陳敏聰

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510630

社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與行業(yè)生產(chǎn)方式的變革對能源的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，科學(xué)技術(shù)的深入研發(fā)與進(jìn)步為新能源的利用與普及提供了可行性方案，已經(jīng)成為了我國國民經(jīng)濟(jì)增長與綜合國力增強(qiáng)的重要推動(dòng)力?？茖W(xué)家們通過對自然環(huán)境下的各類資源進(jìn)行挖掘與利用，將其轉(zhuǎn)化為綠色、清潔、安全、高可用性能源，結(jié)合行業(yè)發(fā)展需求，克服行業(yè)發(fā)展痛點(diǎn)，緩解行業(yè)發(fā)展與能源短缺二者之間的矛盾[1]。以移動(dòng)通信行業(yè)為例，移動(dòng)通信行業(yè)通常需要在空間分布范圍內(nèi)按照一定的排列順序架設(shè)相應(yīng)的基站，即使是在高海拔地形環(huán)境復(fù)雜地區(qū)與偏遠(yuǎn)的海域小島，都需要建設(shè)一定數(shù)量的基站以保證良好的通信信號與通信基站的全覆蓋。移動(dòng)通信基站正常運(yùn)行的可靠性依賴于供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是在某些偏遠(yuǎn)地區(qū)，尤其是高山高海拔地區(qū)，自然環(huán)境十分惡劣、天氣變化頻繁、平均氣壓較低，對電網(wǎng)系統(tǒng)的安裝與運(yùn)維管理帶來了極大的阻礙，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。太陽能發(fā)電是一種新型的可再生能源，將太陽光的輻射能量轉(zhuǎn)化為電能，為移動(dòng)基站提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)是節(jié)約型社會的重要舉措之一，尤其是在高山高海拔地區(qū)，由于大氣氣壓較低，空氣稀薄，太陽輻射較少被云層散射、折射，到達(dá)地面的太陽輻射強(qiáng)度相比于平原地區(qū)而言更強(qiáng)，若是將其加以利用，其轉(zhuǎn)化為的電力能源將更為豐富，一方面可以有效彌補(bǔ)高海拔地區(qū)人工電力系統(tǒng)建設(shè)的困難與缺陷，另一方面太陽能供電系統(tǒng)的搭建屬于一次性投資，將其作為移動(dòng)基站的供電電源可以極大地降低供電系統(tǒng)的運(yùn)維與管理費(fèi)用，符合我國可持續(xù)發(fā)展理念與節(jié)能減排的社會號召。

1 太陽能發(fā)電技術(shù)工作原理及特點(diǎn)

太陽能發(fā)電技術(shù)是一項(xiàng)綠色、清潔、安全、無污染的能量轉(zhuǎn)換與能源產(chǎn)出技術(shù)，其主要工作原理是光伏效應(yīng)，太陽能電池板主要由半導(dǎo)體器件組成，太陽光的照射使得半導(dǎo)體器件中的空穴電子由于非對稱結(jié)構(gòu)在光子的作用下發(fā)生分離與躍遷，形成電位差，從而將太陽輻射的光能轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體器件的電能，生成直流電，并將電能存儲在太陽能電池板中[3]。通常來說，只需將太陽能電池板暴露在晴天空氣中，太陽能電池板即可自發(fā)產(chǎn)生直流電并完成子自給充電過程，無需借助任何的外部設(shè)備設(shè)施[4]。

利用太陽能進(jìn)行電能資源的產(chǎn)出，相比較于傳統(tǒng)的火力發(fā)電或其他清潔能源如水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電而言具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢。

1.1 清潔安全

太陽能本身即是一種綠色清潔能源，在開發(fā)利用太陽能的過程中不會產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣、也沒有噪音，更不會影響生態(tài)平衡。相比于用卡車和飛機(jī)運(yùn)輸易燃易爆的化石燃料，太陽能電力更具有安全感。

1.2 運(yùn)行穩(wěn)定

太陽能發(fā)電裝置的工作原理相對簡單，在不同的天氣條件、光照強(qiáng)度、光照角度下太陽能發(fā)電裝置均能夠根據(jù)環(huán)境的變化自發(fā)、自適應(yīng)地運(yùn)行，而不受其他環(huán)境因素的影響或干擾，運(yùn)行狀況相對穩(wěn)定。

1.3 生命周期長

太陽能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比是人類可以利用的最豐富的能源。據(jù)估計(jì)，每年到達(dá)地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于130萬億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源，在過去漫長的11億年中，太陽消耗了它本身能量的2%，可以說太陽能是取之不盡、用之不竭的。太陽能發(fā)電裝置獨(dú)立性較強(qiáng)，在使用過程中不會產(chǎn)生磨損，與其他常規(guī)發(fā)電裝置，如柴油發(fā)電機(jī)相比具有更長的生命周期。

