德國新型自供給移動通訊基站

基于我國目前通訊行業(yè)數(shù)量龐大的移動通信基站的巨大能源消耗，本文通過介紹德國一種新型自供給移動通訊基站工作原理與工作方式，包括系統(tǒng)各個組成部分的連接方式，供能系統(tǒng)中的控制部分和控制策略，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)分析來提供一種新的移動通訊基站的能源解決方案的方向。

【關(guān)鍵詞】移動通訊基站 自供給 太陽能 光伏發(fā)電 風(fēng)力發(fā)電 燃料電池

1 引言

隨著我國的科技信息技術(shù)的不斷發(fā)展，全國信息化布局的不斷深入，我國的通信行業(yè)已經(jīng)逐步發(fā)展成我國經(jīng)濟中的重要產(chǎn)業(yè)，在全國經(jīng)濟比重里也占據(jù)著一定的部分，與此同時，給人們的工作、生活及溝通交流方式帶來了極大的便利，通過互聯(lián)網(wǎng)的普及，對各個領(lǐng)域也都有了不小的改變。同時，通信行業(yè)的通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不斷地在擴張，移動通訊基站的數(shù)目與日俱增，使得通訊行業(yè)的能耗以成倍的速度增長，使得通訊行業(yè)能源消耗的成本非常龐大，而通訊行業(yè)的能耗主要為電耗、油耗與耗材，其中電耗為主要能耗，其中通訊網(wǎng)絡(luò)用電占主要部分。而無線網(wǎng)絡(luò)能源損耗約占通訊網(wǎng)絡(luò)電能損耗的77%。隨著移動通訊用戶的增長，通訊網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗也相應(yīng)地增大，基站耗電成為影響運營成本的重要因素之一。如何減少通訊行業(yè)對傳統(tǒng)電能的依賴與消耗，如何在降低通訊行業(yè)的運營成本的同時使得通訊行業(yè)的行為更為環(huán)保。我們這里通過分析德國通訊業(yè)E-Plus的一個新型自供給移動通訊基站的運行來嘗試尋找一個解決方案。

E-plus是一個德國移動通訊供應(yīng)商，在德國擁有著大約2千5百萬個用戶（截止到2014年3月份的數(shù)據(jù)），是德國第三大移動通訊供應(yīng)商。在此之前，E-Plus的移動通訊基站都是通過電網(wǎng)供能來運行，每年都有很大的電能需求，其中86%的電能是運行無線電網(wǎng)絡(luò)消耗的，在一個成熟的移動通訊市場中，企業(yè)的10%-15%的成本源自于網(wǎng)絡(luò)的能源供應(yīng)。而E-Plus公司，作為德國處于領(lǐng)導(dǎo)地位的移動通訊供應(yīng)商，一直立志于建立環(huán)保的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以減少他們公司對周圍環(huán)境的影響，因此他們需要發(fā)展一種有助于改變通訊網(wǎng)絡(luò)功能模式的清潔能源項目。除此之外，還有一些移動通訊基站是建立在人煙稀少，離市區(qū)比較遠的地方。這樣移動通訊基站的與電網(wǎng)連接的線路成本以及每年的維修成本都非常的高。因此E-Plus通過與諾基亞網(wǎng)絡(luò)公司進行合作研發(fā)，建立了一種新型的移動通訊基站模式，他們希望這種移動通訊基站的能源供應(yīng)不依靠通過與電網(wǎng)的連接，而是在基站現(xiàn)場通過新能源的組合方式進行自供給，這樣一方面移動通信基站使用清潔能源，不使用電網(wǎng)的能源，相當(dāng)于減少了當(dāng)?shù)谻O2的排放，降低了他們公司對周圍環(huán)境的影響，另一方面，不需要遠距離輸電線路，降低了項目成本，通過一套遠程監(jiān)控以及故障檢測系統(tǒng)來降低這種偏遠地區(qū)的移動通訊基站的維修成本。

在2011年4月份開始，由E-plus和諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)公司（NSN）合作的新型自供給移動通訊基站的試點項目在德國的菲爾斯莫爾德（Versmold）西北部開始運行。這個移動通許基站的供能系統(tǒng)由光伏設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、燃料電池設(shè)備和蓄電池設(shè)備等綠色能源組成。而整個供能系統(tǒng)的核心是由諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)公司研制的綠色能源控制中心（Green Energy Controller），它對以上4種能源的的使用進行調(diào)控，除此之外，工作人員還可以在總控制中心通過遠程通訊，對GEC進行遠距離的監(jiān)控。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

Versmold的移動通訊基站的供能系統(tǒng)通過對太陽能、風(fēng)能、氫能的利用，減少傳統(tǒng)系統(tǒng)耗能所排放的CO2，降低了其對環(huán)境的影響，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

以下介紹一下供能系統(tǒng)的各個組成部分：

2.1 光伏發(fā)電設(shè)備

本系統(tǒng)的光伏發(fā)電設(shè)備是由45塊光伏模塊組成，平鋪的面積達到57.5平方米。每一個模塊的峰值功率是195w，以圖2的方式進行連接，之后通過DC/DC轉(zhuǎn)換電路連接到直流母線，太陽能轉(zhuǎn)化效率為15.3%。為了提高光伏模塊的發(fā)電效率，在光伏板的整體框架上設(shè)置了一臺兩軸的太陽跟蹤裝置，使得光伏板可以根據(jù)太陽的運動軌跡來進行自動的調(diào)整，從而相對于靜態(tài)的光伏模塊而言，它具有更高的效率。除此之外，由于Versmold的冬季會有大雪，當(dāng)大雪覆蓋住光伏板時，可以通過太陽跟蹤裝置的震動調(diào)整自動清除光伏板上覆蓋的雪。

