光伏系統(tǒng)在通信機(jī)房中的應(yīng)用淺析

［翟鵬］

1 概述

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)5G商用牌照落地已經(jīng)是第4個(gè)年頭，5G機(jī)房已累計(jì)建成284.4萬(wàn)個(gè)，基本覆蓋所有地級(jí)市城區(qū)和縣城城區(qū)，移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)終端用戶超過(guò)20.5億，5G移動(dòng)電話用戶數(shù)達(dá)6.51億戶，占移動(dòng)電話總用戶的38.1%，而隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，所承載的業(yè)務(wù)及流量逐步增加，導(dǎo)致整體能耗也在以每年10%～20%的速度持續(xù)增長(zhǎng)，伴隨著的以電費(fèi)為主的能耗開支也在運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)維成本中占據(jù)著越來(lái)越高的比重，結(jié)合國(guó)家對(duì)2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)大背景，保證企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、提升利潤(rùn)率，采用光伏及新型儲(chǔ)能技術(shù)是推動(dòng)運(yùn)營(yíng)商綠色發(fā)展的重要措施。

傳統(tǒng)的通信機(jī)房供電方式主要依賴電網(wǎng)或燃油發(fā)電機(jī)組供電，存在能源浪費(fèi)和碳排放大的問(wèn)題。而光伏發(fā)電系統(tǒng)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(jī)房場(chǎng)景中應(yīng)用。

本論文旨在研究光伏系統(tǒng)在通信機(jī)房場(chǎng)景中的應(yīng)用，分析其在能源供應(yīng)、節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)效益方面的優(yōu)勢(shì)，探討其實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決方案。通過(guò)研究，可以為通信機(jī)房的能源供應(yīng)提供一種環(huán)保、可持續(xù)的解決方案，推動(dòng)能耗的減少和碳排放的降低，提高通信機(jī)房的經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展能力。

2 光伏系統(tǒng)原理及現(xiàn)狀

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

光伏發(fā)電，其基本原理就是“光伏效應(yīng)”[1]。光子照射到金屬上時(shí)，它的能量可以被金屬中某個(gè)電子全部吸收，電子吸收的能量累積到可以克服金屬內(nèi)部引力做功，離開金屬表面逃逸出來(lái)，就成為光電子。利用光生伏特效應(yīng)，吸收入射的太陽(yáng)光，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在半導(dǎo)體P-N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，電子、空穴分別向正負(fù)兩個(gè)電極運(yùn)動(dòng)，以此形成電流[2]。通常系統(tǒng)主要由光伏組件、逆變器、電池儲(chǔ)能系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等組成。光伏組件將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為直流電，逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電以供機(jī)房使用，而電池儲(chǔ)能系統(tǒng)則可以儲(chǔ)存多余的電能，以便在夜晚或惡劣天氣時(shí)提供持續(xù)的電力供應(yīng)。光伏發(fā)電系統(tǒng)具有清潔、可再生、低碳排放的特點(diǎn)，同時(shí)可以降低機(jī)房的能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本。

光伏發(fā)電系統(tǒng)可作為分布式電源直接安裝在負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，就地發(fā)電就地使用。同時(shí)，組件模塊化，配置規(guī)模根據(jù)所處節(jié)點(diǎn)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(shí)使用光伏系統(tǒng)出力，既可享受錯(cuò)峰電價(jià)也可為電網(wǎng)削峰，夜晚則光伏停止發(fā)電，切換為市電供電。

2.2 機(jī)房能耗分析與問(wèn)題

目前傳統(tǒng)通信機(jī)房的能源供應(yīng)主要依賴于電網(wǎng)市電或燃油發(fā)電機(jī)提供[3]，主要包含通信、電源、溫控、照明及監(jiān)控等幾類設(shè)備，主要采用電網(wǎng)引接市電的方式維持運(yùn)轉(zhuǎn)，在市電斷電的情況下采用油機(jī)的方式臨時(shí)補(bǔ)充。電源分為交流和直流兩種系統(tǒng)，主要由高壓配電、變壓器、柴油發(fā)電機(jī)組、整流器、交、直流配電屏、蓄電池組、變換器和通信設(shè)備配電屏組成。其中直流系統(tǒng)為作為主要的供能方式為機(jī)房?jī)?nèi)的通信設(shè)備供電，交流系統(tǒng)主要為諸如照明、空調(diào)等一般建筑負(fù)荷設(shè)施供電[4]。機(jī)房供電系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 機(jī)房電源系統(tǒng)組成

