風(fēng)光互補基站供電系統(tǒng)設(shè)計思路與應(yīng)用探討

吳學(xué)賓　胡富

【摘 要】風(fēng)光互補供電系統(tǒng)可以解決引接普通農(nóng)電成本高、供電不穩(wěn)定等難題。通過對基站風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的技術(shù)原理進行簡要分析，并以中國聯(lián)通內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)風(fēng)光互補基站為例，詳細闡述了風(fēng)光互補基站供電系統(tǒng)的設(shè)計思路與應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)光互補 基站 蓄電池 節(jié)能減排

中圖分類號：TM614；TM615 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-03-0149-04

1 引言

內(nèi)蒙古地處我國北部，幅員遼闊，各地環(huán)境復(fù)雜多樣，阿拉善郊區(qū)和農(nóng)村基站供電以農(nóng)電為主，引電距離遠且成本高。電力缺乏是開展通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的巨大障礙，而且后期電力供應(yīng)的穩(wěn)定性和維護的難易程度也關(guān)系到基站的正常運行和后期投入。

由于阿拉善地區(qū)具有豐富的風(fēng)光資源，可采用風(fēng)光互補供電系統(tǒng)來解決傳統(tǒng)供電線損大、成本高的難題。這樣不但緩解了電力緊張局面，同時也實現(xiàn)了綠色能源的利用，開發(fā)了再生能源，促進了循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。

2 技術(shù)原理分析

2.1 風(fēng)光互補供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽能風(fēng)光互補供電系統(tǒng)主要由太陽能電池、風(fēng)力發(fā)電機、蓄電池和控制器組成。其結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

2.2 風(fēng)光互補電源供電系統(tǒng)的運行方式

（1）在陽光照射時，由太陽能電池發(fā)電供電；

（2）在無光照而有風(fēng)時，由風(fēng)力發(fā)電機發(fā)電供電；

（3）在既有陽光照射又有風(fēng)時，被確定為優(yōu)先供電的太陽能優(yōu)先供電，在必要時投入風(fēng)力發(fā)電機，以便加強或接替先供電的能源，維持供電；

（4）在既無陽光照射又無風(fēng)時，則由蓄電池放電供電，直到光照或風(fēng)力出現(xiàn)，蓄電池放電損失的能量得到補充。

3 風(fēng)光互補供電系統(tǒng)設(shè)計思路及應(yīng)用實例

3.1 風(fēng)光互補供電系統(tǒng)設(shè)計思路

具體設(shè)計思路如下：

（1）根據(jù)當(dāng)?shù)靥柲苜Y源和氣象條件；

（2）根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)力資源條件；

（3）根據(jù)基站負荷功率；

（4）根據(jù)基站目前電源配置情況；

（5）綜合以上條件合理配置太陽能/風(fēng)能電站的功率。

3.2 內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)風(fēng)光互補設(shè)計及應(yīng)用實例

（1）阿拉善盟（阿左旗）地區(qū)簡介

阿拉善盟地處內(nèi)蒙古自治區(qū)最西端，地理坐標(biāo)為東經(jīng)97°10'～106°52'，北緯37°21'～42°47'。該區(qū)域的太陽能資源較為豐富，年日照時數(shù)達2 600～3 500h。由于氣象意義上的日照時數(shù)并不能完全對應(yīng)太陽能電源設(shè)計時所應(yīng)考慮的有效日照數(shù)，而是以日照能夠產(chǎn)生陰影為衡量標(biāo)準(zhǔn)，其計時起始時間為日出、終止時間為日落，因此計算實際日照時數(shù)應(yīng)以氣象日照時數(shù)減去3～4h為宜，即本案太陽有效日照按每天5.5h計算。阿拉善盟地區(qū)風(fēng)力資源也較為豐富，加之地處高空西風(fēng)環(huán)流區(qū)，全盟多大風(fēng)天氣，年平均風(fēng)速為3.7m/s，年平均風(fēng)速變化幅度為2.9～5.0m/s，全年平均七級以上大風(fēng)日數(shù)為16～58天。

