永暑礁基站新能源混合供電系統(tǒng)

魏運鋒，李偉，劉慶東

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信大慶市分公司，大慶 163318）

永暑礁基站新能源混合供電系統(tǒng)

魏運鋒，李偉，劉慶東

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信大慶市分公司，大慶 163318）

本文首先介紹了永暑礁充足日照、風(fēng)力、制氫資源，為風(fēng)光氫混合供電提供前提；其次，根據(jù)系統(tǒng)的組成及配置方法，提出具體的供電方案；然后在系統(tǒng)投資、維護成本、總體經(jīng)濟效益方面與其他供電方式進行了比較分析，得出風(fēng)光氫混合供電系統(tǒng)是一種很好的供電方式，并有明顯的節(jié)能減排效果，在風(fēng)光充足的偏遠(yuǎn)地區(qū)有廣闊的應(yīng)用前景。

混合供電；節(jié)能減排；經(jīng)濟效益

1 概述

2016年1月永暑礁正式通航，越來越多的游客到祖國最南端感受祖國的唯美山河，該島地處偏僻，對游客及駐扎軍隊想與外界通信是一個難題。6月份伴隨中國移動永暑礁4G基站項目的竣工實現(xiàn)祖國各地全方位通信，中國移動通信達(dá)到一個新的高度。但是永暑礁地理位置復(fù)雜遠(yuǎn)離祖國大陸，給基站的供電帶來一定的困難，三沙市政府也意識到這個問題的存在，隨著新能源的發(fā)展，太陽能、風(fēng)能及氫能逐漸成為新型供電方式，并且永暑礁日照充分，風(fēng)能資源豐富給新能源發(fā)電提供一個有力支持。

太陽能資源：永暑礁一年中受到太陽直射的次數(shù)為兩次，且輻射總能量大可以達(dá)到140千卡/cm2。由于地處維度較低太陽的輻射角度大，每年輻射資源儲量十分豐富，達(dá)到6 000 MJ/m2。總體統(tǒng)計分析，除12月輻射總量低于380 MJ/m2外，其余的月份均在380 MJ/m2以上，特別在陽光充足的5月份，能量總量可以達(dá)到650 MJ/m2左右。通過天氣數(shù)據(jù)顯示，永暑礁全年日照時長可達(dá)2 900 h左右，除日照時間較短的11-12月份外，其余月份的日照時長均在200 h以上，5月份的日照時長均值在300 h以上，所以永暑礁擁有巨大的太陽能資源，具體日照如圖1(A)所示[1]。

風(fēng)能資源：永暑礁地處海域，屬于海洋季風(fēng)氣候，風(fēng)力資源相比內(nèi)陸地區(qū)要豐富的多，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)顯示，永暑礁的年平均風(fēng)速在6 m/s左右，在風(fēng)力盛的5-9月份，有時風(fēng)速可以達(dá)到10 m/s，即便在冬季風(fēng)速都可以達(dá)到6 m/s，永暑礁儲存著巨大的風(fēng)力資源。具體風(fēng)速統(tǒng)計如圖1(B)所示[2]。

圖1顯示，永暑礁存儲豐富的太陽能、風(fēng)能資源，海水資源更是豐富，為氫能的制取提供有力原料。在冬季太陽照射較弱的時間段真是風(fēng)能分布豐富的季節(jié)，相反在風(fēng)速較弱的夏季里真是太陽照射最強的時間段，太陽能和風(fēng)能在全年相互補充，太陽能、風(fēng)能都不理想的情況下可以利用儲備的氫能進行發(fā)電，使供電系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、安全的運行。所以基于此原因本文設(shè)計太陽能、風(fēng)能和氫能相互結(jié)合方式為基站供電是符合邏輯，并且具有一定的可實施性。

其他供電方式：（1）核電——小型核聚變裝置，電力絕對十足，代價昂貴，輻射力強還是戰(zhàn)爭打擊的對象。（2）潮汐發(fā)電，能夠滿足島上用電及基站供電，但是需要建設(shè)封閉的大壩，而且占地面積較大，有可能影響到過往的船只通行。（3）沼氣垃圾發(fā)電，單體容量小，無法為電源持續(xù)穩(wěn)定的供電。（4） 柴油機組發(fā)電，噪聲大，尾氣污染環(huán)境，后期維護成本高。（5）海底電纜供電，距離太遠(yuǎn)，建設(shè)成本太高，長距離供電無法保證電壓的穩(wěn)定傳輸。綜上所述，太陽能、風(fēng)能和氫能混合供電是最佳方案。

