趙春紅

（上海郵電設(shè)計(jì)咨詢研究院有限公司，上海 200433）

0 前言

雙碳政策下，國(guó)家著力推動(dòng)電力、鋼鐵以及化工等重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)用能單位節(jié)能降碳，力爭(zhēng)二氧化碳排放在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年數(shù)據(jù)中心耗電量已達(dá)到社會(huì)總用電量的1.5%～2.0%。數(shù)據(jù)中心作為重點(diǎn)用能單位，節(jié)能降碳迫在眉睫。提高可再生能源的利用率是數(shù)據(jù)中心綠色轉(zhuǎn)型的重要路徑，數(shù)據(jù)中心園區(qū)可以在建筑屋面、立面、車棚頂面和空閑場(chǎng)地等適宜空間安裝光伏發(fā)電設(shè)施和儲(chǔ)能設(shè)備。該文以筆者參與的上海市某數(shù)據(jù)中心園區(qū)綠色能源試點(diǎn)項(xiàng)目為例，從方案實(shí)施、系統(tǒng)接入、碳排放核算以及雙碳管理平臺(tái)等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述，對(duì)分布式光伏和儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用成效進(jìn)行定性、定量分析，可為類似項(xiàng)目提供參考。

1 分布式光伏

在數(shù)據(jù)中心屋頂、車棚等場(chǎng)地自建分布式光伏板可滿足日間發(fā)電需求，補(bǔ)充機(jī)房高峰時(shí)期用電。

1.1 機(jī)柜能耗分析

單臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜耗電量如公式（1）所示。

式中：為單機(jī)柜每年耗電量，kW·h/a；為單機(jī)柜標(biāo)準(zhǔn)功率，kW；為運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，h；為負(fù)載率，%；為數(shù)據(jù)中心能源效率指標(biāo)。

例如1個(gè)6 kW的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，每日運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為24 h，平均負(fù)載率為70%，當(dāng)=1.3時(shí)，每日耗電量為131 kW·h，耗能計(jì)算見(jiàn)表1，每度電對(duì)應(yīng)的能源消耗指標(biāo)取值見(jiàn)表2。

表1 6 kW機(jī)柜能耗計(jì)算表

表2 每度電對(duì)應(yīng)能耗指標(biāo)

1.2 經(jīng)濟(jì)分析

光伏組件及配套設(shè)備主要包括光伏組件、逆變器以及光伏并網(wǎng)裝置，此外還有支架及其他材料等。晶體硅是當(dāng)前制作太陽(yáng)能光伏電池的主流材料。在單晶硅、多晶硅以及非晶薄膜電池中，單晶硅的生產(chǎn)工藝最成熟，轉(zhuǎn)化效率高，占據(jù)最大的市場(chǎng)份額。光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)提高光伏系統(tǒng)的效率和可靠性具有重要作用。并網(wǎng)逆變器要保證系統(tǒng)穩(wěn)定、高效且靈活地運(yùn)行，就需要在并網(wǎng)點(diǎn)安裝易操作、具有明顯斷開(kāi)指示且具備開(kāi)斷故障電流能力的并網(wǎng)專用開(kāi)關(guān)。斷路器應(yīng)具備電源端與負(fù)荷端反接能力，還需要具備短路瞬時(shí)、長(zhǎng)延時(shí)等保護(hù)功能。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，當(dāng)前分布式光伏系統(tǒng)初始全投資額約為3.38 元/W，造價(jià)組成見(jiàn)表3。

表3 分布式光伏單瓦造價(jià)表

數(shù)據(jù)中心常規(guī)用電電費(fèi)是按時(shí)段計(jì)價(jià)的，峰谷價(jià)差較大。以上海市為例，2021年上海工商業(yè)價(jià)格時(shí)分表見(jiàn)表4。根據(jù)峰平電力使用時(shí)長(zhǎng)計(jì)算加權(quán)平均電價(jià)為0.82 元。分布式光伏日發(fā)電總量估算見(jiàn)表5。

表4 2021年上海工商業(yè)電費(fèi)價(jià)格表

表5 分布式光伏日發(fā)電量

以1 000 m的分布式光伏為例，估算得初始投資約為84.5 萬(wàn)元，每年可節(jié)約電費(fèi)26.2 萬(wàn)元。

2 儲(chǔ)能

當(dāng)前還沒(méi)有關(guān)于數(shù)據(jù)中心配置儲(chǔ)能容量的硬性規(guī)定，但近期國(guó)內(nèi)多地對(duì)新增光伏項(xiàng)目?jī)?chǔ)能配比提出了最低比例要求，一般是裝機(jī)容量的5%～20%。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要作用如下：1） 當(dāng)數(shù)據(jù)中心整體電力指標(biāo)不足時(shí)，用作電量的補(bǔ)充手段。2） 對(duì)電力峰谷價(jià)差差別較大的地區(qū)來(lái)說(shuō)，通過(guò)谷值充電、峰值放電的方式平衡電價(jià)。

