太阳能光伏系统在数据中心建设中的应用

当下互联网行业、AI技术及短视频领域的蓬勃发展，正引领着数字化时代的浪潮，也为大部分人带来了便利。随着用户规模的不断扩大和存储计算等需求的日益增长，数据中心的建设与发展也迎来了热潮。数据中心作为数据存储、处理和传输的核心基础设施，其重要性日益凸显。然而，需要7×24h不断运转的数据中心能耗问题也日益突出，绿色数据中心建设的紧迫性和重要性不言而喻。国家发展改革委等部门印发的《数据中心绿色低碳发展专项行动计划》明确提出，要逐年提升新建数据中心项目可再生能源利用率，推动数据中心绿色低碳转型。目前一些领先的数据中心已经采用了先进的节能技术和可再生能源作为减碳的手段；如液冷、 蓄冷、高压直流等技术产品的普及推广，以及太阳能、风能等可再生能源的广泛应用，都取得了显著的节能效果。这些实践不仅降低了数据中心的运营成本，也为环境保护作出了积极贡献。

 

1 太阳能光伏系统在绿色数据中心设计中的潜力与优势分析 

 

1.1 太阳能属于绿色可再生能源 

 

太阳能是丰富的可再生能源，主要通过光热转化和光电转换两种方式利用。其中光伏发电是主要的太阳能利用方式，其发电量持续增长。太阳能资源分布广泛， 尤其适合在青藏高原、西北地区等资源丰富地区利用。结合建筑屋顶或山地等无遮挡区域使用太阳能，可显著降低数据中心能耗和电费支出。

 

图1 布置在山地的太阳能光伏系统

 

1.2 太阳能光伏系统效率逐渐增高 

 

近年来，材料科学进步和技术创新显著提升了太阳能光伏转换效率，如国内企业HPBC2.0晶硅组件光电效率达27.3%，创单层晶硅组件世界纪录。同时，钙钛矿/硅双层单片电池效率也超过了25%。传统晶硅与新兴钙钛矿电池均在通过技术创新提升效率，并推动光伏技术的发展。随着技术成熟和商业化，未来太阳能光伏系统将能更有效地利用太阳能。 

 

1.3 太阳能光伏系统的灵活性与可扩展性

 

当前太阳能光伏组件大部分是由多个独立的模块组成，每个组件都可单独工作，即便出现故障也不影响整体系统运行，这种模块化的设计使得安装和维护变得十分简单，运维施工人员可在不影响其他部分的情况下更换或维修损坏的部件。基于模块化的太阳能光伏系 统，可以根据自身的用电需求和场地条件，选择太阳能光伏系统的安装位置和容量。以数据中心规模的扩大， 或根据用电需求逐步增加光伏组件的数量，减少前期资金投入。

 

1.4 在数据中心建筑中，太阳能光伏系统有其先天优势

 

为保证数据中心工作的连续性，数据中心均设有不间断电源（uninterruptible power supply,UPS），当主电源发生故障或停电时，UPS系统能够立即切换到电池供电，以确保关键设备和服务器的持续运行，直到备用发电机启动或主电源恢复，此部分储能电池亦可用于削峰填谷；如将太阳能光伏系统和数据中心的蓄电池系统联系起来，也可无需额外增加光伏系统的储能电池，利用能源分配软件进行调控可增加太阳能光伏系统的储能的容量，以满足更多的用电需求，例如减少尖峰时段的外部用电，以节约电费开支。

 

 

图2 数据中心光伏建筑一体化（BIPV）参与源网荷储与余热回收系统示意图

 

光伏建筑一体化（building integrated photovoltaic,  BIPV）系统热度不断提升与应用不断增加，它将太阳能光伏与建筑设计融合，既作为建筑构件又发电，可提升能源效率和美观性。例如，江天数据（北辰）云数据中心采用BIPV与建筑附加光伏系统（building attached pho tovoltaic,BAPV）结合，以光伏幕墙替代传统建材，预计年发电量32.4万kW·h，减碳323t。哈密某数据中心则利用当地丰富日照，设置屋顶和南立面光伏系统，显著降低能耗，实现能源自给，并提升建筑能效和美观性，减少碳排放[4]。这些项目促进了绿色建筑可持续发展，为其他数据中心和建筑提供了借鉴，实现了经济效益和环境效益双赢。

 

图3 哈密某数据中心光伏建筑一体化（BIPV）方案

 

2 未来太阳能光伏系统在数据中心建设中的优化策略与能效提升 

 

太阳能光伏系统可为数据中心提供清洁、可再生的能源，还能显著降低运营成本与碳排放，为了进一步优化太阳能光伏系统的能效，可从如下几点入手：

 

