趙春紅

（上海郵電設計咨詢研究院有限公司，上海 200433）

0 前言

雙碳政策下，國家著力推動電力、鋼鐵以及化工等重點領域和重點用能單位節(jié)能降碳，力爭二氧化碳排放在2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。據(jù)統(tǒng)計，2019年數(shù)據(jù)中心耗電量已達到社會總用電量的1.5%～2.0%。數(shù)據(jù)中心作為重點用能單位，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、車棚頂面和空閑場地等適宜空間安裝光伏發(fā)電設施和儲能設備。該文以筆者參與的上海市某數(shù)據(jù)中心園區(qū)綠色能源試點項目為例，從方案實施、系統(tǒng)接入、碳排放核算以及雙碳管理平臺等方面進行詳細闡述，對分布式光伏和儲能技術的應用成效進行定性、定量分析，可為類似項目提供參考。

1 分布式光伏

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

1.1 機柜能耗分析

單臺標準機柜耗電量如公式（1）所示。

式中：為單機柜每年耗電量，kW·h/a；為單機柜標準功率，kW；為運行時長，h；為負載率，%；為數(shù)據(jù)中心能源效率指標。

例如1個6 kW的標準機柜，每日運行時長為24 h，平均負載率為70%，當=1.3時，每日耗電量為131 kW·h，耗能計算見表1，每度電對應的能源消耗指標取值見表2。

表1 6 kW機柜能耗計算表

表2 每度電對應能耗指標

1.2 經(jīng)濟分析

光伏組件及配套設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。晶體硅是當前制作太陽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，轉化效率高，占據(jù)最大的市場份額。光伏并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵設備，對提高光伏系統(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、高效且靈活地運行，就需要在并網(wǎng)點安裝易操作、具有明顯斷開指示且具備開斷故障電流能力的并網(wǎng)專用開關。斷路器應具備電源端與負荷端反接能力，還需要具備短路瞬時、長延時等保護功能。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知，當前分布式光伏系統(tǒng)初始全投資額約為3.38 元/W，造價組成見表3。

表3 分布式光伏單瓦造價表

數(shù)據(jù)中心常規(guī)用電電費是按時段計價的，峰谷價差較大。以上海市為例，2021年上海工商業(yè)價格時分表見表4。根據(jù)峰平電力使用時長計算加權平均電價為0.82 元。分布式光伏日發(fā)電總量估算見表5。

表4 2021年上海工商業(yè)電費價格表

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 萬元，每年可節(jié)約電費26.2 萬元。

2 儲能

當前還沒有關于數(shù)據(jù)中心配置儲能容量的硬性規(guī)定，但近期國內多地對新增光伏項目儲能配比提出了最低比例要求，一般是裝機容量的5%～20%。

儲能系統(tǒng)的主要作用如下：1） 當數(shù)據(jù)中心整體電力指標不足時，用作電量的補充手段。2） 對電力峰谷價差差別較大的地區(qū)來說，通過谷值充電、峰值放電的方式平衡電價。

根據(jù)廠家資料可知，以單塊12 V/20 Ah的鉛碳動力電池為例，儲能系統(tǒng)的相應計算如公式（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 試點項目實施

該數(shù)據(jù)中心園區(qū)綠色能源試點項目位于上海市。為了充分推進 “雙碳”工作，加快零碳技術的試點建設，根據(jù)“應裝盡裝”的原則，對園區(qū)屋頂、停車場以及照明燈桿等場景進行光伏改造，同時選取一處室外空地進行儲能試點應用。

3.1 場地分析

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

3.2 變配電系統(tǒng)

園區(qū)現(xiàn)有5座10 kV開關站，各樓內均有變配電室，內部設置的變壓器有3種容量（1 600 kVA、2 000 kVA及2 500 kVA）。這次光伏和儲能均采用380 V并網(wǎng)接入各棟樓內變壓器低壓側。

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)計見表6，總面積為4 562 m（其余面積已布置了制冷設備外機或管道）。新增光伏采用市場主流單晶硅組件，裝機容量為500 W/塊，光伏配置見表7。共安裝光伏板760 塊，總裝機容量為380 kW，年平均利用小時數(shù)按1 200 h計算，預計年發(fā)電量為456 000 kW·h。

表6 屋頂閑置面積統(tǒng)計表

表7 光伏配置表

采用市場主流單晶硅組件，裝機容量為400 W/塊，總裝機容量為485 kW（表8），年平均利用小時數(shù)按1 200 h計算，預計年發(fā)電量為582 000 kW·h。

表8 車棚光伏配置表

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

太陽能路燈的年平均利用小時數(shù)按4 020 h（考慮30 d由市電供電）計算，單根太陽能路燈預計年發(fā)電量為320 kW·h。

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

根據(jù)《國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術規(guī)定》可知，須在用戶配電所裝設滿足《電磁兼容第 4-30 部分試驗和測量技術－電能質量》（IEC6 1000-4-30-2003）標準要求的A類電能質量在線監(jiān)測裝置1套（根據(jù)當?shù)仉娋W(wǎng)要求配置，如果沒有要求，則不配置），以監(jiān)測電能質量參數(shù)（包括電壓、頻率、諧波以及功率因數(shù)等）。

光伏方陣接地：光伏電池組件不設專門避雷針（線）保護，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)。

設備防雷接地：逆變器及交流配電柜等裝設防雷保護器，當雷擊產(chǎn)生的雷電流通過電涌保護器流入大地時，可起到防雷擊的作用。設備通過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的使用壽命。支架立柱通過U型螺栓埋入水泥墩配重塊，通過水泥墩配重塊自重穩(wěn)固支撐在混凝土屋面上，支架上連接導軌，在導軌上鋪設光伏組件。