2 基站混合供電系統(tǒng)

基站混合供電系統(tǒng)總體分為智能控制節(jié)點和智能控制中心兩部分。智能控制節(jié)點由光伏發(fā)電子系統(tǒng)、氫燃料電源子系統(tǒng)、制氫儲氫子系統(tǒng)、蓄電池控制管理子系統(tǒng)組成。本地控制中心負(fù)責(zé)監(jiān)管基站電源總體狀態(tài)，實時監(jiān)測太陽能、風(fēng)能及氫能電源供電互補情況，同時不斷采集供電能源的運行參數(shù)及變化參數(shù)，CAN總線和CAN總線服務(wù)器連接到控制中心，傳輸數(shù)據(jù)參數(shù)指令和指標(biāo)要求，根據(jù)參數(shù)值適時調(diào)整混合供電系統(tǒng)的運行效果，使整個供電系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)發(fā)揮最大作用，達(dá)到基站最佳的供電效果。圖2為具體混合供電系統(tǒng)示意圖。

混合供電系統(tǒng)的供電模式根據(jù)不同外在風(fēng)光條件會有所變化，如在風(fēng)光資源充足時，可以充分給基站負(fù)載供電，同時有多余電量剩余可以電解水制氫并加以存儲，在風(fēng)光資源不足時加以備用。如果在風(fēng)光發(fā)電不足以同時滿足基站負(fù)載和制氫時，風(fēng)光發(fā)電只保證基站負(fù)載的正常運行。若風(fēng)光發(fā)電進一步降為無法供應(yīng)基站負(fù)載運行時，由氫能發(fā)電維持負(fù)載的供電。太陽能照射及風(fēng)能實時都在變化中，當(dāng)風(fēng)光發(fā)電電能恢復(fù)達(dá)到一定程度時，轉(zhuǎn)為風(fēng)光繼續(xù)發(fā)電，如此循環(huán)保證整個基站供電的穩(wěn)定可靠。太陽能發(fā)電子系統(tǒng)的維護及運行成本較低，供電穩(wěn)定性較高，但是現(xiàn)階段建設(shè)成本較高。風(fēng)能發(fā)電子系統(tǒng)維護運行成本很低，發(fā)電量最高，但是發(fā)電穩(wěn)定性有待進一步提高。根據(jù)日常發(fā)電量及負(fù)載容量，采用混合供電的方式為最佳方案[3～5]。

3 系統(tǒng)配置

3.1 日用電量和發(fā)電量需求

負(fù)載總功率580 W，直流48 V供，24 h工作計算總耗電量約為：

圖2 基站混合供電示意圖

E1=20 A×48 V×24 H=23.04 kWh， 大 約 消 耗23 kWh電?；旌习l(fā)電系統(tǒng)的供電效率按照75%計算，則等效所需的系統(tǒng)發(fā)電量約為28.75 kWh。

3.2 氫燃料電池配置

本設(shè)計方案采用稀土系金屬合金氧化物來儲存氫氣，這種儲氫方式效果非常顯著。型號為H6000儲氫瓶，可以儲存6 m3的氫氣。如果單個基站停電2天備用48 h，需要存儲約40 m3的氫氣，總體需求比較大，通過簡單計算需要7個儲氫瓶來滿足40 m3的容量。但是充分考慮基站間的能源調(diào)配問題，所以多加一個儲氫瓶來存儲48 m3的氫氣。基站間能源調(diào)配可行性的計算48 m3這一數(shù)值可滿足負(fù)載的需求。具體配置與成本如表1所示。

