光伏及储能技术对数据中心的减碳成效分析

赵春红

（上海邮电设计咨询研究院有限公司，上海 200433）

0 前言

双碳政策下，国家着力推动电力、钢铁以及化工等重点领域和重点用能单位节能降碳，力争二氧化碳排放在2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。据统计，2019年数据中心耗电量已达到社会总用电量的1.5%～2.0%。数据中心作为重点用能单位，节能降碳迫在眉睫。提高可再生能源的利用率是数据中心绿色转型的重要路径，数据中心园区可以在建筑屋面、立面、车棚顶面和空闲场地等适宜空间安装光伏发电设施和储能设备。该文以笔者参与的上海市某数据中心园区绿色能源试点项目为例，从方案实施、系统接入、碳排放核算以及双碳管理平台等方面进行详细阐述，对分布式光伏和储能技术的应用成效进行定性、定量分析，可为类似项目提供参考。

1 分布式光伏

在数据中心屋顶、车棚等场地自建分布式光伏板可满足日间发电需求，补充机房高峰时期用电。

1.1 机柜能耗分析

单台标准机柜耗电量如公式（1）所示。

式中：为单机柜每年耗电量，kW·h/a；为单机柜标准功率，kW；为运行时长，h；为负载率，%；为数据中心能源效率指标。

例如1个6 kW的标准机柜，每日运行时长为24 h，平均负载率为70%，当=1.3时，每日耗电量为131 kW·h，耗能计算见表1，每度电对应的能源消耗指标取值见表2。

表1 6 kW机柜能耗计算表

表2 每度电对应能耗指标

1.2 经济分析

光伏组件及配套设备主要包括光伏组件、逆变器以及光伏并网装置，此外还有支架及其他材料等。晶体硅是当前制作太阳能光伏电池的主流材料。在单晶硅、多晶硅以及非晶薄膜电池中，单晶硅的生产工艺最成熟，转化效率高，占据最大的市场份额。光伏并网逆变器是光伏发电系统中的关键设备，对提高光伏系统的效率和可靠性具有重要作用。并网逆变器要保证系统稳定、高效且灵活地运行，就需要在并网点安装易操作、具有明显断开指示且具备开断故障电流能力的并网专用开关。断路器应具备电源端与负荷端反接能力，还需要具备短路瞬时、长延时等保护功能。根据数据统计可知，当前分布式光伏系统初始全投资额约为3.38 元/W，造价组成见表3。

表3 分布式光伏单瓦造价表

数据中心常规用电电费是按时段计价的，峰谷价差较大。以上海市为例，2021年上海工商业价格时分表见表4。根据峰平电力使用时长计算加权平均电价为0.82 元。分布式光伏日发电总量估算见表5。

表4 2021年上海工商业电费价格表

表5 分布式光伏日发电量

以1 000 m的分布式光伏为例，估算得初始投资约为84.5 万元，每年可节约电费26.2 万元。

2 储能

当前还没有关于数据中心配置储能容量的硬性规定，但近期国内多地对新增光伏项目储能配比提出了最低比例要求，一般是装机容量的5%～20%。

储能系统的主要作用如下：1） 当数据中心整体电力指标不足时，用作电量的补充手段。2） 对电力峰谷价差差别较大的地区来说，通过谷值充电、峰值放电的方式平衡电价。

根据厂家资料可知，以单块12 V/20 Ah的铅碳动力电池为例，储能系统的相应计算如公式（2）～公式（4）所示，充电效率取82%，放电效率取70%。

根据Peukert定律可知，单块12 V/20 Ah电池的电池容量为24 Ah，单块电池电量如公式（2）所示。

单日放电量如公式（3）所示。

单日充电量如公式（4）所示。

3 试点项目实施

该数据中心园区绿色能源试点项目位于上海市。为了充分推进 “双碳”工作，加快零碳技术的试点建设，根据“应装尽装”的原则，对园区屋顶、停车场以及照明灯杆等场景进行光伏改造，同时选取一处室外空地进行储能试点应用。

