太陽能光伏系統在數據中心

工程設計中的應用廣東省電信規劃設計院有限公司建筑設計研究院摘要進入21世紀以來，人類社會正面臨著一系列重大的挑戰。全球經濟發展，人口迅速增加，使人類對能源的需求量不斷增加。在過去20年中，全世界能源消耗量增加了40%，其中85%以上使用的是礦物燃料。按目前探明的儲藏與開發速度的比例計算，到本世紀中葉，人類必將面臨礦物燃料枯竭的局面。為了減少大氣污染、保護人類生態環境、保證能源的長期穩定供應，必須實施可持續發展戰略，逐步改變現有的能源結構，大力開發利用新能源。在新能源中，公認技術含量最高、最有發展前途的是太陽能光伏發電。目前在我國，太陽能光伏發電多應用于路燈、住宅等用電負荷小、光伏發電輸出功率較低的場合，而大型的光伏系統，如鳥巢體育館等案例則數量較少。在數據中心使用太陽能光伏系統在我國則基本為空白。基于此現狀，本文闡述了華南某數據中心太陽能光伏系統的設計，為類似的工程設計提供了參考。關鍵詞太陽能光伏系統光伏組件光伏方陣太陽能控制器蓄電池逆變器引言近幾年來，我國光伏產業經歷了高速發展期。特別是在2007年，我國光伏產業呈現出爆發式增長，使得我國一躍成為全球第一大生產國。另外，高純多晶硅技術以及其他許多關鍵生產技術裝備的研發和國產化工作也取得了長足的發展。在太陽能光伏系統應用的范圍上，我國仍與發達國家存在差距。以日本為例，工廠、學校、商業建筑、政府大樓、住宅等建筑都已大量應用太陽能光伏系統。而在歐美，已有部分數據中心開始應用太陽能光伏系統，其中美國鳳凰城新建的數據中心安裝了占地11英畝的光伏方陣，輸出功率達4.5MW。目前，我國在數據中心應用太陽能光伏系統的案例極少，其原因較為復雜，最重要的一點是數據中心用電負荷大，且對供電等級要求較高。鑒于此，本設計中的光伏系統主要對數據中心的部分照明負荷進行供電，以達到環保節能又不影響數據中心設備供電安全的目的。本文從太陽能光伏系統的原理、類型開始，詳細闡述了太陽能光伏系統的組成，并以華南某數據中心的太陽能光伏系統的設計為例進行了具體說明。

1.太陽能光伏系統介紹1?1?太陽能光伏系統的原理太陽能光伏系統是利用太陽電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換為電能的一種新型發電系統。太陽能電池是光伏系統中最重要的一環，它是一種對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有單晶硅、多晶硅、非晶硅等。以晶硅為例說明原理：P型晶體硅經過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結；當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發生了越遷，成為自由電子在P-N結兩側集聚形成電位差；當外接電路連通時，P-N結將輸出一定的功率。輸出的電能經逆變后可對交流負荷進行供電。太陽能發電的主要優點在于：太陽能電池可以設置在房頂等平時不使用的空間，無噪音、壽命長，而且一旦設置完畢就幾乎不要需要調整。目前，太陽能的利用存在著巨大的發展空間，有關的技術有可能在未來幾年內實現突破。T太陽能=5統XrIDPVSYSTEN)獨立太陽能光伏系統與外部電網相隔離，與外部電網沒有電能的交換。獨立太陽能光伏系統根據用電負荷的特點，可分為直流系統、交流系統和交直流混合系統等幾種，其主要區別是系統中是否帶有逆變器。一般而言，獨立太陽能光伏系統主要由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、交直流逆變器等部分組成。獨立太陽能光伏系統示意圖見圖1.1。圖1.1獨立太陽能光伏系統(2)并網太陽能光伏系統(ON-GRIDPVSYSTEN)并網太陽能光伏系統與外部電網連接，與外部電網有電能的交換。并網太陽能光伏系統可分為集中式大型并網光伏系統和分散式小型并網光伏系統。