節(jié)能新技術(shù)在通信基站領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究

譚洪利,高金波（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，濟南 250101）

節(jié)能新技術(shù)在通信基站領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究

譚洪利,高金波
（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，濟南 250101）

摘 要本文總結(jié)了在基站電源領(lǐng)域最近幾年應(yīng)用的新技術(shù)、新產(chǎn)品、新理念，重點介紹了太陽能等綠色再生資源的利用，氫燃料電池替代鉛酸電池及油機的嘗試。

關(guān)鍵詞節(jié)能；太陽能；燃料電池；基站

1　前言

中國移動通過多年的實踐和總結(jié)，并通過與供應(yīng)商的緊密合作，推動了通信領(lǐng)域節(jié)能減排新技術(shù)、新產(chǎn)品的應(yīng)用，取得了可喜的成果。從基站到中心機房，從傳統(tǒng)的通信機房改造到集多種節(jié)能措施于一體的先進IDC機房，從北方到南方，都能找到節(jié)能新產(chǎn)品的使用和節(jié)能設(shè)計方案的應(yīng)用，并且每種措施都在最適合它應(yīng)用的氣候、場合下發(fā)揮著最大的功效。本文淺談了一些節(jié)能措施的應(yīng)用場景、使用方式、節(jié)能效果、發(fā)展方向等方面的內(nèi)容。

移動通信領(lǐng)域，數(shù)量龐大的基站耗電量是驚人的，電信運營商的節(jié)能減排主要就是體現(xiàn)在對電力的節(jié)約上。在面積不大的基站中，應(yīng)用的節(jié)能新技術(shù)有很多，例如綠色可再生的能源發(fā)電、氫燃料電池、一體化空調(diào)、磷酸鐵鋰電池、蓄電池恒溫箱、隔熱涂料等。

以下主要介紹太陽能、氫燃料電池在基站中的應(yīng)用相關(guān)問題。

2　基站太陽能應(yīng)用

2.1太陽能發(fā)電的特點

太陽能發(fā)電系統(tǒng)通過把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，直接將其送到基站設(shè)備和電池。太陽能發(fā)電代表了太陽能電源的發(fā)展方向，是21世紀最具吸引力的能源利用技術(shù)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

（1）是一種真正意義的清潔、環(huán)保的可再生能源，不耗用有限的含碳化石能源，無溫室氣體和污染物排放，與生態(tài)環(huán)境和諧，符合經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

（2）所發(fā)電能饋入基站設(shè)備和電池，從而使發(fā)電成本大為降低。

（3）分布式建設(shè)，就近就地分散發(fā)供電，進入和退出電網(wǎng)靈活，既有利于增強電力系統(tǒng)抵御災(zāi)害的能力，又有利于改善電力系統(tǒng)的負荷平衡，并可降低線路損耗。

（4）太陽能光伏系統(tǒng)是世界各發(fā)達國家在光伏應(yīng)用領(lǐng)域競相發(fā)展的熱點和重點，是世界太陽能光伏發(fā)電的主流發(fā)展趨勢，前景廣闊。

《中國移動基站太陽能電源系統(tǒng)建設(shè)指導(dǎo)意見》中按接受太陽能輻射量的大小，將全國大致分為5類地區(qū)，如表1所示。

表1　太陽能資源分類表

在基站應(yīng)用太陽能發(fā)電可以解決兩種問題：第一種是市電引入困難或者市電引入代價昂貴的場合，太陽能發(fā)電用來解決基站供電問題；第二種是在市電情況良好的地區(qū)，利用太陽能發(fā)電，減少對市電的需求。

對于第一種情況，都是新建基站，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件確定太陽能組件的配置即可，一般安裝條件全部都符合。

對于第二種情況，建議選址原則如下：

（1）直流功率不超過3.2 kW。

（2）周圍或屋頂有安裝太能板空間，朝南方向并無遮擋，若為塔下房，房頂不適合安裝太陽能板，要求塔的南側(cè)有足夠安裝空間。

（3）基站功率與安裝太陽能組件最小面積的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2　基站功率與太陽能組件安裝最小面積關(guān)系表

