数据中心那点事之分布式光伏并网发电
随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出，太阳能发电、风电等零碳电力能源将逐渐成为我国主要的电力能源形式。2022年6月，工信部、发改委、财政部等六部门联合发布《工业能效提升行动计划》，提出支持具备条件的工业企业、工业园区建设工业绿色微电网，推动智能光伏创新升级和行业特色应用，创新“光伏+”模式，推进光伏发电多元布局。与此同时，数据中心作为推动金融科技快速发展和金融行业数字化转型的关键基础设施和重要保障，其建设规模不断扩大，能耗占比也越来越高，如何在算力和能耗需求逐步攀升的趋势下兼顾“双碳”目标，成为金融数据中心行业需要思考的重要课题。
分布式光伏发电作为提升数据中心可再生能源电力消费、优化调整数据中心用能结构的重要手段之一，具有绿色环保、发电方式灵活、可就地消纳等特点，探索研究应用“光伏＋数据中心”模式可为绿色低碳算力中心发展提供节能创新管理新思路，在降低能耗的同时盘活现有固定资产，实现良好的品牌、社会、节能、降碳价值。
02工作原理分布式光伏发电系统是利用光生伏特效应原理，在用户现场采用光伏组件将太阳能直接转换为电能进行就近并网使用的一种发电系统，广泛应用于城市建筑物屋顶，系统原理如图1 所示。该系统由光伏电池组件、光伏方阵支架、汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜、供电系统监控装置以及环境监测装置组成。其工作原理为：在有太阳辐射的条件下，太阳能电池组件阵列将太阳能转换为直流电能，再经过直流汇流箱送入直流配电柜，最后由并网逆变器变成交流电供给建筑自身负载使用。
图1 分布式太阳能光伏发电系统原理图
03关键设计因素考量 1）光伏组件串联数量设计光伏组件串中串联光伏组件的数量影响光伏电站的总图布置、支撑系统设计、容配比的选择等。在相同装机容量的前提下串联更多的光伏组件，既可以节约直流电缆工程量和光伏支架及桩基的用量，又可以提高容配比及串联后的电压，在降低直流线损的同时提升光伏发电系统效率。
光伏组件串的串联数可参照如下设计公式：
其中：Kv—光伏组件的开路电压温度系数；K'v —光伏组件的工作电压温度系数；N —光伏组件串联数（N取整）；t—光伏组件工作条件下的极限低温（℃）；t'—光伏组件工作条件下的极限高温（℃）；Vdcmax —逆变器允许的最大直流输入电压（V）；VMPPTmin—逆变器MPPT电压最小值（V）；VMPPTmax—逆变器MPPT电压最大值（V）；Voc —光伏组件的开路电压（V）；Vpm—光伏组件的工作电压（V）。
因此，光伏方阵中光伏组件串联数需要根据标准测试条件STC下光伏组件参数、逆变器电气参数以及项目所在地极端环境温度下的水文气象资料来综合确定。同时，同一光伏组件串中各光伏组件的电性能参数宜保持一致。
2）光伏阵列倾斜角光伏阵列倾斜角，即太阳能电池方阵平面与水平地面的夹角。当光伏方阵按照某一角度倾斜放置时，光伏板倾斜面上的年总辐射量达到最大，该角度即为最佳倾斜角。
在实际选择最佳倾斜角过程中，还要选择考虑项目建设地的地理环境和自然环境等因素，如倾斜角度对积雪滑落、组件抗风压和抗雪压的影响。
3）光伏阵列方位角光伏阵列方位角是光伏阵列实际朝向（即方阵垂直面）与正南方向之间的夹角，通常将光伏组件方阵朝向接受光照时间最长的方位角视为最佳方位角。如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，可参照以下公式计算：方位角α＝（一天中负荷的峰值时刻－12）×15＋（经度－116）。
4）阴影对于前后放置的太阳能方阵要选择合适的间距△d，尽量减少前面方阵的阴影对后面方阵的影响。可参考间距计算方式△d＝（h1-h2）·R，其中，R 为阴影的倍率，h1为方阵的上边缘的高度，h2为下边缘的高度。通常在排布方阵阵列时，应分别选取每一个方阵的构造尺寸，将其高度调整到合适值，从而利用其高度差将方阵之间的距离调整到最小。
