邊遠地區(qū)基站供電方案的解決與研究

一、背景

距不完全統(tǒng)計，我國目前尚有7,656萬無電人口，16個無電縣，828個無電鄉(xiāng)和29,783個無電村。由于這些縣城、村鎮(zhèn)及散居牧戶地處邊遠，遠離電網(wǎng)，用電負荷小而且分散，近20年之內(nèi)不可能通過延伸電網(wǎng)實現(xiàn)供電。我國風能、太陽能資源豐富?？衫玫娘L能資源約2.5億千瓦，主要分布在沿海和內(nèi)蒙古—甘肅—新疆一線的兩大風帶，有效風能密度在200瓦/平方米以上；我國2/3以上地區(qū)的年日照大于2000小時，年均輻射量約為5900 兆焦耳/平方米，青藏高原、內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅北部、陜西、河北西北部、新疆南部、東北以及陜甘寧部分地區(qū)的光照尤為突出。而我國大多數(shù)無電人口恰好主要分布在這些地區(qū)。

中國移動以“責任”與“卓越”作為追求目標，以“創(chuàng)新”來實現(xiàn)跨越，先后在中西部地區(qū)開始了“村通”工程建設，并為此投入了巨大的人力、物力，取得了一定的效果。但在邊遠的地區(qū)如山區(qū)、沙漠、高原、海島、湖泊等地方，市電無法到達或市電施工成本太高，如何高效、快捷、便利地做好基站供電工作，是當前“村通工程”面臨的重要問題。筆者經(jīng)過多年大量資料的搜集與研究，提出一種新型的供電方案，此方案可以全天候供電，且安裝時間較短、維護簡單，一次性投資，常年收益。

二、系統(tǒng)方案

對于一般的邊遠地區(qū)移動基站，視本地的地理位置和環(huán)境情況，配以不同功率的太陽能電池板和風力發(fā)電機，通過充電控制來對蓄電池進行充電，對于系統(tǒng)多余的能量，可以通過卸荷系統(tǒng)來調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度，BTS和傳輸通過直流配電屏直接供電，基站內(nèi)的日光燈等，建議也選用直流電源的LED燈具，對于維護、檢修用的交流電源，可以通過便攜式逆變電源來供給。通過這樣的配置，可以節(jié)省了空調(diào)設備，可以很大的簡化供電系統(tǒng)。下面將相關(guān)涉及的材料，進行簡單的介紹。

三、風力發(fā)電機

風力發(fā)電機組正常分為高速風型和低風速型，考慮到絕大多數(shù)地區(qū)的年平均風能的具體情況以及系統(tǒng)造價，一般采用低風速型設計方案，具有適應地區(qū)廣、發(fā)電效率高、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、維護方便的特點，穩(wěn)速機構(gòu)采用側(cè)偏尾翼方式，整機設計合理、運行平穩(wěn)、對不同風況適應能力強。風力發(fā)電機組一般包含以下幾個組件：發(fā)電機、葉片、導流罩、尾翼、回轉(zhuǎn)體、支撐桿、底座、拉線等。風力發(fā)電機正常使用應注意以下事項：

風機應安裝在使風能充分利用的地方，且無高大障礙物，使風機四面臨風，或者立于小山包之上，或雖處凹地，但形如走廊，總有疾風勁吹而得天獨厚。

A 如需在障礙物附近安裝風機，在條件許可的情況下應機 盡可能地遠離障礙物，以充分利用風能，離障礙物的極距離要求。（見圖）

B 如在障礙物之上架設風機，風機的安裝高度應使風輪的下緣至少高出障礙物的最高點 2 米 。（見圖）

四、太陽能電池板

太陽能電池板采用高晶硅材料制成，并用高強度、透光性能強的太陽能專用鋼化玻璃以及高性能、耐紫外線輻射的專用密封材料層壓而成的太陽能電池板，能抗冰雪地帶。在溫度劇變的惡劣環(huán)境下能正常使用，在使用過程中，把太陽能轉(zhuǎn)換成電能；所以，只要有陽光就可以發(fā)電，是一種先進、無污染的環(huán)保的高科技產(chǎn)品。