（4）安裝太陽能方陣的空場距離機房不能超過15 m。

（5）如果將太陽能板安裝在基站屋頂，則屋頂?shù)男铦M足承重、加固要求，屋頂承重要在300 kg/m2以上。一般彩鋼板結(jié)構(gòu)基站機房不適合在屋頂安裝。

（6）滿足安全、防盜、施工要求等條件。

2.2太陽能供電方式選擇

基站太陽能供電推薦以下兩種方式：太陽能與市電并接、雙蓄電池切換。

2.2.1 太陽能與市電并接[1]

太陽能電池組件通過控制器直接并到蓄電池組正負極，太陽能控制器產(chǎn)生的浮充電壓與基站內(nèi)開關(guān)電源的浮充電壓基本一致，無法對蓄電池充電，所以太陽能電池組件所發(fā)的電，即發(fā)即用，此種方式太陽能所發(fā)電能無法存儲。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　太陽能與市電并接方式系統(tǒng)原理圖

2.2.2 雙蓄電池組切換方式

太陽能供電系統(tǒng)中增加一組小容量蓄電池，與基站

內(nèi)原有蓄電池形成并聯(lián)狀態(tài)，兩組蓄電池分別儲能，分別充電。新能源供電優(yōu)先，負載輸出在兩組蓄電池間相互切換，切換繼電器默認狀態(tài)為接通市電一側(cè)蓄電池組，這樣即使繼電器出現(xiàn)故障，也可以保證基站的正常運行。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2　太陽能與市電并接方式系統(tǒng)原理圖

此系統(tǒng)中由于增加了儲能部分，太陽能的日發(fā)電量設(shè)計可適當(dāng)加大并都能夠被有效利用。

小容量蓄電池組與原基站蓄電池組的下限點設(shè)置不同，略高于原基站蓄電池組下限點，當(dāng)?shù)竭_小容量蓄電池組下限點且負載尚未切出時，原系統(tǒng)蓄電池組已切入，隨后小容量蓄電池組切出，保證負載側(cè)無供電間斷。當(dāng)小容量蓄電池組電壓值恢復(fù)負載又切回。

（1）太陽能供電系統(tǒng)并接方式。此系統(tǒng)優(yōu)點是不會對原系統(tǒng)有任何影響，不改變原系統(tǒng)的蓄電池備用時間，施工簡便。此系統(tǒng)缺點是節(jié)能效率低。

（2）雙蓄電池組切換方式。此系統(tǒng)優(yōu)點是可根據(jù)節(jié)能減排要求合理配備新能源發(fā)電的比例，新能源產(chǎn)生的電能得到最大的利用，不降低原系統(tǒng)的蓄電池備用供電時間，無斷點切換，投資回報率最高，節(jié)能效果最好。

此系統(tǒng)缺點是在系統(tǒng)改造過程中，需要對負載停電，將所有負載回路導(dǎo)入太陽能發(fā)電系統(tǒng)切換裝置中。

綜合比較以上兩種方案，雖然雙蓄電池組切換方式需要對基站原有負載回路進行改動，但是投資回報率高，特別是基站周圍有足夠空間安裝太陽能組件的情況下節(jié)能減排效果明顯，更適合應(yīng)用于基站的新能源改造。

2.3太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展[2]

太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展，除了太陽能組件更高的轉(zhuǎn)換效率外，其控制器的發(fā)展將是重中之重。具備最大功率跟蹤功能（MPPT）的控制器可以比方陣投切型、PWM變換型控制器提高太陽能組件利用率8%。MPPT功能的控制器還有一個優(yōu)勢，也代表著發(fā)展方向，就是可以做成模塊化太陽能通道，更好地與市電開關(guān)電源進行集成及安裝。將來開關(guān)電源的輸入端是交流市電、太陽能和風(fēng)能三種形式的電力，通過控制器的控制策略來充分利用自然資源并保障供電可靠。

3　氫燃料電池

3.1氫燃料電池的組成及工作原理

3.1.1 氫燃料電池的組成

氫燃料電池由以下幾部分組成：

（1）核心組件，放置燃料電堆并進行化學(xué)反應(yīng)的組件；

（2）主控制面板，實現(xiàn)本地及遠程管理的組件；

（3）輔助起動電源，在燃料電池起動時間內(nèi)提供電力；

（4）外置散熱器，用于散出化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量；

（5）儲氫氣罐，儲存氫氣，為核心組件提供氫燃料。要求氫燃料電池具備防漏檢測、壓力檢測、氣體濃度檢測等多種安全設(shè)備，確保設(shè)備的安全性。

3.1.2 氫燃料電池反應(yīng)原理[3]

