本發(fā)明屬于能源管理和供電系統(tǒng)的，更具體的說(shuō)涉及一種帶燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、數(shù)據(jù)中心的高耗能體現(xiàn)在對(duì)電能和水資源的消耗，并且目前我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，以火力發(fā)電為主；清潔能源利用，如風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電受晝夜光照條件以及氣象參數(shù)的變化影響很大，造成其供電可靠性無(wú)法滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心對(duì)用電穩(wěn)定性的要求。數(shù)據(jù)中心的水資源利用主要體現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)對(duì)水資源的消耗，包括空調(diào)蒸發(fā)冷卻用水和加濕用水等。并且傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電架構(gòu)需要配置獨(dú)立于正常供電回路的獨(dú)立后備電源，一般的數(shù)據(jù)中心選擇柴油發(fā)電機(jī)作為后備，柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電過(guò)程中燃燒柴油引發(fā)的碳排放量很大。

2、本發(fā)明通過(guò)借助一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)存在兩種運(yùn)行模式，一種是燃料電池發(fā)電模式，一種是電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣的模式。氫氣和氧氣輸配至燃料電池產(chǎn)生電能，可配合系統(tǒng)選配的清潔能源發(fā)電系統(tǒng)如風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電等為數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備供電，發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的純水予以?xún)?chǔ)存，可用于數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)補(bǔ)水，或者數(shù)據(jù)中心其它輔助區(qū)域的生活用水。與傳統(tǒng)的火力發(fā)電不同，該燃料電池系統(tǒng)唯一的排放物就是純水，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。并且，該配電架構(gòu)可以減少不間斷電源系統(tǒng)，特別是蓄電池的配置，進(jìn)一步減少環(huán)境污染的可能。

3、對(duì)于有清潔能源發(fā)電系統(tǒng)配置的供電架構(gòu)，當(dāng)清潔能源發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量大于數(shù)據(jù)中心用電需求時(shí)，可通過(guò)燃料電池的電解模式，將水電解產(chǎn)生氫氣和氧氣，用于能量的儲(chǔ)存，待清潔能源發(fā)電量不足時(shí)，氫氣和氧氣輸配至燃料電池，實(shí)現(xiàn)發(fā)電。如果系統(tǒng)沒(méi)有配置清潔能源發(fā)電系統(tǒng)，也可以與市電供電回路配合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”，電網(wǎng)供電“低谷”時(shí)段，市電用于電解產(chǎn)生氫氣、氧氣，電網(wǎng)供電“高峰”時(shí)段，將電解產(chǎn)生的氫氣、氧氣輸配給燃料電池發(fā)電，為數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備供電。燃料電池系統(tǒng)可以作為主用供電，也可以替代柴油發(fā)電機(jī)等后備電源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明通過(guò)利用一種燃料電池系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)中心用電的清潔無(wú)污染，解決風(fēng)力、太陽(yáng)能等清潔能源供電系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，緩解市電供電電網(wǎng)的“峰谷”壓力，減少柴油發(fā)電機(jī)等后備電源形式以及不間斷電源系統(tǒng)蓄電池對(duì)環(huán)境的污染。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：所述的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)，清潔能源發(fā)電系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，供回水系統(tǒng)；

3、所述的燃料電池系統(tǒng)和清潔能源發(fā)電系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備供電端連接，用于數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備提供電力；

4、所述的供氣系統(tǒng)與燃料電池系統(tǒng)連接，供氣系統(tǒng)為燃料電池提供氫氣、氧氣的供給和收集；

5、所述的供回水系統(tǒng)與燃料電池系統(tǒng)連接，供回水系統(tǒng)承載燃料電池在電解模式時(shí)的電解用水供給，以及燃料電池發(fā)電模式時(shí)產(chǎn)生的水的儲(chǔ)存；

6、燃料電池模式發(fā)電產(chǎn)生的水儲(chǔ)存在蓄水箱，經(jīng)過(guò)水泵輸配至燃料電池，用于電解模式的純水供應(yīng)。

7、進(jìn)一步地，所述的供氣系統(tǒng)包括切換閥門(mén)、氣體泵ⅰ、氣體泵ⅱ、氫氣儲(chǔ)氣罐、氧氣儲(chǔ)氣罐；

8、所述的氫氣儲(chǔ)氣罐、氧氣儲(chǔ)氣罐分別連接有氣體輸出管道和氣體輸入管道；

9、氫氣儲(chǔ)氣罐的氣體輸出管道與燃料電池系統(tǒng)的氫氣供氣端連接，氧氣儲(chǔ)氣罐的氣體輸出管道與燃料電池系統(tǒng)的氧氣供氣端連接；

10、燃料電池系統(tǒng)的氫氣排出管道與氫氣儲(chǔ)氣罐的氣體輸入管道連接，燃料電池系統(tǒng)的氧氣排出管道與氧氣儲(chǔ)氣罐氣體輸入管道連接；

11、每個(gè)氣體輸出管道上均安裝有切換閥門(mén)，氫氣儲(chǔ)氣罐的氣體輸入管道上安裝有氣體泵ⅰ，氧氣儲(chǔ)氣罐的氣體輸入管道上安裝有氣體泵ⅱ。

