一种用于互联网数据中心的备用供电系统

技术领域

本发明属于供配电的技术领域，尤其涉及一种用于互联网数据中心的备用供电系统。

背景技术

随着社会工业化的迅速发展，现代社会和经济对电力的依赖已达到不可或缺的程度，电力已成为社会和经济运行的总开关，没有电一切便迅速陷入全面瘫痪。

IDC(互联网数据中心)是对入驻企业、商户或网站服务器群托管的场所，是各种模式电子商务赖以安全运作的基础设施，也是支持企业及其商业联盟的分销商、供应商、客户等实施价值链管理的平台。

IDC目前的供配电方式为双路供电系统加UPS电源及柴油发电机设备，并对空调系统和其他用电设备单独供电，避免了空调系统启停对重要用电设备的干扰。其中，IDC用的备用电源主要采用铅蓄电池和柴油发电机组相组合的方式进行，这种备用电源与当前对数据中心供电需求的矛盾越来越大，通常铅蓄电池存在重量大、寿命短、污染大、容量有限的不足，备用时间满足不了重大应急需求；为了延长发电备用时间，要配备大量的柴油发电机组，然而，大部分时间，柴油机车封存不用，且需要频繁维护，工作量大。在遇到数据中心大面积停电时，柴油机车根本不够响应。

燃料电池作为一种节能环保的发电设备，体积小，重量轻，无噪音，价格便宜，维护低，可连续工作(48小时或更长的备用时间)等特点非常适合用在备用电源领域，包括互联网数据中心、基站、商业楼宇等，可替代目前大量应用的铅酸电池和柴油发电机。

现阶段，在燃料电池备用电源领域，如美国的PLUGPOWER(作为美国最大的质子交换膜燃料电池开发公司之一，在备用电源和固定电站方面有丰富的经验)，或美国的IdaTech(主要从事燃料电池备用电源的生产，以氢气和甲醇为燃料的燃料电池产品在电网和备用电源市场上取得了很大成功)公司所采用的燃料电池备用电源技术方案主要是一种替代性的燃料电池独立供电的技术方案。在这些技术方案中，燃料电池作为备用电源，其输出电压是一种软电压特性，必须经过DC/DC稳压后提供给用电设备，用电设备对稳压后的输出电压有比较严格的要求。此外，这种软电压特性的电源当处于外界负载变化环境中，燃料电池的电压变化范围比较大，对DC/DC的稳压要求相对较高，且价格也比较高。国外这些公司的燃料电池系统较为复杂且加上比较贵的DC/DC等配件装置使整个燃料电池备用电源系统成本变高，在价格上难同传统的铅酸电池竞争，因而也直接影响了燃料电池的推广和应用。特别注意的是，在新一代燃料电池系统(空冷自增湿燃料电池系统)中，燃料电池系统的成本几乎同DC/DC相当，如果去掉DC/DC的直接连接方式可以将燃料电池供电部分的成本直接降低50％。

在申请号为CN200810204755.8的专利申请文件中介绍了燃料电池同储能电池组成的备用电源系统，该系统中是一个整体的燃料电池同储能电池组成的备用电源，在该系统中，为了匹配负载，燃料电池同储能电池组成的系统电压在一个相对比较宽的范围内变化，这样会造成电源系统的电压不是很稳定，而且，为了防止储能电池的大电流充电，和燃料电池相匹配的储能电池容量比较大。再者，在这个专利申请文件中，燃料电池在停止工作时需要供风设备将剩余的燃料电池的电压消耗掉，消耗速度相对比较慢，消耗电压不彻底；且在这个过程中，空气是富余状态，氢气相对供应不足，容易对电池造成损害。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于互联网数据中心的备用供电系统，采用燃料电池替代铅酸电池和柴油发电机，克服了柴油机车大部分时间封存不用，且需要频繁维护，工作量大，在遇到数据中心大面积停电时，柴油机车不够及时响应的缺陷。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种用于互联网数据中心的备用供电系统，包括：气体处理模块、燃料电池发电模块、蓄供电模块及ATS切换模块；

