太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心

工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司建筑設(shè)計(jì)研究院摘要進(jìn)入21世紀(jì)以來，人類社會(huì)正面臨著一系列重大的挑戰(zhàn)。全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人口迅速增加，使人類對(duì)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(chǔ)藏與開發(fā)速度的比例計(jì)算，到本世紀(jì)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(hù)人類生態(tài)環(huán)境、保證能源的長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)，必須實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，逐步改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，大力開發(fā)利用新能源。在新能源中，公認(rèn)技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的是太陽(yáng)能光伏發(fā)電。目前在我國(guó)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電多應(yīng)用于路燈、住宅等用電負(fù)荷小、光伏發(fā)電輸出功率較低的場(chǎng)合，而大型的光伏系統(tǒng)，如鳥巢體育館等案例則數(shù)量較少。在數(shù)據(jù)中心使用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在我國(guó)則基本為空白?；诖爽F(xiàn)狀，本文闡述了華南某數(shù)據(jù)中心太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為類似的工程設(shè)計(jì)提供了參考。關(guān)鍵詞太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)光伏組件光伏方陣太陽(yáng)能控制器蓄電池逆變器引言近幾年來，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了高速發(fā)展期。特別是在2007年，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，使得我國(guó)一躍成為全球第一大生產(chǎn)國(guó)。另外，高純多晶硅技術(shù)以及其他許多關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)裝備的研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化工作也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)應(yīng)用的范圍上，我國(guó)仍與發(fā)達(dá)國(guó)家存在差距。以日本為例，工廠、學(xué)校、商業(yè)建筑、政府大樓、住宅等建筑都已大量應(yīng)用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。而在歐美，已有部分?jǐn)?shù)據(jù)中心開始應(yīng)用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，其中美國(guó)鳳凰城新建的數(shù)據(jù)中心安裝了占地11英畝的光伏方陣，輸出功率達(dá)4.5MW。目前，我國(guó)在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的案例極少，其原因較為復(fù)雜，最重要的一點(diǎn)是數(shù)據(jù)中心用電負(fù)荷大，且對(duì)供電等級(jí)要求較高。鑒于此，本設(shè)計(jì)中的光伏系統(tǒng)主要對(duì)數(shù)據(jù)中心的部分照明負(fù)荷進(jìn)行供電，以達(dá)到環(huán)保節(jié)能又不影響數(shù)據(jù)中心設(shè)備供電安全的目的。本文從太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的原理、類型開始，詳細(xì)闡述了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成，并以華南某數(shù)據(jù)中心的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了具體說明。

1.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)介紹1?1?太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的原理太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)是利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能電池是光伏系統(tǒng)中最重要的一環(huán)，它是一種對(duì)光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)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(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結(jié)；當(dāng)光線照射太陽(yáng)電池表面時(shí)，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(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結(jié)兩側(cè)集聚形成電位差；當(dāng)外接電路連通時(shí)，P-N結(jié)將輸出一定的功率。輸出的電能經(jīng)逆變后可對(duì)交流負(fù)荷進(jìn)行供電。太陽(yáng)能發(fā)電的主要優(yōu)點(diǎn)在于：太陽(yáng)能電池可以設(shè)置在房頂?shù)绕綍r(shí)不使用的空間，無噪音、壽命長(zhǎng)，而且一旦設(shè)置完畢就幾乎不要需要調(diào)整。目前，太陽(yáng)能的利用存在著巨大的發(fā)展空間，有關(guān)的技術(shù)有可能在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)突破。T太陽(yáng)能=5統(tǒng)XrIDPVSYSTEN)獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)與外部電網(wǎng)相隔離，與外部電網(wǎng)沒有電能的交換。獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)根據(jù)用電負(fù)荷的特點(diǎn)，可分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)等幾種，其主要區(qū)別是系統(tǒng)中是否帶有逆變器。一般而言，獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池方陣、控制器、蓄電池組、交直流逆變器等部分組成。獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)示意圖見圖1.1。