根據(jù)廠家資料可知，以單塊12 V/20 Ah的鉛碳動(dòng)力電池為例，儲(chǔ)能系統(tǒng)的相應(yīng)計(jì)算如公式（2）～公式（4）所示，充電效率取82%，放電效率取70%。

根據(jù)Peukert定律可知，單塊12 V/20 Ah電池的電池容量為24 Ah，單塊電池電量如公式（2）所示。

單日放電量如公式（3）所示。

單日充電量如公式（4）所示。

3 試點(diǎn)項(xiàng)目實(shí)施

該數(shù)據(jù)中心園區(qū)綠色能源試點(diǎn)項(xiàng)目位于上海市。為了充分推進(jìn) “雙碳”工作，加快零碳技術(shù)的試點(diǎn)建設(shè)，根據(jù)“應(yīng)裝盡裝”的原則，對(duì)園區(qū)屋頂、停車場(chǎng)以及照明燈桿等場(chǎng)景進(jìn)行光伏改造，同時(shí)選取一處室外空地進(jìn)行儲(chǔ)能試點(diǎn)應(yīng)用。

3.1 場(chǎng)地分析

根據(jù)Meteonorm軟件可知，項(xiàng)目所在地的15 °斜面年峰值光照小時(shí)數(shù)為1 342 h/a，具有實(shí)施光伏發(fā)電工程的有利條件。該項(xiàng)目涉及園區(qū)各類生產(chǎn)及辦公用房共14 幢。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地查勘，目前屋頂可進(jìn)行光伏發(fā)電設(shè)備安裝的樓有5 幢（編號(hào)為1#～5#）。屋頂承重為2.00 kN/m，可以滿足光伏設(shè)備的荷載要求。園區(qū)有2處規(guī)模較大的停車場(chǎng)，適合新建光伏車棚。園區(qū)樓宇間路燈遮擋嚴(yán)重，不適宜改造為光伏路燈，因此考慮僅將主路兩側(cè)100 根路燈替換為光伏路燈。園區(qū)1#樓西側(cè)至外墻的空地可布置儲(chǔ)能預(yù)制倉(cāng)。

3.2 變配電系統(tǒng)

園區(qū)現(xiàn)有5座10 kV開(kāi)關(guān)站，各樓內(nèi)均有變配電室，內(nèi)部設(shè)置的變壓器有3種容量（1 600 kVA、2 000 kVA及2 500 kVA）。這次光伏和儲(chǔ)能均采用380 V并網(wǎng)接入各棟樓內(nèi)變壓器低壓側(cè)。

3.3 光伏方案

1#～5#樓屋頂均為60 m×60 m的正方形建筑，女兒墻最高為1.6 m。各棟樓屋頂閑置面積統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6，總面積為4 562 m（其余面積已布置了制冷設(shè)備外機(jī)或管道）。新增光伏采用市場(chǎng)主流單晶硅組件，裝機(jī)容量為500 W/塊，光伏配置見(jiàn)表7。共安裝光伏板760 塊，總裝機(jī)容量為380 kW，年平均利用小時(shí)數(shù)按1 200 h計(jì)算，預(yù)計(jì)年發(fā)電量為456 000 kW·h。

表6 屋頂閑置面積統(tǒng)計(jì)表

表7 光伏配置表

采用市場(chǎng)主流單晶硅組件，裝機(jī)容量為400 W/塊，總裝機(jī)容量為485 kW（表8），年平均利用小時(shí)數(shù)按1 200 h計(jì)算，預(yù)計(jì)年發(fā)電量為582 000 kW·h。

表8 車棚光伏配置表

用80 W LED太陽(yáng)能路燈替換原有路燈，太陽(yáng)能路燈帶儲(chǔ)能鋰電池，電池容量可滿足連續(xù)5個(gè)陰雨天每天晚上12 h的照明需求。另外，路燈還配置了市電智能轉(zhuǎn)化裝置。

太陽(yáng)能路燈的年平均利用小時(shí)數(shù)按4 020 h（考慮30 d由市電供電）計(jì)算，單根太陽(yáng)能路燈預(yù)計(jì)年發(fā)電量為320 kW·h。

配置并網(wǎng)電能表及關(guān)口計(jì)量表。并網(wǎng)電能表設(shè)在并網(wǎng)點(diǎn)，關(guān)口計(jì)量表安裝在產(chǎn)權(quán)分界點(diǎn)（如果原計(jì)量表為雙向計(jì)量表，則延用原計(jì)量表）。電能表采用智能 GPRS電能表，精度不低于1.0級(jí)，電流互感器精度須滿足計(jì)量精度要求。

