風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)在通信基站中的應(yīng)用

王 建

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)建立通信基站時(shí)，遠(yuǎn)距離導(dǎo)致市電引入費(fèi)用較高，一旦市電停電，就要依靠自啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電。然而，偏遠(yuǎn)地區(qū)存在柴油儲(chǔ)運(yùn)成本高、環(huán)境污染高、噪音大等諸多弊端，所以停電后柴油發(fā)電只能作為短時(shí)應(yīng)急電源。為了在通信基站的建設(shè)階段對(duì)基站供電給出完整的解決方案，一勞永逸地解決長期穩(wěn)定的供電問題，推薦同時(shí)使用太陽能和風(fēng)能給通信基站互補(bǔ)供電。

太陽能和風(fēng)能是取之不盡的可再生、清潔自然能源，兩者在時(shí)間上具有較強(qiáng)的互補(bǔ)特性。比如，白天光照強(qiáng)，晚上風(fēng)力大；夏季光照強(qiáng)，冬季風(fēng)力大。偏遠(yuǎn)地區(qū)通信基站選址大多在山頂或空曠區(qū)域，周圍無高大地物遮擋，獲取這兩種自然資源的地理?xiàng)l件較好。因此，在某個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi)獲取到至少一種資源的概率很高，為同時(shí)使用這兩種能源奠定了理論基礎(chǔ)。當(dāng)然，這種互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需綜合考慮基站用電負(fù)荷、當(dāng)?shù)刈匀毁Y源條件、供電的可靠性和建設(shè)的經(jīng)濟(jì)合理性等因素。

1 系統(tǒng)組成

風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、太陽能板、控制器、蓄電池、逆變器和基站交直流負(fù)載等組成，見圖1。該系統(tǒng)采用風(fēng)能、太陽能作為能量來源，經(jīng)多設(shè)備組成的供電系統(tǒng)智能控制后，輸出穩(wěn)定的交、直流電壓，以滿足基站設(shè)備的供電需求。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）風(fēng)機(jī)利用大葉片轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部多個(gè)大、小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最小的齒輪將以較快的速度切割磁力線獲得交流電能，經(jīng)過變電、穩(wěn)壓等措施輸出，從而滿足基站負(fù)載使用的穩(wěn)定電能；

（2）太陽電池板利用光伏效應(yīng)持續(xù)將太陽能部分轉(zhuǎn)換為直流電能；

（3）逆變器可將-48 V直流電轉(zhuǎn)換成220 V交流電，保障基站內(nèi)交流負(fù)載設(shè)備的正常運(yùn)行（當(dāng)基站內(nèi)只有直流負(fù)載時(shí)，供電系統(tǒng)中不需要逆變器）；

（4）控制系統(tǒng)將根據(jù)日照強(qiáng)度、風(fēng)力大小及負(fù)載耗電的情況，實(shí)時(shí)對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，保障供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，一方面將穩(wěn)定電能送往基站負(fù)載，另一方面把多余的電能浮充到蓄電池存儲(chǔ)。當(dāng)發(fā)電量低到某一設(shè)定門限時(shí)，控制器將自動(dòng)釋放蓄電池儲(chǔ)能供負(fù)載使用。

（5）蓄電池組是儲(chǔ)能設(shè)備，由多個(gè)單體蓄電池串聯(lián)。

相比獨(dú)立風(fēng)電或光電，互補(bǔ)供電系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）單一能源供電存在不連續(xù)性，達(dá)到同等供電效果的建設(shè)成本較大，而雙能源互補(bǔ)同時(shí)在線發(fā)電，可用較低的建設(shè)成本獲得較多電能輸出，提高了系統(tǒng)可靠性；（2）延長了使用自然資源的時(shí)間，降低了蓄電池組的放電深度和充放電循環(huán)次數(shù)，同等負(fù)載條件下可節(jié)約蓄電池容量；（3）積極響應(yīng)國家的節(jié)能減排政策，體現(xiàn)綠色環(huán)?；镜睦砟睿ㄟ^優(yōu)化兩種能源互補(bǔ)供給的設(shè)計(jì)方案，可較好地解決邊遠(yuǎn)地區(qū)通信基站的持續(xù)供電需求，一次建設(shè)終生受益。

2 站址勘察

2.1 勘察工具使用注意事項(xiàng)

使用勘察工具需注意以下幾點(diǎn)：（1）相用完機(jī)、測距儀和GPS后，關(guān)斷電源放回包裝盒內(nèi)；（2）指北針測量方位角誤差控制在5°以內(nèi)，且測試時(shí)遠(yuǎn)離金屬物體；（3）用指北針確定方向后再拍攝周圍清晰環(huán)境照，每45°拍一張照片；（4）GPS搜星穩(wěn)定后讀出經(jīng)緯度；（5）按勘察模板要求，順序勘察、記錄站址信息。

2.2 現(xiàn)場勘察

在網(wǎng)上初步了解擬建基站區(qū)域的風(fēng)、光資源情況后，需現(xiàn)場采集風(fēng)、光資源情況，勘察擬建基站站址周圍環(huán)境、需覆蓋的目標(biāo)用戶情況，觀察有無山谷包圍、山體阻擋等不適宜建站的情況。要記錄站址周圍附近光纜通過情況，拍攝環(huán)境照，繪制周圍地形圖，測量可用占地面積，優(yōu)選擬建基站站址，初步確定風(fēng)機(jī)的建設(shè)位置、太陽能光伏電板的占地面積等。勘察草圖如圖2所示。

