新能源在5G基站系統(tǒng)低碳賦能中的應(yīng)用展望

秦 宇，楊銘如，王偉云

（1.諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司，北京 100102；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 遼寧省分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003；3.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 引 言

2021年10 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，方案中提出要提加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施能源結(jié)構(gòu)，采用直流供電、分布式儲(chǔ)能、新能源和儲(chǔ)能結(jié)合等模式，提高新能源的供給比重[1,2]。

5G基站為了支撐更高技術(shù)性能指標(biāo)，采用大帶寬、多天線等技術(shù)導(dǎo)致耗電顯著增加。例如，我國(guó)運(yùn)營(yíng)商要求 3.5 GHz 5G 基站的單載波帶寬為 100 ～ 200 MHz，而傳統(tǒng)4G基站單載波為20 MHz，增加了5～10倍。如何減碳降耗是運(yùn)營(yíng)商亟需解決的問(wèn)題，當(dāng)前主要的降耗手段集中在用電側(cè)，設(shè)備廠商通過(guò)新工藝和新材料改進(jìn)產(chǎn)品基礎(chǔ)能耗，運(yùn)營(yíng)商通過(guò)設(shè)備負(fù)荷閑時(shí)開(kāi)通關(guān)斷與休眠等軟件方式降低場(chǎng)景功耗。供電側(cè)仍主要來(lái)自傳統(tǒng)火力發(fā)電廠，新能源技術(shù)引入較少。根據(jù)中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，5G基站的功耗仍然較高，是4G基站的3倍左右[3]。

將新能源引入5G基站供電側(cè)，一方面契合了國(guó)家的雙碳要求，另一方面也降低了運(yùn)營(yíng)過(guò)程的成本，具有重要意義。為深入探討新型能源在5G基站運(yùn)維過(guò)程的低碳減排作用，本文將主要從5G基站供電角度闡述新能源在5G基站系統(tǒng)中的低碳賦能。

1 5G基站供電現(xiàn)狀

當(dāng)前，5G基站供電主要采用市電供電，集中/分布單元（Centralized Unit/Distributed Unit，CU/DU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）多數(shù)都從電網(wǎng)取電，在電網(wǎng)電力供應(yīng)中斷時(shí)采用備用電池或汽/柴油發(fā)電機(jī)供電。

5G基站日常供電來(lái)自電網(wǎng)公司，我國(guó)多數(shù)地區(qū)的電網(wǎng)公司主要電力供應(yīng)仍以火力發(fā)電為主?；痣姀S作為燃煤大戶，CO2排放量相對(duì)較高，采用火力發(fā)電不會(huì)有效降低5G基站碳排放。另外在電網(wǎng)故障或檢修期間會(huì)停電，為保障基站運(yùn)行，一般基站都采用了電池或油機(jī)提供臨時(shí)供電。如果采用油機(jī)發(fā)電，由于小型發(fā)電機(jī)發(fā)電效率不高，尾氣中含有較高含量的CO、氮氧化合物和含碳顆粒，會(huì)造成碳排放進(jìn)一步增加。

2 5G低碳供電技術(shù)展望

為了降低5G基站碳排放，可采用各種新技術(shù)降低基站本身的電力消耗，但由于5G基站高帶寬、高速率以及低延遲的技術(shù)特征，因此總體的電力消耗還是會(huì)大幅度增加，需要從供電側(cè)找到突破，采用綠色新能源供電，儲(chǔ)能調(diào)整電力峰谷，降低碳排放。

2.1 離網(wǎng)光伏和風(fēng)力供電

對(duì)于有較大占地面積的機(jī)房或者中西部偏遠(yuǎn)地區(qū)市電供電存在問(wèn)題的機(jī)房，可以采用離網(wǎng)光伏發(fā)電的模式給5G基站供電[4]。

目前，5G基站多數(shù)的CU/DU單元為集中放置，一般在運(yùn)營(yíng)商的中小型局機(jī)房，機(jī)房樓頂面積較大，可以大面積鋪放太陽(yáng)能電池板。在當(dāng)前化石能源價(jià)格上漲，光伏產(chǎn)業(yè)日趨成熟的背景下，光伏發(fā)電的單位成本低于電網(wǎng)價(jià)格，不但實(shí)現(xiàn)了環(huán)保，還降低了5G基站電費(fèi)支出。并且5G基站的單元都是直流供電，相對(duì)交流光伏系統(tǒng)規(guī)避掉了交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）逆變?cè)O(shè)備和能耗損失。光伏功率輸出直用系統(tǒng)對(duì)比優(yōu)勢(shì)如圖1所示，轉(zhuǎn)換效率顯然會(huì)明顯提高。

圖1 光伏功率輸出直用系統(tǒng)對(duì)比優(yōu)勢(shì)

另外，在偏遠(yuǎn)的山區(qū)、森林、高原以及荒漠等區(qū)域，部分基站無(wú)法市電供電或經(jīng)常性停電，也可以采用小型離網(wǎng)光伏及風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)給5G基站供電。日間以太陽(yáng)能供電為主，夜間依靠風(fēng)力發(fā)電為主，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)[5]。

2.2 鋰電池削峰填谷梯次利用

當(dāng)前，火力發(fā)電和太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源的生產(chǎn)時(shí)間以及5G基站用電峰谷時(shí)間不對(duì)應(yīng)，如太陽(yáng)能發(fā)電主要是日間，而市電使用的一個(gè)高峰則在傍晚日落以后，造成了高峰用電仍將以高碳排放的火力發(fā)電為主。電力公司為了供電平穩(wěn)，一般都采用峰谷的差異電價(jià)，如果基站的蓄電池在市電供電波谷期間充電，在波峰期間釋放電力給5G基站供電，則可以間接降低火電發(fā)電比例，提高新能供電比例，降低碳排放并降低電費(fèi)支出[6]。

