邊遠地區基站供電方案的解決與研究

一、背景

距不完全統計，我國目前尚有7,656萬(wàn)無(wú)電人口，16個(gè)無(wú)電縣，828個(gè)無(wú)電鄉和29,783個(gè)無(wú)電村。由于這些縣城、村鎮及散居牧戶(hù)地處邊遠，遠離電網(wǎng)，用電負荷小而且分散，近20年之內不可能通過(guò)延伸電網(wǎng)實(shí)現供電。我國風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富?？衫玫娘L(fēng)能資源約2.5億千瓦，主要分布在沿海和內蒙古—甘肅—新疆一線(xiàn)的兩大風(fēng)帶，有效風(fēng)能密度在200瓦/平方米以上；我國2/3以上地區的年日照大于2000小時(shí)，年均輻射量約為5900 兆焦耳/平方米，青藏高原、內蒙古、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的光照尤為突出。而我國大多數無(wú)電人口恰好主要分布在這些地區。

中國移動(dòng)以“責任”與“卓越”作為追求目標，以“創(chuàng )新”來(lái)實(shí)現跨越，先后在中西部地區開(kāi)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。但在邊遠的地區如山區、沙漠、高原、海島、湖泊等地方，市電無(wú)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(wèn)題。筆者經(jīng)過(guò)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(shí)間較短、維護簡(jiǎn)單，一次性投資，常年收益。

二、系統方案

對于一般的邊遠地區移動(dòng)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(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機，通過(guò)充電控制來(lái)對蓄電池進(jìn)行充電，對于系統多余的能量，可以通過(guò)卸荷系統來(lái)調節室內的溫度，BTS和傳輸通過(guò)直流配電屏直接供電，基站內的日光燈等，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(guò)便攜式逆變電源來(lái)供給。通過(guò)這樣的配置，可以節省了空調設備，可以很大的簡(jiǎn)化供電系統。下面將相關(guān)涉及的材料，進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

三、風(fēng)力發(fā)電機

風(fēng)力發(fā)電機組正常分為高速風(fēng)型和低風(fēng)速型，考慮到絕大多數地區的年平均風(fēng)能的具體情況以及系統造價(jià)，一般采用低風(fēng)速型設計方案，具有適應地區廣、發(fā)電效率高、結構簡(jiǎn)單、性能可靠、維護方便的特點(diǎn)，穩速機構采用側偏尾翼方式，整機設計合理、運行平穩、對不同風(fēng)況適應能力強。風(fēng)力發(fā)電機組一般包含以下幾個(gè)組件：發(fā)電機、葉片、導流罩、尾翼、回轉體、支撐桿、底座、拉線(xiàn)等。風(fēng)力發(fā)電機正常使用應注意以下事項：

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

A 如需在障礙物附近安裝風(fēng)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(fēng)能，離障礙物的極距離要求。（見(jiàn)圖）

B 如在障礙物之上架設風(fēng)機，風(fēng)機的安裝高度應使風(fēng)輪的下緣至少高出障礙物的最高點(diǎn) 2 米 。（見(jiàn)圖）

四、太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)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(yáng)能專(zhuān)用鋼化玻璃以及高性能、耐紫外線(xiàn)輻射的專(zhuān)用密封材料層壓而成的太陽(yáng)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(guò)程中，把太陽(yáng)能轉換成電能；所以，只要有陽(yáng)光就可以發(fā)電，是一種先進(jìn)、無(wú)污染的環(huán)保的高科技產(chǎn)品。