3.4 儲能方案

該項目建設儲能系統(tǒng)規(guī)模為100 kW/1 032 kW·h，預制艙尺寸為12.0 m×2.5 m。系統(tǒng)包括1臺100 kW的儲能變流器、1簇鉛碳動力電池、電池管理系統(tǒng)及能量管理系統(tǒng)等設備。儲能系統(tǒng)配置了完善的電氣保護功能，同時配置了可燃氣體監(jiān)測、消防設備及火災報警系統(tǒng)，全方位保障儲能與用戶的安全。

儲能預制倉外殼、隔熱保溫材料以及內外部裝飾材料等均為阻燃材料。倉內配套包括照明、通風以及消防系統(tǒng)等基本安全保護設施。儲能預制倉內分為電池倉與電氣倉，電池倉內置電池架用于安裝電池以及配套電池管理系統(tǒng)，電氣倉中放置所需電氣設備（例如匯流箱等）。

儲能系統(tǒng)采用單塊容量為24 Ah的鉛碳動力電池，將8塊電池并聯(lián)組成電池模塊，每個電池模塊為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)國家電網(wǎng)公司《分布式電源接入配電網(wǎng)相關技術規(guī)范》可知，項目選用380 V單點接入用戶配電室方案。屋頂光伏、車棚光伏及儲能系統(tǒng)就近接入各樓內變配電系統(tǒng)， 電纜敷設利用原有路由，從屋頂引至變配電室。這次光伏發(fā)電量均供24 h運行的負荷消納。路燈原有配電系統(tǒng)不變，替換后的路燈接入原系統(tǒng)。路燈儲能不上網(wǎng)，只供路燈光源使用。

4 碳排放核算

團體標準《溫室氣體排放核算與報告要求 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，識別溫室氣體排放源和溫室氣體種類。2） 收集活動數(shù)據(jù)。3） 選擇和獲取排放因子數(shù)據(jù)。4） 分別計算購入的電力和熱力產(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） 匯總計算報告主體溫室氣體排放量。核算方法為數(shù)據(jù)中心消費的購入電力、熱力所對應的排放量與天然氣、柴油燃燒排放量的和，同時扣除輸出的電力、熱力所對應的排放量。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)境局關于印發(fā)《上海市低碳示范創(chuàng)建工作方案》的指導意見可知，碳排放量的核算方法如下：碳排放量=∑能源使用活動水平數(shù)據(jù)×排放系數(shù)-碳匯面積×固碳系數(shù)其中，電力活動水平數(shù)據(jù)可扣減區(qū)域內的可再生能源上網(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0.912 元/kW·h，平時0.562 元/kW·h，谷時0.270 元/kW·h。峰、平時間段加權電價約為0.820元/kW·h。

該項目光伏系統(tǒng)年總發(fā)電量見表9。該光伏項目實施后的節(jié)能效益詳見表10，可實現(xiàn)年碳減排量為752.745 tCO，節(jié)省電費87.74 萬元。由數(shù)據(jù)可知，在光伏系統(tǒng)改造后，減碳及經(jīng)濟效果顯著。

表9 光伏系統(tǒng)總發(fā)電量統(tǒng)計表

表10 光伏系統(tǒng)節(jié)能效益

儲能系統(tǒng)在谷時充電，在峰時段、平時段放電。計算儲能系統(tǒng)節(jié)約電費約為14.25 萬元/a，如公式（9）所示。由計算結果可知，在儲能系統(tǒng)運行后，可以達到節(jié)約電費的目的。

5 雙碳管理平臺

將數(shù)據(jù)中心園區(qū)DCIM管理平臺升級為基于BIM的雙碳節(jié)能管理平臺。平臺能夠將用戶的碳排放指標與用能設施（直接排放、間接排放和其他間接）及生產(chǎn)流程中各個用能排放的環(huán)節(jié)進行關聯(lián)，從而更直觀地展示碳排放指標與節(jié)能降碳的工作成效。平臺加載了強大的計算能力，能夠保證數(shù)據(jù)分析的準確性。光伏系統(tǒng)的發(fā)電量、儲能裝置的運行數(shù)據(jù)以及設備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)均上傳至平臺，由數(shù)據(jù)中心園區(qū)運維人員統(tǒng)一進行管理和維護。

6 結語

依托國家和地方“雙碳”政策，在數(shù)據(jù)中心園區(qū)開展光伏及儲能等技術的試點應用，一方面通過增加可再生能源上網(wǎng)電量節(jié)省外購電降碳，另一方面通過儲能實現(xiàn)“削峰填谷”節(jié)省電費降碳的目標。對碳減排量及節(jié)能效益進行計算，并對計算結果進行量化分析，再通過雙碳管理平臺直觀地呈現(xiàn)減碳成效。

長遠來看，數(shù)據(jù)中心要實現(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節(jié)、補充電力的重要手段之一。未來數(shù)據(jù)中心和能源結合的大型項目會逐步增加，通過日間發(fā)電、余電上網(wǎng)的形式對多余的電力進行儲能或者形成綠色證書，可抵消夜間電力的消耗。在理想化的假設條件下，分布式光伏可滿足數(shù)據(jù)中心1%～2%的日耗電量。儲能作為電力負荷調節(jié)、平滑峰谷電差的重要手段，其應用率有望持續(xù)提升。未來隨著儲能價格的進一步下降，光儲配比也將呈上升趨勢。