氫燃料電池發(fā)電的主要原理就是儲氫罐里的氫氣與空氣中的氧氣在質(zhì)子交換膜中反應(yīng)，產(chǎn)生電壓，再通過配電設(shè)備將產(chǎn)生的電能輸送到用電設(shè)備。主要反應(yīng)方程式如下：

燃料電池是一種化學(xué)電池，也是一種新型的發(fā)電裝置，它所需的化學(xué)原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經(jīng)過內(nèi)部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產(chǎn)生0.9 V電壓的直流電能，同時產(chǎn)生大量的熱能，將單元燃料電池串聯(lián)可以組成各種直流電壓供通信設(shè)備用電?；瘜W(xué)反應(yīng)時產(chǎn)生大量的熱能，可

以供熱或經(jīng)吸收式空調(diào)器為機房降溫使用。當(dāng)采用熱、電綜合利用時，效率可達80%（一般火力發(fā)電廠的效率只能達到40%），可以利用燃料電池取代蓄電池組和柴油發(fā)電機設(shè)備。

氫燃料電池唯一的排放物是水，無溫室氣體排放，不產(chǎn)生廢棄物。

3.2氫燃料電池的應(yīng)用

3.2.1 氫燃料電池的特點

氫氣的物理化學(xué)特性比天然氣更安全（質(zhì)量極輕、自燃溫度極高等）。

與傳統(tǒng)油機發(fā)電相比，氫燃料電池具有發(fā)電響應(yīng)快、后備時間長、發(fā)電無需人員干預(yù)、安全可靠、安裝靈活、更換簡單、低噪音無污染等優(yōu)勢，可有效提高后備電源啟動及時性、大大減少人員油機發(fā)電的下站時間，減少油機和蓄電池的配置數(shù)量，并可適度提高基站溫度減少空調(diào)能耗。后備時間可通過增加、減少儲氫罐數(shù)量來調(diào)整，靈活方便。另一方面經(jīng)測算如果因停電造成基站斷站，客戶滿意度損失和話費損失遠遠大于發(fā)電成本，符合公司的經(jīng)濟利益和社會效益。

3.2.2 氫燃料電池的安裝要求

目前，氫燃料電池規(guī)格從3 kW到15 kW都有，針對移動通信基站用電負荷情況，3 kW、6 kW這兩種規(guī)格就可以滿足幾乎全部類型基站后備電源需求。電池設(shè)備可根據(jù)實際情況選擇室內(nèi)安裝與室外安裝（儲氫罐一般需要室外安裝）。機柜尺寸約為：600 mm×800 mm（寬×深），最小安裝面積要求室內(nèi)1 m2，室外背光處3 m2。散熱器可掛墻安裝。

另外，如果室內(nèi)安裝，需要在基站墻體上開2個200 mm×200 mm大小通風(fēng)口，以便補充反應(yīng)消耗的空氣，相應(yīng)做好防水、防塵、防盜等處理。產(chǎn)生的水需要通過管道排到基站外，所以，建議在靠墻處安裝。

由于氫燃料電池屬于新型能源，被普遍接受需要一個過程，特別是儲氫罐屬于壓力容器，可能會引起周圍人的抵觸。所以目前適合用于偏遠地區(qū)，遠離人群的基站，有獨有小院的基站更為理想。

3.2.3 氫燃料電池的發(fā)電成本

對初始設(shè)備購置費用、日常維護使用費用綜合考慮后，通過計算，氫燃料電池每年發(fā)電時間在400 h以下時，發(fā)電成本低于柴油發(fā)電機，并且氫燃料電池取代鉛酸電池后，不僅可以減少鉛酸電池這部分投資，還可提高基站運行溫度，大幅減少空調(diào)耗電量。

