龍志國
(中國電信股份有限公司武漢分公司,湖北 武漢 430071)
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。
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。
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)
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。
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。
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)
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。
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
3.1.1 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。
3.2.1 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。
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。
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。