一种数据中心供电系统的制作方法

1.本发明涉及数据中心供电技术领域，特别涉及一种数据中心供电系统。


背景技术：

2.随着云业务的发展，运营商和企业的云服务形态也在不断变化，高效节能是数据中心的发展趋势，高技术、高能效、高算力、高安全、绿色低碳、管理自动化等成为新一代数据中心建设的关注点。
3.然而，以现有的“市电 备用柴油发电机组”为主的数据中心供电系统在能效和碳排放方面已经遇到了巨大瓶颈。
4.首先，受限于散热、通风、照明、安防等辅助用电需求，现有的数据中心供电系统的电源使用效率(power usage effectiveness，简称为pue)值的极限基本在1.30～1.45左右，很难再有所降低。也就是说，每将1度电用于计算负荷，就将就0.3～0.45度电用于散热、照明等辅助用电。其次，火力发电在我国的电源装机中依然占有70％左右的比重，因此直接采用市电相当于间接承担了大量的碳排放。此外，当市电出现故障停止供电时，采用备用柴油发电机组也会产生大量的二氧化碳排放，进一步提高数据中心的碳排放强度。
5.因此，高效、绿色的数据中心供电系统对新一代数据中心尤为重要。


技术实现要素：

6.(一)发明目的
7.本发明的目的是提供一种数据中心供电系统，用于解决现有的数据中心供电系统能效低、环境污染严重、碳排放较高的问题。
8.(二)技术方案
9.根据本发明的第一方面提供了一种数据中心供电系统，包括发电装置和余热利用装置；
10.所述发电装置包括氨分解设备和氢发电机组；
11.所述氨分解设备用于对氨进行分解以提取氢气；
12.所述氢发电机组用于以所述氢气为燃料发电以向数据中心供电；
13.所述余热利用装置用于将所述氢发电机组排出的废气输送至所述氨分解设备以通过所述废气的余热驱动所述氨分解设备对氨进行分解。
14.在一些实施例中，还包括溴化锂制冷机组；
15.所述余热利用装置还用于将所述氢发电机组排出的废气输送至所述氨分解设备；
16.所述溴化锂制冷机组用于将所述废气的余热转化为冷能，并将所述冷能输送给数据中心。
17.在一些实施例中，所述发电装置还包括集装箱式液氨存储罐，所述集装箱式液氨存储罐用于向所述氨分解设备输送液态氨。
18.在一些实施例中，所述发电装置的数量为多个，多个所述发电装置物理隔离设置。
19.在一些实施例中，所述氢发电机组通过直流母线向所述数据中心供电。
20.在一些实施例中，所述氢发电机组包括依次排列的多个氢内燃机，相邻的所述氢内燃机通过不同的ac/dc变流器接入所述直流母线，所述直流母线与所述数据中心的负载电连接。
21.在一些实施例中，还包括备用电源，所述备用电源与所述发电装置一一对应设置，所述备用电源包括不间断电源和dc/dc变换器，所述不间断电源通过所述dc/dc变换器与所述母线电连接。
22.在一些实施例中，所述数据中心包括多个列头柜，所述列头柜用于向所述数据中心的负载供电，每个所述列头柜与至少两个所述发电装置电连接。
23.在一些实施例中，所述氨分解设备包括氨裂解反应器和氨分离反应器；
24.所述氨裂解反应器用于促使氨发生裂解反应生成氨气、氮气和氢气的混合物；
25.所述氨分离反应器用于从所述混合物中提取氨气并送回所述氨裂解反应器中继续参加裂解反应，所述氨分离反应器还用于将所述混合物中的氮气和氢气输送给所述氢发电机组。
26.在一些实施例中，所述余热利用装置用于将所述氢发电机组排出的废气输送至所述氨裂解反应器以促使氨发生裂解反应。
27.(三)有益效果
28.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
29.本发明实施例提供的数据中心供电系统通过燃烧氢气产生热量进而带动氢发电机组发电，产生的余热用来为氨分解提供热量，有助于提高数据中心供电系统的能效，显著降低碳排放量，避免造成环境污染。
附图说明
30.图1是根据本发明一实施例的数据中心供电系统的结构示意图；
31.图2是根据本发明一实施例的氨分解设备的结构示意图；
32.图3是根据本发明另一实施例的数据中心供电系统的结构示意图；
33.图4是根据本发明一实施例的数据中心供电系统的能量流示意图。
34.图中，
35.发电装置，1；氨分解设备，11；氢发电机组，12；集装箱式液氨存储罐，13；ac/dc变流器，14；
36.溴化锂制冷机组，2；
37.直流母线，3；
38.备用电源，4；不间断电源，41；dc/dc变换器，42；
39.数据中心，5；列头柜，51；负载，52。
具体实施方式
40.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本
发明的概念。
41.在详细说明本发明第一实施方式提供的方法之前，先对相关技术进行简单的介绍。
42.相关技术中，通常采用市电作为数据中心的电源，大量采用市电导致数据中心的碳排放强度高，易造成环境污染。采用市电作为数据中心的电源存在能源利用率低的问题。a级数据中心要求“双电源供电”。这两个电源应是相互独立的，当一个电源出现故障时，另一个电源仍可正常工作。然而，大部分数据中心的供电电源尽管来自两路电源，但这两路电源仍然来自同一个区域电网。当区域电网出现故障时，两路电源仍然会同时失效，并不能很好的起到分散风险的作用。
43.图1是根据本发明一实施例的数据中心供电系统的结构示意图。如图1所示，为了解决上述问题，本发明提供了一种数据中心供电系统，包括发电装置和余热利用装置；
