光伏系统在通信机房中的应用浅析

［翟鹏］

1 概述

随着通信技术的不断发展，我国5G商用牌照落地已经是第4个年头，5G机房已累计建成284.4万个，基本覆盖所有地级市城区和县城城区，移动物联网终端用户超过20.5亿，5G移动电话用户数达6.51亿户，占移动电话总用户的38.1%，而随着网络的不断发展，所承载的业务及流量逐步增加，导致整体能耗也在以每年10%～20%的速度持续增长，伴随着的以电费为主的能耗开支也在运营商的运维成本中占据着越来越高的比重，结合国家对2030年实现“碳达峰、碳中和”的目标大背景，保证企业高质量发展、提升利润率，采用光伏及新型储能技术是推动运营商绿色发展的重要措施。

传统的通信机房供电方式主要依赖电网或燃油发电机组供电，存在能源浪费和碳排放大的问题。而光伏发电系统作为一种清洁、可再生的能源解决方案，具有巨大的潜力在机房场景中应用。

本论文旨在研究光伏系统在通信机房场景中的应用，分析其在能源供应、节能减排和经济效益方面的优势，探讨其实际应用问题，并提出相应的解决方案。通过研究，可以为通信机房的能源供应提供一种环保、可持续的解决方案，推动能耗的减少和碳排放的降低，提高通信机房的经济效益和可持续发展能力。

2 光伏系统原理及现状

2.1 光伏发电系统原理及特点

光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”[1]。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量累积到可以克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，就成为光电子。利用光生伏特效应，吸收入射的太阳光，产生电子-空穴对，在半导体P-N结内建电场的作用下，电子、空穴分别向正负两个电极运动，以此形成电流[2]。通常系统主要由光伏组件、逆变器、电池储能系统以及监控系统等组成。光伏组件将太阳光转化为直流电，逆变器将直流电转化为交流电以供机房使用，而电池储能系统则可以储存多余的电能，以便在夜晚或恶劣天气时提供持续的电力供应。光伏发电系统具有清洁、可再生、低碳排放的特点，同时可以降低机房的能源消耗和运营成本。

光伏发电系统可作为分布式电源直接安装在负荷节点，就地发电就地使用。同时，组件模块化，配置规模根据所处节点需求可随意搭配，光伏板等组件位置可选择屋顶亦或墙面，白天用电高峰时使用光伏系统出力，既可享受错峰电价也可为电网削峰，夜晚则光伏停止发电，切换为市电供电。

2.2 机房能耗分析与问题

目前传统通信机房的能源供应主要依赖于电网市电或燃油发电机提供[3]，主要包含通信、电源、温控、照明及监控等几类设备，主要采用电网引接市电的方式维持运转，在市电断电的情况下采用油机的方式临时补充。电源分为交流和直流两种系统，主要由高压配电、变压器、柴油发电机组、整流器、交、直流配电屏、蓄电池组、变换器和通信设备配电屏组成。其中直流系统为作为主要的供能方式为机房内的通信设备供电，交流系统主要为诸如照明、空调等一般建筑负荷设施供电[4]。机房供电系统组成如图1所示。

图1 机房电源系统组成

而这种供电方式存在一些问题。首先，电网供电存在着电源供应不稳定的问题，尤其是在偏远地区或电网电压不稳定的情况下。其次，燃油发电机组产生的噪音和尾气也会环境造成污染，不符合绿色发展的要求。此外，燃油价格的波动和供应的不稳定性也给维护运营带来了成本不确定性。

按照普通一般配置，每个机房总能耗可达14～16 kW/h，做为主要能耗大户，维持通信设备及温控设备的运行需要耗费机房总能耗的80%以上。单机房平均每年产生电费约1.2～1.4万元，机房电源符合占比如图2所示。

改革开放至今，我国农村地区经济建设取得了显著成绩，但是在科学技术水平方面还有待提升。例如，生活污水基础设施因技术落后，即便在建成后也无法发挥应有作用，在科学管理方面更是欠缺。因此，农村地区的生活污水处理技术要秉持简单容易的原则，进而发挥出处理技术的最大效果。

2.3 光伏系统现状

我国很多地区已经开始采用光伏发电系统作为传统的能源供应方式的替代和补充，以降低碳排放和提高能源利用效率[5]。尤其是一些缺乏稳定的电网供电的偏远地区或和全年日照充足的场景，光伏发电系统可成为一种理想的补充方案。同时，我国通过产业升级使得光伏发电系统的成本不断下降[6]，效率不断提高，使其在机房场景中使用更具可行性和竞争力。目前运营商也逐步在网络节点中引入光伏等多节能减排技术，为企业进一步提高利润率，绿色可续发展提供了保障。

3 光伏发电系统在机房场景中的应用优势

3.1 机房场景中的应用

以我国中部某城市为例，业务机房面积主要为50～60 m2，机房内主要包含传输、温控等设备，直流负载负荷13.4 kW·h，使用市电引接的传统方式，每月电费约1.3万元。

