数据中心余热发电系统的制作方法

1.本实用新型实施例涉及热能技术领域，尤其涉及一种数据中心余热发电系统。


背景技术：

2.随着大数据、云计算、人工智能等信息技术的快速发展，数据中心规模和功率密度不断增加。数据中心包括数据处理设备、联网设备和电信设备，上述的设备通常不间断运行，故会产生大量的热量，并将热量排放到大气中，造成热量的浪费，以影响数据中心的电源使用效率(power usage effectiveness，简称pue)。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本实用新型实施例提供一种数据中心余热发电系统，能够充分回收利用数据中心所产生热量，降低资源的浪费。
4.为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：
5.本实用新型实施例的提供一种数据中心余热发电系统，其包括：机柜、冷却装置、冷水箱、温差发电装置和集热件；
6.所述机柜包括出风口，且所述机柜的出风口所在的区域被配置为热通道，所述机柜内的热量依次通过所述出风口和所述热通道进入所述冷却装置内，所述冷却装置用于对所述热量进行换热；
7.所述冷水箱与所述冷却装置的冷凝水排水口连接，以收集所述冷却装置对所述热量换热后所产生的冷凝水；
8.所述温差发电装置设置在所述热通道和所述冷水箱之间，且所述温差发电装置包括热端和与所述冷水箱接触的冷端，所述热端暴露在所述热通道内，且所述热端通过集热件与所述机柜的出风口连接，以使所述热端和冷端之间存在温差。
9.在一种可能的实现方式中，所述集热件包括集热板和多个集热柱，所述集热板与所述温差发电装置的热端接触；
10.多个集热柱间隔设置在所述集热板上，且所述集热柱与所述机柜的出风口相对设置。
11.在一种可能的实现方式中，所述机柜还包括进风口，所述进风口与所述出风口相对设置；
12.所述冷却装置的出风口与所述进风口一侧相连通。
13.在一种可能的实现方式中，所述温差发电装置还包括半导体层、热端导电体和两个冷端导电体；
14.所述半导体层包括间隔排布的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂离子和所述第二掺杂区的掺杂离子的类型不同；
15.所述热端导电体设置在所述半导体层上，与所述第一掺杂区和第二掺杂区接触；
16.两个所述冷端导电体分别设置在所述第一掺杂区和所述第二掺杂区背离所述热
端导电体的一侧。
17.在一种可能的实现方式中，所述集热件与所述热端导电体之间设置有第一绝缘导热层；所述冷水箱与所述冷端导电体之间设置有第二绝缘导热层。
18.在一种可能的实现方式中，所述系统还包括dc-dc变换器和负载元件；
19.所述dc-dc变换器与所述温差发电装置电性连接，所述负载元件与所述dc-dc变换器电性连接。
20.在一种可能的实现方式中，包括蓄电池，所述蓄电池可选择性地与位于所述机房内的用电设备电性连接。
21.在一种可能的实现方式中，所述系统还包括稳压器，所述稳压器分别与所述dc-dc变换器和所述负载元件电性连接。
22.在一种可能的实现方式中，所述温差发电装置的个数为多个，多个所述温差发电装置相互串联。
23.在一种可能的实现方式中，所述冷却装置包括空调，所述空调的冷凝水出口通过排水管道与所述冷水箱连接。
24.本实用新型实施例提供的数据中心余热发电系统中，温差发电装置能够充分利用数据中心排放至热通道的高温气体与冷水箱中冷凝水之间的温度差，根据塞贝克效应使温差发电装置发出电能。发电的整个过程所用能量均为废弃能源，无任何额外的能耗，能够变废为宝，将产生的电能再应用于数据中心，最终达到降低数据中心pue、降低成本以及节能减排的效果。
25.此外，发电系统还包括集热件，集热件直接将从机柜的出风口的高温热空气的热量引流至温差发电装置的热端，可以提高温差发电装置的发电效率，降低发电成本，提升节能减排的效果。
26.除了上面所描述的本实用新型实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本实用新型实施例提供的数据中心余热发电系统所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本实用新型实施例提供的数据中心余热发电系统的结构示意图；
