光伏系統在通信機房中的應用淺析

［翟鵬］

1 概述

隨著通信技術的不斷發展，我國5G商用牌照落地已經是第4個年頭，5G機房已累計建成284.4萬個，基本覆蓋所有地級市城區和縣城城區，移動物聯網終端用戶超過20.5億，5G移動電話用戶數達6.51億戶，占移動電話總用戶的38.1%，而隨著網絡的不斷發展，所承載的業務及流量逐步增加，導致整體能耗也在以每年10%～20%的速度持續增長，伴隨著的以電費為主的能耗開支也在運營商的運維成本中占據著越來越高的比重，結合國家對2030年實現“碳達峰、碳中和”的目標大背景，保證企業高質量發展、提升利潤率，采用光伏及新型儲能技術是推動運營商綠色發展的重要措施。

傳統的通信機房供電方式主要依賴電網或燃油發電機組供電，存在能源浪費和碳排放大的問題。而光伏發電系統作為一種清潔、可再生的能源解決方案，具有巨大的潛力在機房場景中應用。

本論文旨在研究光伏系統在通信機房場景中的應用，分析其在能源供應、節能減排和經濟效益方面的優勢，探討其實際應用問題，并提出相應的解決方案。通過研究，可以為通信機房的能源供應提供一種環保、可持續的解決方案，推動能耗的減少和碳排放的降低，提高通信機房的經濟效益和可持續發展能力。

2 光伏系統原理及現狀

2.1 光伏發電系統原理及特點

光伏發電，其基本原理就是“光伏效應”[1]。光子照射到金屬上時，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收，電子吸收的能量累積到可以克服金屬內部引力做功，離開金屬表面逃逸出來，就成為光電子。利用光生伏特效應，吸收入射的太陽光，產生電子-空穴對，在半導體P-N結內建電場的作用下，電子、空穴分別向正負兩個電極運動，以此形成電流[2]。通常系統主要由光伏組件、逆變器、電池儲能系統以及監控系統等組成。光伏組件將太陽光轉化為直流電，逆變器將直流電轉化為交流電以供機房使用，而電池儲能系統則可以儲存多余的電能，以便在夜晚或惡劣天氣時提供持續的電力供應。光伏發電系統具有清潔、可再生、低碳排放的特點，同時可以降低機房的能源消耗和運營成本。

光伏發電系統可作為分布式電源直接安裝在負荷節點，就地發電就地使用。同時，組件模塊化，配置規模根據所處節點需求可隨意搭配，光伏板等組件位置可選擇屋頂亦或墻面，白天用電高峰時使用光伏系統出力，既可享受錯峰電價也可為電網削峰，夜晚則光伏停止發電，切換為市電供電。

2.2 機房能耗分析與問題

目前傳統通信機房的能源供應主要依賴于電網市電或燃油發電機提供[3]，主要包含通信、電源、溫控、照明及監控等幾類設備，主要采用電網引接市電的方式維持運轉，在市電斷電的情況下采用油機的方式臨時補充。電源分為交流和直流兩種系統，主要由高壓配電、變壓器、柴油發電機組、整流器、交、直流配電屏、蓄電池組、變換器和通信設備配電屏組成。其中直流系統為作為主要的供能方式為機房內的通信設備供電，交流系統主要為諸如照明、空調等一般建筑負荷設施供電[4]。機房供電系統組成如圖1所示。

圖1 機房電源系統組成

而這種供電方式存在一些問題。首先，電網供電存在著電源供應不穩定的問題，尤其是在偏遠地區或電網電壓不穩定的情況下。其次，燃油發電機組產生的噪音和尾氣也會環境造成污染，不符合綠色發展的要求。此外，燃油價格的波動和供應的不穩定性也給維護運營帶來了成本不確定性。

按照普通一般配置，每個機房總能耗可達14～16 kW/h，做為主要能耗大戶，維持通信設備及溫控設備的運行需要耗費機房總能耗的80%以上。單機房平均每年產生電費約1.2～1.4萬元，機房電源符合占比如圖2所示。

改革開放至今，我國農村地區經濟建設取得了顯著成績，但是在科學技術水平方面還有待提升。例如，生活污水基礎設施因技術落后，即便在建成后也無法發揮應有作用，在科學管理方面更是欠缺。因此，農村地區的生活污水處理技術要秉持簡單容易的原則，進而發揮出處理技術的最大效果。

2.3 光伏系統現狀

我國很多地區已經開始采用光伏發電系統作為傳統的能源供應方式的替代和補充，以降低碳排放和提高能源利用效率[5]。尤其是一些缺乏穩定的電網供電的偏遠地區或和全年日照充足的場景，光伏發電系統可成為一種理想的補充方案。同時，我國通過產業升級使得光伏發電系統的成本不斷下降[6]，效率不斷提高，使其在機房場景中使用更具可行性和競爭力。目前運營商也逐步在網絡節點中引入光伏等多節能減排技術，為企業進一步提高利潤率，綠色可續發展提供了保障。

3 光伏發電系統在機房場景中的應用優勢

3.1 機房場景中的應用

以我國中部某城市為例，業務機房面積主要為50～60 m2，機房內主要包含傳輸、溫控等設備，直流負載負荷13.4 kW·h，使用市電引接的傳統方式，每月電費約1.3萬元。

