一种基于液氢气化的数据中心电冷综合能源系统及方法

本发明属于电冷综合能源系统领域，具体涉及一种基于液氢气化的数据中心电冷综合能源系统及方法。

背景技术：

1、近年来，随着云计算、物联网、人工智能、大数据、5g移动通信等技术的迅速发展，数据中心作为数据存储和信息处理的核心设施也得到持续高速增长。但与此同时，数据中心的日常运行需要大量的电力供应，以满足数据中心的冷负荷和电负荷需求，这使得其在降低能耗、脱碳过程中面临着巨大的挑战。因此，如何在保证数据中心可靠安全运行的同时，实现数据中心节能降碳的目标，已经成为了当前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于液氢气化的数据中心电冷综合能源系统及方法，通过液氢气化、氢电转化提供一种低碳的电冷综合能源系统及方法，能够减少数据中心能耗，提高能效，降低碳排放，为目标的实现提供重要路径。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种基于液氢气化的数据中心电冷综合能源系统，其包括氢气化模块、燃料电池模块、数据中心配电模块、数据中心制冷模块。

4、氢气化模块包括液氢罐、液氢罐出口阀门、液氢泵、液氢输运管路、液氢气化换热器。液氢罐出口与液氢输运管路连接，液氢罐出口阀门和液氢泵安装在液氢输运管路上，液氢输运管路与液氢气化换热器的液氢入口连接。液氢罐通过液氢罐出口阀门、液氢泵、液氢输运管路与液氢气化换热器连接。氢气化模块的作用是将液态氢气化为气态氢气。

5、燃料电池模块包括氢气输运管道、氢气流量计、燃料电池、燃料电池空气进气风机、燃料电池空气进气管道、燃料电池空气进气阀门、空气流量计。液氢气化换热器的氢气出口与氢气输运管道连接，氢气流量计安装在氢气输运管道上，氢气输运管道与燃料电池的氢气入口连接。液氢气化换热器通过氢气输运管道、氢气流量计与燃料电池连接。燃料电池空气进气风机与燃料电池空气进气管道连接，燃料电池空气进气阀门和空气流量计安装在燃料电池空气进气管道上，燃料电池空气进气管道与燃料电池的空气入口连接。燃料电池空气进气风机通过燃料电池空气进气管道、燃料电池空气进气阀门、空气流量计与燃料电池连接。氢气流量计用于监测氢气流量，空气流量计用于监测空气流量。燃料电池模块的作用是利用氢气和空气中的氧气发生氧化还原反应产生电能，为数据中心提供电能。

6、数据中心配电模块包括dc/dc变换器、蓄电池、配电柜、数据中心。dc/dc变换器与燃料电池的电能输出口通过电路连接，蓄电池与dc/dc变换器通过电路连接，配电柜与蓄电池通过电路连接。数据中心与配电柜通过电路连接。配电柜与电网连接，当蓄电池提供电能不足以满足数据中心电负荷时，从电网购电。数据中心配电模块的作用是将燃料电池产生的不可调的直流电变为可调的直流电，并对数据中心用电进行分配。

7、数据中心制冷模块包括液氢气化冷却水阀门、供冷换热器、液氢气化冷却水泵、液氢气化冷却水管道、数据中心供冷循环风机、供冷循环空气管道、吸收式制冷机组、燃料电池热回收冷却水箱、燃料电池热回收冷却水泵、燃料电池热回收冷却水管道、电制冷空调和温度传感器。液氢气化换热器、液氢气化冷却水阀门、供冷换热器、液氢气化冷却水泵通过液氢气化冷却水管道相连接，形成液氢气化换热回路；液氢气化冷却水泵通过液氢气化冷却水管道与液氢气化换热器的高温冷却水入口连接，液氢气化换热器的低温冷却水出口通过液氢气化冷却水管道与液氢气化冷却水阀门连接；高温冷却水经过液氢气化换热器时吸收液氢气化释放的冷能成为低温冷却水，低温冷却水流经供冷换热器时与高温空气交换热量，升温成为高温冷却水，高温空气成为低温空气；供冷换热器与供冷循环空气管道相连接，数据中心供冷循环风机安装在供冷循环空气管道中，供冷换热器、供冷循环空气管道、数据中心供冷循环风机形成供冷空气循环回路；供冷循环空气管道与数据中心连接，风机将经过供冷换热器后的低温空气吹入数据中心；燃料电池、吸收式制冷机组、燃料电池热回收冷却水箱、燃料电池热回收冷却水泵通过燃料电池热回收冷却水管道顺次相连接，形成燃料电池热回收换热回路；吸收式制冷机组与数据中心连接，通过吸收从燃料电池回收的热产生冷能，为数据中心提供冷能；为确保满足数据中心的冷负荷需求，配电柜与电制冷空调连接，电制冷空调与数据中心连接；温度传感器与数据中心连接，用于监测数据中心实时温度。数据中心制冷模块的作用是为数据中心提供冷能。