29.图2为本实用新型实施例提供的机柜的布局方式；
30.图3为本实用新型实施例提供的数据中心余热发电系统的部分示意图；
31.图4为本实用新型实施例提供的温差发电装置的示意图；
32.图5为本实用新型实施例提供的数据中心余热发电系统中部件连接图。
33.附图标记说明：
34.100：机柜；110：热通道；120：冷通道；
35.200：冷却装置；
36.300：冷水箱；
37.400：温差发电装置；410：半导体层；411：第一掺杂区；412：第二掺杂区；420：热端导电体；430：冷端导电体；500：集热件；510：集热板；520：集热柱；
38.600：数据中心机房；
39.700：dc-dc变换器；
40.800：负载元件；
41.900：稳压器；
42.1000：第一绝缘导热层；
43.1100：第二绝缘导热层。
具体实施方式
44.正如背景技术所述，相关技术中的数据中心存在资源浪费的问题，经发明人研究发现，出现这种问题的原因在于，数据中心的设备，例如，数据处理设备、联网设备和电信设备，在工作过程中会产生大量的热量，该热量通过冷却设备排放到大气中，造成热能的浪费。
45.针对上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种数据中心余热发电系统，温差发电装置能够充分利用数据中心排放至热通道的高温气体与冷水箱中冷凝水之间的温度差，根据塞贝克效应使温差发电装置发出电能。发电的整个过程所用能量均为废弃能源，无任何额外的能耗，能够变废为宝，将产生的电能再应用于数据中心，最终达到降低数据中心pue，提高节能减排的效果。
46.此外，发电系统还包括集热件，集热件直接将从机柜的出风口的高温热空气的热量引流至温差发电装置的热端，可以提高温差发电装置的发电效率和节能减排的效果。
47.为了使本实用新型实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本实用新型保护的范围。
48.本实用新型实施例提供了一种数据中心余热发电系统，该数据中心余热发电系统设置在数据中心机房600内。其中，数据中心机房600可以指代放置有数据中心的空间。
49.请参考附图1至附图5，数据中心余热发电系统包括机柜100、冷却装置200、冷水箱300、温差发电装置400和集热件500。
50.机柜100用于承载数据中心的设备，例如，机柜100内设置有若干个容纳空间，每个容纳空间用于容纳数据处理设备、联网设备和电信设备之一。
51.机柜100具有出风口，位于机柜内的设备工作时，会产生大量的热量，例如，热风，热量可以通过出风口排放到机柜100外，避免热量在机柜100内的聚集，保证位于机柜内的设备正常工作。
52.机柜100的出风口所在区域被配置为热通道110。例如，机柜100设置在数据中心机房600内，机柜100的出风口与数据中心机房600与其相对的侧壁之间的区域为热通道。
53.需要说明的是，机柜100的个数至少为两个，两个机柜100并排设置在数据中心机房600内。相邻的机柜100可以采用“背靠背”摆放，或者“面对面”摆放。其中，机柜100的正面可以为进风口所在的面，以便于冷空气进入。机柜100的背面可以为出风口所在的面。
54.以附图2所示的方位为例，两个机柜100间隔设置，且两个机柜100背对背间隔排放，即，两个机柜100的出风口所在侧面相对设置。如此，相邻的机柜100之间的区域为冷通道120，位于机柜的出风口的一侧的区域为热通道110。
55.冷却装置200设置在数据中心机房600内，例如，机柜具有进风口，进风口与出风口相对设置，即，进风口所在的侧面与出风口所在的侧面相对设置。比如，以附图2所示的方位为例，对于左侧机柜100，出风口位于机柜100的左侧面，进风口位于机柜100的右侧面。
56.冷却装置200与机柜100的进风口一侧相连通。如此，可以将冷却后的空气送至机柜进风口附近，以保证进入机柜的空气更好地对位于机柜内的设备进行冷却降温。
57.当机柜100内的设备的工作时，会产生大量的热量，位于机柜的热量会依次通过出风口和热通道110进入冷却装置200内，冷却装置200用于对机柜100中排出的热量进行换热，吸收热空气的热量，此过程会产生冷凝水。冷水箱300与冷却装置200的冷凝水排水口连接，以收集冷却装置换热后所产生的冷凝水。
