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news.sciencenet.cn 2025/9/28 15:27
太阳能热泵或助数据中心回收浪费能源
每当人们向ChatGPT寻求帮助时，他们的请求会通过嗡嗡作响的计算机群进行处理。这些被称为数据中心的设施在2023年消耗了美国4%以上的电力。随着人工智能（AI）投资的激增，对数据中心和电力的需求不断攀升。对此，研究人员近日宣称，他们想出了一个巧妙的能效提升方案：利用太阳的热量提高排放废热的温度，数据中心运营商可以在回收部分电力的同时，产生他们所需的大部分电力。日前，相关研究成果在线发表于《太阳能》。
图片来源：NATHAN HOWARD/BLOOMBERG VIA GETTY IMAGES

"这是非常有前景的。"美国得克萨斯州立大学的机械工程师Khosrow Ebrahimi说，“将太阳能与数据中心结合是一种创新方法。”
数据中心消耗的能源中，有多达一半用于冷却系统，以防止电子设备过热。这些冷却系统产生的废热通常以水的形式泵出并排放到环境中。每个数据中心因此产生的能源损失，约等于4万个美国家庭的用电量。多年来，科学家一直在寻找回收这些废热的方法，但他们一直被一个具有讽刺意味的问题所阻碍：它们不够热。
原则上，通过把水转化为蒸汽并驱动发电机涡轮机，废热可以转换回电能。但这个过程需要接近水沸点的温度，而从数据中心流出的物质通常只有40℃到60℃。此前的建议提出使用热泵提高废热的温度，但这种设置会消耗更多能源。
美国莱斯大学的机械工程师Laura Schaefer和她的研究生Kashif Liaqat在研究太阳能的新应用时，对这个问题感到好奇。他们认为，如果可以用阳光代替热泵作为额外的热源，数据中心就可以在不需要消耗更多电力的情况下回收电力。
研究人员提出的方案被称为“太阳能热泵”，其原理是使数据中心的温水废液流经一系列现成的平板太阳能集热器。与将阳光转化为电能的太阳能电池板不同，这些集热器采用深色面板吸收阳光，将工作流体加热成蒸汽。流经集热器的热流体经太阳辐射与废热双重加热后，驱动涡轮机发电。产生的电力既可返回电网，也可供数据中心直接使用。
为验证该方案在现实中的可行性，研究人员开展了详细的经济分析，其中包含对美国洛杉矶和阿什本两个数据中心枢纽的案例研究，这两处接收的日照量存在差异。他们发现，该方案可满足数据中心约8%的能源需求。平均而言，洛杉矶和阿什本回收电力的成本将分别比当地市场价格低16.5%和5.5%。
Schaefer表示，这项技术“从‘我能否做到’的工程角度看一直是现实的，但从经济角度看则不然。”不过，随着AI应用的不断增长，到2020年，数据中心的能源需求预计将增加两倍，不断上涨的电力成本正在改变这一局面。
“你可以在一段时间内提高价格，可以在一段时间内扩展能力，但总有一天，橡皮筋会因绷得太紧而无法再拉伸。”Schaefer说，太阳能热泵会“在一端再绑一根橡皮筋，把它的能力再扩展一点”。
然而，美国劳伦斯伯克利国家实验室的能源技术研究员Arman Shehabi担心这种装置的成本。研究人员估计，一个数据中心运营商安装平板太阳能集热器、管道和发电涡轮机的成本约为6万美元。Shehabi认为，这"尚可，不算太划算"——特别是运营商通常可以与公用事业公司协商廉价的电力合同，“没有巨大的经济上的驱动”。
Ebrahimi基于过去为美国微软公司提供咨询服务的经验，对此持更乐观态度。他解释说，许多科技公司正致力于开发“独立电网数据中心”，这些中心依靠太阳能农场、模块化核反应堆、地热或电池储能系统，以在电网出现问题时保障其数据中心的安全性。 他认为，未来这一废热回收技术将成为这些企业能源工具箱中的又一利器。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.solener.2025.113893