太阳能光伏系统在数据中心工程设计中的应用

太阳能光伏系统在数据中心

工程设计中的应用广东省电信规划设计院有限公司建筑设计研究院摘要进入21世纪以来，人类社会正面临着一系列重大的挑战。全球经济发展，人口迅速增加，使人类对能源的需求量不断增加。在过去20年中，全世界能源消耗量增加了40%，其中85%以上使用的是矿物燃料。按目前探明的储藏与开发速度的比例计算，到本世纪中叶，人类必将面临矿物燃料枯竭的局面。为了减少大气污染、保护人类生态环境、保证能源的长期稳定供应，必须实施可持续发展战略，逐步改变现有的能源结构，大力开发利用新能源。在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能光伏发电。目前在我国，太阳能光伏发电多应用于路灯、住宅等用电负荷小、光伏发电输出功率较低的场合，而大型的光伏系统，如鸟巢体育馆等案例则数量较少。在数据中心使用太阳能光伏系统在我国则基本为空白。基于此现状，本文阐述了华南某数据中心太阳能光伏系统的设计，为类似的工程设计提供了参考。关键词太阳能光伏系统光伏组件光伏方阵太阳能控制器蓄电池逆变器引言近几年来，我国光伏产业经历了高速发展期。特别是在2007年，我国光伏产业呈现出爆发式增长，使得我国一跃成为全球第一大生产国。另外，高纯多晶硅技术以及其他许多关键生产技术装备的研发和国产化工作也取得了长足的发展。在太阳能光伏系统应用的范围上，我国仍与发达国家存在差距。以日本为例，工厂、学校、商业建筑、政府大楼、住宅等建筑都已大量应用太阳能光伏系统。而在欧美，已有部分数据中心开始应用太阳能光伏系统，其中美国凤凰城新建的数据中心安装了占地11英亩的光伏方阵，输出功率达4.5MW。目前，我国在数据中心应用太阳能光伏系统的案例极少，其原因较为复杂，最重要的一点是数据中心用电负荷大，且对供电等级要求较高。鉴于此，本设计中的光伏系统主要对数据中心的部分照明负荷进行供电，以达到环保节能又不影响数据中心设备供电安全的目的。本文从太阳能光伏系统的原理、类型开始，详细阐述了太阳能光伏系统的组成，并以华南某数据中心的太阳能光伏系统的设计为例进行了具体说明。

