸发器的中温介质与蒸发器中的液态工质进行热交换，热交换后的中温介质回流到热泵中，液态工质经过热交换后变成高温高压气态工质；高温高压气态工质进入膨胀发电机以使膨胀发电机进行发电。

进一步可选的，有机朗肯循环发电系统还包括：冷凝器；膨胀发电机的出气口与冷凝器的进气口连通；冷凝器的出液口与蒸发器的第二进液口连通；高温高压气态工质经过膨胀发电机后变成低温低压气态工质，低温低压气态工质从膨胀发电机进入冷凝器，冷凝器吸收低温低压气态工质的热量以使低温低压气态工质转变为液态工质，液态工质回流至蒸发器中。

进一步可选的，有机朗肯循环发电系统还包括：工质泵；工质泵设置在冷凝器的出液口与蒸发器的第二进液口之间，用于为液态工质流向蒸发器提供动力。

本申请实施例提供一种数据中心，包括：冷却系统和上述发电系统。

进一步可选的，冷却系统包括：冷却塔、制冷机组、冷冻水供水管路、冷冻水回水管路和空调机组；冷却塔的出口和制冷机组的第一入口连通，制冷机组的第二出口和冷冻水供水管路的入口连通，冷冻水供水管路的出口与空调机组的入口连通，空调机组的出口与冷冻水回水管路的入口连通。

进一步可选的，冷却塔的入口和制冷机组的第一出口连通，制冷机组的第二入口和冷冻水回水管路的出口连通。

在本申请实施例中，数据中心的余热可以用于包括热泵、集热器和热力发电机组的发电系统进行发电。在热泵的帮助下，即能吸收低温冷冻水的热量，又吸收高温介质的热量，进而能够得到较高品位余热的中温介质，最后，利用较高品位余热的中温介质直接提供给热力发电机组进行发电，进而充分利用低温冷冻水的余热和高温介质的高温热量，提高数据中心的余热利用率，减少大量能源的浪费。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种发电系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的另一种发电系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的另一种发电系统的结构示意图。

附图标记说明：

冷却系统10；冷冻水回水管路11；冷冻水供水管路12；空调机组13；冷却塔14；第四循环泵15；制冷机组16；第五循环泵17；热泵20；集热器30；热力发电机组40；第一循环泵50；第二循环泵60；第三循环泵70；蒸发器41；膨胀动力机42；发电机43；冷凝器44；工质泵45。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

随着数据中心的硬件设施越来越多，数据中心消耗的电能也越来越多，冷却系统对数据中心进行冷却产生的余热也越来越多。数据中心的余热虽然量大但余热温度较低，一般在40℃以下，属于低品位余热，难以直接被利用。目前，少量的数据中心探索了回收余热进行建筑供暖的利用方式，但是该余热利用方式有很强的季节局限性，北方大部分城市供暖期不超过半年时间，该余热利用方式能够回收余热的有限，绝大部分余热都被数据中心的空调机组散到室外环境中，因此，数据中心的余热利用率较低，造成了大量能源的浪费。

为此，本申请实施例提供一种发电系统和数据中心。在本申请实施例中，数据中心的余热可以用于包括热泵、集热器和热力发电机组的发电系统进行发电。在热泵的帮助下，即能吸收低温冷冻水的热量，又吸收高温介质的热量，进而能够得到较高品位余热的中温介质，最后，利用较高品位余热的中温介质直接提供给热力发电机组进行发电，进而充分利用低温冷冻水的余热和高温介质的高温热量，提高数据中心的余热利用率，减少大量能源的浪费。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请实施例提供的一种发电系统的结构示意图；图2为本申请实施例提供的另一种发电系统的结构示意图；图3为本申请实施例提供的另一种发电系统的结构示意图。参见图1至图3，该发电系统包括：热泵20、集热器30和热力发电机组40；热泵20的第一进液口与用于冷却数据中心的冷却系统10的冷冻水回水管路连通，热泵20的第二进液口与集热器30的出液口连通，热泵20的第三出液口与热力发电机组40的进液口连通。

可选的，热泵20可以是任意的充分利用低品位热能的高效提升装置。进一步可选的，热泵20可以是增热型热泵20或升温型热泵20等吸收式热泵20，对此不做限制。其中，使用吸收式热泵20可以进一步地提高余热利用率。

可选的，集热器30例如包括但不限于：平板集热器30、全玻璃真空管集热器30和热管式真空管集热器30等，但并不限于上述举例的太阳能集热器30。

可选的，热力发电机组40可以是各种利用热能进行发电的机组，例如，热力发电机组40为有机朗肯循环发电系统。

通常，对数据中心中各种硬件设备进行冷却的冷却系统10配置有冷冻水回水管路，以对冷却过程中产生的冷冻水回水进行回收。冷冻水回水是在利用冷冻水对数据中心进行降温后，回收所利用的冷冻水形成的。相比于对数据中心进行降温的冷冻水，冷冻水回水的温度有所升高，具有一定的余热。

