基于数据中心项目光伏系统的应用研究

兰 瑜，葛一波

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

随着物联网、云计算、边缘计算等产业的高速发展，截止2021年，国内在线运行服务器数量约为1 390万台，预计到2030年运行数量将达到2 860万台，飞速增加的数据中心（Internet Date Center，IDC）带来了巨大的能源消耗。截至2020年底，中国数据中心耗电量已经突破2 000亿kW·h，能耗占全国总用电量的2.7%，预计2022年耗电量将达到2 700亿kW·h[1]。在“双碳”背景下，充分利用清洁能源降低能耗及碳排放成为了数据中心发展的重要方向之一。太阳能光伏发电技术较少受到地域限制，凭借其建设周期短、便于维护、可靠性高、对周边环境影响小以及无污染等优点。成为最具发展前景的可再生能源技术之一[2]。本文将结合数据中心和光伏发电的特点，探讨光伏发电在大型数据中心园区应用的可行性。

1 光伏发电系统

光伏发电采用半导体材料制作电池组件，利用其光生伏特效应将太阳能直接转变为电能[3]。根据敷设方式分为2类，一种是集中式，将光伏阵列集中敷设于同一地块，常用于光照条件好、地域宽广、地价低廉的西北地区；另一种为分布式，将光伏阵列敷设于建筑屋顶或者幕墙，常用于华北华南地区。分布式光伏建设通常选择靠近用户的位置，方便生产的电能就近消纳，减少传输距离，降低电能在传输过程中的损耗。

目前，数据中心采取园区式建设，园区内建筑物数量较多、类型丰富，包括变电站、机房楼、办公楼等，受设备运输及排布影响，建筑物层高较低，遮挡物较少，屋面可利用面积较广，适用于分布式光伏系统。

分布式光伏发电系统的重要组成部分为电池组件即光伏阵列、汇流系统、并网逆变器[4]。

（1）光伏电池组件。常用的电池组件材料主要为2大类，分别是非晶硅以及晶体硅。其中晶体硅电池组件的转换效率较高，理论极限效率可达29.43%[5]。非晶硅电池组件的转换效率较低，但非晶硅电池组件具有柔性化、色彩化等特点。晶体硅电池根据制造工艺可以分为单晶硅以及多晶硅2种，其中单晶硅组件光电转换效率略高于多晶硅电池组件。

（2）汇流系统。多采用直流汇流模块，能将光伏组件中产生的小电流电能汇集后变换为与逆变器匹配的电能等级，再将其与并网逆变器连接。常规汇流系统中还会加设防逆流系统，防止光伏系统不发电时电能倒流。

（3）并网逆变器。光伏电池组件是将太阳能转换为直流电能，在并入传统交流电网前需要装设逆变系统，实现汇流系统中输入的直流电能和满足要求的交流电的转换。

光伏发电系统根据接入市电网络方式分为3类，分别是独立发电、并网发电及混合发电[5,6]。独立光伏发电系统与市电无连接，单独对负载进行供电，在光照条件好的时候将多余的电能储存至蓄电池，当光伏发电不能满足负荷时，由蓄电池进行供能，系统结构如图1所示。

图1 独立光伏发电系统结构框图

独立光伏发电系统常用于难以接入电网的偏远地区，解决用电难的问题，周围环境因素、气象条件、负载容量等对该系统可靠性有较大影响。

并网光伏发电系统与市电网络直接连接，将多余的电能直接输送至电网，无储能元件，系统结构如图2所示。

图2 并网光伏发电系统结构框图

混合式光伏发电系统将前2类系统结合，既储能又与市电网络连接，系统结构如图3所示。

图3 混合光伏发电系统结构框图

蓄电池能根据负载使用进行输出调节，但是需要人员管理，定期对电池组进行维护更新，增加建设及运维成本，并且电池组本身也具有一定的安全风险。综合分析，本文建议数据中心项目采用分布式并网光伏发电系统。

2 项目案例

江苏某数据中心园区占地面积约为6万 m2，利用数据中心屋面屋顶建设分布式光伏电站，根据测算屋面面积，光伏装机容量预估为5 MW 。本系统的电池组采用450 W的单晶硅光伏电池组。单晶硅光伏电池组件安装示意如图4所示。

图4 单晶硅光伏电池组件安装示意图

分布式光伏发电系统如图5所示，采用电池串列并联进行汇流，直流段采用分段连接，逐级汇流方式连接，汇流箱设置于光伏发电机房内。直流防雷柜和逆变器等装置设置于光伏发电机房内，逆变装置经过交流并网接口供配电系统使用。另外，系统配置一套监控装置和环境监测仪，通过RS485的通信方式接入楼宇自控系统，在消防控制室实时监测并网发电系统的运行参数和工作状态。

图5 分布式光伏发电系统图

（1）5 MW电站发电预估如图6所示，发电量按照本地日照系数首年发电 1 416 kW·h，发电首年后衰减2%，之后逐年衰减0.55%计算。

图6 光伏年发电量预估根据

根据计算本项目预估年均发电量为517.76万kW·h，25年总发电量为12 944.07万kW·h。

根据本数据中心园区耗电量及光伏发电量对比（见图7）可以看出，园区每个月光伏发电时间段用电量远远大于电站所发电量，新建光伏电站所发的电量基本被消纳。

图7 实际用电量与发电量对比

3 效益分析

分布式并网光伏发电消纳方式主要为3种，分别是全部自用、全部上网，以及自发自用余量上网，考虑到数据中心园区耗电量巨大，本项目采用前2种方式进行测算。

3.1 经济效益分析

若采用自建自用方式，该项目投资建设成本约为5元/W，5 MW的投资额为2 500万元。光伏发电量全部由园区自行消纳；若采用合作方式，业主提供屋面，合作方投资进行电站建设、运维，业主按电价优惠折扣使用光伏电力，节省电费。根据2种建设方式估算本项目的未来收益趋势如图8所示。

图8 项目收益估算趋势

由图8可知，当采用自建自用方式时，本项目第8年绝大部分回收成本（不包含折旧、人工等成本）。当采用合作方式时，业主总计可节省电费约为400 W。

3.2 节能降耗效益分析

太阳能光伏发电不仅能给数据中心园区工程带来显著的经济效益外，而且是有效节能减排措施。光伏利用太阳能这清洁能源，相对于传统的火力发电，可节约大量的煤炭或油气资源，按照1 kW·h电量消耗0.122 9 kg标准煤，本项目在25年服务期内减排量如表1所示。

表1 环保综合效益分析

根据表1可知，像本项目这种大型数据中心园区采用光伏发电对于当地的环境保护、减少大气污染具有积极作用，有明显的节能、环境效益。此外，分布式光伏发电光伏阵列安装于建筑物屋顶，有效延长屋顶使用年限，同时能隔热降温，实现建筑节能。

3.3 社会效益分析

园区建设光伏发电，积极响应国家号召，促进数据中心低碳化、绿色化发展，同时具有显著的节能减排效果，改善周边环境，为建设方树立正面典范，提升企业社会形象。

4 结 论

本文通过介绍江苏某大型数据中心园区的光伏电站建设，从经济、环保及社会效益3个方面分析，明确分布式并网光伏发电系统对于数据中心园区的适用性，能有效降低数据中心园区的碳排放及能耗,节约企业成本，提升企业形象。