1.太阳能光伏系统介绍1・1・太阳能光伏系统的原理太阳能光伏系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。太阳能电池是光伏系统中最重要的一环，它是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅等。以晶硅为例说明原理：P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结；当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成电位差；当外接电路连通时，P-N结将输出一定的功率。输出的电能经逆变后可对交流负荷进行供电。太阳能发电的主要优点在于：太阳能电池可以设置在房顶等平时不使用的空间，无噪音、寿命长，而且一旦设置完毕就几乎不要需要调整。目前，太阳能的利用存在着巨大的发展空间，有关的技术有可能在未来几年内实现突破。T太阳能=5统XrIDPVSYSTEN)独立太阳能光伏系统与外部电网相隔离，与外部电网没有电能的交换。独立太阳能光伏系统根据用电负荷的特点，可分为直流系统、交流系统和交直流混合系统等几种，其主要区别是系统中是否带有逆变器。一般而言，独立太阳能光伏系统主要由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、交直流逆变器等部分组成。独立太阳能光伏系统示意图见图1.1。图1.1独立太阳能光伏系统(2)并网太阳能光伏系统(ON-GRIDPVSYSTEN)并网太阳能光伏系统与外部电网连接，与外部电网有电能的交换。并网太阳能光伏系统可分为集中式大型并网光伏系统和分散式小型并网光伏系统。大由电网统一调配向用户供多余或不足的电力通过型并网光伏光伏电站的主要特点是所发电能被直接输送到电网上，电；分散式小型并网系统将所发电能直接分配到用户的用电负载上，了解电网来调节。并网太阳能光伏系统示意图见图1.2由电网统一调配向用户供多余或不足的电力通过图1.2并网太阳能光伏系统在本次设计中，将使用独立太阳能光伏系统，因此下文主要将围绕独立太阳能光伏系统展开。1.3.太阳能光伏系统的发展太阳能光伏发电目前显现出以下发展趋势：太阳能电池产量及装机容量快速增长太阳能光伏产业是世界发展速度最快的行业之一。为实现能源和环境的可持续发展，世界各国均将太阳能光伏发电作为新能源与可再生能源发展的重点。在各国政府的大力扶持下，世界太阳能光伏产业发展迅猛。2000年以后，全球太阳能电池产量以年均40%左右的速度增长。其中，中国的年增长率则高达100%以上。2008年，中国超过了之前一直居全球市场份额首位的日本，成为全球第一大生产国。晶体硅光伏电池技术持续进步，薄膜光伏电池技术加快研发晶体硅光伏电池的效率在不断提高，而厚度在持续降低，从而使太阳能光伏系统的效率提升，成本降低。另一方面，薄膜光伏电池的研发取得了新的进展，并开始积极推进生产线和示范项目的建设。薄膜光伏电池作为一种新型光伏电池，由于其原材料来源广泛、生产成本低、便于大规模生产，因而具有广阔的市场前景。据权威机构预测，市场对于薄膜光伏电池的需求增长速度将是传统硅片光伏电池的2倍。随着大尺寸的玻璃基板薄膜光伏电池投入市场，将极大地加速光伏建筑一体化、屋顶并网发电系统等的推广和普及。设计要点2.系统构成独立太阳能发电系统由光伏组件、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220/380V,还需要配置逆变器。各部分的作用为：光伏组件（太阳能电池板）：光伏组件是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。光伏组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。由若干个光伏组件在机械和电气上按一定方式组装在一起并且有固定的支撑结构而构成的发电单元称为光伏方阵（太阳能电池组）。太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。逆变器：在很多场合，都需要提供220/380V交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220/380VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能等。图2.1为独立太阳能光伏系统的结构图。太E日^皂发电系统图2.1独立太阳能光伏系统结构图

3.计算系统设计方案本工程太阳能光伏系统结线图如图3.3所示:I蹴配电箱（八尉U:I蹴配电箱（八尉1.rn956A9921504mm»/2八p*iiJt«#L15DFJ*.Mrt>；14kW.2.»1DOOM.*'D8+*<,M*2I6V/100醐.图3.3太阳能光伏系统结线图总体说明1，本工程使用独立太阳能光伏系统。为保证照明负荷供电不因太阳能光伏系统蓄电池电量耗完而中断，在末端配电箱安装太阳能/市电切换器，当蓄电池电压过低时切换至市电，确保照明供电不中断和蓄电池不过放损坏。根据建筑专业规划，光伏方阵占用天面面积约150平方米。由于天面有其他设备，因而把光伏方阵设置于大楼天面的南侧。如图3.1所示（图中斜杠区域为光伏方阵区域）：