所述气体处理模块用于对外部输入的燃料气体进行提纯处理，将提纯后的燃料气体输送至所述燃料电池发电模块；

所述燃料电池发电模块用于将燃料气体输入燃料电堆与氧气进行电化学反应，制备用于互联网数据中心的直流电；

所述蓄供电模块对所述燃料电池发电模块的电量进行存储，用于互联网数据中心的快速应急响应；

所述ATS切换模块用于自动将互联网数据中心的供电方式从交流切换到直流，或从直流切换到交流。

根据本发明一实施例，用于互联网数据中心的备用供电系统还包括气体循环与存储模块，所述气体循环与存储模块用于将所述燃料电池发电模块中未反应的燃料气体进行缓存及输入所述气体处理模块进行再利用。

根据本发明一实施例，所述气体处理模块采用吸附和/或分子筛的方式对燃料气体进行提纯。

根据本发明一实施例，用于互联网数据中心的备用供电系统还包括水处理与冷却模块，所述水处理与冷却模块用于将所述燃料电池发电模块进行电化学反应后生成的纯水进行冷却，并将冷却或的纯水用于燃料电堆进行降温。

根据本发明一实施例，用于互联网数据中心的备用供电系统还包括安全模块，所述安全模块与所述燃料电池发电模块电连接，为所述燃料电池发电模块提供电涌保护和燃料气体泄漏紧急停机响应。

根据本发明一实施例，所述ATS切换模块为双路切换开关，其中一路为交流供电端，另一路为燃料电池供电端；当交流供电端掉电时，秒级切换到燃料电池供电端。

根据本发明一实施例，所述交流供电端设有输入控制模块，用于控制交流电源的通断及过流保护。

根据本发明一实施例，所述燃料电池发电模块为SOFC氢燃料电池、PEMFC氢燃料电池、MCFC氢燃料电池、PAFC氢燃料电池中的任意一种。

根据本发明一实施例，所述气体循环与存储模块中用于燃料气体缓存的器件为高压气瓶、固态储气瓶、有机液储气设备中的任意一种。

根据本发明一实施例，所述蓄供电模块为超级电容器、钛酸锂蓄电池、磷酸铁锂蓄电池中的任意一种。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本发明一实施例中的用于互联网数据中心的备用供电系统，针对现有的互联网数据中心的备用电源主要采用铅蓄电池和柴油发电机组相组合的方式，通常铅蓄电池存在重量大、寿命短、污染大、容量有限的不足，备用时间满足不了重大应急需求；为了延长发电备用时间，要配备大量的柴油发电机组，然而，大部分时间，柴油机车封存不用，且需要频繁维护，工作量大等问题，通过气体处理模块对外部输入的燃料气体进行提纯处理，将提纯后的燃料气体输送至燃料电池发电模块的燃料电堆与氧气进行电化学反应，制备用于互联网数据中心的直流电，该直流电可直接提供给数据中心，也可将电量存储在蓄供电模块中，用于互联网数据中心的快速应急响应；通过ATS切换模块自动将互联网数据中心的供电方式从交流切换到直流，或从直流切换到交流。采用模块化的备用供电系统进行灵活组装，可按照用户要求定做，并能实现快速安装，提高系统的供电稳定性和实用性。除去了柴油发电机，克服了柴油机车大部分时间封存不用，且需要频繁维护，工作量大，在遇到数据中心大面积停电时，柴油机车不够及时响应的缺陷。

2)本发明一实施例中的用于互联网数据中心的备用供电系统，采用蓄供电模块用于数据中心供电的快速应急响应，除去了不间断电源铅蓄电池的补充供电部分，进一步防止了因铅酸电池漏氢造成的安全危险。

3)本发明一实施例中的用于互联网数据中心的备用供电系统，采用ATS切换模块，在输入的交流电端发生失电故障时，可以秒级切换到蓄供电模块和燃料电池，为数据中心快速供电。