58.其中，冷水箱300可以设置在数据中心机房600内的架空地板下方。例如，数据中心机房600的地板内部为中空区域610，冷水箱300设置在中空区域610内。如此设置，节省数据中心机房600的空间，避免出现设备拥挤的现象，进而，方便数据中心机房600内的空气流通。
59.温差发电装置400设置在热通道110和冷水箱300之间，且温差发电装置400包括热端和冷端。冷端与冷水箱300接触，例如，冷端与冷水箱的表面接触。热端暴露在热通道110内，且热端通过集热件500与机柜100的出风口连接，以使热端和冷端之间存在温差。
60.需要说明的是，当冷水箱300位于数据中心机房600的地板内时，温差发电装置400的部分可以位于地板的中空区域610内，部分位于热通道110中。例如，温差发电装置400的热端朝上并暴露在热通道110中，以便于维持温差发电装置400发电所需的热量。
61.当温差发电装置400的热端和冷端之间具有温差时，温差发电装置可以利用此温差发电。如此设置，温差发电装置能够充分利用数据中心排放至热通道的高温气体与冷水箱中冷凝水之间的温度差，根据塞贝克效应使温差发电装置发出电能。发电的整个过程所用能量均为废弃能源，无任何额外的能耗，能够变废为宝，将产生的电能再应用于数据中心，最终降低数据中心pue、达到节能减排的效果。
62.冷源取自数据中心机房600中冷却装置排放的冷凝水，具有温度低的特点，且能够节省资源。
63.此外，发电系统还包括集热件，集热件直接将从机柜的出风口的高温热空气的热量引流至温差发电装置的热端，可以提高温差发电装置的发电效率，降低发电成本。
64.需要说明的是，冷却装置200可以换热器，也可以为空调。在一种可能的实施方式中，冷却装置200包括空调，空调的冷凝水出口通过排水管道210与冷水箱300连接。例如，冷水箱300具有进水口和出水口，空调的冷凝水出口通过排水管道210与冷水箱300的进水口连通。冷水箱300用于收集空调的冷凝水作为发电所用的冷量来源，避免资源的浪费。
65.出水口设置在冷水箱300的顶部，当冷水箱300满液时依靠重力排水，使得冷水箱
300一直处于充满的状态，维持温差发电装置的冷端具有持续不断的冷量，进而保证数据中心余热发电系统的发电量。
66.请参考附图3，在一种可能的实施方式中，集热件500包括集热板510和多个集热柱520，集热板510与温差发电装置400的热端接触。如此设置，可以增大温差发电装置400的热端和集热板510的接触面积，以保证便于维持温差发电装置400发电所需的热量。
67.多个集热柱520间隔设置在集热板510上，且集热柱520背离集热板510的端部与机柜100的出风口相对设置，例如，集热柱520背离集热板510的端部位于出风口的正前方，如此，可以使得集热柱520能够吸收更多的热量，以保证便于维持温差发电装置400发电所需的热量。
68.需要说明的是，在本实施例中，集热柱520的横截面可以以圆形，且集热柱520和集热板510可以一体成型，如此，可以提高集热件500的结构强度。集热件500的结构并不仅限于上述的描述，只要能够实现集热件500的导热功能即可。
69.请参考附图3和附图4，在一种可能的实施方式中，温差发电装置400包括半导体层410、热端导电体420和两个冷端导电体430。
70.半导体层410包括间隔排布的第一掺杂区411和第二掺杂区412，第一掺杂区411的掺杂离子和第二掺杂区412的掺杂离子的类型不同。在一示例中，第一掺杂区411的掺杂离子为n型离子，第二掺杂区412的掺杂离子为p型离子。在另一示例中，第一掺杂区411的掺杂离子为p型离子，第二掺杂区412的掺杂离子为n型离子。
71.热端导电体420设置在半导体层410上，与第一掺杂区411和第二掺杂区412接触；两个冷端导电体430分别设置在第一掺杂区411和第二掺杂区412背离热端导电体420的一侧。其中，热端导电体420和冷端导电体430均可以金属制作的导电条，例如，热端导电体420和冷端导电体430一般采用金属铜、铝或者银制作而成。
72.在本实施例中，热端导电体420，或者热端导电体420和部分半导体层410为热端，冷端导电体430，或者冷端导电体430和部分半导体层410为冷端。
