用于将来自计算设备的集合的余热转换成电能的系统和方法与流程

本发明涉及余热回收和再利用领域，并且特别地涉及利用从通常存在于数据中心、计算中心、服务器群和类似设施(本文中统称为“数据中心”)中的计算设备的集合回收的余热产生电力。特别地但非排他地，本发明涉及将来自至少一个计算设备集合的余热转换成电能的系统，其中，该系统还包括集成膨胀机-发电机组件和制动组件。此外，本发明涉及将来自至少一个计算设备集合的余热转换成电能的方法。

背景技术：

1、近年来，大功率计算设备的使用大幅增加。在数据中心中使用计算设备以用于各种应用，例如互联网服务、电子商务交易、数据存储、数据管理、加密货币挖掘等。为这样的数据中心供电需要大量的电能。计算设备使用的电能会产生余热，余热必须被去除以将计算设备的电子部件的温度保持在其制造商规定的范围内。为了去除这些余热，需要消耗大量的电能，这就导致数据中心运营商的成本，以及与产生该电能相关联的温室气体排放和其他环境影响。

2、为了缓解上述问题，已经采用了多种方法来管理和再利用从计算设备发出的热。各种系统和方法已经被用来捕获和利用余热。例如，从数据中心发出的热被用来加热温室以及向区域供热系统供热。

3、这样的方法提高了数据中心运行的可持续性。然而，存在与回收和再利用数据中心运行的余热的传统系统和方法相关联的若干局限。如果能将余热转换成电能，就可以将其用于多种用途，包括为产生余热的计算设备的组件提供电力。利用数据中心自身的余热自行供电将构成循环经济的示例，并将有助于数据中心的可持续性。

4、传统上，已经采用空气冷却来处理数据中心中的这些余热。然而，空气冷却需要大量能量，而且能够从加热的空气中回收的热用处有限。

5、减少冷却数据中心的计算设备所需的能量的量从而降低运行这些中心的成本及其环境影响的驱动力引来了大量的创新，尤其是在使用液体冷却计算设备(“液体冷却”)方面。由于从液体中提取热比从空气中提取热更有效，因此液体冷却降低了冷却计算设备的电子部件的成本。

6、一种创新型液体冷却技术被称为“浸入式冷却”，即把电子部件浸入介电流体的缸中。

7、第二项创新包括相变(或“两相”)浸入式冷却。在此，将发热电子部件浸入其中的介电流体是相变流体，该相变流体加热时会蒸发。蒸气在包含电子部件的腔体内上升，并被电子部件上方的一系列线圈冷凝，冷却剂在线圈中循环。介电流体在线圈上冷凝，然后回落到装有电子部件的缸中。通过目前的创新，冷却成本进一步降低。

8、还开发了其他形式的液体冷却，包括直接到芯片和其他配置，所述直接到芯片和其他配置允许通过使用液体热传递介质来去除计算设备释放的大部分热。

9、液体冷却有助于将数据中心的余热用于加热建筑物或温室，或用于其他热能用途。然而，将余热用于这些用途所需的基础设施配置极大地限制了它们的应用。此外，这些方法实际上并不能实际地将所回收的热再循环来减少数据中心所需的电力。将余热中的部分转换成电力的“循环经济”创新技术，将使设施运营商能够利用其自身的余热产生为计算设备供电所需的电能中的部分，从而降低其成本并减少其环境影响。因此，需要有适用于数据中心的余热发电系统。

10、因为，在液体冷却数据中心中，余热是在相对较高的温度下以液体形式收集的，因此利用该余热产生电能比在空气冷却数据中心的情况中更可行。因此，朝向数据中心中的液体冷却的逐渐转变使利用余热降低数据中心的电力需求成为可能。

11、已经提出了许多利用余热发电的有机朗肯循环(在下文中简称为“orc”)解决方案。这些orc解决方案使用余热蒸发流体(通常是有机流体)以形成对应的蒸汽，并利用蒸汽以驱动诸如涡轮机或螺杆膨胀机的动力转换设备。然而，传统的orc系统所需的温度通常高于从数据中心(包括使用液体冷却的数据中心)捕获的余热温度。因此，传统的系统无法经济地将数据中心的余热转换成电力。此外，可利用的余热随时间变化很大，而传统orc系统中使用的涡轮机和螺杆膨胀机通常只能在较窄的工作条件范围内有效工作。

12、出于所有这些原因，需要创新的系统，使数据中心和计算设备的其他组件的运营商能够以具有成本效益的方式捕获数据中心和计算设备的其他组件的余热并重新利用(即“再循环”)余热来产生电能。本发明的目的是使数据中心余热的这种再循环成为可能。

13、提供上述背景信息是为了揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。不必也不应解释为任何上述信息构成本发明的现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供用于计算中心、数据中心、服务器群、加密货币矿机和其他计算设备的集合的余热回收和发电系统。

2、根据第一方面，提供了用于将来自至少一个计算设备集合的余热转换成电能的系统，所述系统包括：

3、-热捕获子系统，所述热捕获子系统被配置成将液体热传递介质保持在所述热捕获子系统中，其中，所述热捕获子系统在使用时使得所述液体热传递介质能够吸收来自所述至少一个计算设备集合的余热；

