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揭秘光伏电力直流供电给数据中心技术

双击自动滚屏 发布者:精密空调 发布时间:2015-10-29 09:32:10 阅读:次【字体:

运营数据中心的SAKURAInternet于8月10日,在北海道石狩市建成了输出功率200kW的SAKURAInternet石狩光伏电站。采用加拿大太阳能公司(CnanadianSolar)制造的电池板,设置成45度角来防止积雪。

这种规模的光伏电站通常与高压配电线并网,因此会在发电站内安装光伏逆变器(PCS)和升压变压器。这是由于要利用PCS把太阳能电池板输出的直流电流转换成交流,并升压至6.6kV后向高压配电线送电。

但SAKURAInternet石狩光伏电站内没有设置这些用于高压并网的大体积电气设备,内部空阔宽敞。实际上,该电站所发电力不是以固定价格收购制度(FIT)出售,而是向约500m远处的石狩数据中心送直流电,作为该数据中心内的服务器电源消费的。该数据中心全部(预定全部8栋)运转时,约有4000机架的服务器要用电。光伏发电的电力能够全部用于自家消费,因此没有售电,而是决定公司自用。

将光伏电力投入HVDC供电

10张太阳能电池板组成一个串联电路(组串),一个接线盒并联8条电路,将发电电力转换为直流380V,经由集电箱,利用自营线向数据中心直流供电。接线盒采用带MPPT(最大功率点追踪控制)功能的产品(Nipron制造的PVMaximizer),原本由PCS负责的MPPT以组串为单位处理。

SAKURAInternet决定导入直接利用直流光伏电力的系统,很大程度上是因为石狩数据中心已经采用了高压直流(HVDC)供电系统。HVDC供电系统是指,将商用交流电用于服务器时,将AC/DC(交流/直流)转换次数由原来系统的3次减为1次,从而提高电力利用效率的机制。

数据中心为防备电力系统停电和瞬停,必须采用UPS(不间断电源)。UPS内置的蓄电池为直流输入输出。最终负载——服务器的心脏部主板虽也是用直流电力处理信息,但服务器自身采用首先接收交流电力的设计。因此,一般的数据中心都会进行先接受商用交流电力,在UPS内转换为直流后,再回到交流的AC/DC/AC处理。输出的交流电力由各服务器内的电源单元再作转换为直流的AC/DC处理后提供给主板。

优先利用光伏电力

而HVDC供电系统,则是交流受电转换为直流,再利用蓄电池,经由直流配电盘,从直流集中电源装置向DC服务器供电。DC服务器是没有独立电源单元的产品,可直接输入直流12V的电力。

在石狩数据中心,是将直流受电的光伏电力(DC380V)供给HVDC供电系统的直流电路,来优先利用的。该数据中心相应于供电情况,是按照光伏电力、商用电力、蓄电池放电的次序,为服务器供电的。最优先利用来自光伏电站的直流380V电力;次之是光伏电站不发电时,从电力公司受电、并由交流转换为直流的340V电力。当光伏电站不发电,商用电力也停电时,才利用来自蓄电池的直流264V电力。

这三种电源,越优先使用的电源,设定的电压越高。因此,据称即使不主动控制电源选择,也会按照光伏电力商用电力蓄电池的优先顺序,自动从集中电源装置向服务器供电。

SAKURAInternet表示,采用HVDC供电系统,系统整体的功率效率可提高15%,运行成本也可降低。但以直流12V输入为前提的DC服务器的产量还比较少,存在价格较贵的课题。今后,如果HVDC供电系统的采用增加,DC服务器的产量扩大,则包括初期投资在内的经济效益有望进一步提高。

换成超导电缆

SAKURAInternet还参与了放眼未来的直流送电实证项目。8月10日开始运转时,石狩光伏电站所发电力是利用铜线电缆向数据中心直流供电的,但9月24日换成了高温超导电缆。直流的供电损失原本就比交流少,用高温超导电缆后,损失能进一步减少。与利用铜线输送交流电力相比,利用超导电缆输送直流电力可减少一半的损失。

另外,该公司还率先实施了利用超导电缆输送交流电力的尝试,但交流特有的电感损失,利用超导电缆也无法减少。还有,交流送电需要三条电缆,而直流供电最低只需一条,在节省空间上也有优势。

由于具备这些优点,目前,全球纷纷开始了实施超导直流供电系统的实证事业。其中韩国和俄罗斯等尤为热心,包含计划在内,已经有500m~2.5km左右的实证项目发表。在日本,中部大学成功实现了200m的供电。

此次石狩的实证事业由石狩超导直流供电系统技术研究联盟实施。该联盟是为了共同研究并试验超导直流供电及其相关技术,由千代田化工建设、住友电气工业、中部大学及SAKURAInternet于2014年1月成立的。石狩市的实证项目是经济产业省的委托事业。

该联盟首先在SAKURAInternet石狩光伏电站与石狩数据中心之间的500m地下1.2m深处埋设了住友电工制造的高温超导电缆,已开始直流供电光伏电力。电缆在双重隔热管中以-196℃的液氮冷却,铋线的电阻为零。在供电光伏电力之前,于8月上旬先将商用电力转换为直流,进行了试供电,确认具备5kA、100MVA的供电能力。这相当于约3万户家庭的用电量。

在公路下敷设超导电缆

据称此为世界最长距离的超导电缆的直流供电。另外,在公路下敷设尚属日本首例。

石狩光伏电站隔壁和石狩数据中心,均建有约三层楼高的厂房,超导电缆的末端在此露面。进入厂房就可看到,一楼有采用液氮的冷却系统和制冷机等,用来向地下室的超导电缆输送液氮。

高温超导电缆作为节能系统,当供电损失的削减量大于冷却所需的电力量才是有意义的。因此,要求采用抑制热渗透的高级隔热技术。其中发挥重要作用的,是封入了液氮、相当于保温瓶的超导电缆管。此次是将每根12m的电缆管连接至500m长。

石狩的实证事业通过采用新的双重隔热管构造等,将供电电路的热损失降至1.5W/m以下,约为原来的一半。另外,液氮循环时的损失削减至原来的约四分之一。

第二阶段将延长至1km

高温超导电缆实用方面的课题,是存在冷却收缩的问题。一般情况下,电缆和双重隔热管从室温下开始冷却会收缩约0.3%左右。500m电缆收缩就会有1.5m。因此,除了采用以螺旋状变形吸收收缩的构造外,不固定电缆的两端,而是将其放置在导轨上。这样,两端会经由伸缩护罩滑动,从而可以吸收收缩。

该联盟在石狩市实施的实证事业主要由两个阶段构成。第一阶段利用约500m的高温超导电缆连接光伏发电设备和数据中心,在数据中心直接利用光伏发电的电力。第二阶段预定在2018年3月底之前铺设约1km的超导电缆,并实验性地直流送电。

目前已开始在石狩数据中心附近的用地开始了1km超导电缆的敷设工程。在长约500m的占地内折返来保证1km的距离。据称计划利用光伏电站与数据中心之间的直流送电成果,实施在更长距离上提高经济效益等的试验。

第二阶段将采用新款超导电缆管。此为用辐射屏蔽膜包覆双重隔热管内的电缆配管,可进一步提高隔热效果。据称供电电路的热损失可降至0.7~1.0W/m。

另外,超导电缆管将在地上设置。原本,最理想的方式是埋设在温度变化较小的地下,但受实证预算的限制而放弃了埋设。但据称,预定将利用在地上设置这一点,验证电缆管周围的环境变化对供电性能的影响等。

关键词:ups电源报价/list-3-1.html


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