傳統(tǒng)基站采用的是鉛酸電池，充放電次數(shù)較低，如果每日都要進(jìn)行削峰填谷，則很快就將達(dá)到循環(huán)使用壽命。通過(guò)高循環(huán)鋰電池淘汰鉛酸電池是當(dāng)前熱門方向，2020年退役的動(dòng)力電池高達(dá)2×105 t，但對(duì)退役電池回收還缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，回收經(jīng)濟(jì)性差，且這些電池可以剩余400～2 000次的實(shí)際循環(huán)次數(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)鉛酸電池200次的循環(huán)次數(shù)仍優(yōu)勢(shì)巨大，在5G基站利舊動(dòng)力電池側(cè)消納退役動(dòng)力電池的優(yōu)選方案[7]。

2.3 其他新型儲(chǔ)能技術(shù)

相對(duì)于鋰電池，還有更綠色環(huán)保的新型儲(chǔ)能技術(shù)可以應(yīng)用在5G基站，包括超級(jí)電容和機(jī)械儲(chǔ)能等。目前，新型儲(chǔ)能技術(shù)在通信行業(yè)的應(yīng)用較少，但是由于應(yīng)用潛力較大、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，仍是各國(guó)的研究熱點(diǎn)。

超級(jí)電容器的主要優(yōu)點(diǎn)包括百萬(wàn)次的超長(zhǎng)充放電循環(huán)壽命、寬廣的工作溫度范圍（-40～70 ℃）、充電快、功率密度高以及維護(hù)要求低等。另外，其全生命周期均沒(méi)有有毒化學(xué)和金屬污染，是非常綠色環(huán)保的儲(chǔ)能技術(shù)，適合配合化學(xué)電池進(jìn)行儲(chǔ)能，為市電經(jīng)常短時(shí)中斷的站點(diǎn)供電[8]。

機(jī)械儲(chǔ)能主要包括壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等，由于目前有較大功率消納和設(shè)備占地要求，因此可以用于大型通信機(jī)房?jī)?chǔ)能，暫不適合離散的5G基站分布需求[9]。

3 5G新能源供電改造碳排放收益模擬分析

以北方某城市某5G基站進(jìn)行離網(wǎng)光伏發(fā)電結(jié)合鋰電池儲(chǔ)能為例，站點(diǎn)供電方式為傳統(tǒng)市電供電，備電采用鉛酸蓄電池。該站日統(tǒng)計(jì)最高功耗為3.68 kW，最低功耗為1.73 kW，平均功耗為2.72 kW，日耗電為65 kW·h，一天24 h的功耗分布如圖2所示。

圖2 某5G基站24 h功耗圖

該站擬改造方案為樓頂鋪設(shè)光伏供電+利舊梯次鋰電池，日間光照充足時(shí)，通過(guò)光伏供電，并將剩余電力存儲(chǔ)在鋰電池中，夜間通過(guò)利舊鋰電池放電給5G基站供電。已知所在地區(qū)單位面積太陽(yáng)能發(fā)電功率曲線和5G基站耗電功率面積，可推算出光伏輸出功率要求與儲(chǔ)能電池所需容量。具體通過(guò)使用PVSYST模擬軟件分析，在完善地理信息和氣象等數(shù)據(jù)，確定電池板安裝方向和角度，光伏側(cè)需配置單機(jī)標(biāo)稱功率為250 Wp的光伏組共計(jì)100件，由4組件串聯(lián)成組串，再把25組串進(jìn)行并聯(lián)，標(biāo)稱功率為 25.0 kWp，電池側(cè)配置 5 980 Ah/51 V 的退役電池組件115套并聯(lián)，電池組存儲(chǔ)容量為276 kW·h，一年的發(fā)電量和用電量如圖3所示。由圖3可知，光伏的發(fā)電除了供給基站和電池儲(chǔ)能，還有太陽(yáng)能板采光和系統(tǒng)等的耗電損失，在設(shè)計(jì)時(shí)都需要考慮。另外雖然用戶用電量恒定，但由于不同月份光照差異大，導(dǎo)致不同季節(jié)電池存儲(chǔ)的電量差異明顯，因此鋰電池的選取非常重要，合適的電池容量才能確保整套系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 耗電及發(fā)電模擬

煙煤 CO2排放量為 2.54 kg/kg ，按火電廠每 300 g煤可以發(fā)電1 kW·h計(jì)算，5G基站用電來(lái)自火電廠時(shí)，每kW·h耗電會(huì)產(chǎn)生CO2的排放量為0.762 kg[10]。按該基站平均功率為2.72 kW計(jì)算，如果新能源供電比例增加10%，那么CO2的年排放將減少1 815.63 kg，具體參數(shù)計(jì)算如表1所示。

表1 某基站CO2年減排量估算

至2021年底，全國(guó)5G基站數(shù)量將達(dá)到1.4×106臺(tái)，按上述功率及增加10%的新能源發(fā)電供給比例計(jì)算，全國(guó)5G基站年可降低CO2碳排放量高達(dá)2.9×106t[11]。

4 結(jié) 論

我國(guó)是5G基站保有量最多的國(guó)家，未來(lái)為了實(shí)現(xiàn)高容量熱點(diǎn)覆蓋和工業(yè)化萬(wàn)物互聯(lián)的需求，還將有數(shù)百萬(wàn)的5G基站入網(wǎng)，通過(guò)離網(wǎng)光伏、風(fēng)光互補(bǔ)以及退役動(dòng)力鋰電池利舊儲(chǔ)能等新能源在5G基站系統(tǒng)中的賦能，可以非常有效降低碳排放，為2030碳達(dá)峰方案共享行業(yè)力量。