氫燃料電池屬于新型無污染能源，在生產(chǎn)和使用過程中都可以減少污染物排放，并且使用靈活方便，可靠性高。以其固有的優(yōu)勢，可以彌補現(xiàn)在蓄電池和油機的后備電源系統(tǒng)現(xiàn)在存在的缺點。隨著技術(shù)的進步，氫燃料電池可以進一步改進自身性能，提高可靠性、可用性，為移動通信基站的正常運行提供完備、經(jīng)濟、環(huán)保的保障。

4　其它節(jié)能技術(shù)

4.1磷酸鐵鋰電池

與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池相比，鋰蓄電池具有電池電壓高，單體電池電壓可達3.9 V；能量和功率高，工作溫度范圍廣，能在-40℃～+70℃范圍內(nèi)工作，放電電壓平穩(wěn)；儲存壽命長，一般在室溫下儲存5年，其容量只下降5% ～10%，充放電循環(huán)次數(shù)達到1 000次以上等優(yōu)點。因此鋰蓄電池應(yīng)用到基站中，可適當(dāng)調(diào)高基站運行溫度，實現(xiàn)節(jié)能減排。

4.2一體化空調(diào)

一體化空調(diào)是集智能通風(fēng)/智能換熱機器與舒適性空調(diào)機于一體的空調(diào)機。在春秋時間，特別是北方地區(qū)的春秋時間，當(dāng)室內(nèi)外溫差相差10℃時，可關(guān)閉空調(diào)壓縮器，僅僅將室內(nèi)較熱空氣與較冷室外空氣進行熱交換即可滿足基站需求。在環(huán)境較好，空氣中粉塵含量低的地區(qū)，可直接將室外新風(fēng)引入基站，智能通風(fēng)比智能換熱更加節(jié)能。

4.3電池恒溫箱

在基站內(nèi)所有的設(shè)備中，蓄電池是對基站內(nèi)的溫度條件要求最高，最敏感的設(shè)備?；緝?nèi)溫度每升高10℃，蓄電池壽命下降1倍。蓄電池恒溫箱是對蓄電池

冷卻、加熱、保持恒溫工作條件的一種專用設(shè)備。將蓄電池安裝在獨立的空間內(nèi)，利用小型空調(diào)，對蓄電池的獨立進行單獨的溫度控制，為蓄電池提供一個25℃左右的工作環(huán)境。同時提高基站內(nèi)主設(shè)備和電源設(shè)備的溫度到35℃左右甚至更高，大大降低基站內(nèi)部空調(diào)能耗，達到節(jié)能減排的目的。

蓄電池恒溫箱小空調(diào)有兩種，一種是壓縮機式，一種是半導(dǎo)體式。

壓縮機式空調(diào)的優(yōu)點是制冷量大；制冷效率高，能效比在1.6左右，節(jié)能環(huán)保；適用范圍比較寬，在內(nèi)外溫差可以到達10℃以上。壓縮機式空調(diào)的缺點是噪音大，體積大。

半導(dǎo)體式空調(diào)的優(yōu)點是不需要任何制冷劑，沒有污染源。工作時沒有震動、噪音；結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕。半導(dǎo)體式空調(diào)的缺點是能效比差，內(nèi)外環(huán)境溫差較大時制冷效率低下，節(jié)能效果不明顯；制冷量小，最大不超過200 W；使用的地區(qū)的環(huán)境受限制。

5　總結(jié)

中國幅員遼闊，氣候多樣，地形復(fù)雜，每一處的基站所處的環(huán)境不同，其適用的節(jié)能技術(shù)也應(yīng)該不同，對于一個具體的基站，可以使用某種最適合的技術(shù)，可以是多種技術(shù)的組合使用。總之，為了打造綠色節(jié)能的通信網(wǎng)絡(luò)，基站中的各項節(jié)能措施都在發(fā)揮著自己的作用。我們應(yīng)該做的是總結(jié)經(jīng)驗，讓這些措施發(fā)揮最大的效能。

參考文獻

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The research for new energy-efficient technologies in base station

TAN Hong-li, GAO Jin-bo
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Shandong Branch, Jinan 250101, China)

AbstractThe paper summarizes the new technologies and the nes designs , and focuses on the application of

solar-energy and Hydrogen fuel cell in base station.

Keywordsenergy conservation； solar power； hydrogen fuel cell； base station

收稿日期：2015-09-24

中圖分類號TN915

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2015）11-0073-05