2.2 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備

風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的風(fēng)能是通過在桅桿頂部的垂直軸風(fēng)力渦輪機來獲取發(fā)電，如圖3。這個風(fēng)力渦輪機的額定功率是10kW，聯(lián)動的電動機產(chǎn)生的交流電通過AC/DC整流器連接到直流母線。當(dāng)在周圍風(fēng)速達到12m/s以上時，它的啟動速度只有2.5m/s，這個啟動速度對于這種尺寸大小的渦輪機而言是非常低的。因此經(jīng)過測試，此時距渦輪機20米外的地方的噪聲只有60分貝，對周圍的噪音污染也是非常低的。這主要歸功于NSN的一個設(shè)計，通過將轉(zhuǎn)子葉片與智能風(fēng)向儀連接在一起，使得葉片每次都可以根據(jù)實時風(fēng)向進行調(diào)整。

2.3 氫氣燃料電池設(shè)備

本系統(tǒng)中，氫氣燃料電池設(shè)備是移動通訊基站獲得可持續(xù)供電的保障，當(dāng)太陽能與風(fēng)能不足，同時蓄電池的充電狀態(tài)降低到低于配置值的時候，GEC就會啟動氫氣燃料電池設(shè)備進行供能，保證了移動通訊基站的電力供應(yīng)。這里使用了兩組氫氣燃料電池組，每組的輸出功率為2kW，足夠供應(yīng)整個移動通訊基站的電能需求。因此，這種移動通訊基站可以在沒有太陽能和風(fēng)能的情況下持續(xù)運行5天的時間。

2.4 蓄電池設(shè)備

蓄電池是作為整個系統(tǒng)的儲能設(shè)備，當(dāng)太陽能與風(fēng)能充足，系統(tǒng)的生產(chǎn)的電能足夠供應(yīng)移動通信基站的電能需求的時候，將多余的能源進行存儲，降低了無用能源損耗，提高的系統(tǒng)產(chǎn)生電能的利用率。

3 系統(tǒng)控制策略

由諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)公司開發(fā)GEC（綠色能源控制器）是新型自供給移動通訊基站的控制大腦，將系統(tǒng)中的各個組成部分通過智能算法相互連接在一起，并且能夠通過GRPS數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)通信聯(lián)系。GEC里的綜合管理系統(tǒng)軟件（NetAct）對收集的各種能源數(shù)據(jù)、其他特殊數(shù)據(jù)和基站故障性能管理系統(tǒng)里的警報數(shù)據(jù)進行匯總和處理。除此之外，還控制著蓄電池的充電過程并且時刻監(jiān)控蓄電池的充電狀態(tài)，當(dāng)太陽能和風(fēng)能充足的時候，多余的能源將會對蓄電池進行充電。由于GEC時刻檢測著蓄電池的充電狀態(tài)，一旦控制器檢測到蓄電池的充電狀態(tài)完成，就會通過集成制動器停止風(fēng)力渦輪機的運行。在整個運行過程中，控制中心通過相應(yīng)的傳感器來測量直流總線上的電壓以及相應(yīng)測量點的電流值和溫度值。

在GEC啟動氫氣燃料電池設(shè)備的時候，檢測燃料電池是否已經(jīng)成功啟動并供能，它連接著燃料電池的控制器，通過模塊協(xié)議和RS485接口進行通信，另外還有一個繼電器控制部分，用來保證燃料電池輸出的電能僅僅只給實時負荷供能，而不會連接到蓄電池，給蓄電池充電。

4 結(jié)束語

2011年11月8日德國E-Plus和諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)公司在慕尼黑舉行了一個新聞發(fā)布會，會里介紹了兩家公司合作進行的新型節(jié)能項目-Versmold新型自供給移動通信基站的運行原理以及近期成果。會里表面，這個試點項目非常的成功，它已經(jīng)通過在移動通訊基站現(xiàn)場的新能源發(fā)電設(shè)備成功地長期持續(xù)給基站提供電能。通過統(tǒng)計，它的運行所減少的CO2排放量是一個德國人在2009年一年所消耗電能所產(chǎn)生的CO2排放量。同時，它的成功也給德國通信領(lǐng)域指明了一個能源解決方案的方向。我國的通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積遠遠大于德國通訊網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，我國通訊企業(yè)的能耗和移動通訊基站的數(shù)目也是遠超德國的，因此我國在這方面節(jié)能的空間還是非常大的，德國的這種新型移動通訊基站也能給我們提供一個新的能源解決方案的方向。

參考文獻

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[2]Guido Heitmann.E-Plus Gruppe schafft mit Datennetzausbau Basis für weiteres Wachstum 2012[EB/OL].https：//www.udldigital.de/e-plus-gruppe-schafft-mit-datennetzausbau-basis-fur-weiteres-wachstum-2012/，2012-01-24.

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[4]NSN新聞稿.Energiewende im Telekommunikationsmarkt：Beispiele aus der Praxis.[EB/OL]https：//www.pressebox.de/inaktiv/nokia-siemens-networks/Energiewende-im-Telekommunikationsmarkt-Beispiele-aus-der-Praxis/boxid/463779.2011-11-16.

作者簡介

余翼（1986-），男，湖北省武漢市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為電子科技大學(xué)中山學(xué)院機電工程學(xué)院助教。主要研究方向為供電系統(tǒng)。

劉金華（1981-）女，湖南省衡陽市人。碩士學(xué)位。現(xiàn)為電子科技大學(xué)中山學(xué)院副教授。主要研究方向為微電網(wǎng)，混合儲能。

作者單位

電子科技大學(xué)中山學(xué)院 廣東省中山市 528402