（2）阿拉善盟（阿左旗）地區(qū)風(fēng)光互補系統(tǒng)配置情況

兩種能源的特點如下：

◆太陽能資源的季節(jié)性變化相對較穩(wěn)定，但太陽能晝夜穩(wěn)定性較差，只能在白天發(fā)電，發(fā)電時間相對較短；

◆風(fēng)能資源的季節(jié)性變化相對不穩(wěn)定，但風(fēng)能晝夜穩(wěn)定性較好，只要有風(fēng)全天24h都可以發(fā)電。

以上兩種能源各自有其優(yōu)缺點，要想百分百的依靠太陽能或者風(fēng)能發(fā)電，其系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性都是不太理想的。其實這兩種能源存在著非常好的互補性，因此要充分利用它們的互補性，合理地優(yōu)化配置風(fēng)力發(fā)電機與太陽能電池的子系統(tǒng)容量是風(fēng)光互補電源供電系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題。

根據(jù)內(nèi)蒙古當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r，太陽能資源豐富且相對穩(wěn)定，而風(fēng)力資源較不穩(wěn)定且與風(fēng)機本身的性能密切相關(guān)，可控性不高。因此，選太陽能作為主用能源，且風(fēng)、光按3：7的比例配置。

1）太陽能電源配置

太陽能電源配置可按以下公式計算：

S=JU（IT+24NI）/NHρ （1）

其配置情況具體如表1所示：

若按7：3的比例配置太陽能和風(fēng)能電源，則對應(yīng)的太陽能光伏板容量為：6614.35×70%≈4630Wp。

T選擇72h是為了保證當(dāng)?shù)剡B續(xù)陰雨天數(shù)達不到3天時系統(tǒng)仍能可靠供電。要求補足蓄電池極限能耗的選取時間，則應(yīng)結(jié)合工程投資額度進行調(diào)整。

風(fēng)機提供電能為：6614.35×30%≈1984kW，配置風(fēng)力發(fā)電機（含塔桿）：2套1kW，合計2kW。

2）蓄電池組配置：采用風(fēng)光互補系統(tǒng)站的蓄電池組，與普通基站的蓄電池容量選擇不同。應(yīng)重點考慮當(dāng)?shù)剡B續(xù)無風(fēng)陰雨天數(shù)，并結(jié)合通信設(shè)備的重要程度、工程投資確定蓄電池持續(xù)供電時間。

蓄電池組容量的配置可按照YD/T5040-2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的計算方法，并結(jié)合蓄電池持續(xù)供電時間。阿拉善盟地區(qū)考慮蓄電池持續(xù)供電時間為72h，經(jīng)計算選擇48V/1 000Ah蓄電池2組。

至此，48V/15A負載的配置情況如表2所示：

表2 48V/15A風(fēng)光互補系統(tǒng)的配置情況

序號 設(shè)備名稱 配置參數(shù)

1 PV 4.6kWp

2 風(fēng)機 1kW，2臺

3 太陽能控制器 300A系統(tǒng)1套

4 風(fēng)能控制器 2臺

5 蓄電池組 48V/1 000Ah 2組

4 風(fēng)光互補基站供電系統(tǒng)應(yīng)用分析

4.1 經(jīng)濟性分析

在內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)，對于一個功率500W的基站，市電引入距離超過20公里，前期引電投資較大，平均每公里費用約3萬元，僅拉電費用就超過60萬元；變壓器費用、機房以及電源設(shè)備費用、空調(diào)費用超過13萬元。建設(shè)初期，投資總費用超過70萬元，且開通基站后平均每年電費1.5萬元，傳統(tǒng)農(nóng)電的費用存在前期投資大的問題。此外，拉電的建設(shè)周期長，一般從申請到開通需要1～2個月的時間，而且還經(jīng)常受到停電的制約。endprint

風(fēng)光互補基站由于供電能量有限，盡量不使用空調(diào)。為了保證基站和蓄電池組的正常工作，一般采用風(fēng)光互補供電系統(tǒng)基站的機房都建成了地下或半地下的機房，通過地?zé)彷o助設(shè)備調(diào)節(jié)機房溫度，且風(fēng)光互補基站盡量使用膠體電池。