附图说明

图1为本发明一实施例中的用于互联网数据中心的备用供电系统的框图。

附图标记说明：

1：气体处理模块；2：燃料电池发电模块；3：气体循环及存储模块；4：水处理及冷却模块；5：蓄供电模块；6：ATS切换模块；7：安全模块；8：氢气输入端口；9：机架服务器；10：智能控制处理器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于互联网数据中心的备用供电系统作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

IDC(互联网数据中心)是对入驻企业、商户或网站服务器群托管的场所，是各种模式电子商务赖以安全运作的基础设施，也是支持企业及其商业联盟的分销商、供应商、客户等实施价值链管理的平台。

IDC目前的供配电方式为双路供电系统加UPS电源及柴油发电机设备，并对空调系统和其他用电设备单独供电，避免了空调系统启停对重要用电设备的干扰。其中，IDC用的备用电源主要采用铅蓄电池和柴油发电机组相组合的方式进行，这种备用电源与当前对数据中心供电需求的矛盾越来越大，通常铅蓄电池存在重量大、寿命短、污染大、容量有限的不足，备用时间满足不了重大应急需求；为了延长发电备用时间，要配备大量的柴油发电机组，然而，大部分时间，柴油机车封存不用，且需要频繁维护，工作量大。在遇到数据中心大面积停电时，柴油机车根本不够响应。

本发明针对上述问题，提出了一种用于互联网数据中心的备用供电系统，其特征在于。请参看图1，该备用供电系统包括：气体处理模块1、燃料电池发电模块2、气体循环与存储模块3、水处理与冷却模块4、蓄供电模块5、ATS切换模6块及安全模块7。这些模块通过电路和气路连接组装在机柜中，作为互联网数据中心的备用供电系统。这里的机柜可以是根据该备用供电系统的模块特性进行定制的，也可以是一般通用型机柜。

具体的，该气体处理模块1用于对外部输入的燃料气体进行提纯处理，将提纯后的燃料气体输送至燃料电池发电模块2。本实施例以氢气作为燃料气体。要获取外部输入的氢气，当然就需要气体输入端口了。因此，本实施例提供了氢气输入端口8，该氢气输入端口8与气体处理模块1连通，可将氢气输送给气体处理模块8。气体处理模块1主要通过吸附和/或分子筛的方式对氢气进行纯化。

燃料电池发电模块用于将氢气输入燃料电堆与氧气进行电化学反应，制备用于互联网数据中心的直流电。该燃料电池发电模块为SOFC氢燃料电池、PEMFC氢燃料电池、MCFC氢燃料电池、PAFC氢燃料电池中的任意一种。本实施例采用SOFC氢燃料电池。SOFC氢燃料电池是一种节能环保的发电设备，体积小，重量轻，无噪音，价格便宜，维护低，可连续工作48小时或更长的备用时间。本实施例将目前大量应用的铅酸电池和柴油发电机替换成氢燃料电池，作为主要电能输出设备，克服了柴油机车大部分时间封存不用，且需要频繁维护，工作量大的问题。

在燃料电池发电模块2中，经过纯化处理的氢气在气体压力的驱动下进入燃料电堆中，并与空气中的氧气进行电化学反应，制备可直供给机架服务器9的直流电。在互联网数据中心，需要供电的主要是机架服务器9。互联网数据中心运行主要取决于机架服务器9的正常工作。

本实施例为了掌握燃料电池发电模块2的运作情况，设置了智能控制处理器10。该智能控制处理器10用以控制燃料电池发电模块2，并可直接在数字信息显示单元可视化，便于人员操作。如设置反应温度、反应时间等参数，燃料电池发电模块2制备的电量也可以反馈在数字信息显示单元上。