在本实施例中，利用热泵20、集热器30和热力发电机组40组成的发电系统基于冷冻水回水的余热进行发电，进而充分利用冷冻水回水的余热和集热器的余热，提高数据中心的余热利用率，减少大量能源的浪费。

为了便于区分和理解，将从冷冻水回水管路流出的冷冻水回水称作为低温冷冻水，将从集热器30流出的介质称作为高温介质，将从热泵20流出介质称作为中温介质。按照温度从低到高，依次为低温冷冻水、高温介质和中温介质。其中，集热器30或热泵20中的介质例如包括但不限于：水、油等等。

其中，低温冷冻水的温度满足低温条件，低温条件例如是指温度落在设定的与低温关联的温度范围内。高温介质是指满足高温条件的介质，介质例如包括但不限于：水、酒精和油等。高温条件例如是指温度落在设定的与高温关联的温度范围内。中温介质是指满足中温条件的介质。中温条件例如是指温度落在设定的与中温关联的温度范围内。另外，高温介质的温度大于中温介质的温度，中温介质的温度大于低温冷冻水的温度，也就是说，高温条件对应温度范围中的温度大于中温条件对应温度范围中的温度，中温条件对应温度范围中的温度大于低温条件对应温度范围中的温度。

具体而言，从冷冻水回水管路流出的低温冷冻水和从集热器30流出的高温介质流入热泵20，在热泵20内低温冷冻水的低温热量和高温介质的高温热量被吸收后转化成中温热量传递到热泵内部的中温介质；中温介质流入热力发电机组40，以使热力发电机组40利用中温介质的热能进行发电。

其中，低温热量是指满足低温条件的热量，中温热量是指满足中温条件的热量，高温热量是指满足高温条件的热量，低温热量的温度低于中温热量，中温热量的温度低于高温热量，关于低温条件、中温条件和高温条件的介绍可以参见前述内容。

本申请实施例提供的发电系统，包括热泵20、集热器30和热力发电机组40。在热泵20的帮助下，即能吸收低温冷冻水的热量，又吸收高温介质的热量，进而能够得到较高品位余热的中温介质，最后，利用较高品位余热的中温介质直接提供给热力发电机组40进行发电，进而充分利用低温冷冻水的余热和高温介质的高温热量，提高数据中心的余热利用率，减少大量能源的浪费。

进一步可选的，热泵20的第一出液口与用于冷却数据中心的冷却系统10的冷冻水供水管路连通，以使被吸收热量的低温冷冻水回流到冷冻水供水管路中；或者，热泵20的第二出液口与集热器30的进液口连通，以使被吸收热量的高温介质回流到集热器30中；或者，热泵20的第三进液口与热力发电机组40的出液口连通，以使被吸收热量的中温介质回流到热泵20中。

在本实施例中，为了进一步提高资源利用率，被热泵20吸收热量的低温冷冻水还可以回流到冷冻水供水管路中，或者，被热泵20吸收热量的高温介质回流到集热器30，或者，被热力发电机组40吸收热量的中温介质回流到热泵20中。

值得注意的是，图1至图3中的箭头表示液体的流动方向。例如，从冷冻水回水管路指向热泵20的箭头表示低温冷冻水从冷冻水回水管路流向热泵20。从热泵20指向冷冻水供水管路的箭头表示吸收热量后的低温冷冻水从热泵20流向冷冻水供水管路。

进一步可选的，发电设备还包括：第一循环泵50、第二循环泵60、第三循环泵70中至少一种；第一循环泵50设置在热泵20的第一进液口和冷冻水回水管路之间，用于为低温冷冻水流向热泵20提供动力；第二循环泵60设置在热泵20的第二进液口与集热器30的出液口之间，用于为高温介质流向热泵20提供动力；第三循环泵70设置在热泵20的第三出液口与热力发电机组40的进液口之间，用于为中温介质流向热力发电机组40提供动力。

其中，第一循环泵50、第二循环泵60、第三循环泵70可以是现有任一种循环液用泵。

值得注意的是，增设循环泵可以有效地促进液体流动，保证发电系统的发电效率和可靠性。

在本实施例中，有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)发电系统可以是任意的有机朗肯循环发电系统。进一步可选的，为了提高发电质量，有机朗肯循环发电系统包括：蒸发器41和膨胀发电机；热泵20的第三进液口与蒸发器41的出液口连通，热泵20的第三出液口与蒸发器41的第一进液口连通；蒸发器41的出气口与膨胀发电机的进气口连通。