3.1 场地分析

根据Meteonorm软件可知，项目所在地的15 °斜面年峰值光照小时数为1 342 h/a，具有实施光伏发电工程的有利条件。该项目涉及园区各类生产及办公用房共14 幢。经过现场实地查勘，目前屋顶可进行光伏发电设备安装的楼有5 幢（编号为1#～5#）。屋顶承重为2.00 kN/m，可以满足光伏设备的荷载要求。园区有2处规模较大的停车场，适合新建光伏车棚。园区楼宇间路灯遮挡严重，不适宜改造为光伏路灯，因此考虑仅将主路两侧100 根路灯替换为光伏路灯。园区1#楼西侧至外墙的空地可布置储能预制仓。

3.2 变配电系统

园区现有5座10 kV开关站，各楼内均有变配电室，内部设置的变压器有3种容量（1 600 kVA、2 000 kVA及2 500 kVA）。这次光伏和储能均采用380 V并网接入各栋楼内变压器低压侧。

3.3 光伏方案

1#～5#楼屋顶均为60 m×60 m的正方形建筑，女儿墙最高为1.6 m。各栋楼屋顶闲置面积统计见表6，总面积为4 562 m（其余面积已布置了制冷设备外机或管道）。新增光伏采用市场主流单晶硅组件，装机容量为500 W/块，光伏配置见表7。共安装光伏板760 块，总装机容量为380 kW，年平均利用小时数按1 200 h计算，预计年发电量为456 000 kW·h。

表6 屋顶闲置面积统计表

表7 光伏配置表

采用市场主流单晶硅组件，装机容量为400 W/块，总装机容量为485 kW（表8），年平均利用小时数按1 200 h计算，预计年发电量为582 000 kW·h。

表8 车棚光伏配置表

用80 W LED太阳能路灯替换原有路灯，太阳能路灯带储能锂电池，电池容量可满足连续5个阴雨天每天晚上12 h的照明需求。另外，路灯还配置了市电智能转化装置。

太阳能路灯的年平均利用小时数按4 020 h（考虑30 d由市电供电）计算，单根太阳能路灯预计年发电量为320 kW·h。

配置并网电能表及关口计量表。并网电能表设在并网点，关口计量表安装在产权分界点（如果原计量表为双向计量表，则延用原计量表）。电能表采用智能 GPRS电能表，精度不低于1.0级，电流互感器精度须满足计量精度要求。

根据《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定》可知，须在用户配电所装设满足《电磁兼容第 4-30 部分试验和测量技术－电能质量》（IEC6 1000-4-30-2003）标准要求的A类电能质量在线监测装置1套（根据当地电网要求配置，如果没有要求，则不配置），以监测电能质量参数（包括电压、频率、谐波以及功率因数等）。

光伏方阵接地：光伏电池组件不设专门避雷针（线）保护，利用组件边框及接地线可靠地连接各组件，在组件阵列末端使用专用接地线连接至屋面接地网，形成屋面防雷接地系统。

设备防雷接地：逆变器及交流配电柜等装设防雷保护器，当雷击产生的雷电流通过电涌保护器流入大地时，可起到防雷击的作用。设备通过接地线或接地扁钢与原接地系统连接，光伏系统接地电阻不大于4 Ω。

支架连接采用预镀铝镁支架与铝合金夹具，夹具有稳定的耐腐蚀性和较长的使用寿命。支架立柱通过U型螺栓埋入水泥墩配重块，通过水泥墩配重块自重稳固支撑在混凝土屋面上，支架上连接导轨，在导轨上铺设光伏组件。

3.4 储能方案

该项目建设储能系统规模为100 kW/1 032 kW·h，预制舱尺寸为12.0 m×2.5 m。系统包括1台100 kW的储能变流器、1簇铅碳动力电池、电池管理系统及能量管理系统等设备。储能系统配置了完善的电气保护功能，同时配置了可燃气体监测、消防设备及火灾报警系统，全方位保障储能与用户的安全。

储能预制仓外壳、隔热保温材料以及内外部装饰材料等均为阻燃材料。仓内配套包括照明、通风以及消防系统等基本安全保护设施。储能预制仓内分为电池仓与电气仓，电池仓内置电池架用于安装电池以及配套电池管理系统，电气仓中放置所需电气设备（例如汇流箱等）。

储能系统采用单块容量为24 Ah的铅碳动力电池，将8块电池并联组成电池模块，每个电池模块为12 V/192 Ah。整簇电池的模块排列矩阵为56串8并，共1簇，总计3 584块电芯。