图3.1光伏方阵区域而且功率不足以供给大而且容量较小的本楼八负荷性质：由于太阳能供电稳定性不如市电和柴油发电机，型设备，因此本工程中太阳能光伏系统所供负荷为重要性等级较低，层的照明负荷。而且功率不足以供给大而且容量较小的本楼八5.设备选型5」.设备规格和配置根据建筑专业提供的光伏方阵占用面积计算太阳能光伏系统的容量和规模，得本工程的光伏设备配置如下：（1）光伏方阵选用1956x992x50（mm）/240Wp单晶硅光伏组件，8个光伏组件为一组串联，共7组并联，共56个光伏组件组成光伏方阵，占用天面面积约150平方米。尖峰功率为13.4kW。光伏组件额定输出电压：35V（2）太阳能深循环蓄电池单体2V/1000AH，共110个串联。蓄电池组输出220V/1000AH。放电深度〉80%太阳能控制器输入额定电压：DC220V额定电流：60A需具有防反充、保护蓄电池避免过充过放功能逆变器额定功率：15kW输入额定电压：DC220V保护电池关机电压：88/176输出电压范围：三相380Vd2%输出频率范围：50Hz/60Hz±05Hz逆变效率(80%阻性负载)：〉90%保护功能：电池反接保护、过载/短路保护、电池欠压保护、过温保护⑸太阳能/市电切换器额定电流：32A极数：4极具有欠压保护功能，避免电池过放造成损坏6-设备安装光伏方阵安装说明：光伏组件的安装朝向为正南向。该数据中心的纬度约为北纬23度，为降低冬夏日光辐射量的差距，光伏组件的倾角设定为30度。光伏组件安装间距的确定原则是：冬至当天早9:00至下午3:00,后排光伏组件不应被前排光伏组件的影子所遮挡。经计算，得光伏组件间距约为1.4m。光伏组件的安装示意图如图3.2所示。///////////////////厂光伏经件安装示意W^:酣尺寸计斛胱计删.函厂累醺图3.2光伏组件安装示意图图3.2中表示了太阳能光伏系统各部分的结线设计，其中对开关、线缆都有了明确标注。本工程太阳能光伏系统配电平面图如图3.4所示：④◎⑦⑤⑥衍总人畴魏^驰平确④◎⑦⑤⑥衍总人畴魏^驰平确图3.4太阳能光伏系统配电平面图6」・防雷接地光伏系统应符合以下防雷和接地保护的要求。支架、紧固件等正常时不带电金属材料应采取等电位联结措施和防雷措施。安装在天面层的光伏组件，采用金属固定构件时，每排（列）金属构件均应可靠联结，且与建筑物屋顶避雷装置有不少于两点可靠联结；若光伏组件采用非金属固定构件，并且不在屋顶避雷装置保护范围之内时，应单独加装避雷装置。光伏组件应采取严格措施防直击雷和雷击电磁脉冲，防止建筑光伏系统和电气系统遭到破坏。光伏系统除应遵守《建筑物防雷设计规范》GB50057的相关规定外，还应根据《光伏（PV发电系统过电压保护导则》SJ/T11127的相关规定，采取专项过电压保护措施。7.结论7.结论本文通过对华南某数据中心工程设计中的太阳能光伏系统的详细说明，给出了一个典型的数据中心太阳能光伏系统的整体结构和具体设计，为我国的类似工程提供了一个可供参考的案例。从本工程中我们可归纳得到在数据中心应用太阳能光伏系统的必要条件，包括：1，天面有足够的面积可供安装光伏方阵，且四周不应有阻隔阳光的物体。2，必须有足够面积和承重的太阳能电力电池室以放置设备和蓄电池组。3，不宜在纬度过高的地区建设太阳能光伏系统。目前，太阳能光伏系统的发展仍面临着相当多的挑战，主要包括：1，产业发展速度快，但科技水平提高慢，两方面缺乏协调。2，光伏组件生产成本仍处于高位，阻碍太阳能光伏发电的普及。3，标准、规范、产品检测体系、质量保证体系不完善，仍需加强建设。尽管有着种种挑战和阻碍，但太阳能光伏系统仍将迅猛发展，其趋势体现在：1,随着技术进步和生产规模的扩大，光伏组件的生产成本将大幅度下降。尤其是薄膜电池的成功研发和推广，将使太阳能组件的成本和价格下调30%以上。太阳能在2030年前后具备成为战略能源的技术、成本和环境优势，2050年前后可成为重要的能源供应来源。并网太阳能光伏发电所占比例将飞速上升，成为太阳能光伏发电应用市场的主流。太阳能光伏产业的标准、规范将迅速完善，为行业的发展提供保证。参考