移動(dòng)通信基站太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

龍志國

（中國電信股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430071）

0 引 言

能源是社會(huì)前進(jìn)的基礎(chǔ)，是國家發(fā)展的保障。新時(shí)期，各行各業(yè)對(duì)能源的需求量均有所增加，傳統(tǒng)能源稀缺問題日益凸顯，在此背景下，各國紛紛加大了對(duì)新能源開發(fā)和運(yùn)用的力度，將新能源用于通信基站，其現(xiàn)實(shí)意義有目共睹。

1 研究背景

眾所周知，作為新能源的代表，太陽能的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：獲取難度低、可再生、使用清潔和經(jīng)濟(jì)性突出。利用太陽能為移動(dòng)通信基站供電的特點(diǎn)如下：一是安全系數(shù)高，二是耐久度及穩(wěn)定性良好，三是不會(huì)產(chǎn)生噪聲污染，四是日常維護(hù)難度小[1]。早在20世紀(jì)70年代，包括德國在內(nèi)的諸多發(fā)達(dá)國家，便已將光伏發(fā)電工作提上日程，90年代至今，我國始終致力于太陽能的開發(fā)，光伏安裝量、增長率均穩(wěn)步提高[2]。現(xiàn)階段，太陽能潛能已得到充分挖掘，在政府的扶持下，各地運(yùn)營商紛紛選擇對(duì)通信基站進(jìn)行升級(jí)，用太陽能電源作為傳統(tǒng)電源的補(bǔ)充，一定程度上節(jié)約能源、降低碳排放，使通信基站供電方式得到優(yōu)化。

2 太陽能電源系統(tǒng)構(gòu)成

光伏系統(tǒng)通常由逆變器、太陽能電池、蓄電池等組成，如圖1所示，其中，最重要的器件為太陽能電池。電子控制器的核心功能是對(duì)轉(zhuǎn)換能量的過程進(jìn)行控制。

圖1 太陽能電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 蓄電池

蓄電池主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)能，將太陽能所提供電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能并進(jìn)行儲(chǔ)存，在電能無法滿足需求時(shí)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能加以使用。目前，光伏系統(tǒng)所搭載電池以鉛酸蓄電池（或梯次利用的鋰電池、鐵鋰電池）為主，該類蓄電池的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）太陽能電池組件的使用壽命可達(dá)到10-15年，電子器件（例如，逆變器、電子控制器）的使用壽命可達(dá)到10年，儲(chǔ)能所用電池壽命不短于5-8年[3]。

（2）維護(hù)工作量少，梯次利用的鋰電池或鐵鋰電池能夠在-10 ℃～40 ℃的環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 逆變器

光伏系統(tǒng)所用逆變器應(yīng)滿足技術(shù)要求如下：

（1）轉(zhuǎn)換率高。太陽能電池的功能得到充分發(fā)揮關(guān)鍵要依托逆變器。正常情況下，逆變器效率均不得低于97%。

（2）適應(yīng)性強(qiáng)。太陽能電池電壓極易受到光照、溫度和負(fù)載的影響，雖然蓄電池能夠調(diào)整電壓，但其電壓極易被內(nèi)阻、剩余容量所影響，因此，增強(qiáng)逆變器適應(yīng)能力很有必要。

（3）可靠性高。光伏發(fā)電多用于農(nóng)村、偏遠(yuǎn)山區(qū)，只有保證電路結(jié)構(gòu)合理，元器件質(zhì)量可靠，且逆變器擁有自保護(hù)能力，才能使意外情況所帶來影響降至最低。

2.3 電池陣列

太陽能電池主要負(fù)責(zé)將光能轉(zhuǎn)化成電能，其工作原理如下：在陽光持續(xù)照射下，太陽能電池吸收大量光能，為空穴、光生電子的產(chǎn)生提供條件，受電池內(nèi)建電場(chǎng)影響，空穴、光生電子將向兩端勻速移動(dòng)，形成光生電壓。此時(shí)，將電場(chǎng)兩端電極與負(fù)載相連，回路內(nèi)出現(xiàn)光生電流，太陽輻射所形成光能，便能作為電能加以使用，如圖2所示。

圖2 太陽能電池原理

現(xiàn)有太陽能電池參數(shù)如表1所示。

表1 Nz-p12電池參數(shù)

2.4 電子控制器

太陽能電源系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3

2.4.1 測(cè)量參數(shù)