而這種供電方式存在一些問(wèn)題。首先，電網(wǎng)供電存在著電源供應(yīng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)或電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的情況下。其次，燃油發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的噪音和尾氣也會(huì)環(huán)境造成污染，不符合綠色發(fā)展的要求。此外，燃油價(jià)格的波動(dòng)和供應(yīng)的不穩(wěn)定性也給維護(hù)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了成本不確定性。

按照普通一般配置，每個(gè)機(jī)房總能耗可達(dá)14～16 kW/h，做為主要能耗大戶，維持通信設(shè)備及溫控設(shè)備的運(yùn)行需要耗費(fèi)機(jī)房總能耗的80%以上。單機(jī)房平均每年產(chǎn)生電費(fèi)約1.2～1.4萬(wàn)元，機(jī)房電源符合占比如圖2所示。

改革開放至今，我國(guó)農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)取得了顯著成績(jī)，但是在科學(xué)技術(shù)水平方面還有待提升。例如，生活污水基礎(chǔ)設(shè)施因技術(shù)落后，即便在建成后也無(wú)法發(fā)揮應(yīng)有作用，在科學(xué)管理方面更是欠缺。因此，農(nóng)村地區(qū)的生活污水處理技術(shù)要秉持簡(jiǎn)單容易的原則，進(jìn)而發(fā)揮出處理技術(shù)的最大效果。

2.3 光伏系統(tǒng)現(xiàn)狀

我國(guó)很多地區(qū)已經(jīng)開始采用光伏發(fā)電系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的能源供應(yīng)方式的替代和補(bǔ)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(wěn)定的電網(wǎng)供電的偏遠(yuǎn)地區(qū)或和全年日照充足的場(chǎng)景，光伏發(fā)電系統(tǒng)可成為一種理想的補(bǔ)充方案。同時(shí)，我國(guó)通過(guò)產(chǎn)業(yè)升級(jí)使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本不斷下降[6]，效率不斷提高，使其在機(jī)房場(chǎng)景中使用更具可行性和競(jìng)爭(zhēng)力。目前運(yùn)營(yíng)商也逐步在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中引入光伏等多節(jié)能減排技術(shù)，為企業(yè)進(jìn)一步提高利潤(rùn)率，綠色可續(xù)發(fā)展提供了保障。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)在機(jī)房場(chǎng)景中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 機(jī)房場(chǎng)景中的應(yīng)用

以我國(guó)中部某城市為例，業(yè)務(wù)機(jī)房面積主要為50～60 m2，機(jī)房?jī)?nèi)主要包含傳輸、溫控等設(shè)備，直流負(fù)載負(fù)荷13.4 kW·h，使用市電引接的傳統(tǒng)方式，每月電費(fèi)約1.3萬(wàn)元。

若使用光伏系統(tǒng)，可配置規(guī)格為400 Wp～540 Wp的光伏板24塊。考慮機(jī)房所在城市位于北緯31.23－36.22°之間，峰值日照時(shí)長(zhǎng)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(qū)的光伏板的安裝支架傾角建議為25°[7]。

光伏系統(tǒng)發(fā)電量的計(jì)算可采用以下兩種公式計(jì)算：

（1）公式一：Ep=HA*S*K1*K2，

式中: Ep--發(fā)電量（kW·h)

HA---傾斜面太陽(yáng)能總輻照量（kW·h/m2）；

S---組件面積綜合（m2）

K2---為系統(tǒng)綜合效率。

（2）公式二：Ep=HA*(PAZ/Es)*K（依據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50797-2012式6.6.2：）

式中：Ep--發(fā)電量（kW·h)

Es--標(biāo)準(zhǔn)條件下的輻照度（常數(shù)=1 kW·h/m2)

HA--水平面太陽(yáng)能總輻照量（kW·h/m2，峰值小時(shí)數(shù)）

PAZ--組建安裝容量（kWp）

K--綜合效率系數(shù)。包括：光伏組件類型修正系數(shù)、光伏方陣傾角、方位角修正系數(shù)、光伏發(fā)電系統(tǒng)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(shù)、光伏組件轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)

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(jìn)行初步計(jì)算，得出光伏系統(tǒng)每小時(shí)發(fā)電量約為：

(24*0.54*4)*0.98*0.86=43.7 kW·h

根據(jù)以上計(jì)算計(jì)算可得出，通過(guò)光伏系統(tǒng)每日發(fā)電量可達(dá)175度，占市電日消耗量的54%，每月節(jié)省電費(fèi)4 828元，每年節(jié)省可達(dá)57 936元。節(jié)電及投資對(duì)比如表1所示。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)