太陽能安裝應注意以下事項：

太陽電池組件工作時其安裝方向應保證最大限度地接收日光照射，考慮了一天內(nèi)陽光入射方向的變化和一年內(nèi)冬季和夏季太陽距地平線高度的不同。建議在一般情況下組件應朝赤道方向傾斜安裝，即北半球組件受光面應朝向南方，南半球組件受光面應朝向北方。一般情況下其組件與地面的夾角應參照當?shù)鼐暥?plusmn;（5°~10°）。

五、充電控制器（MPPT即峰值功率跟蹤）的應用

MPPT(Maximum Power Point Tracker)即峰值功率跟蹤器，是太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件。MPPT的作用是使太陽能電池陣列工作在最大輸出功率點。它是高效率的DC／DC變換器，相當于太陽能電池輸出端的阻抗變換器。MPPT是太陽能車、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能水泵上常用的功率提升部件。MPPT能使太陽能電池陣列的輸出功率增加約15％～36％。

本文所述MPPT是通用性的功率控制器，主要針對于3000W以下的太陽能發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電機系統(tǒng)。在提高發(fā)電效率的同時，可以實現(xiàn)充電限流、停止充電、卸荷、輸出穩(wěn)壓等功能。MPPT根據(jù)智能的控制策略判斷最大功率點的位置，自動調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流，來跟蹤最大功率點電壓，由此實現(xiàn)MPPT的功能。因此，MPPT不僅是一個高效率的DC／DC轉(zhuǎn)換器，更是一個智能的控制系統(tǒng)。

六、空氣調(diào)節(jié)及卸荷控制原理：

根據(jù)大量的數(shù)據(jù)調(diào)研，表明邊遠基站的絕大部分時間內(nèi)，戶外溫度低于機房規(guī)定的需求溫度，因此可以通過利用全熱交換的方式，利用室外的冷空氣降低室內(nèi)的溫度。當室內(nèi)空氣調(diào)系統(tǒng)進風和出風分別呈正交叉方式流經(jīng)換熱芯體，由于平隔板兩側(cè)氣流存在著溫度差和水蒸汽壓差，兩股氣流間同時呈現(xiàn)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象，引起全熱交換過程。這種過程是通過平隔板完成的，所以屬透過型全熱交換現(xiàn)象。

換熱式空氣調(diào)節(jié)示意圖如下：

當風力發(fā)電機和太陽能電池板對電池充滿后或風力太大后引起風機轉(zhuǎn)速超高，為了保護發(fā)電設備，根據(jù)國家相應的技術(shù)規(guī)范，需要對發(fā)電設備進行強制卸荷處理，即用重負載加到發(fā)電設備的兩端，以提供一個電荷泄發(fā)回路，強制降低發(fā)電端輸出電壓或降低風機的轉(zhuǎn)速。利用半導體致冷片的發(fā)熱效應，配以電壓換向裝置，利用充電滿后多余的能量，用半導體致冷片來合理調(diào)節(jié)邊遠基站的室內(nèi)溫度。如果再配以智能通風系統(tǒng)，完全可以達到空調(diào)的效果，可以取代基站傳統(tǒng)的空調(diào)設備。以下是對半導體致冷片的簡介：

半導體致冷片（TE）也叫熱電致冷片，是一種熱泵，它的優(yōu)點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無致冷劑污染的場合。

當室內(nèi)溫度達到設定的溫度后，為了繼續(xù)保證卸荷功能的正常進行，微處理器通過程序來周期性的變換制冷、制熱工作狀態(tài)，人為地消耗了多余的能量。

七、便攜式逆變電源

根據(jù)日常維護需要用到的儀表、設施的交流功率，來恰當?shù)嘏鋫浜梅县撦d功率容量的逆變電源。但建議相關(guān)部門一定要選配純正弦波的逆變電源。

八、用電功率計算

通用的移動基站用電設備主要有：BTS、傳輸設備、電源設備、空調(diào)設備、照明系統(tǒng)等，在新型基站供電系統(tǒng)中，普通的空調(diào)設備更換為智能通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)更換為LED燈，整個功耗基本不變。