農(nóng)電基站與風(fēng)光互補基站投資對比具體如表3所示。

而對于采用太陽能風(fēng)光互補型的基站，建設(shè)周期短，產(chǎn)權(quán)歸局方所有。除去建設(shè)初期投入的太陽能風(fēng)光互補以及機房等配套設(shè)施的費用，后期系統(tǒng)每年還可以節(jié)省1.5萬元的電費。如果一套風(fēng)光互補系統(tǒng)在網(wǎng)20年，則可以節(jié)省30萬元的電費以及高額的引電費用。

4.2 節(jié)能分析

目前各行業(yè)都在貫徹國家節(jié)能減排計劃，國務(wù)院還印發(fā)了關(guān)于《節(jié)能減排綜合性工作方案》。電力消耗在通信運營企業(yè)能源消耗成本中占據(jù)很大比例。中國聯(lián)通內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)每個風(fēng)光互補型的供電站功耗約為500W，每年的耗電量超過4 000kWh，加上不用空調(diào)省下的費用，比常規(guī)基站節(jié)約將近一萬多度電。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，按照每節(jié)約1kWh電相當(dāng)于節(jié)省0.36kgce的能耗，即相當(dāng)于節(jié)省了1kg廢水的排放量，同時節(jié)省了0.959kg二氧化碳和6.5g二氧化硫的排放量。一個基站每天可以節(jié)約9.86kgce，一年就是3.6tce，可減少二氧化碳排放量9.59t。具體如表4所示。

我國是能源消耗大國，也是二氧化碳等溫室氣體的排放大國，大幅削減二氧化硫等污染物排放的壓力很大。采用太陽能風(fēng)光互補技術(shù)，可為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化、解決好節(jié)能降耗和生態(tài)環(huán)境保護問題作出貢獻。

4.3 注意事項

（1）適用在市電無法引入、市電不穩(wěn)或市電引入建設(shè)成本高的站點建設(shè)風(fēng)光互補供電系統(tǒng)；

（2）由于風(fēng)機的機械運動，系統(tǒng)不可避免地會有一定的磨損，其使用壽命將較低且維護難度較大，因此使用時要慎重，應(yīng)制定風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，確保能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況，并更加重視該站點的防盜技術(shù)手段；

（3）風(fēng)光互補供電系統(tǒng)比普通站點所配置的電池容量要大，且通常使用膠體電池，成本較普通鉛酸電池高；

（4）受地域和氣候限制，選址時對自然環(huán)境（風(fēng)能和太陽能資源）要求較高。

5 結(jié)論

在太陽能、風(fēng)能資源比較豐富且互補性好的地區(qū)，太陽能風(fēng)光互補系統(tǒng)要比引接傳統(tǒng)市電體現(xiàn)出更好的經(jīng)濟性，且節(jié)能效果較好，可為節(jié)能減排工程作出一定的貢獻。選擇風(fēng)光互補系統(tǒng)，應(yīng)在經(jīng)濟性和可靠性方面做出評估，做好系統(tǒng)配置。

參考文獻：

[1] 馬勇. 基站風(fēng)光互補供電系統(tǒng)——設(shè)計思路、推廣應(yīng)用情況[A]. 通信電源新技術(shù)論壇——2008通信電源學(xué)術(shù)研討會論文集[C]. 2008.

[2] 朱振宇. 通信基站風(fēng)光互補供電系統(tǒng)設(shè)計[J]. 浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報， 2009（4）： 38-41.

[3] 馬也騁. 風(fēng)光互補發(fā)電在通信基站節(jié)能中的應(yīng)用[J]. 通信電源技術(shù)， 2012（6）： 43-45.

[4] 劉志寧，劉穎，劉和平，等. 淺析阿拉善盟風(fēng)能資源特征與區(qū)劃[J]. 內(nèi)蒙古氣象， 2002（3）： 32-34.