单箱电池电量如公式（5）所示。

单日放电量如公式（6）所示。

单日充电量如公式（7）所示。

3.5 接入系统

该项目发电量消纳方式为自发自用，余电上网形式，根据国家电网公司《分布式电源接入配电网相关技术规范》可知，项目选用380 V单点接入用户配电室方案。屋顶光伏、车棚光伏及储能系统就近接入各楼内变配电系统， 电缆敷设利用原有路由，从屋顶引至变配电室。这次光伏发电量均供24 h运行的负荷消纳。路灯原有配电系统不变，替换后的路灯接入原系统。路灯储能不上网，只供路灯光源使用。

4 碳排放核算

团体标准《温室气体排放核算与报告要求 数据中心》（T/EES 0001—2021）中规定了数据中心温室气体排放的核算边界和核算方法。核算步骤如下：1） 确定核算边界，识别温室气体排放源和温室气体种类。2） 收集活动数据。3） 选择和获取排放因子数据。4） 分别计算购入的电力和热力产生的碳排量、天然气燃烧排放量、柴油燃烧排放量以及输出的电力和热力产生的排放量。5） 汇总计算报告主体温室气体排放量。核算方法为数据中心消费的购入电力、热力所对应的排放量与天然气、柴油燃烧排放量的和，同时扣除输出的电力、热力所对应的排放量。其中，电力所产生的排放量如式（8）所示。

式中：为电力产生的排放量，tCO；为电力，MW·h；为电网年平均供电排放因子，tCO/ MW·h。

根据上海市生态环境局关于印发《上海市低碳示范创建工作方案》的指导意见可知，碳排放量的核算方法如下：碳排放量=∑能源使用活动水平数据×排放系数-碳汇面积×固碳系数其中，电力活动水平数据可扣减区域内的可再生能源上网电量。根据2019—2021年华东电网区域排放系数可知，电力活动的排放系数取7.035×10tCO/kW·h。上海市2021年工商业用电峰时0.912 元/kW·h，平时0.562 元/kW·h，谷时0.270 元/kW·h。峰、平时间段加权电价约为0.820元/kW·h。

该项目光伏系统年总发电量见表9。该光伏项目实施后的节能效益详见表10，可实现年碳减排量为752.745 tCO，节省电费87.74 万元。由数据可知，在光伏系统改造后，减碳及经济效果显著。

表9 光伏系统总发电量统计表

表10 光伏系统节能效益

储能系统在谷时充电，在峰时段、平时段放电。计算储能系统节约电费约为14.25 万元/a，如公式（9）所示。由计算结果可知，在储能系统运行后，可以达到节约电费的目的。

5 双碳管理平台

将数据中心园区DCIM管理平台升级为基于BIM的双碳节能管理平台。平台能够将用户的碳排放指标与用能设施（直接排放、间接排放和其他间接）及生产流程中各个用能排放的环节进行关联，从而更直观地展示碳排放指标与节能降碳的工作成效。平台加载了强大的计算能力，能够保证数据分析的准确性。光伏系统的发电量、储能装置的运行数据以及设备运行状态等数据均上传至平台，由数据中心园区运维人员统一进行管理和维护。

6 结语

依托国家和地方“双碳”政策，在数据中心园区开展光伏及储能等技术的试点应用，一方面通过增加可再生能源上网电量节省外购电降碳，另一方面通过储能实现“削峰填谷”节省电费降碳的目标。对碳减排量及节能效益进行计算，并对计算结果进行量化分析，再通过双碳管理平台直观地呈现减碳成效。

长远来看，数据中心要实现零碳，就必须从源头降低碳排放，提高清洁能源的使用率，分布式光伏必将成为电力峰值调节、补充电力的重要手段之一。未来数据中心和能源结合的大型项目会逐步增加，通过日间发电、余电上网的形式对多余的电力进行储能或者形成绿色证书，可抵消夜间电力的消耗。在理想化的假设条件下，分布式光伏可满足数据中心1%～2%的日耗电量。储能作为电力负荷调节、平滑峰谷电差的重要手段，其应用率有望持续提升。未来随着储能价格的进一步下降，光储配比也将呈上升趋势。