12、進(jìn)一步地，所述的供回水系統(tǒng)包括蓄水箱、水泵ⅰ、水泵ⅱ；

13、所述的蓄水箱一端通過(guò)輸水管道與燃料電池系統(tǒng)連接，在電解模式時(shí)的電解用水供給，輸水管道上安裝有水泵ⅰ；

14、所述的蓄水箱另一端通過(guò)冷卻水管道與數(shù)據(jù)中心耗水設(shè)備連接，冷卻水管道上安裝有水泵ⅱ。

15、在一方面，一種帶燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電方法，所述的供配電方法適用于所述的供配電系統(tǒng)，所述的供配電方法包括以下步驟：

16、定義為清潔能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率，為實(shí)際設(shè)備的電力需求，為燃料電池系統(tǒng)的輸出功率，為電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣的能量需求；

17、步驟1、監(jiān)控天氣以及清潔能源發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)，根據(jù)環(huán)境狀態(tài)對(duì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；

18、步驟2、監(jiān)控實(shí)際用電設(shè)備的電力需求，對(duì)進(jìn)行評(píng)估；

19、步驟3、如果，計(jì)算剩余的電力量為；將的值輸入燃料電池系統(tǒng)電解水，產(chǎn)生氫氣和氧氣，而氫氣和氧氣能量的得損失量應(yīng)滿(mǎn)足，其中r為電解效率；

20、步驟4、將電解得到的氫氣和氧氣儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中；

21、步驟5、如果，計(jì)算缺少的電量；如果儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存的氫氣量和氧氣量足夠?qū)⑥D(zhuǎn)化為電能，燃料電池系統(tǒng)就啟動(dòng)，由補(bǔ)足；

22、步驟6、如果儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存的氫氣和氧氣量不足，不能完全由補(bǔ)足，啟動(dòng)市電供電系統(tǒng)，以保證數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備的電力需求。

23、進(jìn)一步地，所述的步驟1對(duì)進(jìn)行評(píng)估的具體過(guò)程如下：

24、主要因素包括：太陽(yáng)輻射強(qiáng)度i對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，風(fēng)速v對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，以及清潔能源發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率η；

25、對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)：，其中，area是光伏發(fā)電陣列的表面積；

26、對(duì)于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)：，其中，是空氣密度，a是風(fēng)輪面積。需注意的是風(fēng)力發(fā)電功率與風(fēng)速的三次方成正比；

27、監(jiān)控實(shí)時(shí)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度i和風(fēng)速v，并實(shí)時(shí)計(jì)算更新當(dāng)前的η，即可實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)當(dāng)前各自的，然后通過(guò)上述利用多余能源和補(bǔ)充不足能源的策略，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行調(diào)節(jié)。

28、進(jìn)一步地，所述的步驟3當(dāng)時(shí)，氫氣和氧氣的體積可計(jì)算為，其中為一單位質(zhì)量水發(fā)生電解所需的能量。

29、本發(fā)明有益效果：

30、1對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)依賴(lài)不可再生的化石燃料，并且發(fā)電過(guò)程唯一產(chǎn)物是純水，不污染環(huán)境。

31、2解決清潔能源供電系統(tǒng)的供電不穩(wěn)定性和供電電網(wǎng)的“峰谷”沖擊。

32、3燃料電池發(fā)電過(guò)程產(chǎn)生的水可以用于數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)或者數(shù)據(jù)中心辦公區(qū)用水，資源利用率高。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心相比，可減少柴油發(fā)電機(jī)和不間斷電源供電系統(tǒng)蓄電池的配置，進(jìn)一步降低環(huán)境污染的可能。

技術(shù)特征：

1.一種帶燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)，其特征在于：所述的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)包括燃料電池系統(tǒng)，清潔能源發(fā)電系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，供回水系統(tǒng)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)，其特征在于：所述的供氣系統(tǒng)包括切換閥門(mén)（3）、氣體泵?。?）、氣體泵ⅱ（8）、氫氣儲(chǔ)氣罐（9）、氧氣儲(chǔ)氣罐（10）；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)，其特征在于：所述的供回水系統(tǒng)包括蓄水箱（5）、水泵ⅰ（6）、水泵ⅱ（7）；

4.一種帶燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電方法，所述的供配電方法適用于權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的供配電系統(tǒng)，其特征在于：所述的供配電方法包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電方法，其特征在于：所述的步驟1對(duì)進(jìn)行預(yù)測(cè)的具體過(guò)程如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電方法，其特征在于：所述的步驟3當(dāng)時(shí)，氫氣和氧氣的體積計(jì)算為，其中為一單位質(zhì)量水發(fā)生電解所需的能量。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種帶燃料電池系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)及方法，屬于供電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，所述的系統(tǒng)包括：燃料電池系統(tǒng)，清潔能源發(fā)電系統(tǒng)，供氣系統(tǒng)，供回水系統(tǒng)。采用清潔能源發(fā)電，清潔能源發(fā)電包括但不限于太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等，結(jié)合燃料電池發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)為數(shù)據(jù)中心用電設(shè)備供電，可以實(shí)現(xiàn)清潔能源發(fā)電的供配電架構(gòu)冗余，減少傳統(tǒng)備用電源，如柴油發(fā)電機(jī)組的配備。燃料電池發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的水儲(chǔ)存至蓄水箱，可用于清潔能源過(guò)剩時(shí)電解，也可以用于數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)用水。

技術(shù)研發(fā)人員：張偉,沈慶飛,李安香,張開(kāi),豆麗蘭
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23