若使用光伏系统，可配置规格为400 Wp～540 Wp的光伏板24块。考虑机房所在城市位于北纬31.23－36.22°之间，峰值日照时长为4.04/H。为保证多排光伏板前后间距，避免遮挡，北纬31.23°－36.22°之间地区的光伏板的安装支架倾角建议为25°[7]。

光伏系统发电量的计算可采用以下两种公式计算：

（1）公式一：Ep=HA*S*K1*K2，

式中: Ep--发电量（kW·h)

HA---倾斜面太阳能总辐照量（kW·h/m2）；

S---组件面积综合（m2）

K2---为系统综合效率。

（2）公式二：Ep=HA*(PAZ/Es)*K（依据《光伏发电站设计规范》GB50797-2012式6.6.2：）

式中：Ep--发电量（kW·h)

Es--标准条件下的辐照度（常数=1 kW·h/m2)

HA--水平面太阳能总辐照量（kW·h/m2，峰值小时数）

PAZ--组建安装容量（kWp）

K--综合效率系数。包括：光伏组件类型修正系数、光伏方阵倾角、方位角修正系数、光伏发电系统可用率、光照利用率、逆变器效率、既电线路损耗、升变压器损耗、光伏组件表面污染修正系数、光伏组件转换效率修正系数

公式二相比公式一，需多种因素配合，由于受多种因素影响，本文仅采用公式一进行初步计算，得出光伏系统每小时发电量约为：

(24*0.54*4)*0.98*0.86=43.7 kW·h

根据以上计算计算可得出，通过光伏系统每日发电量可达175度，占市电日消耗量的54%，每月节省电费4 828元，每年节省可达57 936元。节电及投资对比如表1所示。

3.2 经济效益优势

随着我国光伏制造产业飞速发展，在高效晶硅技术上取得突破，硅片、电池片和组件的先进工艺及技术得以广泛应用，光伏电池产业化的转换效率逐年提升，功率不断提高。根据国际可再生能源机构数据显示，2021年光伏平均度电成本较上一年年下降幅度超过近90%，低于传统能源燃煤的发电成本，2022 年全球光伏发电的平均 LCOE进一步下降83%，比燃煤发电成本低 20%以上[8]。光伏发电系统的成本不断下降，同时其寿命较长，维护成本较低。通过采用光伏发电系统，运营商可以大幅降低能源采购成本和维护成本，从而有效提高经济效益。

3.3 节能减排优势

光伏发电系统是一种清洁能源解决方案，其运行过程中不产生污染物和温室气体的排放。节约1度电=0.4千克标准煤，节约1千克标准煤=减排2.5千克二氧化碳，根据计算，每机房日节省175度电耗，合174.51千克二氧化碳，全年即可实现减少以二氧化碳为主的碳粉尘、二氧化硫等污染约64吨，由此可见，机房采用光伏系统能够显著减少能源消耗和碳排放，降低对环境的负面影响。

3.4 能源供应优势

光伏发电系统利用太阳能作为能源，能够提供可靠的电力供应[9]。作为太阳能资源常丰富的国家，我国绝大部分地区的年平均日照时间都在1 200小时以上，最高的西藏地区能达到3 000小时[10]，故太阳能资源的利用潜力巨大，在阳光充足的情况下，光伏发电系统能够稳定地为机房设备提供电力，降低了对电网供电的依赖，减少了相关的运维成本。同时，根据日照分布规律，还可以结合新型电池储能系统，采用智能叠光，在日照时间长的时段，将多余的电能储存起来，在非日照时段供能或应对天气不佳的情况，确保稳定供电。从而进一步降低成本，提高减排效率。

4 光伏发电系统待解决问题

4.1 维护问题

虽然运营商已经逐步开始应用光伏系统作为机房供电的补充选项，但因其技术成熟度在不同地区和应用场景中存在差异。一些新兴地区可能缺乏相关的技术经验和人才培养，导致光伏系统的设计、安装和运维存在一定的困难。解决途径可以采取增加人员培训等方法予以解决。

4.2 可靠性问题

在实际使用中，光伏系统在的可靠性是一个重要的考量因素。如何克服和适应我国多种气候条件和场景等因素的影响，保证运营商使用的稳定性和可靠性，是该系统面临的一大挑战。为解决这个问题，需要通过充分科学的系统设计和因地制宜的设备选型，提高光伏效率和系统稳定性，同时，利用智能远程监控技术和远程故障诊断及时发现和解决问题，提高光伏发电系统的可靠性。

4.3 成本问题

虽然光伏发电系统的应用成本在不断下降，但仍然存在一定的设备投资和运营维护成本。解决成本问题主要是采用成熟且相对效益高的光伏组件和设备，在辅以优化运维策略多管齐下，方可达到要求。

5 研究结果总结

通过在通信机房对光伏系统进行探索研究，光伏系统能够提供稳定可靠的电力供应，在能源供应、节能减排等方面具备显著优势，同时有效节省运维成本，提高企业利润率。此外，在实际应用中光伏系统仍存在一些不足，需要在进一步探索及优化，更好的推进光伏、风能等清洁能源的应用，为运营商带来切实持续的效益。