73.将温差发电装置400的热端导电体置于高温环境，例如，置于热通道内。将温差发电装置400的冷端置于低温环境，比如，温差发电装置400的冷端与冷水箱300接触。由于位于热通道的温差发电装置400的热激发作用较强，此端的空穴和电子浓度比与冷水箱接触的端部高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向与冷水箱接触的端部扩散，从而在热端、冷端两端形成电势差，温差发电装置可以利用此温差发电。
74.在一种可能的实施方式中，集热件500与热端导电体420之间设置有第一绝缘导热层1000；冷水箱300与冷端导电体430之间设置有第二绝缘导热层1100。其中，第一绝缘导热层1000和第二绝缘导热层1100均可以为导热硅胶，第一绝缘导热层1000和第二绝缘导热层1100的形成均可以采用涂覆的形式制备。
75.第一绝缘导热层1000的设置可以加快热通道内的热量向热端传递的速度，且能够保证热量传输的均匀性；第二绝缘导热层1100的设置可以加快冷水箱的冷量向温差发电装置的冷端扩散的速度和均匀性；如此设置，可以提高了温差发电装置的发电能力。
76.需要说明的是，第一绝缘导热层1000和第二绝缘导热层1100还具有绝缘功能，可以防止热端导电体420和冷端导电体430漏电，提高了数据中心余热发电系统的安全性。
77.请参考附图5，在一种可能的实施方式中，数据中心余热发电系统还包括dc-dc变
换器700和负载元件800。
78.dc-dc变换器700与温差发电装置400电性连接。示例性地，温差发电装置400的两个冷端导电体430中，其中一个作为正极输出端，另一个作为负极输出端。dc-dc变换器700通过导线分别与正极输出端和负极输出端连接，用于将温差发电装置400所形成的直流电进行转换。例如，dc-dc变压器能够对输出电压进行升压或降压处理，以便得到负载元件所需的合适电压。
79.负载元件800与dc-dc变换器700电性连接。其中，负载元件800可以为蓄电池直接将电量储存、或者直接连接机房内的用电设备(例如：照明)。也就是说，负载元件800可以单独为蓄电池，也可以单独为机房内的用电设备。
80.在一种可能的实施方式中，负载元件800为蓄电池。示例性地，温差发电装置400与蓄电池电性连接，且蓄电池可以选择性地与机房内的用电设备电性连接。
81.数据中心在运营过程中，会储备大量的蓄电池作为后备电源，以便在外部电源中断的情况下对位于机柜内的用电设备进行供电。请继续参考附图5，通常情况下，数据中心的供电线路包括不间断电源(uninterruptible power supply，简称ups)，不间断电源ups用于将市电稳压后提供给机房内的用电设备。
82.其中，不间断电源ups中的整流器的输出端还依次连接充电器和蓄电池之后与逆变器连接。这些蓄电池在平时处于不放电的状态，即，蓄电池在外部电源不中断的情况下，蓄电池与位于机柜内的用电设备断开电性连接。但由于蓄电池的自身损耗，需要提供少量电能对蓄电池进行浮充充电。在日常的系统中，是由ups的整流器提供直流电对蓄电池进行浮充充电。
83.在本实施例中，在由ups的整流器提供直流电对蓄电池进行浮充充电的基础上，还可以采用温差发电装置400对蓄电池进行充电，此时ups供电改为备用。在温差发电装置400出现供电异常时，采用蓄电池对位于机房内的供电设备进行供电，以提高整个系统的安全性、可靠性。例如，待外部电源中断的情况下对位于机房内的用电设备进行供电，可以将蓄电池与位于机房内的用电设备电连接，以保证位于机房内的用电设备的正常工作。
84.在一种可能的实施方式中，温差发电装置400的个数为多个，多个温差发电装置400相互串联，可以得到足够高的电压。如此设置，可根据蓄电池充电所需电压，将多组温差发电装置通过串联的方式提高输出电压。
85.在一种可能的实施方式中，系统还包括稳压器900，稳压器900分别与dc-dc变换器700和负载元件800电性连接。在温差发电装置400的输出端连接dc-dc变换器700，使输出电压达到充电所需电压，再通过稳压器900将稳定电压持续输出，对负载元件供电，比如，对蓄电池进行浮充充电，或者对位于机柜内的供电设备进行供电。
86.本实用新型实施例提供的数据中心余热发电系统在工作时无运动部件、无噪声、无污染物排放，使用寿命长。
87.本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。