若使用光伏系統，可配置規格為400 Wp～540 Wp的光伏板24塊?？紤]機房所在城市位于北緯31.23－36.22°之間，峰值日照時長為4.04/H。為保證多排光伏板前后間距，避免遮擋，北緯31.23°－36.22°之間地區的光伏板的安裝支架傾角建議為25°[7]。

光伏系統發電量的計算可采用以下兩種公式計算：

（1）公式一：Ep=HA*S*K1*K2，

式中: Ep--發電量（kW·h)

HA---傾斜面太陽能總輻照量（kW·h/m2）；

S---組件面積綜合（m2）

K2---為系統綜合效率。

（2）公式二：Ep=HA*(PAZ/Es)*K（依據《光伏發電站設計規范》GB50797-2012式6.6.2：）

式中：Ep--發電量（kW·h)

Es--標準條件下的輻照度（常數=1 kW·h/m2)

HA--水平面太陽能總輻照量（kW·h/m2，峰值小時數）

PAZ--組建安裝容量（kWp）

K--綜合效率系數。包括：光伏組件類型修正系數、光伏方陣傾角、方位角修正系數、光伏發電系統可用率、光照利用率、逆變器效率、既電線路損耗、升變壓器損耗、光伏組件表面污染修正系數、光伏組件轉換效率修正系數

公式二相比公式一，需多種因素配合，由于受多種因素影響，本文僅采用公式一進行初步計算，得出光伏系統每小時發電量約為：

(24*0.54*4)*0.98*0.86=43.7 kW·h

根據以上計算計算可得出，通過光伏系統每日發電量可達175度，占市電日消耗量的54%，每月節省電費4 828元，每年節省可達57 936元。節電及投資對比如表1所示。

3.2 經濟效益優勢

隨著我國光伏制造產業飛速發展，在高效晶硅技術上取得突破，硅片、電池片和組件的先進工藝及技術得以廣泛應用，光伏電池產業化的轉換效率逐年提升，功率不斷提高。根據國際可再生能源機構數據顯示，2021年光伏平均度電成本較上一年年下降幅度超過近90%，低于傳統能源燃煤的發電成本，2022 年全球光伏發電的平均 LCOE進一步下降83%，比燃煤發電成本低 20%以上[8]。光伏發電系統的成本不斷下降，同時其壽命較長，維護成本較低。通過采用光伏發電系統，運營商可以大幅降低能源采購成本和維護成本，從而有效提高經濟效益。

3.3 節能減排優勢

光伏發電系統是一種清潔能源解決方案，其運行過程中不產生污染物和溫室氣體的排放。節約1度電=0.4千克標準煤，節約1千克標準煤=減排2.5千克二氧化碳，根據計算，每機房日節省175度電耗，合174.51千克二氧化碳，全年即可實現減少以二氧化碳為主的碳粉塵、二氧化硫等污染約64噸，由此可見，機房采用光伏系統能夠顯著減少能源消耗和碳排放，降低對環境的負面影響。

3.4 能源供應優勢

光伏發電系統利用太陽能作為能源，能夠提供可靠的電力供應[9]。作為太陽能資源常豐富的國家，我國絕大部分地區的年平均日照時間都在1 200小時以上，最高的西藏地區能達到3 000小時[10]，故太陽能資源的利用潛力巨大，在陽光充足的情況下，光伏發電系統能夠穩定地為機房設備提供電力，降低了對電網供電的依賴，減少了相關的運維成本。同時，根據日照分布規律，還可以結合新型電池儲能系統，采用智能疊光，在日照時間長的時段，將多余的電能儲存起來，在非日照時段供能或應對天氣不佳的情況，確保穩定供電。從而進一步降低成本，提高減排效率。

4 光伏發電系統待解決問題

4.1 維護問題

雖然運營商已經逐步開始應用光伏系統作為機房供電的補充選項，但因其技術成熟度在不同地區和應用場景中存在差異。一些新興地區可能缺乏相關的技術經驗和人才培養，導致光伏系統的設計、安裝和運維存在一定的困難。解決途徑可以采取增加人員培訓等方法予以解決。

4.2 可靠性問題

在實際使用中，光伏系統在的可靠性是一個重要的考量因素。如何克服和適應我國多種氣候條件和場景等因素的影響，保證運營商使用的穩定性和可靠性，是該系統面臨的一大挑戰。為解決這個問題，需要通過充分科學的系統設計和因地制宜的設備選型，提高光伏效率和系統穩定性，同時，利用智能遠程監控技術和遠程故障診斷及時發現和解決問題，提高光伏發電系統的可靠性。

4.3 成本問題

雖然光伏發電系統的應用成本在不斷下降，但仍然存在一定的設備投資和運營維護成本。解決成本問題主要是采用成熟且相對效益高的光伏組件和設備，在輔以優化運維策略多管齊下，方可達到要求。

5 研究結果總結

通過在通信機房對光伏系統進行探索研究，光伏系統能夠提供穩定可靠的電力供應，在能源供應、節能減排等方面具備顯著優勢，同時有效節省運維成本，提高企業利潤率。此外，在實際應用中光伏系統仍存在一些不足，需要在進一步探索及優化，更好的推進光伏、風能等清潔能源的應用，為運營商帶來切實持續的效益。