具体而言，从热泵20流入蒸发器41的中温介质与蒸发器41中的液态工质进行热交换，热交换后的中温介质回流到热泵20中，液态工质经过热交换后变成高温高压气态工质；高温高压气态工质进入膨胀发电机以使膨胀发电机进行发电。

值得注意的是，中温介质在热交换过程中，热量被蒸发器41中的液态工质吸收，吸收热量的液态工质蒸发为高温高压气态工质；高温高压气态工质是指温度较高和气压较大的气态工质，高温的温度范围和高压的气压范围根据应用需求灵活设置。

通常，膨胀发电机包括膨胀动力机42和发电机43组成。膨胀动力机42将热能转换为机械能，并利用机械能驱动发电机发电。在本实施例中，膨胀动力机42将高温高压气态工质的热能转换为机械能，并利用机械能驱动发电机43发电。

进一步可选的，有机朗肯循环发电系统还包括：冷凝器44；膨胀发电机的出气口与冷凝器44的进气口连通；冷凝器44的出液口与蒸发器41的第二进液口连通。

具体而言，高温高压气态工质经过膨胀发电机后变成低温低压气态工质，低温低压气态工质从膨胀发电机进入冷凝器44，冷凝器44吸收低温低压气态工质的热量以使低温低压气态工质转变为液态工质，液态工质回流至蒸发器41中。

值得注意的是，低温低压气态工质是指温度较低和气压较低的气态工质，低温的温度范围和低压的气压范围根据应用需求灵活设置。

值得注意的是，高温高压气态工质是满足高温条件和高压条件的气态工质，低温低压气态工质是满足低温条件和低压条件的气态工质，满足高温条件的气态工质的温度高于满足低温条件的气态工质。高温条件和低温条件的介绍可以参见前述内容。满足高压条件的气态工质的气压高于满足低压条件的气态工质。高压条件例如是指气压落在设定的与高压关联的气压范围内，低压条件例如是指气压落在设定的与低压关联的气压范围内。高压条件对应的气压范围内的气压值大于低压条件对应的气压范围内的气压值。

进一步可选的，为了进一步提高资源利用率，有机朗肯循环发电系统还包括：工质泵45；工质泵45设置在冷凝器44的出液口与蒸发器41的第二进液口之间，用于为液态工质流向蒸发器41提供动力。其中，工质泵45是指为液态工质流动的提供动力的一种循环泵。

本申请实施例还一种数据中心，该数据中心除了包括各种硬件设备之外，还包括对这些硬件设备进行冷却的冷却系统10和基于冷却系统10提供的低温冷冻水的余热进行发电的发电系统，该发电系统可以是图1至图3所示的任一种发电系统，对此不做限制。

值得注意的是，冷却系统10可以是任意的利用冷冻水回水管路回收冷冻水回水的冷却系统10。进一步可选的，参见图3，冷却系统10包括：冷却塔14、制冷机组16、冷冻水供水管路12、冷冻水回水管路11和空调机组；冷却塔14与制冷机组16连通，制冷机组16与冷冻水供水管路12连通；空调机组13分别与冷冻水供水管路12和冷冻水回水管路11连通。

具体而言，冷却塔14的出口和制冷机组16的第一入口连通，制冷机组16的第二出口和冷冻水供水管路12的入口连通，冷冻水供水管路12的出口与空调机组13的入口连通，空调机组13的出口与冷冻水回水管路11的入口连通。基于此，冷却塔14流出的冷却水流入制冷机组16，制冷机组16利用从冷却塔14流出的冷却水来制备冷冻水；制冷机组16流出的冷冻水进入冷冻水供水管路12，冷冻水供水管路12中的冷冻水流入空调机组13，空调机组13利用冷冻水吸收数据中心的各种硬件设备的热量，以对各种硬件设备进行降温；吸收热量后的冷冻水形成冷冻水回水，冷冻水回水回流至冷冻水回水管路11中。

进一步可选的，为了促进液体流动，在冷却塔14的出口和制冷机组16的第一入口之间设置第四循环泵15。

进一步可选的，为了提升资源利用率，冷却塔14的入口和制冷机组16的第一出口连通，制冷机组16的第二入口和冷冻水回水管路11的出口连通。基于此，冷却塔14流出的冷却水流入制冷机组16后，经过制冷机组16后还能回流至冷却塔14。冷冻水回水管路11中的冷冻水回水也能回流至制冷机组16中继续使用。进一步可选的，为了促进液体流动，在制冷机组16的第二入口和冷冻水回水管路11的出口之间设置第五循环泵17。