88.应当指出，在说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”、“一些实施例”等表示所述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但未必每个实施例都包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语未必是指同一实施例。此外，在结合实施例描述特定
特征、结构或特性时，结合明确或未明确描述的其他实施例实现这样的特征、结构或特性处于本领域技术人员的知识范围之内。
89.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种数据中心余热发电系统，其特征在于，包括机柜、冷却装置、冷水箱、温差发电装置和集热件；所述机柜包括出风口，且所述机柜的出风口所在的区域被配置为热通道，所述机柜内的热量依次通过所述出风口和所述热通道进入所述冷却装置内，所述冷却装置用于对热空气进行冷却；所述冷水箱与所述冷却装置的冷凝水排水口连接，以收集所述冷却装置对所述热空气换热后所产生的冷凝水；所述温差发电装置设置在所述热通道和所述冷水箱之间，且所述温差发电装置包括热端和与所述冷水箱接触的冷端，所述热端暴露在所述热通道内，且所述热端通过集热件与所述机柜的出风口连接，以使所述热端和冷端之间存在温差。2.根据权利要求1所述的数据中心余热发电系统，其特征在于，所述集热件包括集热板和多个集热柱，所述集热板与所述温差发电装置的热端接触；多个集热柱间隔设置在所述集热板上，且所述集热柱与所述机柜的出风口相对设置。3.根据权利要求1所述的数据中心余热发电系统，其特征在于，所述机柜还包括进风口，所述进风口与所述出风口相对设置；所述冷却装置的出风口与所述进风口一侧相连通。4.根据权利要求1-3任一项所述的数据中心余热发电系统，其特征在于，所述温差发电装置还包括半导体层、热端导电体和两个冷端导电体；所述半导体层包括间隔排布的第一掺杂区和第二掺杂区，所述第一掺杂区的掺杂离子和所述第二掺杂区的掺杂离子的类型不同；所述热端导电体设置在所述半导体层上，与所述第一掺杂区和第二掺杂区接触；两个所述冷端导电体分别设置在所述第一掺杂区和所述第二掺杂区背离所述热端导电体的一侧。5.根据权利要求4所述的数据中心余热发电系统，其特征在于，所述集热件与所述热端导电体之间设置有第一绝缘导热层；所述冷水箱与所述冷端导电体之间设置有第二绝缘导热层。6.根据权利要求1-3任一项所述的数据中心余热发电系统，其特征在于，所述系统还包括dc-dc变换器和负载元件；所述dc-dc变换器与所述温差发电装置电性连接，所述负载元件与所述dc-dc变换器电性连接。7.根据权利要求6所述的数据中心余热发电系统，其特征在于，所述负载元件包括蓄电池，所述蓄电池可选择性地与位于机房内的用电设备电性连接。8.根据权利要求6所述的数据中心余热发电系统，其特征在于，所述系统还包括稳压器，所述稳压器分别与所述dc-dc变换器和所述负载元件电性连接。9.根据权利要求6所述的数据中心余热发电系统，其特征在于，所述温差发电装置的个数为多个，多个所述温差发电装置相互串联。10.根据权利要求1-3任一项所述的数据中心余热发电系统，其特征在于，所述冷却装置包括空调，所述空调的冷凝水出口通过排水管道与所述冷水箱连接。

技术总结
本实用新型实施例提供一种数据中心余热发电系统，涉及热能技术领域。该数据中心余热发电系统包括机柜、冷却装置、冷水箱、温差发电装置和集热件；机柜包括出风口，且机柜的出风口所在的区域被配置为热通道，机柜内的热量依次通过出风口和热通道进入冷却装置内，冷却装置用于对热量进行换热；冷水箱与冷却装置的冷凝水排水口连接，以收集冷却装置对机房热空气冷却时所产生的冷凝水；温差发电装置设置在热通道和冷水箱之间，温差发电装置包括热端和与冷水箱接触的冷端，热端暴露在所热通道内，热端通过集热件与机柜的出风口连接，用于提高热端温度，以使热端和冷端之间存在温差。本实用新型用于充分回收利用数据中心所产生热量，降低资源的浪费。低资源的浪费。低资源的浪费。


技术研发人员：刘根源 陈凯
受保护的技术使用者：中国工商银行股份有限公司
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/7/19