44.发电装置包括氨分解设备和氢发电机组。本实施例利用氨作为数据中心供电系统的能源，摆脱对电网的依赖。特别的，氨的供应来自于上游独立不同的供应商，降低能源供应的风险。本实施例采用标准集装箱规格的液氨储罐存储氨，提高运输和装卸的便利性，降低运输成本。该系统配置的集装箱式液氨储罐数量根据数据中心的能量消耗情况而定。
45.氨分解设备用于对氨进行分解以提取氢气。如图2所示，氨分解设备包括氨裂解反应器和氨分离反应器。氨裂解反应器用于促使氨发生裂解反应生成氨气、氮气和氢气的混合物，反应公式如下：
[0046][0047]
氨分离反应器用于从混合物中提取氨气并送回氨裂解反应器中继续参加裂解反应，氨分离反应器还用于将混合物中的氮气和氢气输送给氢发电机组。
[0048]
氢发电机组用于以氢气和氮气的混合气为燃料发电以向数据中心供电。氢发电机组通过燃烧氢气将化学能转化为动能，进而转化为电能。氨分离器中产生的氢气和氮气体积比为3:1，氢气的分子量为2，氮气的分子量为28。容易计算，混合气中氢气的质量百分比为17.6％，氮气的质量百分比为82.4％。假设常规氢内燃机的空燃比为λ，则采用该混合气作为燃料的氢内燃机应将空燃比调整为0.176λ，从而保证氧气和氢气的比例保持一致。此外，混合气中存在大量氮气，增加了惰性气体含量，有助于降低氢气燃烧的火焰传播速度，抑制回火的发生。惰性气体含量的增加还可以降低燃烧温度，降低氮氧化物的排放。
[0049]
余热利用装置用于将氢发电机组排出的废气输送至氨分解设备以通过废气的余热驱动氨分解设备对氨进行分解。本实施例中，余热利用装置用于将氢发电机组排出的废气输送至氨裂解反应器以促使氨发生裂解反应。
[0050]
本实施例提供的数据中心供电系统通过燃烧氢气产生热量进而带动氢发电机组发电，产生的余热用来为氨分解提供热量，有助于提高数据中心供电系统的能效，采用新的绿色能源供应体系，摆脱对现有市电的依赖，拓宽了能源供应的范围，降低了对单一能量来源的供应风险。显著降低了数据中心供电系统的碳排放强度。采用绿色合成氨作为能量来源，直接碳排放量为0，而采用网电的碳排放强度约为600～700gco2/kwh，有助于避免环境污染。
[0051]
图3是根据本发明另一实施例的数据中心供电系统的结构示意图。如图3所示，在
一些实施例中，发电装置还包括集装箱式液氨存储罐，集装箱式液氨存储罐用于向氨分解设备输送液态氨。发电装置的数量为多个，多个发电装置物理隔离设置。数据中心包括多个列头柜，列头柜用于向数据中心的负载供电，每个列头柜与至少两个发电装置电连接。本实施例中，发电装置为两个。氢发电机组包括依次排列的多个氢内燃机，相邻的氢内燃机通过不同的ac/dc变流器接入直流母线，直流母线与数据中心的负载电连接。ac/dc变流器，将氢发电机组产生的交流电转化为直流电，接入直流母线。为提高系统的供电冗余度，本发明采用若干台ac/dc变流器独立运行，每台ac/dc变流器的上游接入若干台独立运行的氢发电机组。本实施例还包括备用电源，备用电源与发电装置一一对应设置，备用电源包括不间断电源和dc/dc变换器，不间断电源通过dc/dc变换器与母线电连接。发电装置和备用电源产生的电能通过直流母线分配为各个列头柜。
[0052]
本实施例中，还包括溴化锂制冷机组。余热利用装置还用于将氢发电机组排出的废气输送至氨分解设备。溴化锂制冷机组用于将废气的余热转化为冷能，并将冷能输送给数据中心。溴化锂制冷机组利用氢内燃机产生的废气的余热制冷，所产生的冷量用来给数据中心的机柜散热。
[0053]
以一个20mw数据中心为例。该数据中心需要的电负荷为20mw，在平衡状态下，数据中心的发热功率为20mw。
[0054]
氢内燃机组排气温度为600～800℃，热源品位较高，故采用双效型溴化锂制冷机组，cop取1.0，则溴化锂机组的工作热源需求也为20mw。假设氢发电机组的效率为40％，则每小时消耗氢气1259kg(以氢气hhv＝39.72kwh/kg计)。氨分解装置的氢气产出率为95％～99％，不失一般性，本实施例假设氢气产出率为97％，则每小时消耗氨7355kg。氨裂解为吸热反应，理论吸热量为92.2kj/mol。以系统效率75％计，则氨分解对应的热源需求为7.6mw。因此，综合考虑氨裂解和溴化锂制冷后，合计热源需求为27.6mw。
[0055]
在氢发电机组效率为40％的前提下，1259kg氢气燃烧发电产生的热量为30mw，满足27.6mw的热源需求，剩余2.4mw热量向环境散失。本实施例的总能源利用效率可达95.2％。考虑安防、照明等辅助用电，数据中心pue可达1.05～1.1。能量流如图4所示。
[0056]
本实施例提供的数据中心供电系统采用模块化供电电源，当某一个供电模块出现故障时，其余供电模块仍可以独立运行，有助于提高系统的抗风险能力。通过余热回收技术驱动溴化锂制冷机组，摆脱了对外部热源的依赖。由于本实施例中的溴化锂制冷机组不需要直接用电驱动，而是采用高温尾气，故用于散热的电能大大减少。传统数据中心的电源使用效率(power usage effectiveness，简称为pue)一般在1.30～1.45左右，本实施例提供的数据中心供电系统的pue可以达到1.10左右，能够显著提高能源的利用效率。
[0057]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。