[5] 何淼. 48V風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]. 合肥： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2011.★endprint

風(fēng)光互補基站由于供電能量有限，盡量不使用空調(diào)。為了保證基站和蓄電池組的正常工作，一般采用風(fēng)光互補供電系統(tǒng)基站的機房都建成了地下或半地下的機房，通過地?zé)彷o助設(shè)備調(diào)節(jié)機房溫度，且風(fēng)光互補基站盡量使用膠體電池。

農(nóng)電基站與風(fēng)光互補基站投資對比具體如表3所示。

而對于采用太陽能風(fēng)光互補型的基站，建設(shè)周期短，產(chǎn)權(quán)歸局方所有。除去建設(shè)初期投入的太陽能風(fēng)光互補以及機房等配套設(shè)施的費用，后期系統(tǒng)每年還可以節(jié)省1.5萬元的電費。如果一套風(fēng)光互補系統(tǒng)在網(wǎng)20年，則可以節(jié)省30萬元的電費以及高額的引電費用。

4.2 節(jié)能分析

目前各行業(yè)都在貫徹國家節(jié)能減排計劃，國務(wù)院還印發(fā)了關(guān)于《節(jié)能減排綜合性工作方案》。電力消耗在通信運營企業(yè)能源消耗成本中占據(jù)很大比例。中國聯(lián)通內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)每個風(fēng)光互補型的供電站功耗約為500W，每年的耗電量超過4 000kWh，加上不用空調(diào)省下的費用，比常規(guī)基站節(jié)約將近一萬多度電。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，按照每節(jié)約1kWh電相當(dāng)于節(jié)省0.36kgce的能耗，即相當(dāng)于節(jié)省了1kg廢水的排放量，同時節(jié)省了0.959kg二氧化碳和6.5g二氧化硫的排放量。一個基站每天可以節(jié)約9.86kgce，一年就是3.6tce，可減少二氧化碳排放量9.59t。具體如表4所示。

我國是能源消耗大國，也是二氧化碳等溫室氣體的排放大國，大幅削減二氧化硫等污染物排放的壓力很大。采用太陽能風(fēng)光互補技術(shù)，可為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化、解決好節(jié)能降耗和生態(tài)環(huán)境保護問題作出貢獻。

4.3 注意事項

（1）適用在市電無法引入、市電不穩(wěn)或市電引入建設(shè)成本高的站點建設(shè)風(fēng)光互補供電系統(tǒng)；

（2）由于風(fēng)機的機械運動，系統(tǒng)不可避免地會有一定的磨損，其使用壽命將較低且維護難度較大，因此使用時要慎重，應(yīng)制定風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，確保能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況，并更加重視該站點的防盜技術(shù)手段；

（3）風(fēng)光互補供電系統(tǒng)比普通站點所配置的電池容量要大，且通常使用膠體電池，成本較普通鉛酸電池高；

（4）受地域和氣候限制，選址時對自然環(huán)境（風(fēng)能和太陽能資源）要求較高。

5 結(jié)論

在太陽能、風(fēng)能資源比較豐富且互補性好的地區(qū)，太陽能風(fēng)光互補系統(tǒng)要比引接傳統(tǒng)市電體現(xiàn)出更好的經(jīng)濟性，且節(jié)能效果較好，可為節(jié)能減排工程作出一定的貢獻。選擇風(fēng)光互補系統(tǒng)，應(yīng)在經(jīng)濟性和可靠性方面做出評估，做好系統(tǒng)配置。

參考文獻：

[1] 馬勇. 基站風(fēng)光互補供電系統(tǒng)——設(shè)計思路、推廣應(yīng)用情況[A]. 通信電源新技術(shù)論壇——2008通信電源學(xué)術(shù)研討會論文集[C]. 2008.

[2] 朱振宇. 通信基站風(fēng)光互補供電系統(tǒng)設(shè)計[J]. 浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報， 2009（4）： 38-41.

[3] 馬也騁. 風(fēng)光互補發(fā)電在通信基站節(jié)能中的應(yīng)用[J]. 通信電源技術(shù)， 2012（6）： 43-45.

[4] 劉志寧，劉穎，劉和平，等. 淺析阿拉善盟風(fēng)能資源特征與區(qū)劃[J]. 內(nèi)蒙古氣象， 2002（3）： 32-34.

