数据中心光伏系统技术白皮书

数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 分布式存储技术与产业分析报告 1 [编号ODCC-2022-02108] 数据中心光伏系统技术白皮书 开放数据中心标准推进委员会 2022-09发布 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 前言 数据中心是全球协作的特定网络设施，用于传递、加速、展示、计算、存储数据信息。随着国家新基建战略的提出、消费互联网的成熟、产业互联网的兴起、5G移动通信的推广、云计算与AI智能的业务增加等，数据中心市场呈爆发增长的态势。 不随着互联网、云计算等技术蓬勃发展，数字经济已经成为发展趋势。随着国家东数西算工程的逐步落地，数据中心发展迎来了新的成长空间。但由于高能耗等特征，以及国家“3060”碳中和愿景，绿色、节能、低碳已是数据中心能源的发展方向。 国内外各数据中心，根据各自的特点及具体需求，提出并实践了诸多特色的绿色能源应用方式，而太阳能作为目前最容易应用的能源形式之一得到了大规模的应用。 本白皮书分析和介绍了数据中心光伏发电系统的原理、架构、应用场景以及应用中的运维方法和常见问题，ODCC始终关注数据中心以及相关前沿技术的发展，联合相关单位共同编写本白皮书，为促进数据中心行业能源绿色发展提供参考，贡献力量。 本规范感谢以下起草单位（排名不分先后）： 百度在线网络技术（北京）有限公司、中国信息通信研究院（云大所数据中心团队）、万国数据服务有限公司、华为技术有限公司、上海科梁信息科技股份有限公司 起草人（排名不分先后）：吴双鹤、吴美希、宫伟文、刘伟民、张广河、郜登科 I 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 目录 前言I 一、引言1 二、数据中心能源现状及挑战1 三、光伏发电系统解决方案2 （一）光伏发电原理2 （二）光伏发电系统类型3 （三）光伏发电系统特点5 （四）光伏发电系统要求6 1.太阳能资源评估6 2.光伏系统发电量10 3.光伏组件及阵列13 4.并网逆变器25 5.电网对光伏发电系统的技术要求28 （五）数据中心光伏系统典型设计32 1.光资源评估与发电量计算33 2.数据中心分布式典型设计方案36 3.数据中心集中式典型设计方案39 4.数据中心BIPV光伏系统典型设计方案40 5.防雷及接地设计43 四、光伏发电系统运行维护46 （一）光伏发电系统的日常检查46 II 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 （二）光伏发电系统的定期维护46 （三）光伏阵列的检查维护47 五、光伏发电系统应用案例49 （一）数据中心光伏案例49 （二）新型太阳能案例51 六、附录54 （一）各省市2021年固定式发电最佳斜面总辐照量及利用小时数54 （二）常见问题FAQ55 III 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 一、引言 国内外各数据中心，根据各自的特点及具体需求，提出并实践了诸多特色的绿色能源应用方式，常见的有风能、太阳能、潮汐能等；而太阳能作为目前最容易应用的能源形式之一得到了大规模的应用。 本白皮书分为六个章节：第一章引言、第二章数据中心能源现状及挑战、第三章光伏发电系统解决方案、第四章光伏发电系统运行维护、第五章光伏发电系统应用案例介绍、第六章附录。 二、数据中心能源现状及挑战 根据国家能源局及中国信通院发布的《数据中心白皮书》等相关报告，2020年中国数据中心总用电量已经超过全社会用电量的2%；到2035年，中国数据中心和5G总用电量约是2020年的2.5-3倍，将占中国全社会用电量5-7%，碳排放总量约占中国碳排放量的2-4%。 图2-12021年全国各类型电力发电量 数据中心的能源供应绝大多数采用市电电网供电，其余还有小部分采用燃气等其他方式供电，而根据国家能源局公布的2021年全国火电、水电、风电、核电、光伏发电的发电量，其中火电发电量占67%；所以数据中心绝大部分都是火电供电类型。 1 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 随着碳中和政策，电力交易政策，以及将数据中心纳入高耗能行业等政策的实施，数据中心电力成本、碳排放成本越来越高，促使各个数据中心对新能源的要求极为迫切。所以数据中心行业亟须新的能源供应方式降低碳排放，实现数据中心行业“3060”目标。绿色清洁能源、高效节能技术将是数据中心未来的能源发展方向，由于光伏系统发电技术简单、无污染等作为清洁能源的诸多优点成为可规模应用的技术。 在数据中心的运营成本中，电力成本大约占到60%；加上未来的碳排放成本，用能成本的占比将更高。部分数据中心企业已开始探索提高能效、绿色低碳的 能源供应方式。 三、光伏发电系统解决方案 （一）光伏发电原理 光伏发电的工作原理是利用光伏组件的半导体光生伏特效应将光能转换成为电能。当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子-空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即“光生伏特效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成可以使用的电能。通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为光伏发电系统。 2 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 图3.1-1光伏发电原理示意图 如图3.1-1所示，光生伏特效应的基本过程：假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使产生电子-空穴对。电子向带正电的N区而空穴向带负电的P区运动，经由界面层的电荷分别，将在P区和N区之间形成一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。经由光照在界面层产生的 电子-空穴对越多，电流越大。界面层接纳的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。 （二）光伏发电系统类型 按照光伏发电系统的结构形式和区域范围的不同，可以将其分为独立、并网发电系统两种。 1、独立光伏系统 独立光伏系统主要由太阳能电池组件、充放电控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。 控DC …制 器电负 池载 离 网AC负逆 载 变 器 图3.2-1离网光伏发电系统 在光照条件较好且负载需求量相对较大的无电村镇、海岛等无电区域适宜建立独立光伏发电系统。发电系统白天对蓄电池的充电，同时对水泵等抽水、蓄水等设备供电，晚间通过蓄电池逆变放电，实现对负载的供电。 3 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 2、并网光伏系统 并网光伏系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后直接接入公共电网。主要由光伏电池组件、光伏阵列支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜、监控系统等组成。 并 网400V接 …逆入 变柜 变压器 并网柜 10kV 器补 偿 图3.2-210kV并网光伏发电系统 并网柜 并 网400V …逆 变 器补 偿 图3.2-3400V并网光伏发电系统3、光伏发电系统的分类 1）按并网电压等级：400V、10kV等电压等级的并网发电系统，如图3.2-2、图3.2-3所示。 2）按是否具备调度性：分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。 4 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 带有蓄电池的并网发电系统：具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑中。 不带蓄电池的并网发电系统：不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。 3）按规模：分为集中式并网光伏发电系统和分布式并网光伏发电系统。 集中式并网光伏发电系统，是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。具有发电系统投资大、建设周期长、占地面积大的特点。 分布式并网光伏发电系统：是指在用户现场或靠近用电现场配置较小的光伏发电供电系统，以满足特定用户的需求，支持现存配电网的经济运行，或者同时满足这两个方面的要求，具有投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流发电系统。 （三）光伏发电系统特点 太阳能是可再生能源，具有充分的清洁性、安全性、广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。 与常用的火力发电系统相比，光伏发电的优点主要体现在： ①无枯竭危险，能量巨大； ②清洁安全，无噪声，无污染； ③不受资源分布地域的限制，无需消耗燃料即可就地发电供电； ④建设周期短。 不过，光伏发电系统也有如下缺点： 5 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 ①照射的能量分布密度小，即要占用大量面积； ②不稳定性，与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关； ③发电成本较高； ④光伏组件制造过程中有一定的污染。 （四）光伏发电系统要求 1.太阳能资源评估 太阳能资源的评估数据主要包括项目所在地气象条件，即日照、气温、风速、风向等数据，主要从太阳辐射量、日照小时数、资源稳定程度、年发电量等角度评估太阳能资源。 （1）太阳辐射量 太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时。 6 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 图3.4-12021年全国年水平面总辐照量距平分布(单位:kWh/m²) 根据国标GB/T37526-2019《太阳能资源评估方法》，以及中国气象局风能太阳能评估中心推荐的国内太阳能资源地区分类办法，共分四类，如表3.4.1所示。 表3.4.1太阳能资源丰富程度等级 等级名称 年总辐射量MJ/m² 年总辐射量kWh/m² 等级符号 资源最丰富 ≥6300 ≥1750 A 资源很丰富 5040~6300 1400~1750 B 资源丰富 3780~5040 1050~1400 C 资源一般 ＜3780 ＜1050 D 7 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 如图3.4-1所示，2021年，新疆、西藏、西北中部和西部、西南西部、内蒙古中部和西部、华北西北部、华南东南部、华东南部部分地区年水平面总辐照量超过1400kWh/m²。 其中，西藏大部、四川西部、内蒙古西部、青海西北部等地的局部地区年水平面总辐照量超过1750kWh/m²，太阳能资源最丰富； 新疆大部、内蒙古中部和西部、西北中部和西部、山西北部、河北北部、西藏东部、云南大部、福建南部、广东东部、海南大部等地年水平面总辐照量为1400kWh/m²-1750kWh/m²太阳能资源很丰富； 西北东南部、内蒙古东北部、东北大部、华北东部南部、华东大部、广西、广东西部、华中大部、四川中部、云南东部及贵州西南部等地年水平面总辐照量为1050kWh/m²-1400kWh/m²，太阳能资源丰富； 四川东部、重庆、贵州中北部、湖南西北部及湖北西南部地区不足1050kWh/m²为太阳能资源一般区。 （2）日照小时数 日照小时数是太阳直射光实际照射的时间，以小时为单位。 8 数据中心光伏系统技术白皮书ODCC-2022-02108 图3.4-22021年全国固定式光伏发电首年利用小时数分布(单位:小时) 如图3.4-2所示，2021年，新疆、内蒙古、西藏、东北、华北、西北大部、西南中西部、华东北部南部、华南东部、华中北部等地年最佳斜面总辐照量超过1400kWh/m²首年利用小时数在1100小时以上。 其中，新疆东南部、西藏、内蒙古大部、西北西部、西南西部等地年最佳斜面总辐照量超过1800kWh/m²，首年利用小时数在1500小时以上，西藏中南部部分地区首年利用小时数超过1900小时