圖2 勘察草圖示例

3 通信基站中風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)

在設(shè)計(jì)通信基站的風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)時(shí)，需收集以下數(shù)據(jù)：（1）通信基站中所有交、直流負(fù)載設(shè)備的功耗；（2）基站的供電時(shí)長，通信基站按24 h不間斷工作設(shè)計(jì)；（3）負(fù)載電壓，通信基站設(shè)備運(yùn)行的直流電壓一般為-48 V，交流電壓220 V；（4）基站在無風(fēng)無日照情況下需連續(xù)工作5天；（5）當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源和風(fēng)力資源情況，使用RetScreen軟件查詢過去10年該地區(qū)的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，同時(shí)參考當(dāng)?shù)丨h(huán)保局發(fā)布的環(huán)境空氣質(zhì)量通報(bào)，根據(jù)實(shí)際的資源分布情況，考慮太陽能和風(fēng)能在系統(tǒng)中所占的比例。

3.2 供電系統(tǒng)的容量計(jì)算

具體步驟如下：

（1）給出當(dāng)?shù)啬昶骄L(fēng)速和光輻射量等自然資源條件；

（2）根據(jù)基站負(fù)載電流、年日照小時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)，按式（1）[1]計(jì)算純光供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總?cè)萘俊?/p>

（3）綜合考慮風(fēng)、光資源分布、建設(shè)造價(jià)等因素，確定風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中光伏發(fā)電年發(fā)電量和風(fēng)力發(fā)電年發(fā)電量的比例；

（4）根據(jù)上述比例和純光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總?cè)萘?，確定風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中光伏發(fā)電部分的容量；

（5）將上述純光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總?cè)萘繙p去風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中光伏發(fā)電部分的容量，得到剩余容量，然后根據(jù)光伏寶軟件計(jì)算剩余容量光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)應(yīng)該地區(qū)的年發(fā)電量；

（6）風(fēng)機(jī)（風(fēng)輪）吸收的風(fēng)能為：

其中ρ為空氣密度，標(biāo)準(zhǔn)密度為1.225 kg/m3；V為風(fēng)速；A為掃風(fēng)面積，即A=1/2πR2（π=3.14159，R為半徑，即風(fēng)葉長度）；Cp為吸收效率，表示風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換風(fēng)能的效率值。根據(jù)貝茲極限，Cp值最高為59%。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)速——功率曲線，擬安裝地區(qū)風(fēng)資源數(shù)據(jù)（風(fēng)頻特性和風(fēng)況曲線）擬合和估算，確定合適型號(hào)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量；

（7）通過比較（5）、（6）兩個(gè)步驟得到的年發(fā)電量，將剩余容量的光伏折算成多少千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，以確定系統(tǒng)中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量；

（8）根據(jù)基站負(fù)載大小和單純由蓄電池放電可以支撐負(fù)載的時(shí)間數(shù)，確定蓄電池的容量。蓄電池C10容量計(jì)算為：

3.3 投資估算

根據(jù)風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的容量計(jì)算，完成系統(tǒng)配置；咨詢相關(guān)設(shè)備廠家，得出太陽能組件、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能支架、機(jī)桿、風(fēng)光互補(bǔ)控制器、太陽能控制器、蓄電池、蓄電池保溫柜和配電柜等設(shè)備的報(bào)價(jià)；再加上材料費(fèi)、基礎(chǔ)施工、安裝調(diào)試費(fèi)用、運(yùn)輸費(fèi)和稅費(fèi)等，得出此供電系統(tǒng)投資造價(jià)；進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[2]，從經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益兩個(gè)維度進(jìn)行可行性論證。

后續(xù)還有供電系統(tǒng)設(shè)備招標(biāo)采購、風(fēng)機(jī)桿塔的基礎(chǔ)制作、桿塔安裝、設(shè)備安裝和調(diào)試等相關(guān)工作。在基站建成試運(yùn)行階段，可通過后臺(tái)軟件采集風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的發(fā)電時(shí)長、蓄電池的充放電時(shí)長及次數(shù)、基站設(shè)備工作情況等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此對(duì)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行后評(píng)估，不斷積累設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié) 論

我國年日照時(shí)數(shù)超過3 000 h以上的地區(qū)有西藏西部、新疆東南部、青海西部、甘肅西部、西藏東南部、新疆南部、青海東部、寧夏南部、甘肅中部、內(nèi)蒙古、山西北部和河北西北部等地區(qū)，具有較豐富風(fēng)能資源的地區(qū)主要分布在東南沿海、西北、華北和東北[3-4]。采用風(fēng)光互補(bǔ)供電的通信基站，建設(shè)在這些風(fēng)、光資源均較好的地區(qū)，將具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。特別是市電引入費(fèi)用高、供電線路遠(yuǎn)和市電供電不穩(wěn)定的偏遠(yuǎn)地區(qū)可逐步推廣，既節(jié)能環(huán)保又節(jié)省基站建設(shè)成本和后期維護(hù)費(fèi)用。通信基站如圖3所示。

圖3 甘肅某通信基站應(yīng)用案例（某廠商提供）