隨著我國(guó)光伏制造產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，在高效晶硅技術(shù)上取得突破，硅片、電池片和組件的先進(jìn)工藝及技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，光伏電池產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)換效率逐年提升，功率不斷提高。根據(jù)國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示，2021年光伏平均度電成本較上一年年下降幅度超過(guò)近90%，低于傳統(tǒng)能源燃煤的發(fā)電成本，2022 年全球光伏發(fā)電的平均 LCOE進(jìn)一步下降83%，比燃煤發(fā)電成本低 20%以上[8]。光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本不斷下降，同時(shí)其壽命較長(zhǎng)，維護(hù)成本較低。通過(guò)采用光伏發(fā)電系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)商可以大幅降低能源采購(gòu)成本和維護(hù)成本，從而有效提高經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種清潔能源解決方案，其運(yùn)行過(guò)程中不產(chǎn)生污染物和溫室氣體的排放。節(jié)約1度電=0.4千克標(biāo)準(zhǔn)煤，節(jié)約1千克標(biāo)準(zhǔn)煤=減排2.5千克二氧化碳，根據(jù)計(jì)算，每機(jī)房日節(jié)省175度電耗，合174.51千克二氧化碳，全年即可實(shí)現(xiàn)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(jī)房采用光伏系統(tǒng)能夠顯著減少能源消耗和碳排放，降低對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

3.4 能源供應(yīng)優(yōu)勢(shì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)利用太陽(yáng)能作為能源，能夠提供可靠的電力供應(yīng)[9]。作為太陽(yáng)能資源常豐富的國(guó)家，我國(guó)絕大部分地區(qū)的年平均日照時(shí)間都在1 200小時(shí)以上，最高的西藏地區(qū)能達(dá)到3 000小時(shí)[10]，故太陽(yáng)能資源的利用潛力巨大，在陽(yáng)光充足的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地為機(jī)房設(shè)備提供電力，降低了對(duì)電網(wǎng)供電的依賴，減少了相關(guān)的運(yùn)維成本。同時(shí)，根據(jù)日照分布規(guī)律，還可以結(jié)合新型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，采用智能疊光，在日照時(shí)間長(zhǎng)的時(shí)段，將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)，在非日照時(shí)段供能或應(yīng)對(duì)天氣不佳的情況，確保穩(wěn)定供電。從而進(jìn)一步降低成本，提高減排效率。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)待解決問(wèn)題

4.1 維護(hù)問(wèn)題

雖然運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)逐步開始應(yīng)用光伏系統(tǒng)作為機(jī)房供電的補(bǔ)充選項(xiàng)，但因其技術(shù)成熟度在不同地區(qū)和應(yīng)用場(chǎng)景中存在差異。一些新興地區(qū)可能缺乏相關(guān)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和人才培養(yǎng)，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)維存在一定的困難。解決途徑可以采取增加人員培訓(xùn)等方法予以解決。

4.2 可靠性問(wèn)題

在實(shí)際使用中，光伏系統(tǒng)在的可靠性是一個(gè)重要的考量因素。如何克服和適應(yīng)我國(guó)多種氣候條件和場(chǎng)景等因素的影響，保證運(yùn)營(yíng)商使用的穩(wěn)定性和可靠性，是該系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)。為解決這個(gè)問(wèn)題，需要通過(guò)充分科學(xué)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和因地制宜的設(shè)備選型，提高光伏效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)，利用智能遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)和遠(yuǎn)程故障診斷及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性。

4.3 成本問(wèn)題

雖然光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用成本在不斷下降，但仍然存在一定的設(shè)備投資和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。解決成本問(wèn)題主要是采用成熟且相對(duì)效益高的光伏組件和設(shè)備，在輔以優(yōu)化運(yùn)維策略多管齊下，方可達(dá)到要求。

5 研究結(jié)果總結(jié)

通過(guò)在通信機(jī)房對(duì)光伏系統(tǒng)進(jìn)行探索研究，光伏系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)，在能源供應(yīng)、節(jié)能減排等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，同時(shí)有效節(jié)省運(yùn)維成本，提高企業(yè)利潤(rùn)率。此外，在實(shí)際應(yīng)用中光伏系統(tǒng)仍存在一些不足，需要在進(jìn)一步探索及優(yōu)化，更好的推進(jìn)光伏、風(fēng)能等清潔能源的應(yīng)用，為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)切實(shí)持續(xù)的效益。