工作人員可以借助控制器對(duì)電池電流、電壓進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)對(duì)光伏系統(tǒng)所處環(huán)境、蓄電池當(dāng)前溫度進(jìn)行測(cè)定。

2.4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)視

考慮到移動(dòng)基站多為無人值守，只有遠(yuǎn)程監(jiān)控通信設(shè)備情況，才能確保移動(dòng)基站正常運(yùn)行?，F(xiàn)有控制器均具有遠(yuǎn)程監(jiān)視功能，可為工作人員了解保險(xiǎn)絲、斷路器、太陽能陣列及其他器件狀態(tài)提供便利。

2.4.3 控制充放電

控制充放電過程的目的是避免蓄電池出現(xiàn)過度充電或是放電的情況，保證電池壽命達(dá)到預(yù)期。

3 移動(dòng)通信基站太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

光伏發(fā)電與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)別，前者更適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)光伏電站先進(jìn)分散供電，使常見供電問題得到解決，其在無線通信行業(yè)擁有良好的應(yīng)用前景。移動(dòng)基站項(xiàng)目方案原理圖如圖4所示。

圖4 移動(dòng)基站項(xiàng)目方案原理圖

3.1 電源設(shè)計(jì)

3.1.1 負(fù)載分析

現(xiàn)階段，移動(dòng)基站通過國家電網(wǎng)引入交流供電。交流用電設(shè)備主要包括兩類：一類是電源設(shè)備，利用開關(guān)電源將交流電轉(zhuǎn)換為直流-48 V，為基站主設(shè)備、傳輸設(shè)備提供-48 V的直流配電和蓄電池的充電；另一類是其他輔助設(shè)備，如照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備。新時(shí)期，為降低基站耗能，照明設(shè)備均改為節(jié)能燈、空調(diào)則替換成了智能通風(fēng)系統(tǒng)。

根據(jù)負(fù)載大小，可將移動(dòng)基站劃分成三類，（1）直流供電的宏基站。該基站需要根據(jù)設(shè)備負(fù)載對(duì)電流大小進(jìn)行確定。（2）交流供電的室內(nèi)分布、微基站，還有直放站。該類基站的特點(diǎn)是負(fù)載小，運(yùn)行功率約為200 W。（3）直流負(fù)載超過70 A的基站，如城市基站?？紤]到該類基站對(duì)太陽能電池的需求量較大，且城市公網(wǎng)可做到穩(wěn)定供電，除特殊情況外，均無需進(jìn)行太陽能發(fā)電。

3.1.2 供電模式

開關(guān)電源設(shè)備作為組成通信網(wǎng)絡(luò)不可或缺的部分，主要負(fù)責(zé)向通信設(shè)備輸送直流電，確?；灸軌虻玫椒€(wěn)定且高效的運(yùn)行。對(duì)基站進(jìn)行建設(shè)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注供電設(shè)施，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)供電模式加以確定，現(xiàn)階段可供選擇的供電模式包括以下四種：（1）太陽能供電。若基站位于農(nóng)村、郊區(qū)或其他交通不便的區(qū)域，同時(shí)供電企業(yè)未在現(xiàn)場(chǎng)配備值班人員，則可以采取該供電模式，其優(yōu)點(diǎn)是便于維修且運(yùn)行可靠。（2）風(fēng)力+太陽能供電。若基站所在地區(qū)供電條件不理想，同時(shí)擁有豐富的風(fēng)力資源，可采取該供電模式。（3）開關(guān)電源+太陽能供電。系統(tǒng)安全系數(shù)要求較高，則可以采取該供電模式。(4)開關(guān)電源供電。若基站所在地區(qū)不易出現(xiàn)斷電情況，可采取該供電模式。

3.2 光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 蓄電池

儲(chǔ)能裝置的作用，主要是確保無光照時(shí)該系統(tǒng)仍然能夠持續(xù)供電。對(duì)蓄電池容量進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，先要確定蓄電池類型，目前，市面上常見的蓄電池有鉛酸蓄電池、鋰電池和梯次利用的鋰電池、鐵鋰電池等，綜合考慮采購成本、電池穩(wěn)定性等因素，最終決定采用梯次鋰電池、鐵鋰電池。隨后，計(jì)算蓄電池容量，并確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。蓄電池容量計(jì)算公式為

式中：V為蓄電池容量；d為自給天數(shù)；p為每日負(fù)載平均值；s為放電深度；k為修正因子。串聯(lián)數(shù)量的計(jì)算公式為

式中：m為串聯(lián)數(shù)量；vR為負(fù)載標(biāo)稱電壓；vB為電池標(biāo)稱電壓。另外，還要對(duì)并聯(lián)數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，公式如下