太陽(yáng)能安裝應注意以下事項：

太陽(yáng)電池組件工作時(shí)其安裝方向應保證最大限度地接收日光照射，考慮了一天內陽(yáng)光入射方向的變化和一年內冬季和夏季太陽(yáng)距地平線(xiàn)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地緯度±（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(yáng)能電池發(fā)電系統、風(fēng)力發(fā)電系統中的重要部件。MPPT的作用是使太陽(yáng)能電池陣列工作在最大輸出功率點(diǎn)。它是高效率的DC／DC變換器，相當于太陽(yáng)能電池輸出端的阻抗變換器。MPPT是太陽(yáng)能車(chē)、太陽(yáng)能發(fā)電系統、太陽(yáng)能水泵上常用的功率提升部件。MPPT能使太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電系統、風(fēng)力發(fā)電機系統。在提高發(fā)電效率的同時(shí)，可以實(shí)現充電限流、停止充電、卸荷、輸出穩壓等功能。MPPT根據智能的控制策略判斷最大功率點(diǎn)的位置，自動(dòng)調整發(fā)電系統的輸出電流，來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)電壓，由此實(shí)現MPPT的功能。因此，MPPT不僅是一個(gè)高效率的DC／DC轉換器，更是一個(gè)智能的控制系統。

六、空氣調節及卸荷控制原理：

根據大量的數據調研，表明邊遠基站的絕大部分時(shí)間內，戶(hù)外溫度低于機房規定的需求溫度，因此可以通過(guò)利用全熱交換的方式，利用室外的冷空氣降低室內的溫度。當室內空氣調系統進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)分別呈正交叉方式流經(jīng)換熱芯體，由于平隔板兩側氣流存在著(zhù)溫度差和水蒸汽壓差，兩股氣流間同時(shí)呈現傳熱傳質(zhì)現象，引起全熱交換過(guò)程。這種過(guò)程是通過(guò)平隔板完成的，所以屬透過(guò)型全熱交換現象。

換熱式空氣調節示意圖如下：

當風(fēng)力發(fā)電機和太陽(yáng)能電池板對電池充滿(mǎn)后或風(fēng)力太大后引起風(fēng)機轉速超高，為了保護發(fā)電設備，根據國家相應的技術(shù)規范，需要對發(fā)電設備進(jìn)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(gè)電荷泄發(fā)回路，強制降低發(fā)電端輸出電壓或降低風(fēng)機的轉速。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(mǎn)后多余的能量，用半導體致冷片來(lái)合理調節邊遠基站的室內溫度。如果再配以智能通風(fēng)系統，完全可以達到空調的效果，可以取代基站傳統的空調設備。以下是對半導體致冷片的簡(jiǎn)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(diǎn)是沒(méi)有滑動(dòng)部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無(wú)致冷劑污染的場(chǎng)合。

當室內溫度達到設定的溫度后，為了繼續保證卸荷功能的正常進(jìn)行，微處理器通過(guò)程序來(lái)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

根據日常維護需要用到的儀表、設施的交流功率，來(lái)恰當地配備好符合負載功率容量的逆變電源。但建議相關(guān)部門(mén)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(dòng)基站用電設備主要有：BTS、傳輸設備、電源設備、空調設備、照明系統等，在新型基站供電系統中，普通的空調設備更換為智能通風(fēng)系統、照明系統更換為L(cháng)ED燈，整個(gè)功耗基本不變。

根據設備廠(chǎng)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(lái)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(dòng)基站熱工負荷，主要來(lái)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(shí)使用系數(0.2～0.5)；　
860：功的熱當量，即lkW電能全部轉化為熱能所產(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(shí)使用系數；
h2：利用系數；　
h3：負荷工作均勻系數。
　　
基站內各種設備的總功率，應以基站內設備的最大功耗為準，但這些功耗并未全部轉換成熱量，因此，必須用以上三種系數來(lái)修正，這些系數又與基站的系統結構、功能、用途、工作狀態(tài)等有關(guān)?？傁禂狄话闳?.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(wú)人值守的，故照明發(fā)熱可以忽略不計。

d.人體發(fā)熱量
　　
人體內的熱是通過(guò)皮膚和呼吸器官放出來(lái)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(wú)人值守的，可以忽略不計。

e.圍護結構的傳導熱
　　
通過(guò)機房屋頂、墻壁、隔斷等圍護結構進(jìn)入機房的傳導熱是一個(gè)與季節、時(shí)間、地理位置和太陽(yáng)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(wèn)題。
　　
當室內外空氣溫度保持一定的穩定狀態(tài)時(shí)，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：圍護結構的導熱系數(kcal／m2h℃)；
F：圍護結構面積(m2)；　
t1：機房?jì)葴囟?℃)；
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構如隔斷等時(shí)，室內外計算溫度差應乘以修正系數，其值通常取0.4～0.7。常用材料導熱系數如下表所示：

