移动基站太阳能技术的开发和应用

2018-02-04陈敏聪

智能城市 2018年1期

陈敏聪

广东省电信规划设计院有限公司，广东广州 510630

社会经济的快速发展与行业生产方式的变革对能源的需求呈现爆发式增长，科学技术的深入研发与进步为新能源的利用与普及提供了可行性方案，已经成为了我国国民经济增长与综合国力增强的重要推动力。科学家们通过对自然环境下的各类资源进行挖掘与利用，将其转化为绿色、清洁、安全、高可用性能源，结合行业发展需求，克服行业发展痛点，缓解行业发展与能源短缺二者之间的矛盾[1]。以移动通信行业为例，移动通信行业通常需要在空间分布范围内按照一定的排列顺序架设相应的基站，即使是在高海拔地形环境复杂地区与偏远的海域小岛，都需要建设一定数量的基站以保证良好的通信信号与通信基站的全覆盖。移动通信基站正常运行的可靠性依赖于供电系统的稳定性，但是在某些偏远地区，尤其是高山高海拔地区，自然环境十分恶劣、天气变化频繁、平均气压较低，对电网系统的安装与运维管理带来了极大的阻碍，严重影响供电系统的安全稳定运行[2]。太阳能发电是一种新型的可再生能源，将太阳光的辐射能量转化为电能，为移动基站提供稳定的电力供应是节约型社会的重要举措之一，尤其是在高山高海拔地区，由于大气气压较低，空气稀薄，太阳辐射较少被云层散射、折射，到达地面的太阳辐射强度相比于平原地区而言更强，若是将其加以利用，其转化为的电力能源将更为丰富，一方面可以有效弥补高海拔地区人工电力系统建设的困难与缺陷，另一方面太阳能供电系统的搭建属于一次性投资，将其作为移动基站的供电电源可以极大地降低供电系统的运维与管理费用，符合我国可持续发展理念与节能减排的社会号召。

1 太阳能发电技术工作原理及特点

太阳能发电技术是一项绿色、清洁、安全、无污染的能量转换与能源产出技术，其主要工作原理是光伏效应，太阳能电池板主要由半导体器件组成，太阳光的照射使得半导体器件中的空穴电子由于非对称结构在光子的作用下发生分离与跃迁，形成电位差，从而将太阳辐射的光能转化为半导体器件的电能，生成直流电，并将电能存储在太阳能电池板中[3]。通常来说，只需将太阳能电池板暴露在晴天空气中，太阳能电池板即可自发产生直流电并完成子自给充电过程，无需借助任何的外部设备设施[4]。

利用太阳能进行电能资源的产出，相比较于传统的火力发电或其他清洁能源如水力发电、风力发电而言具有以下独特的优势。

1.1 清洁安全

太阳能本身即是一种绿色清洁能源，在开发利用太阳能的过程中不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。相比于用卡车和飞机运输易燃易爆的化石燃料，太阳能电力更具有安全感。

1.2 运行稳定

太阳能发电装置的工作原理相对简单，在不同的天气条件、光照强度、光照角度下太阳能发电装置均能够根据环境的变化自发、自适应地运行，而不受其他环境因素的影响或干扰，运行状况相对稳定。

1.3 生命周期长

太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%，可以说太阳能是取之不尽、用之不竭的。太阳能发电装置独立性较强，在使用过程中不会产生磨损，与其他常规发电装置，如柴油发电机相比具有更长的生命周期。

1.4 供电自主性

地球上无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。相比于成本较高的火力发电，再加上高昂的运费，太阳能电力无疑更能节约成本，且无需复杂的人工操作，具有供电自主性。

1.5 运维费用较低

太阳能发电装置组织结构相对单一，无论是安装还是后期的运维管理，简化的流程极大地降低了其所耗费的人力、物力、财力、时间成本，运维费用与常规发电设备，如核能发电设备等相比更具优势，只需要工作人员定期对其运行状况进行常规检查即可。

