叠光技术在东北通信局站的应用研究

张雨默，金哲洙，李 伟，刘 冰，金 婷

（1.中国移动通信集团吉林有限公司网络管理中心，吉林 长春 130000；2.中国移动通信集团吉林有限公司延边分公司，吉林 长春 130000；3.吉林省电力有限公司 梨树县供电公司，吉林 四平 136500）

0 引 言

随着5G网络的迅猛发展，随之而来的能耗问题也愈发突出，通信基站耗电量直线上升。经初步测算，到2023年，5G基站耗电量将占全社会总电量的1.3%；到2026年，5G基站耗电量占全社会总电量的2.1%[1]。通信网络的高耗电问题亟需解决，同时实现“碳达峰”“碳中和”目标是关乎国家战略与人类命运共同体的重要问题，如何建设更加绿色、高效、可持续发展的通信网络成为一个重要课题。采用太阳能光伏发电与市电同时为通信局站设备负载供电的叠光技术，在保障局站设备正常运行的前提下，有效减少市电应用，同时能够有效解决偏远地区、山区、高速公路等场景下的电费高、断电频繁以及油机发电成本高等问题[2]。

1 基站叠光

1.1 光伏发电

我国于1958年开始研究太阳电池，1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星上。从20世纪80年代末开始制定光伏相关标准，经过多年的探索、完善已经形成一整套规范的标准，在设计、设备、施工和运维等方面均有相应的标准。目前，国内的光伏技术较为成熟，在技术发展、标准制定、产业规模以及市场份额上均处于国际领先地位[3]。

光伏发电主要利用半导体的光电效应，即一个光子照射到光伏组件上，其能量被某个电子全部吸收，当电子吸收的能量足够大时就会离开原子表面逃逸出来成为光电子，很多电子聚集产生电势差（即电压），电路导通后开始为负载供电。光电效应原理如图1所示。

图1 光电效应原理

1.2 光伏技术的主要应用场景

随着光伏技术的发展，其应用场景不断延伸，主要应用场景有以下4种。

（1）专用光伏发电站。西部地区土地广袤、人烟稀少、太阳能资源丰富，非常适合建设大型光伏专用发电站。

（2）屋顶式光伏发电站。此类场景主要包括楼宇光伏电站、工业厂房屋顶光伏电站以及居民屋顶光伏电站等。

（3）渔光互补光伏发电站。渔光互补即“上可发电、下可养鱼”的发电新模式，具有减少水分蒸发、提高鱼虾产量、抑制藻类繁殖以及提升水质质量等优势，是新型渔业的发展方向。

（4）农光互补光伏发电站。与渔光互补类似，在充分利用太阳能的同时还能产生额外发电收益。

根据相关资料，目前应用比较广泛的是屋顶式光伏发电站。

1.3 通信局站叠光技术原理

局站叠光指在局站电源基础上叠加太阳能，安装满足通信负载功率需求的太阳能电池板，由太阳能光伏发电与市电共同为负载供电[4]。当光伏输出电压略高于市电电压时，优先使用太阳能供电的方案。叠加太阳能可以降低局站电费，减少碳排放，绿色环保。叠光原理如图2所示。

图2 叠光原理

2 叠光技术在东北通信局站的应用分析

2.1 东北地区太阳能分布情况

吉林省位于中纬度欧亚大陆的东侧，属于温带大陆性季风气候，四季分明，雨热同季。吉林省2021年年平均日照时数约为2 292 h，年有效利用光照时长约为1 350 h，属于光伏发电二类资源区，适合进行光伏发电。吉林省各地市光照情况如表1所示。

表1 吉林省各地市光照情况

2.2 叠光应用情况分析

根据吉林省光照实际情况，选取某地市汇聚机房进行叠光应用。该局站年用电量约为30 000 kW·h，可供光伏发电设备使用的屋顶面积约为200 m2。根据光伏发电设备功率推算，完全由光伏供电无法保障局站正常工作，因此选用光伏叠加市电进行供电，最终安装36片545 W光伏组件，光伏发电装机容量为19.62 kW。

将光伏设备加装于屋顶时，需要考虑屋顶结构荷载。光伏电站加配重约为30 kg/m2，该局站屋顶载荷设计为200 kg/m2且屋顶无其他设施，满足光伏设备载荷要求。36片光伏组件共计1 011.6 kg，整体设计配重为2 600 kg，满足配重要求。由于光伏组件成25°角朝南，而该地区冬季多偏西风、夏季多偏东风，光伏组件不会遇到风向直吹的情况，因此实际抗风等级要高于9级[5]。

室外光伏组件安装防雷接地装置，与局站防雷接地网相连接。交流电缆选用铠装防腐耐火的25 mm²铜质线缆，直流线缆选用4 mm²光伏专业直流线缆，均满足安全要求及行业规范。现场安装实例如图3所示。

图3 现场安装实例

2.3 叠光应用策略

通过光伏逆变器实时追踪电网的电能质量，追踪参数包括频率、相位、电压。当电网电能质量发生变化时，光伏逆变器通过反馈装置与市电同步调整，同时通过滤波装置消除谐波，避免对局站造成伤害。经过现场测试，光伏发电质量与公共电网供电质量基本一致，满足并网供电要求。在实际应用中，通过电压调节控制光伏与市电的供电优先级。当光伏发电功率小于负载功率时，光伏输出电压会下降，电网会向负载补充供电，形成叠光应用。

2.4 效益分析

从2021年12月1日至12月30日，经过对局站一个月的用电量统计，每日平均发电量约为80 kW·h，预计全年发电量约为29 200 kW·h。在正常维护条件下，光伏组件的平均使用寿命为25～30年。火力发电每产生1 kW·h电便排放0.997 kg二氧化碳，而局站光伏发电每年减少二氧化碳排放约29.11 t，吉林省内具备光伏发电条件的局站约为500个，全部采用光伏发电每年可减少二氧化碳排放量14 555 t。

根据相关文件，吉林省一般工商业电价全面推行峰谷平分时电价，进一步提高电费峰谷差价，如表2所示。

表2 峰谷平分时电价

结合吉林省全年日出日落时间，能够有效分析出光伏发电的削峰填谷功效。2021年吉林省日出、日中、日落时间如表3所示。

表3 2021年吉林省日出、日中、日落时间

光伏发电系统在有太阳光照时开始运行，在正午时分发电效率达到最高，随后逐渐下降。一般情况下，约40%的光伏电能在用电高峰时段消耗，局站每年可节约的电费约为3 500元。

2.5 推广存在的问题

光伏发电对场地要求比较苛刻，而大量通信基站无法提供如此大面积的场地。东北地区冬季漫长，下雪会覆盖光伏设备；春季和秋季风沙较大，风沙同样会覆盖光伏设备。以上因素均会导致发电效率大幅降低，对光伏电站的维护提出了较高的要求。维护人员需要加强对光伏组件的维护，及时清理积雪、沙尘，一定程度上增加了维护成本。

3 结 论

随着国家“碳达峰”“碳中和”战略的不断推进，光伏技术作为重要实现手段必定会得到大力发展。我国深耕光伏领域多年，技术水平及产业规模均处于世界领先地位，未来光伏发电功率等技术性问题将被有效解决。随着光伏发电技术与通信行业的深入融合，绿色基站、零碳基站将得到广泛应用。