值得注意的是，数据中心可以包括一个或多个冷却系统10，对此不再限制。

本申请实施例提供的数据中心，增设了包括热泵20、集热器30和热力发电机组40。在热泵20的帮助下，即能吸收低温冷冻水的热量，又吸收高温介质的热量，进而能够得到较高品位余热的中温介质，最后，利用较高品位余热的中温介质直接提供给热力发电机组40进行发电，进而充分利用低温冷冻水的余热和高温介质的高温热量，提高数据中心的余热利用率，减少大量能源的浪费。

需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种发电系统，其特征在于，包括：热泵、集热器和热力发电机组；所述热泵的第一进液口与用于冷却数据中心的冷却系统的冷冻水回水管路连通，所述热泵的第二进液口与所述集热器的出液口连通，所述热泵的第三出液口与所述热力发电机组的进液口连通；

其中，从所述冷冻水回水管路流出的低温冷冻水和从所述集热器流出的高温介质流入所述热泵；在所述热泵内所述低温冷冻水的低温热量和所述高温介质的高温热量被吸收后转化成中温热量传递到中温介质，所述中温介质流入所述热力发电机组，以使所述热力发电机组利用所述中温介质的热能进行发电。

2.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述热泵的第一出液口与用于冷却数据中心的冷却系统的冷冻水供水管路连通，以使被吸收热量的低温冷冻水回流到所述冷冻水供水管路中；

或者，所述热泵的第二出液口与所述集热器的进液口连通，以使被吸收热量的高温介质回流到所述集热器中；

或者，所述热泵的第三进液口与所述热力发电机组的出液口连通，以使被吸收热量的中温介质回流到所述热泵中。

3.根据权利要求1所述的发电系统，其特征在于，还包括：第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵中至少一种；

所述第一循环泵设置在所述热泵的第一进液口和所述冷冻水回水管路之间，用于为所述低温冷冻水流向所述热泵提供动力；

所述第二循环泵设置在所述热泵的第二进液口与所述集热器的出液口之间，用于为所述高温介质流向所述热泵提供动力；

所述第三循环泵设置在所述热泵的第三出液口与所述热力发电机组的进液口之间，用于为所述中温介质流向所述热力发电机组提供动力。

4.根据权利要求1至3任一项所述的发电系统，其特征在于，所述热泵为吸收式热泵，或者，所述集热器为太阳能集热器，或者，所述热力发电机组为有机朗肯循环发电系统。

5.根据权利要求4所述的发电系统，其特征在于，所述有机朗肯循环发电系统包括：蒸发器和膨胀发电机；

所述热泵的第三进液口与所述蒸发器的出液口连通，所述热泵的第三出液口与所述蒸发器的第一进液口连通；所述蒸发器的出气口与所述膨胀发电机的进气口连通；

从所述热泵流入所述蒸发器的中温介质与所述蒸发器中的液态工质进行热交换，热交换后的中温介质回流到所述热泵中，所述液态工质经过热交换后变成高温高压气态工质；

所述高温高压气态工质进入所述膨胀发电机以使所述膨胀发电机进行发电。

6.根据权利要求5所述的发电系统，其特征在于，所述有机朗肯循环发电系统还包括：冷凝器；所述膨胀发电机的出气口与所述冷凝器的进气口连通；所述冷凝器的出液口与所述蒸发器的第二进液口连通；

所述高温高压气态工质经过所述膨胀发电机后变成低温低压气态工质，所述低温低压气态工质从所述膨胀发电机进入所述冷凝器，所述冷凝器吸收所述低温低压气态工质的热量以使所述低温低压气态工质转变为液态工质，所述液态工质回流至所述蒸发器中。

7.根据权利要求6所述的发电系统，其特征在于，所述有机朗肯循环发电系统还包括：工质泵；

所述工质泵设置在所述冷凝器的出液口与所述蒸发器的第二进液口之间，用于为所述液态工质流向所述蒸发器提供动力。

8.一种数据中心，其特征在于，包括：冷却系统和如权利要求1至7任一项所述的发电系统。

9.根据权利要求8所述的数据中心，其特征在于，所述冷却系统包括：冷却塔、制冷机组、冷冻水供水管路、冷冻水回水管路和空调机组；

所述冷却塔的出口和所述制冷机组的第一入口连通，所述制冷机组的第二出口和所述冷冻水供水管路的入口连通，所述冷冻水供水管路的出口与空调机组的入口连通，所述空调机组的出口与冷冻水回水管路的入口连通。

10.根据权利要求9所述的数据中心，其特征在于，所述冷却塔的入口和所述制冷机组的第一出口连通，所述制冷机组的第二入口和所述冷冻水回水管路的出口连通。

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