表1 氫燃料電池配置與成本

本設(shè)計基站負(fù)載功率在1kW內(nèi)，消耗氫氣在40 m3左右，成本在0.4萬元。

3.3 混合供電配置設(shè)計

永暑礁站點風(fēng)、光、氫能資源豐富，采用混合互補的方式供電，在風(fēng)、光資源都不足的時候利用氫能源作為后備電源。混合互補對設(shè)備進行供電（風(fēng)、光的配置比例通常按照風(fēng)：光＝8：2或7：3 或6：4或5：5進行配置，有效降低單純建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本。根據(jù)永暑礁風(fēng)光資源的利用率，本設(shè)計按照風(fēng)：光＝6：4進行配置）。根據(jù)數(shù)據(jù)日總發(fā)電量是負(fù)載日用電量的兩倍左右。由于系統(tǒng)有后備電源，本系統(tǒng)可以適當(dāng)降低系統(tǒng)的發(fā)電量。

3.4 混合供電設(shè)備

3.4.1 風(fēng)力機

本設(shè)計采用5 kW風(fēng)力發(fā)電機，有效風(fēng)速5 m/s，風(fēng)機輸出功率0.55 kW，每臺日發(fā)電量為0.55×24=13.2 kWh，日發(fā)電量=15.84 kWh。

考慮不但滿足負(fù)載用電，還需制氫存儲供電，配置3臺5 kW風(fēng)力機。風(fēng)力機日總發(fā)電量=15.84 kWh×3臺=47.5 kWh；且風(fēng)力機具有以下特點。

（1）高效率：同等風(fēng)速下對比國外風(fēng)機發(fā)電量高出30%以上，風(fēng)機最重要的要看同等風(fēng)速下的發(fā)電而不是額定功率。

（2）高品質(zhì)：優(yōu)質(zhì)的材料，主軸和尾軸都采用不銹鋼材料，防腐防銹性能好；高性能翼型：采用木芯外粘玻璃纖維，使之壽命長、阻尼性能高、動態(tài)特性好；專業(yè)的設(shè)計。

（3）多重保護：加載調(diào)速：先進的高頻PWM控制，有效地減小風(fēng)機的振動，延長機組的使用壽命；自動側(cè)偏：采用風(fēng)輪側(cè)偏式調(diào)速，風(fēng)速過大時風(fēng)輪側(cè)偏，以機械方式保護機組；風(fēng)葉失速控制：葉片中部翼型失速角度小，大風(fēng)風(fēng)輪提前進入失速狀態(tài)。

3.4.2 光伏組件

永暑礁安裝地點的地形不平，多沙石，且光伏板造價高，光伏組件初步取1.98 kWp。計算光伏每天發(fā)電量為0.99×2 kWp×4.6 h= 9.1 kWh。在滿足風(fēng)光資源條件下，日總發(fā)電量=47.5 kWh+9.1Wh=56.6 kWh，根據(jù)上邊計算日需電量28.75 kWh，風(fēng)機和光伏輸出發(fā)電量約用電量的2倍，符合設(shè)計要求，具有可實施性。

3.4.3 儲氫組件

本方案采用質(zhì)子交換膜氫燃料電池。此燃料電池由最基本的單電池構(gòu)成，但是單電池的實際電流、電壓較小無法滿足實際基站供電需求，所以采取單電池串聯(lián)方式組成電池堆。本設(shè)計經(jīng)實際核實建議采用型號為FCPS-500氫燃料電池電源系統(tǒng)。氫燃料電池堆額定功率為500 W，額定電壓為24 V，額定電流約為20.83 A，符合基站供電系統(tǒng)的需求。兩個電池組串聯(lián)，也滿足額定電壓為48 V的要求[6]。

4 混合供電系統(tǒng)成本及節(jié)能減排分析

在遙遠(yuǎn)的永暑礁完成基站供電是我國通信行業(yè)的一次壯舉，但是也必須考慮到不同供電形式從投資、維護成本、可靠性、能耗等方面進行比較分析，通過對混合供電系統(tǒng)與油機供電系統(tǒng)和風(fēng)光互補系統(tǒng)的投資對比。驗證混合供電系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性及可實時性，為后續(xù)工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

4.1 系統(tǒng)投資成本比較分析

投資方面，采用混合供電系統(tǒng)初期投資主要包括：光伏發(fā)電組件、風(fēng)力發(fā)電組件、電解水制氫機、儲氫裝置、安裝及其他費用等。

從目前投資來講，風(fēng)光氫混合供電系統(tǒng)的投資最高。風(fēng)光互補系統(tǒng)次之，最少的為油機供電。這是因為氫能還沒有在國際社會被廣泛應(yīng)用，造成氫能設(shè)備成本較高。