根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》可知，須在用戶配電所裝設(shè)滿足《電磁兼容第 4-30 部分試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)－電能質(zhì)量》（IEC6 1000-4-30-2003）標(biāo)準(zhǔn)要求的A類電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置1套（根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)要求配置，如果沒(méi)有要求，則不配置），以監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量參數(shù)（包括電壓、頻率、諧波以及功率因數(shù)等）。

光伏方陣接地：光伏電池組件不設(shè)專門(mén)避雷針（線）保護(hù)，利用組件邊框及接地線可靠地連接各組件，在組件陣列末端使用專用接地線連接至屋面接地網(wǎng)，形成屋面防雷接地系統(tǒng)。

設(shè)備防雷接地：逆變器及交流配電柜等裝設(shè)防雷保護(hù)器，當(dāng)雷擊產(chǎn)生的雷電流通過(guò)電涌保護(hù)器流入大地時(shí)，可起到防雷擊的作用。設(shè)備通過(guò)接地線或接地扁鋼與原接地系統(tǒng)連接，光伏系統(tǒng)接地電阻不大于4 Ω。

支架連接采用預(yù)鍍鋁鎂支架與鋁合金夾具，夾具有穩(wěn)定的耐腐蝕性和較長(zhǎng)的使用壽命。支架立柱通過(guò)U型螺栓埋入水泥墩配重塊，通過(guò)水泥墩配重塊自重穩(wěn)固支撐在混凝土屋面上，支架上連接導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌上鋪設(shè)光伏組件。

3.4 儲(chǔ)能方案

該項(xiàng)目建設(shè)儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模為100 kW/1 032 kW·h，預(yù)制艙尺寸為12.0 m×2.5 m。系統(tǒng)包括1臺(tái)100 kW的儲(chǔ)能變流器、1簇鉛碳動(dòng)力電池、電池管理系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)等設(shè)備。儲(chǔ)能系統(tǒng)配置了完善的電氣保護(hù)功能，同時(shí)配置了可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)、消防設(shè)備及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，全方位保障儲(chǔ)能與用戶的安全。

儲(chǔ)能預(yù)制倉(cāng)外殼、隔熱保溫材料以及內(nèi)外部裝飾材料等均為阻燃材料。倉(cāng)內(nèi)配套包括照明、通風(fēng)以及消防系統(tǒng)等基本安全保護(hù)設(shè)施。儲(chǔ)能預(yù)制倉(cāng)內(nèi)分為電池倉(cāng)與電氣倉(cāng)，電池倉(cāng)內(nèi)置電池架用于安裝電池以及配套電池管理系統(tǒng)，電氣倉(cāng)中放置所需電氣設(shè)備（例如匯流箱等）。

儲(chǔ)能系統(tǒng)采用單塊容量為24 Ah的鉛碳動(dòng)力電池，將8塊電池并聯(lián)組成電池模塊，每個(gè)電池模塊為12 V/192 Ah。整簇電池的模塊排列矩陣為56串8并，共1簇，總計(jì)3 584塊電芯。

單箱電池電量如公式（5）所示。

單日放電量如公式（6）所示。

單日充電量如公式（7）所示。

3.5 接入系統(tǒng)

該項(xiàng)目發(fā)電量消納方式為自發(fā)自用，余電上網(wǎng)形式，根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司《分布式電源接入配電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)規(guī)范》可知，項(xiàng)目選用380 V單點(diǎn)接入用戶配電室方案。屋頂光伏、車棚光伏及儲(chǔ)能系統(tǒng)就近接入各樓內(nèi)變配電系統(tǒng)， 電纜敷設(shè)利用原有路由，從屋頂引至變配電室。這次光伏發(fā)電量均供24 h運(yùn)行的負(fù)荷消納。路燈原有配電系統(tǒng)不變，替換后的路燈接入原系統(tǒng)。路燈儲(chǔ)能不上網(wǎng)，只供路燈光源使用。

4 碳排放核算

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《溫室氣體排放核算與報(bào)告要求 數(shù)據(jù)中心》（T/EES 0001—2021）中規(guī)定了數(shù)據(jù)中心溫室氣體排放的核算邊界和核算方法。核算步驟如下：1） 確定核算邊界，識(shí)別溫室氣體排放源和溫室氣體種類。2） 收集活動(dòng)數(shù)據(jù)。3） 選擇和獲取排放因子數(shù)據(jù)。4） 分別計(jì)算購(gòu)入的電力和熱力產(chǎn)生的碳排量、天然氣燃燒排放量、柴油燃燒排放量以及輸出的電力和熱力產(chǎn)生的排放量。5） 匯總計(jì)算報(bào)告主體溫室氣體排放量。核算方法為數(shù)據(jù)中心消費(fèi)的購(gòu)入電力、熱力所對(duì)應(yīng)的排放量與天然氣、柴油燃燒排放量的和，同時(shí)扣除輸出的電力、熱力所對(duì)應(yīng)的排放量。其中，電力所產(chǎn)生的排放量如式（8）所示。

