新能源在移动通信基站中的应用研究

新能源在移动通信基站中的应用研究
吴文涛
【摘要】在移动通信基站中使用新能源,可以获得更优秀的系统特性.介绍太阳能供电基站、风能供电基站及风光互补型供电基站中新能源的应用情况,采用新能源给移动基站供电可以有效地解决偏远地区供电架设线路成本高,易受季节影响、电压不稳定等问题,新能源供电系统既节能环保又节省开支,与普通电源系统形成优势互补.
【期刊名称】《凯里学院学报》
【年(卷),期】2014(032)006
【总页数】5页(P90-94)
【关键词】新能源;移动通信;基站
【作者】吴文涛
【作者单位】贵州电子信息职业技术学院,贵州凯里556000
【正文语种】中文
随着人类社会的不断进步，人类在改造自然的同时，也带来了严重的环境破坏和能源枯竭等问题.新能源以其强大的生命力，正在多个方面取代传统能源.在移动通信基站中，同样可以使用新能源，以获得更优秀的系统特性.且通信基站大多处于乡间野外，有些站点存在市电供电不稳；或距离取市电处较远，供电电缆架设费用巨大等问题.采用太阳能和风能发电可解决上述站点供电问题成为最快、最有效的办法.太阳能和风能供电系统无须架设远距离电力线，并且一次性投资，无需缴纳电
费.而且太阳能和风能供电是一种既不消耗资源又无污染排放的清洁能源，使用寿命长、性能稳定、维护费用较低.
太阳能供电是利用光电效应，把光能转化成电能，通过控制器的控制，一方面直接提供给相应的电路或负载用电，另一方面将多余的电能存储在蓄电池中，在夜晚或太阳能电池产生的电力不足时提供备用电源.
主要设备构成：太阳能板、光电控制器、汇流盒、太阳能板支架、蓄电池、电缆线等(见图1、图2和表1).
系统的主要指标：(1)太阳能电池组件保证使用寿命长，设计在25年以上.(2)蓄电池容量能满足负载96 h(4 d)连续供电.(3)太阳能电池方阵倾角为55°.(4)太阳能电池方阵面获得的辐射量为平面值的1.1倍.太阳能方阵总功率=负载功率×用电时间/日照峰值时间/损耗系数(0.75)；太阳能电池组件=用电器功率×用电时间×损耗系数(1.8～2.0)/峰值日照时间数.
1.1 太阳能电池组件设计选型
设计拟采用KLY200-72型单晶硅太阳电池组件(见图3、图4和表2).
(1)电池片：采用多晶硅片太阳能电池(尺寸为125 mm×125 mm).电池的减反射膜，为增强等离子化学气相沉积的氮化硅膜.电池的平均转换效率在14.5%以上.
(2)组件边框：组件边框是由阳极氧化优质铝合金边框制成，其表面氧化铝膜的厚度为25 μm.组件边框设有4组方便安装的螺孔和1组接地孔，允许单个使用或阵列使用.
(3)钢化玻璃：组件的表面玻璃采用了澳大利亚Pilkington公司的低铁(含铁量低于0.02%)钢化玻璃，其厚度为3 mm，其大部分光波段的透光率大于92%.
(4)封装材料：组件由国外进口的抗老化EVA(乙烯—醋酸乙烯聚物)和耐候性好的优质TPT(复合氟塑料膜)材料层压而成.
(5)接线盒：组件的接线盒采用了优质PP材料作为接线盒外壳和内绝缘材料，镀银
铜质电极材料作为接线柱，并配置两个旁路二极管以减少热斑效应.接线盒具有很好的密封和防水性能.[1]
1.2 免维护蓄电池选型
目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等.
该系统蓄电池选用GM2500(见图5)；采用2 V、2 500 Ah共120块串联.其高能密度、全密封结构、使用寿命长、高可靠性及良好的服务为客户提供了更大的便利. BC=A×QL×NL×TO/CC，
其中，BC为蓄电池容量；A为安全系数，取1.1～1.4之间，一般取1.1；QL为负载日平均耗电量，即工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO 为温度修正系数，一般在0℃以上取1；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75.BC=1.1×(2.08×24) ×3×1/0.75=220 Ah，需配2组120 AH蓄电池. 1.3 充电控制器
充电控制器用于控制蓄电池的充放电，当蓄电池充满电时，它将自动切断充电回路或将充电转换为浮充电的方式，使蓄电池不致过充电；当蓄电池发生过放电时，它会及时发出报警提示以及启动相关的保护动作，从而保证蓄电池能够长期可靠的运行.充电机另外一端接市电，市电空开与光伏控制器之间通过接触器和继电器来实现交替控制.
SPSD系列控制器用来控制光伏板给蓄电池充电(见图6)，并且为电压灵敏设备提供负载控制电压.它是专为偏远地区的通信或监控设备的供电系统而设计的.为了精确地进行遥控与监测，控制器配备了串行口.如果需要的话，它可以远程监测系统的性能，并可对运行参数进行调整.这样就大大降低了进入交通不便地区进行维护所需的昂贵费用.控制器配有串行口，可以通过串行口实现远程监控与远程控制，这样就可以解决远程维护难、成本高的问题.