8、燃料电池模块中的燃料电池为质子交换膜燃料电池(pemfc)、碱性燃料电池(afc)、磷酸燃料电池(pafc)、固体氧化物燃料电池(sofc)和熔融碳酸盐燃料电池(mcfc)中的任意一种，用于将氢气和氧气的化学能通过电化学反应直接转换成电能，不受卡诺循环的限制，能源转换效率高。

9、本发明还提供一种所述基于液氢气化的数据中心氢电冷综合能源系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

10、系统的工作目标是将数据中心的温度t控制在设定范围t1-t2内。系统制冷时，温度传感器获取数据中心当前温度，控制液氢罐出口阀门打开；启动液氢泵，液氢从储氢罐流出，在液氢输运管路中经过液氢罐出口阀门、液氢泵流入液氢气化换热器的液氢入口；同时，控制液氢气化冷却水阀门打开，启动液氢气化冷却水泵，冷却水在液氢气化冷却水管道中流动，高温冷却水经过液氢气化冷却水泵流入液氢气化换热器的高温冷却水入口；液氢气化换热器中，液氢与高温冷却水换热，液氢气化释放大量冷量，气化后液氢变为氢气，从液氢气化换热器的氢气出口流出，流入氢气输运管道；高温冷却水回收液氢气化释放的冷量后温度降低，成为低温冷却水，从液氢气化换热器的低温冷却水出口流出，流入液氢气化冷却水管道；

11、低温冷却水通过液氢气化冷却水管道流入供冷换热器的低温冷却水入口，在供冷换热器内与高温空气交换热量，升温成为高温冷却水，流入液氢气化冷却水管道；高温空气流经供冷换热器成为低温空气，流入供冷循环空气管道，数据中心供冷循环风机将低温空气吹入数据中心，起到制冷作用；低温空气经过数据中心后升温成为高温空气，进入供冷循环空气管道；

12、同时，控制燃料电池空气进气阀门打开，启动燃料电池空气进气风机，空气通过燃料电池空气进气管道进入燃料电池的空气入口；从液氢气化换热器的氢气出口流出的氢气通过氢气输运管道进入燃料电池的氢气入口；氢气流量计安装在氢气输运管道用于监测氢气流量，空气流量计安装在燃料电池空气进气管道用于监测空气流量；氢气和空气中的氧气进入燃料电池后发生氧化还原反应产生电能，并释放大量热；燃料电池产生的电能通过电路输入dc/dc变换器，燃料电池输出的不可调的直流电进入dc/dc变换器输出为可调稳定的直流电，稳定的直流电通过电路输入蓄电池，蓄电池输出的电输入配电柜，供数据中心使用；

13、启动燃料电池热回收冷却水泵，燃料电池热回收冷却水箱中的低温冷却水流出，通过燃料电池热回收冷却水管道流入燃料电池冷却水入口，将燃料电池中氢气和氧气氧化还原反应产生的大量热带走回收，变为高温冷却水，从燃料电池冷却水出口流出；高温冷却水流入吸收式制冷机组，吸收式制冷机组吸收高温冷却水所回收的热产生冷能，为数据中心进行供冷。

14、同时，为确保数据中心的温度t控制在设定范围t1-t2内，启动电制冷空调作为冷能供给的补充，以满足数据中心冷负荷需求。

15、本发明的发明原理为：

16、氢能具有来源广泛、能量密度高、清洁零碳、灵活高效等特点，被视为21世纪最具发展潜力的二次能源。氢的能量密度约为33.6kwh/kg，远高于其他能源，这意味着相同质量下，氢能提供更多的能量。且作为一种清洁能源，氢在使用过程中几乎不产生温室气体排放，这有助于降低数据中心的碳排放。液氢具有极高的储氢密度，可以实现大规模储存和运输，在储运方面极具优势，且液态氢在气化为氢气过程中会释放大量的冷能，可将该冷量回收用于数据中心制冷。此外，氢燃料电池在工作时会释放大量热，将这部分热进行回收制冷，可有效减少能耗，提高能效，降低碳排放。

17、本发明的有益效果是：

18、本发明借助回收液氢气化过程中释放的大量冷能对数据中心进行供冷，气化后的氢气用于燃料电池模块发电，为数据中心提供电能，并回收燃料电池的余热进行利用制冷，从而有效减少数据中心能耗，降低数据中心碳排放。