4.2 維護成本比較分析

風(fēng)光氫混合供電模式，平時的維護量很少，且組件的平均壽命長，無論從平時維護成本、還是設(shè)備折舊方面都是最低的，從長期來看成本費用相對較少。表2為風(fēng)光氫混合供電模式、油機供電模式、風(fēng)光供電模式的維護成本費用比較。

表2 維護成本比較分析

4.3 能耗和氣體排放量比較分析

風(fēng)光氫混合供電模式能源供給幾乎全部來自太陽能和風(fēng)能，為綠色能源，不會產(chǎn)生任何污染和任何氣體排放量，符合國家的節(jié)能減排、環(huán)保政策。

4.4 總體經(jīng)濟效益比較分析

永暑礁基站供電總成本隨時間的增加成本正比增長，總投資包括前期一次性投資和后期維護成本，把3種供電系統(tǒng)的總成本函數(shù)關(guān)系表示如圖3所示。

由圖3可以得出，隨著時間的推移總成本也是逐漸增加，雖然油機的前期投資比較低，但是油機的增長速度明顯快于另外兩種供電模式，在投資后的第二年總成本和風(fēng)光互補發(fā)電成本相當(dāng)，5年后和風(fēng)、光、氫混合供電系統(tǒng)成本相當(dāng)。而在11年后風(fēng)光氫混合供的成本最低，并在壽命周期內(nèi)總成本低于風(fēng)光互補系統(tǒng)。

圖3 供電總成本隨時間走勢圖

5 結(jié)論

本文根據(jù)通信行業(yè)快速穩(wěn)定的發(fā)展，對在擁有豐富自然資源的偏遠(yuǎn)的海域地區(qū)的供電方式進行論述，通過數(shù)據(jù)計算分析驗證風(fēng)光氫混合供電方式的正確性與可實施性。風(fēng)光氫混合供電一次性投資，后續(xù)維護工作簡單，長期經(jīng)濟效益好，符合國家節(jié)能減排政策，適合偏遠(yuǎn)海域供電。

[1] 伍辰. 基于三沙群島環(huán)境下的離網(wǎng)式綠色基站供電系統(tǒng)研究與分析[D]. 北京：北京郵電大學(xué)， 2013.

[2] 楚顯哲. 基于三沙群島環(huán)境下移動通信基站風(fēng)新能源混合供電系統(tǒng)的研究與分析[D]. 北京：北京郵電大學(xué)， 2012.

[3] 王鵬鵬. 空間太陽能電站高低壓混合供電系統(tǒng)設(shè)計[J]. 航天器工程， 2014，(07)：64-70.

[4] 吳學(xué)賓. 風(fēng)光互補基站供電系統(tǒng)設(shè)計思路與應(yīng)用探討[J]. 移動通信， 2014，(05)：71-75.

[5] 張寧.風(fēng)光互補供電技術(shù)在3G基站的應(yīng)用[J]. 中國新通信，2014， 3(30)：54-59.

[6] 胡堅鈞. 太陽能電池在偏遠(yuǎn)基站的應(yīng)用[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化， 2016，(6)：20-23.

China new energy hybrid power supply system base station

WEI Yun-feng, LI Wei, LIU Qing-dong
(China United Network Communications Daqing Branch, Daqing 163318; China)

This paper fi rst introduces the sunshine, wind and hydrogen resources Yongshu adequate, scenery hydrogen hybrid power supply to provide the premise; secondly, according to the composition and con fi guration of the system, put forward the concrete scheme of power supply, then in the model system, investment cost, maintenance and other aspects of the overall economic bene fi ts of power supply are analyzed, the scenery of hydrogen hybrid power supply the system is a very good way of power supply, and has the obvious effect of energy-saving emission reduction, and has broad application prospects in the remote areas of plenty of scenery.

hybrid power supply; conserve energy and reduce emissions; economic performance

TN86

A

1008-5599（2017）09-0068-05

2016-10-14