[5] 何淼. 48V風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]. 合肥： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2011.★endprint

風(fēng)光互補基站由于供電能量有限，盡量不使用空調(diào)。為了保證基站和蓄電池組的正常工作，一般采用風(fēng)光互補供電系統(tǒng)基站的機房都建成了地下或半地下的機房，通過地?zé)彷o助設(shè)備調(diào)節(jié)機房溫度，且風(fēng)光互補基站盡量使用膠體電池。

農(nóng)電基站與風(fēng)光互補基站投資對比具體如表3所示。

而對于采用太陽能風(fēng)光互補型的基站，建設(shè)周期短，產(chǎn)權(quán)歸局方所有。除去建設(shè)初期投入的太陽能風(fēng)光互補以及機房等配套設(shè)施的費用，后期系統(tǒng)每年還可以節(jié)省1.5萬元的電費。如果一套風(fēng)光互補系統(tǒng)在網(wǎng)20年，則可以節(jié)省30萬元的電費以及高額的引電費用。

4.2 節(jié)能分析

目前各行業(yè)都在貫徹國家節(jié)能減排計劃，國務(wù)院還印發(fā)了關(guān)于《節(jié)能減排綜合性工作方案》。電力消耗在通信運營企業(yè)能源消耗成本中占據(jù)很大比例。中國聯(lián)通內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)每個風(fēng)光互補型的供電站功耗約為500W，每年的耗電量超過4 000kWh，加上不用空調(diào)省下的費用，比常規(guī)基站節(jié)約將近一萬多度電。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，按照每節(jié)約1kWh電相當(dāng)于節(jié)省0.36kgce的能耗，即相當(dāng)于節(jié)省了1kg廢水的排放量，同時節(jié)省了0.959kg二氧化碳和6.5g二氧化硫的排放量。一個基站每天可以節(jié)約9.86kgce，一年就是3.6tce，可減少二氧化碳排放量9.59t。具體如表4所示。

我國是能源消耗大國，也是二氧化碳等溫室氣體的排放大國，大幅削減二氧化硫等污染物排放的壓力很大。采用太陽能風(fēng)光互補技術(shù)，可為實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)多元化、解決好節(jié)能降耗和生態(tài)環(huán)境保護問題作出貢獻。

4.3 注意事項

（1）適用在市電無法引入、市電不穩(wěn)或市電引入建設(shè)成本高的站點建設(shè)風(fēng)光互補供電系統(tǒng)；

（2）由于風(fēng)機的機械運動，系統(tǒng)不可避免地會有一定的磨損，其使用壽命將較低且維護難度較大，因此使用時要慎重，應(yīng)制定風(fēng)光互補供電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，確保能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況，并更加重視該站點的防盜技術(shù)手段；

（3）風(fēng)光互補供電系統(tǒng)比普通站點所配置的電池容量要大，且通常使用膠體電池，成本較普通鉛酸電池高；

（4）受地域和氣候限制，選址時對自然環(huán)境（風(fēng)能和太陽能資源）要求較高。

5 結(jié)論

在太陽能、風(fēng)能資源比較豐富且互補性好的地區(qū)，太陽能風(fēng)光互補系統(tǒng)要比引接傳統(tǒng)市電體現(xiàn)出更好的經(jīng)濟性，且節(jié)能效果較好，可為節(jié)能減排工程作出一定的貢獻。選擇風(fēng)光互補系統(tǒng)，應(yīng)在經(jīng)濟性和可靠性方面做出評估，做好系統(tǒng)配置。

參考文獻：

[1] 馬勇. 基站風(fēng)光互補供電系統(tǒng)——設(shè)計思路、推廣應(yīng)用情況[A]. 通信電源新技術(shù)論壇——2008通信電源學(xué)術(shù)研討會論文集[C]. 2008.

[2] 朱振宇. 通信基站風(fēng)光互補供電系統(tǒng)設(shè)計[J]. 浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報， 2009（4）： 38-41.

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[4] 劉志寧，劉穎，劉和平，等. 淺析阿拉善盟風(fēng)能資源特征與區(qū)劃[J]. 內(nèi)蒙古氣象， 2002（3）： 32-34.

[5] 何淼. 48V風(fēng)光互補獨立電源系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]. 合肥： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2011.★endprint