式中：n為并聯(lián)數(shù)量；PZ為總?cè)萘?；PD為單體容量。理想狀態(tài)下，只需按照計(jì)算結(jié)果接入蓄電池，便能夠達(dá)到供電的目的。本項(xiàng)目需要對(duì)并聯(lián)數(shù)量進(jìn)行控制，主要原因是充放電期間，并聯(lián)電池往往無法保持平衡。優(yōu)先選用大容量電池，對(duì)并聯(lián)數(shù)量進(jìn)行減少，可以弱化不平衡程度。

3.2.2 光伏電池

該組件成本相對(duì)較高，為保證該組件能夠獨(dú)立運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員先對(duì)組件數(shù)量進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)每日所需能量平均值、每塊電池所能提供能量，對(duì)并聯(lián)數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，對(duì)串聯(lián)數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)公式為

式中：fB為并聯(lián)數(shù)量；PD為每日負(fù)載平均值；PA為電池所提供能量；fC為串聯(lián)數(shù)量；VO為系統(tǒng)額定電壓；VD為單體電壓。考慮到組件輸出極易被外界因素所影響，有關(guān)人員決定對(duì)初始方案進(jìn)行修正，首先，將組件輸出調(diào)整為額定輸出的90%，保證系統(tǒng)安全。其次，將負(fù)載增加到額定負(fù)載的110%，目的是對(duì)庫倫效率進(jìn)行補(bǔ)償。最終，得出以下計(jì)算公式：

式中：c為庫倫效率；k為衰減因子。

此外，負(fù)載缺電率同樣需要引起重視，對(duì)十分依賴天氣的光伏系統(tǒng)而言，其負(fù)載缺電率通常應(yīng)控制在0.01左右。

3.3 設(shè)計(jì)原則

中設(shè)計(jì)太陽能電池時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)保證電池組件能夠最大程度滿足基站對(duì)電能的需求。不同季節(jié)的天氣有所不同，正常情況下，均無需考慮連續(xù)降雨等極端天氣，只要保證光照度較差的季節(jié)，所設(shè)計(jì)電池仍能滿足負(fù)載需求即可，這樣做可使電池壽命得到延長，日常維護(hù)成本也能夠達(dá)到控制。對(duì)光伏電池進(jìn)行設(shè)計(jì)期間，有兩方面內(nèi)容要引起重視。

（1）逐月進(jìn)行計(jì)算。若全年負(fù)載未發(fā)生明顯變化，可按照低輻照度月份情況進(jìn)行計(jì)算，若每個(gè)月的需求有所不同，則需要按照季度、月份進(jìn)行計(jì)算[4]。如在輻射度較低的冬季，某基站需要安裝10塊光伏組件才能維持正常運(yùn)行，但在光照相對(duì)充足的夏季，該基站只需安裝5塊光伏組件即可，要想確保系統(tǒng)始終處于理想運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)安裝10塊光伏組件。

（2）光伏組件所輸出電能主要取決于串聯(lián)電池?cái)?shù)量。這是因?yàn)樵陉柟獬掷m(xù)照射的狀態(tài)下，電池溫度逐漸上升，開路電壓隨之降低，與此同時(shí)，組件電壓也有所降低?，F(xiàn)階段，多數(shù)供貨商均以各地區(qū)情況為依據(jù)，對(duì)電池片數(shù)量不同的組件進(jìn)行了生產(chǎn)，對(duì)本文所討論系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，有關(guān)人員應(yīng)以當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)為依據(jù)，對(duì)光伏組件加以選擇。

4 結(jié) 論

綜上所述，本文主要討論了太陽能電源的組成，結(jié)合通信基站所提出需求，對(duì)蓄電池、光伏電池進(jìn)行了設(shè)計(jì)，指出要想使太陽能電源的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，關(guān)鍵是要提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換率，同時(shí)對(duì)其建設(shè)成本進(jìn)行控制?？梢灶A(yù)見的是，在政府扶持、技術(shù)進(jìn)步的雙重影響下，該類基站將擁有更加良好的發(fā)展前景，有關(guān)人員應(yīng)加大對(duì)既有系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)的力度，根據(jù)觀測(cè)所掌握資料，對(duì)系統(tǒng)及部件性能進(jìn)行考核，使其所存在不足得到徹底解決。