太陽能供電系統(tǒng)在通信基站的應(yīng)用

目前在全世界66億人口中，有超過20億的人口沒有得到足夠的電力供應(yīng)，大約占總?cè)丝诘?/3。圖1顯示了世界上有電和沒有電的區(qū)域。

沒有足夠電力供應(yīng)的地區(qū)主要分布在非洲、南美洲、亞洲和東南亞地區(qū)。如菲律賓和印度尼西亞，擁有眾多的島嶼，在這些狹小的島嶼地區(qū)無法統(tǒng)一建設(shè)大面積的電網(wǎng)。而在有些地區(qū)建設(shè)和維護(hù)大面積電網(wǎng)的費(fèi)用太高，比如中國(guó)的西北偏遠(yuǎn)地區(qū)，地廣人稀，將電網(wǎng)引入到每一個(gè)牧民家庭從經(jīng)濟(jì)角度考慮是不合理的。

在一些建立了主要的高壓輸電網(wǎng)的地方，供電經(jīng)常不穩(wěn)定，而升級(jí)和改造需要龐大的財(cái)政預(yù)算。幸運(yùn)的是許多發(fā)展中國(guó)家擁有豐富的太陽能或者風(fēng)力等可再生能源，在邊遠(yuǎn)地區(qū)大規(guī)模使用這些可再生能源的供電系統(tǒng)，比使用大面積的高壓輸電網(wǎng)更劃算。邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)可以應(yīng)用在那些已經(jīng)存在電網(wǎng)，但是單獨(dú)的供電比擴(kuò)容高壓輸電網(wǎng)更劃算的場(chǎng)合，如在高速公路沿線使用獨(dú)立的供電系統(tǒng)用于信號(hào)指示、通信和照明，可以避免鋪設(shè)和維護(hù)地下電纜的昂貴工程。全球太陽能資源豐富的區(qū)域包括非洲、南亞、東南亞、澳洲、中美洲和我國(guó)的青藏高原等地區(qū)，在這些地區(qū)使用太陽能供電系統(tǒng)供電是經(jīng)濟(jì)的選擇。

一、邊遠(yuǎn)地區(qū)通信基站供電系統(tǒng)選擇

邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)一般包括發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備、能量變換和管理設(shè)備。發(fā)電設(shè)備有柴油發(fā)電機(jī)、光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或者水力發(fā)電機(jī)。儲(chǔ)能設(shè)備一般有蓄電池組或者儲(chǔ)能水池。能量變換和管理設(shè)備有直流變換器、逆變器等設(shè)備。

柴油發(fā)電機(jī)是許多邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)的能量來源，為了獲得最大燃料效率和減小維護(hù)，需要負(fù)載率保持在發(fā)電機(jī)額定負(fù)載容量的60％～70％。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率可以達(dá)到250W~500kW，但是需要選取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)場(chǎng)，具備穩(wěn)定的風(fēng)速。水輪發(fā)電機(jī)雖然發(fā)電成本相對(duì)較低，但是需要選取建設(shè)在適度和穩(wěn)定的河流上，水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本相對(duì)較低，但是發(fā)電機(jī)的成本較高。

通信網(wǎng)絡(luò)要求基站等設(shè)備提供7×24小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，基站設(shè)備除分布在市區(qū)外，還大量分布在沙漠、海島、山頂?shù)雀鞣N環(huán)境中，覆蓋面積寬廣，一般無人值守，對(duì)電源可靠性和壽命具有高要求。太陽能供電系統(tǒng)的光伏電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，通過光伏組件的串并聯(lián)方式提供基站需要的-48V 電壓，實(shí)現(xiàn)能量的靜止變換，與具備機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的發(fā)電機(jī)相比較，維護(hù)工作量很少。對(duì)小于2kW的基站負(fù)載，是合適的邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)方案，尤其在全球原油價(jià)格高企的發(fā)展趨勢(shì)下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì)日益明顯。

二、通信基站光伏供電系統(tǒng)

通信基站太陽能供電系統(tǒng)由光伏組件、陣列支架、匯線盒、充放電控制器、蓄電池組、逆變器等組成，如圖2所示。

組件一般采用單晶硅或多晶硅電池，每個(gè)電池輸出電壓大約為0.5V，一般組件采用72個(gè)太陽電池串聯(lián)，所以為了得到43.2~56.4V電壓范圍，需要兩塊組件串聯(lián)使用。功率等級(jí)盡量選取產(chǎn)量較大的規(guī)格，如165W、170W和175W等幾種規(guī)格。太小的組件規(guī)格導(dǎo)致支架設(shè)計(jì)成本增加和占地面積增加，而過大的組件規(guī)格使用的太陽電池成品率較低，電池成本相對(duì)較高。根據(jù)負(fù)載容量和當(dāng)?shù)靥柲苜Y源情況選取組件并聯(lián)數(shù)。