大由電網統一調配向用戶供多余或不足的電力通過型并網光伏光伏電站的主要特點是所發電能被直接輸送到電網上，電；分散式小型并網系統將所發電能直接分配到用戶的用電負載上，了解電網來調節。并網太陽能光伏系統示意圖見圖1.2由電網統一調配向用戶供多余或不足的電力通過圖1.2并網太陽能光伏系統在本次設計中，將使用獨立太陽能光伏系統，因此下文主要將圍繞獨立太陽能光伏系統展開。1.3.太陽能光伏系統的發展太陽能光伏發電目前顯現出以下發展趨勢：太陽能電池產量及裝機容量快速增長太陽能光伏產業是世界發展速度最快的行業之一。為實現能源和環境的可持續發展，世界各國均將太陽能光伏發電作為新能源與可再生能源發展的重點。在各國政府的大力扶持下，世界太陽能光伏產業發展迅猛。2000年以后，全球太陽能電池產量以年均40%左右的速度增長。其中，中國的年增長率則高達100%以上。2008年，中國超過了之前一直居全球市場份額首位的日本，成為全球第一大生產國。晶體硅光伏電池技術持續進步，薄膜光伏電池技術加快研發晶體硅光伏電池的效率在不斷提高，而厚度在持續降低，從而使太陽能光伏系統的效率提升，成本降低。另一方面，薄膜光伏電池的研發取得了新的進展，并開始積極推進生產線和示范項目的建設。薄膜光伏電池作為一種新型光伏電池，由于其原材料來源廣泛、生產成本低、便于大規模生產，因而具有廣闊的市場前景。據權威機構預測，市場對于薄膜光伏電池的需求增長速度將是傳統硅片光伏電池的2倍。隨著大尺寸的玻璃基板薄膜光伏電池投入市場，將極大地加速光伏建筑一體化、屋頂并網發電系統等的推廣和普及。設計要點2.系統構成獨立太陽能發電系統由光伏組件、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220/380V,還需要配置逆變器。各部分的作用為：光伏組件（太陽能電池板）：光伏組件是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。光伏組件的質量和成本將直接決定整個系統的質量和成本。由若干個光伏組件在機械和電氣上按一定方式組裝在一起并且有固定的支撐結構而構成的發電單元稱為光伏方陣（太陽能電池組）。太陽能控制器：太陽能控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償的功能。其他附加功能如光控開關、時控開關都應當是控制器的可選項。蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。逆變器：在很多場合，都需要提供220/380V交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220/380VAC的電器提供電能，需要將太陽能發電系統所發出的直流電能轉換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場合，需要使用多種電壓的負載時，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉換成5VDC的電能等。圖2.1為獨立太陽能光伏系統的結構圖。太E日^皂發電系統圖2.1獨立太陽能光伏系統結構圖

3.計算系統設計方案本工程太陽能光伏系統結線圖如圖3.3所示:I蹴配電箱（八尉U:I蹴配電箱（八尉1.rn956A9921504mm?/2八p*iiJt?#L15DFJ*.Mrt>；14kW.2.?1DOOM.*'D8+*<,M*2I6V/100醐.圖3.3太陽能光伏系統結線圖總體說明1，本工程使用獨立太陽能光伏系統。為保證照明負荷供電不因太陽能光伏系統蓄電池電量耗完而中斷，在末端配電箱安裝太陽能/市電切換器，當蓄電池電壓過低時切換至市電，確保照明供電不中斷和蓄電池不過放損壞。根據建筑專業規劃，光伏方陣占用天面面積約150平方米。由于天面有其他設備，因而把光伏方陣設置于大樓天面的南側。如圖3.1所示（圖中斜杠區域為光伏方陣區域）：