气体循环与存储模块3用于将燃料电池发电模块2中未反应的氢气进行缓存及输入气体处理模块1中进行再利用。也就是说，气体循环与存储模块3一方面与燃料电池发电模块2连通，收集燃料电池发电模块2中未反应的氢气，将这些氢气存储起来；另一方面，与气体处理模块1连通，将这些氢气重新输送到气体处理模块1中，作为发电的原料进行再利用。如此，气体处理模块1、燃料电池发电模块2及气体循环与存储模块3共同组成一个氢气循环。其中，气体循环与存储模块3中用于氢气缓存的器件为高压气瓶、固态储气瓶、有机液储气设备中的任意一种。本实施例采用高压气瓶存储氢气。

水处理与冷却模块4用于将燃料电池发电模块2进行电化学反应后生成的纯水进行排放和冷却，经反应发电后燃料电堆会产出一定量的纯水，通过对纯水进行冷处理后，再经过燃料电堆外部，对燃料电堆进行水冷降温，以解决燃料电池散热效果差的问题。可以理解，在燃料电池发电模块2与水处理与冷却模块4之间存在一条排水通道，可将燃料电堆生成的纯水排入水处理与冷却模块4中。在燃料电堆的周围设置一圈管道，冷却后的纯水可以流淌在该管道中，对燃料电堆进行水冷降温。

蓄供电模块5对燃料电池发电模块2的电量进行存储，用于互联网数据中心的快速应急响应。也就是说，该蓄供电模块5用于为机架服务器9供电的快速应急响应，蓄供电模块5一方面将燃料电池发电模块2释放的多余的电量进行存储，为机架服务器9提供备用电量支撑；另一方面可以快速充放电，在ATS转换为燃料电池供电时能先为机架服务器9提供电能。该蓄供电模块5为超级电容器、钛酸锂蓄电池、磷酸铁锂蓄电池中的任意一种，本实施例采用超级电容器作为蓄供电模块。超级电容器是指介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，它既具有电容器快速充放电的特性，同时又具有电池的储能特性。它是通过电极与电解质之间形成的界面双层来存储能量的新型元器件。

ATS切换模块6用于自动将互联网数据中心的供电方式从交流切换到直流，或从直流切换到交流。该ATS切换模块6为双路切换开关，可以切换燃料电池和交流供电端。确切地说，可与ATS切换模块6相连的有两路电路，一路连接交流供电端，一路连接燃料电池。当交流供电端发生掉电故障时，ATS切换模块6可以秒级切换到蓄供电模块和燃料电池，为机架服务器快速供电。本实施例在交流供电端设有输入控制模块用于控制电源的通断、过流保护以及电源参数等，以提供双电源自动切换及自动识别的报警功能。

安全模块7用于控制所有模块的平稳安全运行及机架设备防雷，并为电源提供电涌保护和泄氢紧急停机响应，安全模块7进行接地保护。其与上述各个模块电连接，为各模块提供保护。

综上，本发明针对现有的互联网数据中心的备用电源主要采用铅蓄电池和柴油发电机组相组合的方式，通常铅蓄电池存在重量大、寿命短、污染大、容量有限的不足，备用时间满足不了重大应急需求；为了延长发电备用时间，要配备大量的柴油发电机组，然而，大部分时间，柴油机车封存不用，且需要频繁维护，工作量大等问题，通过气体处理模块对外部输入的燃料气体进行提纯处理，将提纯后的燃料气体输送至燃料电池发电模块的燃料电堆与氧气进行电化学反应，制备用于互联网数据中心的直流电，该直流电可直接提供给数据中心，也可将电量存储在蓄供电模块中，用于互联网数据中心的快速应急响应；通过ATS切换模块自动将互联网数据中心的供电方式从交流切换到直流，或从直流切换到交流。采用模块化的备用供电系统进行灵活组装，可按照用户要求定做，并能实现快速安装，提高系统的供电稳定性和实用性。除去了柴油发电机，克服了柴油机车大部分时间封存不用，且需要频繁维护，工作量大，在遇到数据中心大面积停电时，柴油机车不够及时响应的缺陷。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。