根據(jù)設備廠家提供的技術(shù)文件，BTS、傳輸設備的標準功率消耗量為：

以標準的2/2/2配置來計算直流負載，不包含3G需要48V/105A，考慮到變換效率，則需要輸入功率P=48×105/0.85=5.93KW。

九、熱工負荷計算

移動基站熱工負荷，主要來自基站設備、外部設備及機房的發(fā)熱量，大約占總熱量的80%以上，其次是照明熱、傳導熱、輻射熱等。

a.外部設備發(fā)熱量計算

Q＝860N￠(kcal／h)。式中：
N：用電量(kW)；　
￠：同時使用系數(shù)(0.2～0.5)；　
860：功的熱當量，即lkW電能全部轉(zhuǎn)化為熱能所產(chǎn)生的熱量。
b.主機發(fā)熱量計算　
Q＝860P×h1×h2×h3。式中：
P：總功率(kW)；
h1：同時使用系數(shù)；
h2：利用系數(shù)；　
h3：負荷工作均勻系數(shù)。
　　
基站內(nèi)各種設備的總功率，應以基站內(nèi)設備的最大功耗為準，但這些功耗并未全部轉(zhuǎn)換成熱量，因此，必須用以上三種系數(shù)來修正，這些系數(shù)又與基站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、用途、工作狀態(tài)等有關(guān)?？傁禂?shù)一般取0.6～0.8之間為好。
c
.照明設備熱負荷計算　
　　
機房照明設備的耗電量，一部分變成光，一部分變成熱。因基站是無人值守的，故照明發(fā)熱可以忽略不計。

d.人體發(fā)熱量
　　
人體內(nèi)的熱是通過皮膚和呼吸器官放出來的，這種熱因含有水蒸汽，其熱負荷應是顯熱和潛熱負荷之和。因基站是無人值守的，可以忽略不計。

e.圍護結(jié)構(gòu)的傳導熱
　　
通過機房屋頂、墻壁、隔斷等圍護結(jié)構(gòu)進入機房的傳導熱是一個與季節(jié)、時間、地理位置和太陽的照射角度等有關(guān)的量。因此，要準確地求出這樣的量是很復雜的問題。
　　
當室內(nèi)外空氣溫度保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)時，由平面形狀墻壁傳入機房的熱量可按下式計算：

Q＝KF(t1-t2)　kcal／h。式中：
K：圍護結(jié)構(gòu)的導熱系數(shù)(kcal／m2h℃)；
F：圍護結(jié)構(gòu)面積(m2)；　
t1：機房內(nèi)溫度(℃)；
t2：機房外的計算溫度(℃)。

當計算不與室外空氣直接接觸的圍護結(jié)構(gòu)如隔斷等時，室內(nèi)外計算溫度差應乘以修正系數(shù)，其值通常取0.4～0.7。常用材料導熱系數(shù)如下表所示：

常用材料導熱系數(shù)

f.從玻璃透入的太陽輻射熱　
　　
當玻璃受陽光照射時，一部分被反射、一部分被玻璃吸收，剩下透過玻璃射入機房轉(zhuǎn)化為熱。被玻璃吸收的熱使玻璃溫度升高，其中一部分通過對流進入機房也成為熱負荷。
　　
透過玻璃進入室內(nèi)的熱量可按下式計算：

Q＝KFq　(kcal／h)。式中：
K：太陽輻射熱的透入系數(shù)；
F：玻璃窗的面積(m2)；　
q：透過玻璃窗進入的太陽輻射熱強度(kcal／m2h)。

透入系數(shù)K值取決于窗戶的種類，通常取0.36～0.4。　
　　
太陽輻射熱強度q隨緯度、季節(jié)和時間而不同，又隨太陽照射角度而變化。具體數(shù)值請參考當?shù)貧庀筚Y料。

g.換氣及室外侵入的熱負荷　
　　
為了給在機房內(nèi)工作的人員不斷補充新鮮空氣，以及用換氣來維持機房的正壓，需要通過空調(diào)設備的新風口向機房送入室外的新鮮空氣，這些新鮮空氣也將成為熱負荷。通過門、窗縫隙和開關(guān)而侵入的室外空氣量，隨機房的密封程度，人的出入次數(shù)和室外的風速而改變。這種熱負荷通常都很小，如需要，可將其折算為房間的換氣量來確定熱負荷。