常用材料導熱系數

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

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

透入系數K值取決于窗戶(hù)的種類(lèi)，通常取0.36～0.4?！?br />　　
太陽(yáng)輻射熱強度q隨緯度、季節和時(shí)間而不同，又隨太陽(yáng)照射角度而變化。具體數值請參考當地氣象資料。

g.換氣及室外侵入的熱負荷　
　　
為了給在機房?jì)裙ぷ鞯娜藛T不斷補充新鮮空氣，以及用換氣來(lái)維持機房的正壓，需要通過(guò)空調設備的新風(fēng)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(guò)門(mén)、窗縫隙和開(kāi)關(guān)而侵入的室外空氣量，隨機房的密封程度，人的出入次數和室外的風(fēng)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(lái)確定熱負荷。

十、樣板工程分析

以吉林長(cháng)白山山頂建設的移動(dòng)基站為例，來(lái)計算系統配置。

1、功率計算

以2/2/2的基站配置來(lái)計算，理論上需要的電功率為：51A， 但經(jīng)過(guò)實(shí)際測量，實(shí)際平均負載容量為48V、21A，考慮到浮充因數，計為1.1KW?？紤]到連續5天無(wú)太陽(yáng)和風(fēng)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，并聯(lián)成48V2000Ah的蓄電池組3組。

2、系統要求及氣象數據

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

基本要求：最長(cháng)連續陰雨天3天，兩個(gè)陰雨天之間的間隔最短30天；

氣象數據：緯度41.50，經(jīng)度128.20 ，每日有效光輻射時(shí)間為4.86小時(shí)。

長(cháng)白山天池一帶，為特大風(fēng)區，年平均風(fēng)速為11.7米／秒，有效風(fēng)能密度最大為1100瓦/米2

注：以上數據來(lái)源于是NASA

3、系統建議配置

基站供電系統主要配置如下：

風(fēng)力發(fā)電機：

按照平均風(fēng)速發(fā)電，在24小時(shí)內能將電池充滿(mǎn)，風(fēng)機選用低速風(fēng)機，平均風(fēng)速發(fā)電能力按照80%計算，則需要配備的風(fēng)力發(fā)電機容量應為：

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

風(fēng)力發(fā)電隔離充電控制器：48V、50A模塊4個(gè)

蓄電池：

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

風(fēng)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

智能換熱式空調調節系統：

為了保證機房的溫度能保持在規定的溫度范圍內，建議對機房進(jìn)行密封、二次保溫處理，處理過(guò)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；

外圍圍護結構的傳熱為：

夏季，以5X5基站的5個(gè)接觸面合計面積為85平方，溫差10度，圍護結構傳熱系數0.4來(lái)計算，Q2=85X10X0.4=+340kcal/h

冬季，以5X5基站的6個(gè)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(lái)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的智能空氣調節系統。

結論：

本課題設計的系統具有以下功能：

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

•卓越的充電管理技術(shù):充電時(shí)最大功率跟蹤，充滿(mǎn)后自動(dòng)轉為浮動(dòng)充電，強風(fēng)和強光時(shí)進(jìn)行充電限流，有效保護電池和負載；

•通過(guò)智能處理，在強風(fēng)和強光時(shí)或電池電充滿(mǎn)后，利用半導體制冷（熱）來(lái)作為卸荷裝置，既將富余能量釋放掉、保護了發(fā)電設備又調節了基站的室內溫度，節省了空調設備的投資，節省了基站的室內面積。

•節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(fēng)、光互補發(fā)電方式，可以24小時(shí)不間斷發(fā)電，無(wú)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(jià)值。