风光互补供电系统在通信基站中的应用

王 建

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

0 引 言

在远离电网的地区建立通信基站时，远距离导致市电引入费用较高，一旦市电停电，就要依靠自启动柴油发电机发电。然而，偏远地区存在柴油储运成本高、环境污染高、噪音大等诸多弊端，所以停电后柴油发电只能作为短时应急电源。为了在通信基站的建设阶段对基站供电给出完整的解决方案，一劳永逸地解决长期稳定的供电问题，推荐同时使用太阳能和风能给通信基站互补供电。

太阳能和风能是取之不尽的可再生、清洁自然能源，两者在时间上具有较强的互补特性。比如，白天光照强，晚上风力大；夏季光照强，冬季风力大。偏远地区通信基站选址大多在山顶或空旷区域，周围无高大地物遮挡，获取这两种自然资源的地理条件较好。因此，在某个时间区间内获取到至少一种资源的概率很高，为同时使用这两种能源奠定了理论基础。当然，这种互补发电系统的设计需综合考虑基站用电负荷、当地自然资源条件、供电的可靠性和建设的经济合理性等因素。

1 系统组成

风光互补供电系统主要由风机、太阳能板、控制器、蓄电池、逆变器和基站交直流负载等组成，见图1。该系统采用风能、太阳能作为能量来源，经多设备组成的供电系统智能控制后，输出稳定的交、直流电压，以满足基站设备的供电需求。

图1 系统结构

（1）风机利用大叶片转动带动内部多个大、小齿轮转动，最小的齿轮将以较快的速度切割磁力线获得交流电能，经过变电、稳压等措施输出，从而满足基站负载使用的稳定电能；

（2）太阳电池板利用光伏效应持续将太阳能部分转换为直流电能；

（3）逆变器可将-48 V直流电转换成220 V交流电，保障基站内交流负载设备的正常运行（当基站内只有直流负载时，供电系统中不需要逆变器）；

（4）控制系统将根据日照强度、风力大小及负载耗电的情况，实时对供电系统进行智能调节，保障供电系统的稳定性和连续性，一方面将稳定电能送往基站负载，另一方面把多余的电能浮充到蓄电池存储。当发电量低到某一设定门限时，控制器将自动释放蓄电池储能供负载使用。

（5）蓄电池组是储能设备，由多个单体蓄电池串联。

相比独立风电或光电，互补供电系统有如下优点：（1）单一能源供电存在不连续性，达到同等供电效果的建设成本较大，而双能源互补同时在线发电，可用较低的建设成本获得较多电能输出，提高了系统可靠性；（2）延长了使用自然资源的时间，降低了蓄电池组的放电深度和充放电循环次数，同等负载条件下可节约蓄电池容量；（3）积极响应国家的节能减排政策，体现绿色环保基站的理念，通过优化两种能源互补供给的设计方案，可较好地解决边远地区通信基站的持续供电需求，一次建设终生受益。

2 站址勘察

2.1 勘察工具使用注意事项

使用勘察工具需注意以下几点：（1）相用完机、测距仪和GPS后，关断电源放回包装盒内；（2）指北针测量方位角误差控制在5°以内，且测试时远离金属物体；（3）用指北针确定方向后再拍摄周围清晰环境照，每45°拍一张照片；（4）GPS搜星稳定后读出经纬度；（5）按勘察模板要求，顺序勘察、记录站址信息。

2.2 现场勘察

在网上初步了解拟建基站区域的风、光资源情况后，需现场采集风、光资源情况，勘察拟建基站站址周围环境、需覆盖的目标用户情况，观察有无山谷包围、山体阻挡等不适宜建站的情况。要记录站址周围附近光缆通过情况，拍摄环境照，绘制周围地形图，测量可用占地面积，优选拟建基站站址，初步确定风机的建设位置、太阳能光伏电板的占地面积等。勘察草图如图2所示。

图2 勘察草图示例

3 通信基站中风光互补供电系统的设计方案

3.1 设计参考数据

在设计通信基站的风光互补供电系统时，需收集以下数据：（1）通信基站中所有交、直流负载设备的功耗；（2）基站的供电时长，通信基站按24 h不间断工作设计；（3）负载电压，通信基站设备运行的直流电压一般为-48 V，交流电压220 V；（4）基站在无风无日照情况下需连续工作5天；（5）当地的太阳能资源和风力资源情况，使用RetScreen软件查询过去10年该地区的相关气象数据，同时参考当地环保局发布的环境空气质量通报，根据实际的资源分布情况，考虑太阳能和风能在系统中所占的比例。

3.2 供电系统的容量计算

具体步骤如下：

（1）给出当地年平均风速和光辐射量等自然资源条件；

（2）根据基站负载电流、年日照小时数等数据，按式（1）[1]计算纯光供电系统的设计总容量。

（3）综合考虑风、光资源分布、建设造价等因素，确定风光互补发电系统中光伏发电年发电量和风力发电年发电量的比例；

（4）根据上述比例和纯光系统的设计总容量，确定风光互补系统中光伏发电部分的容量；

（5）将上述纯光系统的设计总容量减去风光互补发电系统中光伏发电部分的容量，得到剩余容量，然后根据光伏宝软件计算剩余容量光伏发电系统对应该地区的年发电量；

（6）风机（风轮）吸收的风能为：

其中ρ为空气密度，标准密度为1.225 kg/m3；V为风速；A为扫风面积，即A=1/2πR2（π=3.14159，R为半径，即风叶长度）；Cp为吸收效率，表示风机转换风能的效率值。根据贝兹极限，Cp值最高为59%。实际应用时，根据典型风力发电机的风速——功率曲线，拟安装地区风资源数据（风频特性和风况曲线）拟合和估算，确定合适型号的风力发电机的年发电量；

（7）通过比较（5）、（6）两个步骤得到的年发电量，将剩余容量的光伏折算成多少千瓦的风力发电机，以确定系统中风力发电机的容量；

（8）根据基站负载大小和单纯由蓄电池放电可以支撑负载的时间数，确定蓄电池的容量。蓄电池C10容量计算为：

3.3 投资估算

根据风光互补供电系统的容量计算，完成系统配置；咨询相关设备厂家，得出太阳能组件、风力发电机、太阳能支架、机杆、风光互补控制器、太阳能控制器、蓄电池、蓄电池保温柜和配电柜等设备的报价；再加上材料费、基础施工、安装调试费用、运输费和税费等，得出此供电系统投资造价；进行经济评价[2]，从经济效益和社会效益两个维度进行可行性论证。

后续还有供电系统设备招标采购、风机杆塔的基础制作、杆塔安装、设备安装和调试等相关工作。在基站建成试运行阶段，可通过后台软件采集风光互补供电系统的发电时长、蓄电池的充放电时长及次数、基站设备工作情况等数据进行分析，以此对供电系统的设计进行后评估，不断积累设计经验。

4 结 论

我国年日照时数超过3 000 h以上的地区有西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部、西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部和河北西北部等地区，具有较丰富风能资源的地区主要分布在东南沿海、西北、华北和东北[3-4]。采用风光互补供电的通信基站，建设在这些风、光资源均较好的地区，将具有较好的经济效益。特别是市电引入费用高、供电线路远和市电供电不稳定的偏远地区可逐步推广，既节能环保又节省基站建设成本和后期维护费用。通信基站如图3所示。

图3 甘肃某通信基站应用案例（某厂商提供）