十、樣板工程分析

以吉林長白山山頂建設的移動基站為例，來計算系統(tǒng)配置。

1、功率計算

以2/2/2的基站配置來計算，理論上需要的電功率為：51A， 但經(jīng)過實際測量，實際平均負載容量為48V、21A，考慮到浮充因數(shù)，計為1.1KW?？紤]到連續(xù)5天無太陽和風力特殊情況，蓄電池放電深度按0.8計，則蓄電池容量應為：5X24X21A/0.8=3150Ah，取最近的值，則選用2V1000Ah的蓄電池72節(jié)，并聯(lián)成48V2000Ah的蓄電池組3組。

2、系統(tǒng)要求及氣象數(shù)據(jù)

針對以上負載功耗和相關(guān)要求，在吉林長白地區(qū)的太陽能配置如下：

基本要求：最長連續(xù)陰雨天3天，兩個陰雨天之間的間隔最短30天；

氣象數(shù)據(jù)：緯度41.50，經(jīng)度128.20 ，每日有效光輻射時間為4.86小時。

長白山天池一帶，為特大風區(qū)，年平均風速為11.7米／秒，有效風能密度最大為1100瓦/米2

注：以上數(shù)據(jù)來源于是NASA

3、系統(tǒng)建議配置

基站供電系統(tǒng)主要配置如下：

風力發(fā)電機：

按照平均風速發(fā)電，在24小時內(nèi)能將電池充滿，風機選用低速風機，平均風速發(fā)電能力按照80%計算，則需要配備的風力發(fā)電機容量應為：

54V×3000A/（24×80%）=8438W，建議由8臺110V1KW的風力發(fā)電機并聯(lián)組成；

風力發(fā)電隔離充電控制器：48V、50A模塊4個

蓄電池：

48V、3000Ah，由72塊2V、1000Ah蓄電池24只3組并聯(lián)；

風力發(fā)電輸入配電柜：

選用10KVA10路輸入，8路輸出的發(fā)電配電柜

直流輸出配電柜：

選用400A輸出4路，100A輸出4路，63A輸出4路的直流配電柜

智能換熱式空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)：

為了保證機房的溫度能保持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，建議對機房進行密封、二次保溫處理，處理過后，機房本身電氣設備產(chǎn)生的熱量為：1.1KWX0.6=0.66KW，Q1=0.66X860=567.6 kcal/h；

外圍圍護結(jié)構(gòu)的傳熱為：

夏季，以5X5基站的5個接觸面合計面積為85平方，溫差10度，圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)0.4來計算，Q2=85X10X0.4=+340kcal/h

冬季，以5X5基站的6個接觸面合計面積110平方（考慮到地坪的傳熱效果），溫差25度來計算，Q2=110X25X0.4=-1110kcal/h。則：

夏季需要提供：Q1+Q2=907.6 kcal/h的制冷量，

冬季需要提供：Q1+Q2=542.4 kcal/h的制熱量

據(jù)上，考慮到卸荷需要用到的負載，則選用制冷量為1K大卡，卸荷電阻為8KW的智能空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

結(jié)論：

本課題設計的系統(tǒng)具有以下功能：

•使用了MPPT(峰值功率跟蹤)技術(shù)，可提高充電效率30%；在低風速、低光照情況下也可進行充電。

•卓越的充電管理技術(shù):充電時最大功率跟蹤，充滿后自動轉(zhuǎn)為浮動充電，強風和強光時進行充電限流，有效保護電池和負載；

•通過智能處理，在強風和強光時或電池電充滿后，利用半導體制冷（熱）來作為卸荷裝置，既將富余能量釋放掉、保護了發(fā)電設備又調(diào)節(jié)了基站的室內(nèi)溫度，節(jié)省了空調(diào)設備的投資，節(jié)省了基站的室內(nèi)面積。

•節(jié)省了大量的供電費用，并降低了維護成本

采用本文的供電方案，在邊遠基站的建設上可以不受市電供電條件的限制。利用本文的方案，可以縮短基站建設工期、降低工程總體成本。因采用風、光互補發(fā)電方式，可以24小時不間斷發(fā)電，無須另配發(fā)電機，發(fā)電維護量較少。

綜上所述，本文的方案在國內(nèi)具有領(lǐng)先水平，方案經(jīng)濟合理，可操作性強，具有極高的推廣價值。