2 移动通信基站供电方式

移动通信网络是国家战略性公共基础设施，建设“高速畅通、覆盖城乡、质优价廉、服务便捷”的宽带网络基础设施和服务体系，既有利于壮大信息消费、拉动有效投资，促进工业化、信息化、新型城镇化和农村现代化融合发展，又可以降低创业成本，为打造大众创业、万众创新和增加公共产品、公共服务“双引擎”，推动“互联网+”发展提供有力支撑，对于稳增长、促改革、调结构、惠民生具有重要意义。现阶段移动通信基站的供电方式根据其建设地点、周围自然环境、社会经济发达程度的不同提供不同的供电方案，其中主要供电方式包括以下四种：

2.1 太阳能独立供电

太阳能独立供电是指移动通信基站完全依赖于太阳能供电系统提供电力能源，这种供电方案通常在高山、高海拔或偏远地区采用，由于高海拔地区的太阳辐射强度大、交通可达性较差、社会经济发展水平相对滞后，电力系统相关组件的运输、电力系统的搭建、电力系统的定期巡检与运维管理等相比较平原地区而言存在较大的困难，因此采用太阳能独立供电的方案，充分利用当地丰沛的太阳能资源弥补电力资源产出的不足。太阳能独立供电设备主要为太阳能光伏阵列，其具有输出功率大、对自然环境与天气变化敏感度较低，运行稳定性与可靠性较高。

2.2 高频开关电源独立供电

高频开关电源独立供电模式是移动基站的主要供电模式之一，在我国的非偏远地区大多采用这种全天候、全天时、无间歇的供电模式为移动基站提供源源不断的电力能源。高频开关电源主要依赖于电力系统的搭建，其运行的稳定性也与电力系统的安全性与可靠性支架关联，是我国大部分地区普遍采用的基站供电方案。

2.3 风能与光能互补供电

风能与光能互补供电是指利用风能与太阳能相互补充交替提供电力能源，在风力资源较为丰富充裕的地区，可以充分利用风能带动发电装置运转产生机械能并转化为电能，当风力较弱时则依托于太阳能发电装置实时发电或者利用太阳能电池板中存储的电能资源国供电。

2.4 太阳能与高频开关电源互补供电

太阳能与高频开关电源互补供电是一种较为通用的节约供电模式，电力系统运行正常的状态下由电力系统相移动通信基站供电，一旦电力系统出现故障停止运行时则立刻切花到太阳能功能系统，将其作为UPS临时向移动通信基站供电，保证通信基站的供电过程不受电网系统运行状态的影响而全天候、无间断工作。

3 移动基站太阳能电源供电系统设计

移动基站太阳能供电系统的设计主要包括系统硬件设计与系统软件设计，系统软件设计是指对移动基站内的所有用电设备的用电量以及实际运功功率进行计算与统计，并结合当地的太阳辐射强度、太阳辐射倾角等参数设计太阳能电池板的摆放倾角，以使得太阳能电池板能够在一定周期内所获得的太阳辐射量以及电能转化率达到峰值。系统硬件设计是指太阳能供电系统中各个组件型号的选择。

3.1 光伏发电系统容量设计

光伏发电系统容量设计主要是基于移动通信基站的所有用电设备用电量与功率为参照确定太阳能电池组件以及蓄电池的数量，以支撑移动通信基站在长时间内能够有充沛的电能供应。首先对移动基站内的所有用电设备的用电量以及实际运功功率进行计算与统计，然后全面搜集基站所在地区的年平均温度、全年降水天数、太阳辐射强度、地形起伏度、海拔、经度、纬度、太阳折射角、最大风速等一系列基础地理环境参数，以对当地的气候、地理环境形成定量的直观认识。光伏系统中常用的蓄电池种类较多，包括锂电池、铅酸蓄电池等，其中铅酸蓄电池在正常操作中，电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出，且采用了有抗腐蚀结构的铅钙合金栏板，电池可浮充使用10～15年，具有较低的维护更换成本与更高的市场成熟度，因此在光伏系统中通常采用铅酸蓄电池。

3.2 光伏电池组件设计

光伏电池组件是移动通信基站太阳能供电系统中的重要环节，其设计思想主要为满足基站所有用电设备年平均日负载用电量需求，可以用所有用电设备每日平均用电量除以一块太阳能电池在一天中可以产生的电量计算出光伏系统中的电池组件数。在设计太阳能电池组件时，应当以光照最恶劣的季节作为研究对象，分析在太阳辐射总量最低、阴雨天最多的季节内要维持移动通信基站中所有用电设备的正常运行所需要的电能。