1.4 逆变器
移动通信基站交流供电系统负责向移动通信基站供应并分配安全、优质、稳定的交流电源，保证基站开关电源、空调、照明等交流负荷正常稳定工作.交流供电系统主要由交流引入线缆、磁插保险、主空气保护路断路开关、用电计量表、市电油机电源供电转换箱、稳压器、交流供、配电箱等部分构成.
直流电源系统一般由开关电源、蓄电池、连接线缆构成，把380 V交流电转化成直流-48 V电，并分配给BTS、传输综合机柜使用.在交流电源供应正常时，通过开关电源直流汇排向BTS、传输综合机柜、监控系统等直流负荷设备供给稳定、优质、安全的直流电；同时通过开关电源直流汇排向蓄电池组浮充供电，以补充蓄电池组自放电造成的容量损失.
电源逆变装置可采用先进的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)逆变器，使用IGBT的导通特性组合而成的全桥电路与PWM驱动组合成的闭环电路将蓄电池中的直流电变成标准的220 V交流电，保证交流电负载设备的正常使用.同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量.
1.5 太阳能最大功率跟踪控制系统
应用西门子S7-200系列控制器，结合光学传感器，根据太阳东升西落的规律，通过PLC控制2台直流电机实现太阳能电池板的追日，使太阳能电池板始终与太阳入射光线成90°夹角，实现太阳能电池板的效率最大化.
风能是太阳辐射下流动所形成的，风能与其他能源相比，具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的10倍，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要.风能最常见的利用形式为风力发电，风力发电有2种思路，即水平轴风机和垂直轴风机，它将风能转化为机械能最终转化为电能并通过控制器给蓄电池充电.
风力发电机组结构组成如图7所示.风力发电机用轴承主要包括：偏航轴承总成、
风叶主轴轴承、变速器轴承、发电机轴承等，轴承的结构形式主要有四点接触球轴承、交叉滚子轴承、圆柱滚子轴承、调心滚子轴承、深沟球轴承等.
风力发电机可分为变速变桨双馈异步、定速定桨/变速变桨直驱动永磁等类型.
风向测量使用风向传感器(即风向标)来实现，风向传感器的重心在支撑轴的轴心上，整个传感器可以绕垂直轴自由摆动，在风的动压力作用下，取得指向风的来向的一个平衡位置.
风速测量使用风速传感器来实现，风速传感器采用的风杯由4个半圆形的空心贝
壳固定在互成90°的十字形支架上.其旋转轴垂直于风的来向，主要优点是它与风
向无关，能够实时测量风速.
安全保护措施包括风力发电机过转速保护，蓄电池过充、过放保护，蓄电池开路保护，负载过电压保护、夜间防反冲保护，输出短路保护等.
风力发电机利用增速器加大叶片的旋转速度，传递给发电机，产生电力.
太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性.白天太阳光最强时，一般风较小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风通常能加强.在夏季，太阳光强度大而风一般较小，冬季，太阳光强度弱而风通常较大.太阳能和风能在
时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具
有最佳的匹配性，同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理，因而风光互补发电系统是资源条件最好的电源系统.[2]
风光互补供电系统的主要设备有：太阳能板、风光互补控制器、汇流盒、风能电机、太阳能板支架、蓄电池、电缆线等(见图8).
风能日发电量约为3.61度(平均输出功率0.15 kW×24 h×(1+空气密度修正系数-1%)；光伏日发电量约为3.08度(按最小月份)；风光互补系统中风光的配置比例按照风电∶光电=7∶3进行配置，见表3.
按每块太阳板0.6 m2计算，占地面积约2.4 m2，风机约占1 m2，共约3.4 m2. 一般离网式风光互补发电系统基本系统构成如图9所示.
风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，最后经过逆变器对负载供电.光伏发电部分是利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电.逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220 v交流电，保证交流电负载设备的正常使用.
控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载；另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储.发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性.[3]
风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下3种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电.
在组建风光互补发电系统供电基站时，可以使用新型垂直轴风力发电机.新型垂直轴风力发电机(H型)突破了传统的水平轴风力发电机启动风速高、噪音大、抗风能力差、受风向影响等缺点，采取了完全不同的设计理论，采用了新型结构和材料，达到微风启动、无噪音、抗12级以上台风、不受风向影响等性能.以它为主建立的风光互补发电系统，具有电力输出稳定、经济性高、对环境影响小等优点，也解决了太阳能供电发展中对电网冲击等影响.
在移动基站中使用太阳能和风能等新能源进行供电不仅环保清洁，而且有利于远程维护、远程控制，在一定程度上解决了部分站点维护困难、成本高等问题.并且太阳能和风能使用寿命长、性能稳定、维护费用较低，有利于资源节约型与环境和谐
型社会的建设.
【相关文献】
[1] 太阳能路灯技术方案[EB/OL]．[2012 - 09 - 08](2014 - 08 -
25)．http://www．docin．com/p - 40373101．html．
[2] 师明．风光绿色能源技术在通信基站的应用[C]//通信电源新技术论坛——2010通信电源学术研讨会论文集，2010．
[3] 奥鹏．新能源发电及其应用[EB/OL]．[2012 - 11 - 26](201 - 08 -
29)． http://wenku．baidu．com/view/5b5d8c24482fb4daa58d4b0b．html．。