多個(gè)光伏組件并聯(lián)構(gòu)成陣列，采用鍍鋅鋼材支架支撐組件，使組件具備一定的傾斜角度，同時(shí)固定組件，抵抗風(fēng)吹。對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)，為了降低蓄電池用量和系統(tǒng)成本，需要在冬季獲得最大的太陽能輻照，這樣就需要將組件的傾角設(shè)置成比當(dāng)?shù)鼐暥却?0°~20°。

當(dāng)陰雨天氣或者夜間，無太陽光或者輻照變?nèi)?，無法提供負(fù)載需要的能量時(shí)，蓄電池組繼續(xù)為負(fù)載提供所需能量。蓄電池組的容量根據(jù)負(fù)載容量、連續(xù)陰雨天時(shí)的自給天數(shù)、放電深度確定。

過去富液式鉛酸蓄電池（OPzS）是光伏供電系統(tǒng)常用的選擇，這是由于OPzS蓄電池采用管狀正極，可以防止活性物質(zhì)（active material）脫落，厚的負(fù)極極板，延長(zhǎng)了使用壽命。然而，近年來愈來愈多的光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)向管狀正極板的膠體閥控式密封鉛酸蓄電池（OPzV），這種轉(zhuǎn)變的主要原因是閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）技術(shù)需要更少的維護(hù)。

富液電池需要定期加水維護(hù)，如果得不到及時(shí)維護(hù)，蓄電池的使用壽命將會(huì)縮短，而將去離子蒸餾水運(yùn)輸?shù)竭呥h(yuǎn)地區(qū)的基站需要更高的成本。VRLA電池在通常工作條件下，僅析出微量的硫酸和氫氣，極大減少了維護(hù)工作量，也不需要專門建設(shè)機(jī)房和安裝專用通風(fēng)裝置。電解液分層現(xiàn)象是造成許多富液電池失效的原因，一般采用過充電來消除，通常需要附加過充電高達(dá)15％。膠體電池在工作期間經(jīng)歷微不足道的電解液分層，因而不會(huì)遭受與分層相關(guān)的失效。欠充電是邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)中工作的VRLA失效的常見原因，這是由于光伏能量來源在雨季不穩(wěn)定時(shí)導(dǎo)致電池活性物質(zhì)中硫酸鉛晶體的積累和生長(zhǎng)，研究表明，膠體電池使用的微孔隔板不容易發(fā)生枝晶穿透，在這方面有更好的特性。與富液電池充電恢復(fù)能力為110％~115％相比，膠體電池的充電恢復(fù)僅為103%~105%，充電效率的提高，有利于節(jié)約光伏能源。

充放電控制采用多路控制器，太陽能組件陣列分為多個(gè)支路通過匯線盒接入控制器。當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，控制器將組件陣列逐路斷開；負(fù)載由蓄電池和剩余光伏組件聯(lián)合供電，當(dāng)蓄電池電壓回落到設(shè)定值時(shí)，控制器再將組件陣列逐路接通，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組充電電壓和電流的調(diào)節(jié)。這種增量控制方式可以近似達(dá)到脈寬調(diào)制（PWM）控制器的效果，路數(shù)愈多，增幅愈小，愈接近線性調(diào)節(jié)。

三、應(yīng)用實(shí)例

圖3是美世樂在布基納法索農(nóng)村地區(qū)提供的一個(gè)光伏供電系統(tǒng)實(shí)例。

當(dāng)?shù)鼐暥仁潜本?1°59′，連續(xù)陰雨天自給天數(shù)為5天，基站負(fù)載類型是BTS和微波，負(fù)載功率為550W。根據(jù)這些信息，系統(tǒng)配置如下：
光伏組件：monocrystalline 165W 30塊組件；
蓄電池組：2V 1000Ah OPzV膠體蓄電池 2組；
充放電控制器：-48V 150A控制器。

該項(xiàng)目配置了22個(gè)太陽能供電的BTS站點(diǎn)，這些站點(diǎn)的負(fù)載功耗范圍400～900W，容量相對(duì)較小。如果使用柴油發(fā)電機(jī)供電，配置油機(jī)的容量較小，油機(jī)轉(zhuǎn)換效率降低，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性較差，同時(shí)供電可靠性也較低。采用太陽能電池和膠體密封蓄電池供電方案，不需要定期為油箱加油，也不需要維護(hù)柴油發(fā)電機(jī)和富液蓄電池。節(jié)約了柴油購買費(fèi)用，也減少了維護(hù)工作量，有效降低了運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)成本。