1）将光伏系统的储能模块与数据中心UPS储能模块整合使用，形成微电网技术，以期在未来实现数据中心的独立运行，减少对外部电网的依赖。通过智能控制系统实时对光伏系统发电效率与数据中心用电需求统一调度管理，自动调整光伏系统输出与存储多余的电能，优化能源调度，减少浪费，如数据中心可连接周围屋顶的光伏发电站或园区其他区域光伏发电模块，亦可利用储能系统在电价低谷时进行充电，在高峰时段放电，进行削峰填谷操作，以降低园区电费支出。

 

2）从光伏系统设计角度进行优化。选择高效率的光伏组件以提高单位面积的发电量，并对光伏组件的排布进行科学的设计。可利用光照分析模拟软件分析不同时间段的日照辐射情况， 优化光伏组件角度与布局，确保光伏组件能最大限度地捕捉太阳能。

 

3）考虑将光伏系统与建筑立面进行建筑光伏一体化（BIPV）设计。在设计阶段就将光伏组件与建筑外立面相结合，将光伏组件替代传统建筑材料，如此一方面可减少建筑立面系统的材料成本，又能最大限度将光伏组件与建筑风格融为一体，降低光伏组件对建筑美观带来的影响。

 

4）制定有效的光伏组件运维措施与定期维护措施。光伏组件在高温条件下效率会下降， 运维管理时可以采用散热措施，如通风、冷却系统，以保持组件的工作温度在适宜范围内。另外光伏系统表面的灰尘与污垢会影响其发电效率，定期有效的维护与清洁保养措施可确保光伏组件的透光率与发电效率。

 

3 数据中心光伏系统面临的挑战与解决方案 

 

数据中心应用太阳能光伏系统在实际应用中也面临一些挑战，首先是初始投资成本高，特别是在高质量光伏组件和智能控制系统方面的投入较大。可以积极申请政府提供的财政补贴和税收优惠，同时通过详细的经济分析展示太阳能光伏系统的长期经济效益，包括电费节省和碳排放减少等，吸引投资者和管理层的支持。 

 

大型太阳能光伏系统与数据中心相结合的电气系统设计过程较为复杂，需要考虑建筑结构、光照条件、电气连接等多个因素。可利用设计软件和工具进行详细的光照分析和系统仿真，确保设计的科学性和合理性， 亦可采用标准化的光伏系统设计方案以简化设计流程、 降低设计成本。 

 

太阳能光伏系统的安装和维护需要专业的技术和设备，操作难度较大，应为维护人员提供专业的培训和技术支持，同时利用远程监控系统实时监测系统的运行状态，及时发现并解决问题，降低现场维护的频率和成本。光伏组件在高温、低温、强风、沙尘等恶劣环境下的性能和寿命可能受到影响，选用耐候性强、寿命长的光伏组件材料，并采取散热措施和防尘、防水的结构设计， 可确保组件在各种环境条件下稳定运行。

 

另外，光伏发电系统受天气和时间的影响较大，可能导致电力供需不平衡。为解决这一问题，可以结合锂离子电池等储能系统存储多余的电能，平滑输出，并利用智能控制系统实时监测光伏系统的发电量和数据中心的用电需求，自动调整系统的输出，优化能源调度，确保电力供应的稳定性和可靠性。

 

4 结论 

 

随着数字化时代的推进，数据中心的建设与发展迎来了热潮，但能耗问题也日益突出。绿色数据中心的建设成为必然趋势，其中太阳能光伏系统作为重要的可再生能源利用方式，具有巨大的潜力与优势。太阳能光伏系统不仅能源随处可用且随着技术进步其效率逐渐增高。

 

另外，太阳能光伏系统一般都具有可扩展性，在数据中心建筑中更是有其先天优势。然而，数据中心应用太阳能光伏系统也面临初始投资成本高、设计复杂、安装维护难度大以及电力供需不平衡等挑战。针对这些问题，可通过聘请专业设计团队、选用耐候性强的光伏组件材料以及结合储能系统等措施加以解决。 

 

展望未来，随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，太阳能光伏系统将在未来的数据中心建设中发挥更加重要的作用。一方面，光伏技术的创新将推动单体光伏组件转换效率的提升，使得单位面积能有更多的太阳能被有效利用；另一方面，数据中心设计的不断优化将促进光伏系统与建筑电气电源系统的高效融合，进一步降低能耗和碳排放。同时，政府和社会各界的支持也将为数据中心光伏系统的发展提供有力保障。因此，我们有理由相信，在未来的数据中心建设中，太阳能光伏系统将成为推动绿色数据中心发展的重要力量，为实现可持续发展目标作出积极贡献。同时，我们也期待更多创新技术和解决方案的出现，共同推动数据中心行业应用更先进高效的太阳能光伏系统。