圖1.1獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)(2)并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)(ON-GRIDPVSYSTEN)并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)與外部電網(wǎng)連接，與外部電網(wǎng)有電能的交換。并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可分為集中式大型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)和分散式小型并網(wǎng)光伏系統(tǒng)。大由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供多余或不足的電力通過型并網(wǎng)光伏光伏電站的主要特點(diǎn)是所發(fā)電能被直接輸送到電網(wǎng)上，電；分散式小型并網(wǎng)系統(tǒng)將所發(fā)電能直接分配到用戶的用電負(fù)載上，了解電網(wǎng)來調(diào)節(jié)。并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)示意圖見圖1.2由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供多余或不足的電力通過圖1.2并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)在本次設(shè)計(jì)中，將使用獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，因此下文主要將圍繞獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)展開。1.3.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電目前顯現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢(shì)：太陽(yáng)能電池產(chǎn)量及裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)是世界發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。為實(shí)現(xiàn)能源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)均將太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為新能源與可再生能源發(fā)展的重點(diǎn)。在各國(guó)政府的大力扶持下，世界太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。2000年以后，全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量以年均40%左右的速度增長(zhǎng)。其中，中國(guó)的年增長(zhǎng)率則高達(dá)100%以上。2008年，中國(guó)超過了之前一直居全球市場(chǎng)份額首位的日本，成為全球第一大生產(chǎn)國(guó)。晶體硅光伏電池技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，薄膜光伏電池技術(shù)加快研發(fā)晶體硅光伏電池的效率在不斷提高，而厚度在持續(xù)降低，從而使太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的效率提升，成本降低。另一方面，薄膜光伏電池的研發(fā)取得了新的進(jìn)展，并開始積極推進(jìn)生產(chǎn)線和示范項(xiàng)目的建設(shè)。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(chǎn)成本低、便于大規(guī)模生產(chǎn)，因而具有廣闊的市場(chǎng)前景。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，市場(chǎng)對(duì)于薄膜光伏電池的需求增長(zhǎng)速度將是傳統(tǒng)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(chǎng)，將極大地加速光伏建筑一體化、屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等的推廣和普及。設(shè)計(jì)要點(diǎn)2.系統(tǒng)構(gòu)成獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、太陽(yáng)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(yáng)能電池板）：光伏組件是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，或推動(dòng)負(fù)載工作。光伏組件的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。由若干個(gè)光伏組件在機(jī)械和電氣上按一定方式組裝在一起并且有固定的支撐結(jié)構(gòu)而構(gòu)成的發(fā)電單元稱為光伏方陣（太陽(yáng)能電池組）。太陽(yáng)能控制器：太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋Ｆ渌郊庸δ苋绻饪亻_關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)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(shí)將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來，到需要的時(shí)候再釋放出來。逆變器：在很多場(chǎng)合，都需要提供220/380V交流電源。由于太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。在某些場(chǎng)合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能等。圖2.1為獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。太E日^皂發(fā)電系統(tǒng)圖2.1獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本工程太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)結(jié)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(yáng)能光伏系統(tǒng)結(jié)線圖總體說明1，本工程使用獨(dú)立太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。為保證照明負(fù)荷供電不因太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)蓄電池電量耗完而中斷，在末端配電箱安裝太陽(yáng)能/市電切換器，當(dāng)蓄電池電壓過低時(shí)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(jù)建筑專業(yè)規(guī)劃，光伏方陣占用天面面積約150平方米。由于天面有其他設(shè)備，因而把光伏方陣設(shè)置于大樓天面的南側(cè)。如圖3.1所示（圖中斜杠區(qū)域?yàn)楣夥疥噮^(qū)域）：