圖3.1光伏方陣區域而且功率不足以供給大而且容量較小的本樓八負荷性質：由于太陽能供電穩定性不如市電和柴油發電機，型設備，因此本工程中太陽能光伏系統所供負荷為重要性等級較低，層的照明負荷。而且功率不足以供給大而且容量較小的本樓八5.設備選型5」.設備規格和配置根據建筑專業提供的光伏方陣占用面積計算太陽能光伏系統的容量和規模，得本工程的光伏設備配置如下：（1）光伏方陣選用1956x992x50（mm）/240Wp單晶硅光伏組件，8個光伏組件為一組串聯，共7組并聯，共56個光伏組件組成光伏方陣，占用天面面積約150平方米。尖峰功率為13.4kW。光伏組件額定輸出電壓：35V（2）太陽能深循環蓄電池單體2V/1000AH，共110個串聯。蓄電池組輸出220V/1000AH。放電深度〉80%太陽能控制器輸入額定電壓：DC220V額定電流：60A需具有防反充、保護蓄電池避免過充過放功能逆變器額定功率：15kW輸入額定電壓：DC220V保護電池關機電壓：88/176輸出電壓范圍：三相380Vd2%輸出頻率范圍：50Hz/60Hz±05Hz逆變效率(80%阻性負載)：〉90%保護功能：電池反接保護、過載/短路保護、電池欠壓保護、過溫保護⑸太陽能/市電切換器額定電流：32A極數：4極具有欠壓保護功能，避免電池過放造成損壞6-設備安裝光伏方陣安裝說明：光伏組件的安裝朝向為正南向。該數據中心的緯度約為北緯23度，為降低冬夏日光輻射量的差距，光伏組件的傾角設定為30度。光伏組件安裝間距的確定原則是：冬至當天早9:00至下午3:00,后排光伏組件不應被前排光伏組件的影子所遮擋。經計算，得光伏組件間距約為1.4m。光伏組件的安裝示意圖如圖3.2所示。///////////////////廠光伏經件安裝示意W^:酣尺寸計斛胱計刪.函廠累醺圖3.2光伏組件安裝示意圖圖3.2中表示了太陽能光伏系統各部分的結線設計，其中對開關、線纜都有了明確標注。本工程太陽能光伏系統配電平面圖如圖3.4所示：④◎⑦⑤⑥衍總人疇魏^馳平確④◎⑦⑤⑥衍總人疇魏^馳平確圖3.4太陽能光伏系統配電平面圖6」?防雷接地光伏系統應符合以下防雷和接地保護的要求。支架、緊固件等正常時不帶電金屬材料應采取等電位聯結措施和防雷措施。安裝在天面層的光伏組件，采用金屬固定構件時，每排（列）金屬構件均應可靠聯結，且與建筑物屋頂避雷裝置有不少于兩點可靠聯結；若光伏組件采用非金屬固定構件，并且不在屋頂避雷裝置保護范圍之內時，應單獨加裝避雷裝置。光伏組件應采取嚴格措施防直擊雷和雷擊電磁脈沖，防止建筑光伏系統和電氣系統遭到破壞。光伏系統除應遵守《建筑物防雷設計規范》GB50057的相關規定外，還應根據《光伏（PV發電系統過電壓保護導則》SJ/T11127的相關規定，采取專項過電壓保護措施。7.結論7.結論本文通過對華南某數據中心工程設計中的太陽能光伏系統的詳細說明，給出了一個典型的數據中心太陽能光伏系統的整體結構和具體設計，為我國的類似工程提供了一個可供參考的案例。從本工程中我們可歸納得到在數據中心應用太陽能光伏系統的必要條件，包括：1，天面有足夠的面積可供安裝光伏方陣，且四周不應有阻隔陽光的物體。2，必須有足夠面積和承重的太陽能電力電池室以放置設備和蓄電池組。3，不宜在緯度過高的地區建設太陽能光伏系統。目前，太陽能光伏系統的發展仍面臨著相當多的挑戰，主要包括：1，產業發展速度快，但科技水平提高慢，兩方面缺乏協調。2，光伏組件生產成本仍處于高位，阻礙太陽能光伏發電的普及。3，標準、規范、產品檢測體系、質量保證體系不完善，仍需加強建設。盡管有著種種挑戰和阻礙，但太陽能光伏系統仍將迅猛發展，其趨勢體現在：1,隨著技術進步和生產規模的擴大，光伏組件的生產成本將大幅度下降。尤其是薄膜電池的成功研發和推廣，將使太陽能組件的成本和價格下調30%以上。太陽能在2030年前后具備成為戰略能源的技術、成本和環境優勢，2050年前后可成為重要的能源供應來源。并網太陽能光伏發電所占比例將飛速上升，成為太陽能光伏發電應用市場的主流。太陽能光伏產業的標準、規范將迅速完善，為行業的發展提供保證。參考