04供电方式选择及施工安全保障 1）直接并网就近供电方式对数据中心来说，常用的供电方式选择为并网发电，即通过并网逆变器将太阳能电池阵列输出的直流电转化成为满足电网要求的交流电后直接并入公共配电网，可与低压380 V、中高压10 kV 和35 kV 并网，为了实现就近给负载供电，通常选择在低压侧并网供电。因此，需要专用的并网逆变器来确保输出的电能符合市电电网对电能相位、幅值、频率等性能指标的要求。并网逆变器具备实时监测和同步功能， 当现有交流电源稳定且电压、频率相位等数据正常时，光伏系统开始向末端负荷并网供电；当现有交流电源断电或者有瞬时切换波动时， 并网逆变器通过自身安全装置处于孤岛保护状态，不会并网供电，直至监测到现有电源系统恢复正常并稳定后才开始向末端负荷供电。
2）消防措施消防设计贯彻“预防为主，防消结合”的设计原则，针对工程的具体情况，电气设备布置全部满足电气及防火安全距离要求，同时在工艺设计、材料选用、平面布置中均按照《建筑内部装修设计防火规范》等有关消防规定执行。
电缆敷设及防火方面，太阳能电池串联支路电缆在太阳能电池背面电缆槽内敷设，组串至逆变器和逆变器至交流汇流箱连接电缆采用电缆桥架敷设，在通向低压并网柜盘底开孔处采取有效阻燃的封堵处理。
3）防水措施屋顶的防水处理需贯穿施工全过程，原则上应尽量不要破坏原屋顶的防水层。即在不破坏原屋顶的情况下，铺设防水卷材，浇钢筋混凝土，铺设钢结构。对于屋顶走线孔洞可采用浇抗渗混凝土，批结构胶泥，浇抗渗细混凝土等方法进行防水施工。
4）防雷措施为防止由线路雷电侵入波以及雷电感应过电压对设备的损坏，在光伏系统逆变器和交流配电柜都设置了防雷模块，可有效地防止过电压，能够保证整个系统的稳定运行。同时，由于太阳能光伏发电系统是安装在建筑物的屋面，因此发电系统的防雷接地与建筑物本身的防雷接地系统紧密连接，并入整个建筑物的防雷接地系统。
05效益分析以G行生产数据中心所在地北京为例，年平均太阳总辐射量为5400 MJ/㎡，年日照时数约2287小时，约6.27小时/天，折合成年峰值日照时数为1460小时，根据太阳辐射量、系统组件总功率、系统总效率等数据，可根据光伏电站年发电量计算公式：L=W·H·η预测并网光伏电站的年总发电量。其中，L为并网光伏电站年发电量，单位为kWh；W为并网发电装机总量；H为年峰值日照小时数，取1460小时；η为光伏电站系统总效率，一般取80%。
以装机总量90Kwp项目为例，年发电量约为10.7×104计算每年可节约电费约12.8万元。光伏发电系统可高效运行约25年，因此在25年间可减少CO2排放量约为4268T，减少SO2减排量约为1164.16T，减少粉尘排放量约为128.4T，减少NOx排放量约为64.2T，所带来的节能环保效益是显著的。
此外，数据中心作为耗能大户，探索研究应用“光伏+数据中心”新模式应用落地符合国家新型基础设施绿色高质量发展政策规划和布局要求，在降低能耗的同时盘活现有固定资产，树立企业良好社会形象，实现良好的品牌、社会、节能、降碳价值。
06分布式光伏发电在金融行业数据中心展望分布式太阳能光伏发电系统具有独立自控、输配电损耗极低、无需建配电站、建设安装及维护费用低、调峰性能好、对周围环境破坏小等特点，利用数据中心闲置区域发电并作为一种补充型电源就近并网为数据中心内负荷供电，具有较好的经济效益、社会效益和环保效益。但是，金融行业数据中心作为承担各项业务系统的关键载体和重要基础设施保障，一旦故障损失难以估量。因此，为了确保数据中心供电安全性，建议根据数据中心负载对电能敏感程度区别供电，对照明负荷和空调系统等不敏感的负载采用光伏供电，对IT设备等敏感负载仍由外部市电供电。
同时，金融行业作为绿色金融的倡导者及实践者，要积极响应国家节能减排政策号召及落实工业绿色发展规划，可在小范围探索研究“光伏＋数据中心”新模式应用落地，同时验证其并网发电系统的安全性、可靠性及供电质量的稳定性，利用创新支持业务发展，在光伏并网运行、IT设备敏感类负载优化配置、可再生能源利用等方面积累相关经验后进行大范围推广应用，对于加快绿色金融发展、绿色低碳转型及能源结构优化调整具有重要意义，从而实现数据中心节能、降耗、提质、降本、增效。