式中：為電力產(chǎn)生的排放量，tCO；為電力，MW·h；為電網(wǎng)年平均供電排放因子，tCO/ MW·h。

根據(jù)上海市生態(tài)環(huán)境局關(guān)于印發(fā)《上海市低碳示范創(chuàng)建工作方案》的指導(dǎo)意見(jiàn)可知，碳排放量的核算方法如下：碳排放量=∑能源使用活動(dòng)水平數(shù)據(jù)×排放系數(shù)-碳匯面積×固碳系數(shù)其中，電力活動(dòng)水平數(shù)據(jù)可扣減區(qū)域內(nèi)的可再生能源上網(wǎng)電量。根據(jù)2019—2021年華東電網(wǎng)區(qū)域排放系數(shù)可知，電力活動(dòng)的排放系數(shù)取7.035×10tCO/kW·h。上海市2021年工商業(yè)用電峰時(shí)0.912 元/kW·h，平時(shí)0.562 元/kW·h，谷時(shí)0.270 元/kW·h。峰、平時(shí)間段加權(quán)電價(jià)約為0.820元/kW·h。

該項(xiàng)目光伏系統(tǒng)年總發(fā)電量見(jiàn)表9。該光伏項(xiàng)目實(shí)施后的節(jié)能效益詳見(jiàn)表10，可實(shí)現(xiàn)年碳減排量為752.745 tCO，節(jié)省電費(fèi)87.74 萬(wàn)元。由數(shù)據(jù)可知，在光伏系統(tǒng)改造后，減碳及經(jīng)濟(jì)效果顯著。

表9 光伏系統(tǒng)總發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表

表10 光伏系統(tǒng)節(jié)能效益

儲(chǔ)能系統(tǒng)在谷時(shí)充電，在峰時(shí)段、平時(shí)段放電。計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)節(jié)約電費(fèi)約為14.25 萬(wàn)元/a，如公式（9）所示。由計(jì)算結(jié)果可知，在儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行后，可以達(dá)到節(jié)約電費(fèi)的目的。

5 雙碳管理平臺(tái)

將數(shù)據(jù)中心園區(qū)DCIM管理平臺(tái)升級(jí)為基于BIM的雙碳節(jié)能管理平臺(tái)。平臺(tái)能夠?qū)⒂脩舻奶寂欧胖笜?biāo)與用能設(shè)施（直接排放、間接排放和其他間接）及生產(chǎn)流程中各個(gè)用能排放的環(huán)節(jié)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而更直觀地展示碳排放指標(biāo)與節(jié)能降碳的工作成效。平臺(tái)加載了強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠保證數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。光伏系統(tǒng)的發(fā)電量、儲(chǔ)能裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)均上傳至平臺(tái)，由數(shù)據(jù)中心園區(qū)運(yùn)維人員統(tǒng)一進(jìn)行管理和維護(hù)。

6 結(jié)語(yǔ)

依托國(guó)家和地方“雙碳”政策，在數(shù)據(jù)中心園區(qū)開(kāi)展光伏及儲(chǔ)能等技術(shù)的試點(diǎn)應(yīng)用，一方面通過(guò)增加可再生能源上網(wǎng)電量節(jié)省外購(gòu)電降碳，另一方面通過(guò)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”節(jié)省電費(fèi)降碳的目標(biāo)。對(duì)碳減排量及節(jié)能效益進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行量化分析，再通過(guò)雙碳管理平臺(tái)直觀地呈現(xiàn)減碳成效。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，數(shù)據(jù)中心要實(shí)現(xiàn)零碳，就必須從源頭降低碳排放，提高清潔能源的使用率，分布式光伏必將成為電力峰值調(diào)節(jié)、補(bǔ)充電力的重要手段之一。未來(lái)數(shù)據(jù)中心和能源結(jié)合的大型項(xiàng)目會(huì)逐步增加，通過(guò)日間發(fā)電、余電上網(wǎng)的形式對(duì)多余的電力進(jìn)行儲(chǔ)能或者形成綠色證書(shū)，可抵消夜間電力的消耗。在理想化的假設(shè)條件下，分布式光伏可滿足數(shù)據(jù)中心1%～2%的日耗電量。儲(chǔ)能作為電力負(fù)荷調(diào)節(jié)、平滑峰谷電差的重要手段，其應(yīng)用率有望持續(xù)提升。未來(lái)隨著儲(chǔ)能價(jià)格的進(jìn)一步下降，光儲(chǔ)配比也將呈上升趨勢(shì)。