4、蒸发器子系统，所述蒸发器子系统包括相变工作流体，其中，所述工作流体被配置成通过吸收被吸收到所述液体热传递介质中的余热而从液态变为气态；

5、-模块化膨胀机子系统，所述模块化膨胀机子系统包括至少一个模块化膨胀装置，其中，所述膨胀机子系经由至少一个流体流动控制元件耦接至所述蒸发器子系统，其中，使用所述至少一个流体流动控制元件将处于气态的加压工作流体导向所述膨胀机子系统，并且其中，加压气态工作流体膨胀，产生机械功；

6、-模块化发电子系统，所述模块化发电子系统耦接至所述膨胀机子系统，其中，当模块化发电机在操作时被配置成从由所述模块化膨胀装置中的加压气态工作流体的膨胀所产生的机械功产生电能；

7、-冷凝器子系统，所述冷凝器子系统连接至所述膨胀机子系统，其中，冷凝器在操作时将膨胀的工作流体从气态或混合态液化至液态，并且然后将液态的工作流体返回至所述蒸发器子系统；以及

8、-控制子系统。

9、根据第二方面，提供了一种集成膨胀机-发电机组件，包括：

10、-多个永磁体；

11、-多个线圈；

12、-活塞；以及

13、-气缸，

14、布置成使得所述多个永磁体布置在所述活塞内部并且所述多个线圈沿着所述气缸的长度布置，

15、并且其中，在使用时，在所述集成膨胀机-发电机组件中膨胀的加压气体产生使所述气缸中的所述活塞致动的机械力，并且其中，在这样的致动时，所述多个永磁体与所述多个线圈之间的相对运动产生电能。

16、可选地，所述集成膨胀机-发电机组件用于所述第一方面的所述系统中。

17、根据第三方面，提供了一种包括至少一个电阻器和至少一个继电器的制动组件，其中，当检测到故障状况时，所述至少一个继电器被配置成将发电机与所述至少一个电阻器电耦接，以使所述发电机的轴减速，从而阻碍所述发电机的轴的运动。

18、可选地，所述制动组件用于所述第一方面的所述系统中。

19、根据第四方面，提供了一种用于将来自至少一个计算设备集合的余热转换成电能的方法，所述方法包括：

20、-将热捕获子系统布置成将热传递流体保持在热捕获子系统中，其中，所述热捕获子系统在使用时使得所述热传递流体能够吸收来自所述至少一个计算设备集合的余热；

21、-将包括相变热交换器的蒸发器子系统布置成耦接至所述热捕获子系统，并且用工作流体填充所述相变热交换器，其中，当所述工作流体吸收来自所述热传递流体的所述余热时，所述工作流体从液相蒸发到气相，基于由所述至少一个计算设备集合释放的余热的温度来选择所述工作流体；

22、-将膨胀机子系统布置成经由至少一个流体流动控制元件耦接至所述蒸发器子系统，其中，使用所述至少一个流体流动控制元件将从所述耐压容器排出的所述工作流体的加压蒸汽导向所述膨胀机子系统，并且其中，当所述膨胀机子系统在使用时，使得加压工作流体蒸汽能够在所述膨胀机子系统中膨胀，产生用于使所述膨胀机致动的机械力；

23、-将发电机子系统布置成耦接至所述膨胀机子系统，其中，所述发电机在操作时，使用由加压工作流体蒸汽的膨胀产生的机械力来产生电能；

24、-将冷凝器子系统布置成连接至所述膨胀机子系统，其中，所述冷凝器在操作时将膨胀的工作流体蒸汽从气相液化到液相，并且其中，所述冷凝的工作流体在加压的情况下返回至所述蒸发器子系统；以及

25、-将控制子系统配置成用于控制其他子系统的操作。

26、根据第五方面，提供了一种用于回收和利用来自计算中心、数据中心或包括电子部件的其他计算设备集合的余热的系统，其中：

27、-来自所述电子部件的操作的热被液体吸收；

28、-来自所述液体的热直接或间接地传递至耐压容器中的工作流体，使所述工作流体蒸发；

29、-由控制系统操作的端口或阀允许蒸发的工作流体从耐压容器流至膨胀机；

30、-从所述耐压容器释放的蒸发的工作流体被允许在膨胀机中膨胀，产生机械功；

31、-所述膨胀机中产生的机械功用于为发电机提供动力，产生电能；

32、-使用冷凝器将从所述膨胀机排出的部分冷却的蒸汽冷凝；

33、-泵将所述冷凝的工作流体返回至所述耐压容器；以及

34、-控制系统控制所述阀和泵的操作。

35、根据第六方面，提供了一种用于回收和利用来自计算中心、数据中心或包括电子部件的其他计算设备集合的余热的方法，所述方法包括：

36、-在耐压容器中包含的电子部件被浸入的相变介电流体中收集来自所述电子部件的热；

37、-限制所述蒸发的工作流体从所述耐压容器中排出，使得所述电子部件保持浸在液体介电流体中，并且所述容器中的压力增加至选定水平；

38、-将从所述耐压容器释放的蒸发的工作流体引入至膨胀机，在所述膨胀机产生机械功；

39、-利用所述膨胀机中产生的所述机械功为发电机提供动力，产生电能。