圖3.1光伏方陣區(qū)域而且功率不足以供給大而且容量較小的本樓八負(fù)荷性質(zhì)：由于太陽(yáng)能供電穩(wěn)定性不如市電和柴油發(fā)電機(jī)，型設(shè)備，因此本工程中太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)所供負(fù)荷為重要性等級(jí)較低，層的照明負(fù)荷。而且功率不足以供給大而且容量較小的本樓八5.設(shè)備選型5」.設(shè)備規(guī)格和配置根據(jù)建筑專業(yè)提供的光伏方陣占用面積計(jì)算太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的容量和規(guī)模，得本工程的光伏設(shè)備配置如下：（1）光伏方陣選用1956x992x50（mm）/240Wp單晶硅光伏組件，8個(gè)光伏組件為一組串聯(lián)，共7組并聯(lián)，共56個(gè)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(yáng)能深循環(huán)蓄電池單體2V/1000AH，共110個(gè)串聯(lián)。蓄電池組輸出220V/1000AH。放電深度〉80%太陽(yáng)能控制器輸入額定電壓：DC220V額定電流：60A需具有防反充、保護(hù)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(hù)電池關(guān)機(jī)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(fù)載)：〉90%保護(hù)功能：電池反接保護(hù)、過載/短路保護(hù)、電池欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)⑸太陽(yáng)能/市電切換器額定電流：32A極數(shù)：4極具有欠壓保護(hù)功能，避免電池過放造成損壞6-設(shè)備安裝光伏方陣安裝說明：光伏組件的安裝朝向?yàn)檎舷颉Ｔ摂?shù)據(jù)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(shè)定為30度。光伏組件安裝間距的確定原則是：冬至當(dāng)天早9:00至下午3:00,后排光伏組件不應(yīng)被前排光伏組件的影子所遮擋。經(jīng)計(jì)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(jīng)件安裝示意W^:酣尺寸計(jì)斛胱計(jì)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(yáng)能光伏系統(tǒng)各部分的結(jié)線設(shè)計(jì)，其中對(duì)開關(guān)、線纜都有了明確標(biāo)注。本工程太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)配電平面圖如圖3.4所示：④◎⑦⑤⑥衍總?cè)水犖篰馳平確④◎⑦⑤⑥衍總?cè)水犖篰馳平確圖3.4太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)配電平面圖6」?防雷接地光伏系統(tǒng)應(yīng)符合以下防雷和接地保護(hù)的要求。支架、緊固件等正常時(shí)不帶電金屬材料應(yīng)采取等電位聯(lián)結(jié)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(gòu)件時(shí)，每排（列）金屬構(gòu)件均應(yīng)可靠聯(lián)結(jié)，且與建筑物屋頂避雷裝置有不少于兩點(diǎn)可靠聯(lián)結(jié)；若光伏組件采用非金屬固定構(gòu)件，并且不在屋頂避雷裝置保護(hù)范圍之內(nèi)時(shí)，應(yīng)單獨(dú)加裝避雷裝置。光伏組件應(yīng)采取嚴(yán)格措施防直擊雷和雷擊電磁脈沖，防止建筑光伏系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)遭到破壞。光伏系統(tǒng)除應(yīng)遵守《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057的相關(guān)規(guī)定外，還應(yīng)根據(jù)《光伏（PV發(fā)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)導(dǎo)則》SJ/T11127的相關(guān)規(guī)定，采取專項(xiàng)過電壓保護(hù)措施。7.結(jié)論7.結(jié)論本文通過對(duì)華南某數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)中的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的詳細(xì)說明，給出了一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和具體設(shè)計(jì)，為我國(guó)的類似工程提供了一個(gè)可供參考的案例。從本工程中我們可歸納得到在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)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(yīng)有阻隔陽(yáng)光的物體。2，必須有足夠面積和承重的太陽(yáng)能電力電池室以放置設(shè)備和蓄電池組。3，不宜在緯度過高的地區(qū)建設(shè)太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)。目前，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的發(fā)展仍面臨著相當(dāng)多的挑戰(zhàn)，主要包括：1，產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度快，但科技水平提高慢，兩方面缺乏協(xié)調(diào)。2，光伏組件生產(chǎn)成本仍處于高位，阻礙太陽(yáng)能光伏發(fā)電的普及。3，標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、產(chǎn)品檢測(cè)體系、質(zhì)量保證體系不完善，仍需加強(qiáng)建設(shè)。盡管有著種種挑戰(zhàn)和阻礙，但太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)仍將迅猛發(fā)展，其趨勢(shì)體現(xiàn)在：1,隨著技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，光伏組件的生產(chǎn)成本將大幅度下降。尤其是薄膜電池的成功研發(fā)和推廣，將使太陽(yáng)能組件的成本和價(jià)格下調(diào)30%以上。太陽(yáng)能在2030年前后具備成為戰(zhàn)略能源的技術(shù)、成本和環(huán)境優(yōu)勢(shì)，2050年前后可成為重要的能源供應(yīng)來源。并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電所占比例將飛速上升，成為太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用市場(chǎng)的主流。太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范將迅速完善，為行業(yè)的發(fā)展提供保證。參考