1.4 供電自主性

地球上無論何處都有太陽能，可以就地開發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題，尤其對交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價(jià)值。相比于成本較高的火力發(fā)電，再加上高昂的運(yùn)費(fèi)，太陽能電力無疑更能節(jié)約成本，且無需復(fù)雜的人工操作，具有供電自主性。

1.5 運(yùn)維費(fèi)用較低

太陽能發(fā)電裝置組織結(jié)構(gòu)相對單一，無論是安裝還是后期的運(yùn)維管理，簡化的流程極大地降低了其所耗費(fèi)的人力、物力、財(cái)力、時(shí)間成本，運(yùn)維費(fèi)用與常規(guī)發(fā)電設(shè)備，如核能發(fā)電設(shè)備等相比更具優(yōu)勢，只需要工作人員定期對其運(yùn)行狀況進(jìn)行常規(guī)檢查即可。

2 移動(dòng)通信基站供電方式

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是國家戰(zhàn)略性公共基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)“高速暢通、覆蓋城鄉(xiāng)、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、服務(wù)便捷”的寬帶網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和服務(wù)體系，既有利于壯大信息消費(fèi)、拉動(dòng)有效投資，促進(jìn)工業(yè)化、信息化、新型城鎮(zhèn)化和農(nóng)村現(xiàn)代化融合發(fā)展，又可以降低創(chuàng)業(yè)成本，為打造大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新和增加公共產(chǎn)品、公共服務(wù)“雙引擎”，推動(dòng)“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展提供有力支撐，對于穩(wěn)增長、促改革、調(diào)結(jié)構(gòu)、惠民生具有重要意義。現(xiàn)階段移動(dòng)通信基站的供電方式根據(jù)其建設(shè)地點(diǎn)、周圍自然環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的不同提供不同的供電方案，其中主要供電方式包括以下四種：

2.1 太陽能獨(dú)立供電

太陽能獨(dú)立供電是指移動(dòng)通信基站完全依賴于太陽能供電系統(tǒng)提供電力能源，這種供電方案通常在高山、高海拔或偏遠(yuǎn)地區(qū)采用，由于高海拔地區(qū)的太陽輻射強(qiáng)度大、交通可達(dá)性較差、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對滯后，電力系統(tǒng)相關(guān)組件的運(yùn)輸、電力系統(tǒng)的搭建、電力系統(tǒng)的定期巡檢與運(yùn)維管理等相比較平原地區(qū)而言存在較大的困難，因此采用太陽能獨(dú)立供電的方案，充分利用當(dāng)?shù)刎S沛的太陽能資源彌補(bǔ)電力資源產(chǎn)出的不足。太陽能獨(dú)立供電設(shè)備主要為太陽能光伏陣列，其具有輸出功率大、對自然環(huán)境與天氣變化敏感度較低，運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性較高。

2.2 高頻開關(guān)電源獨(dú)立供電

高頻開關(guān)電源獨(dú)立供電模式是移動(dòng)基站的主要供電模式之一，在我國的非偏遠(yuǎn)地區(qū)大多采用這種全天候、全天時(shí)、無間歇的供電模式為移動(dòng)基站提供源源不斷的電力能源。高頻開關(guān)電源主要依賴于電力系統(tǒng)的搭建，其運(yùn)行的穩(wěn)定性也與電力系統(tǒng)的安全性與可靠性支架關(guān)聯(lián)，是我國大部分地區(qū)普遍采用的基站供電方案。

2.3 風(fēng)能與光能互補(bǔ)供電

風(fēng)能與光能互補(bǔ)供電是指利用風(fēng)能與太陽能相互補(bǔ)充交替提供電力能源，在風(fēng)力資源較為豐富充裕的地區(qū)，可以充分利用風(fēng)能帶動(dòng)發(fā)電裝置運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能，當(dāng)風(fēng)力較弱時(shí)則依托于太陽能發(fā)電裝置實(shí)時(shí)發(fā)電或者利用太陽能電池板中存儲的電能資源國供電。

2.4 太陽能與高頻開關(guān)電源互補(bǔ)供電

太陽能與高頻開關(guān)電源互補(bǔ)供電是一種較為通用的節(jié)約供電模式，電力系統(tǒng)運(yùn)行正常的狀態(tài)下由電力系統(tǒng)相移動(dòng)通信基站供電，一旦電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障停止運(yùn)行時(shí)則立刻切花到太陽能功能系統(tǒng)，將其作為UPS臨時(shí)向移動(dòng)通信基站供電，保證通信基站的供電過程不受電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響而全天候、無間斷工作。

3 移動(dòng)基站太陽能電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)基站太陽能供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是指對移動(dòng)基站內(nèi)的所有用電設(shè)備的用電量以及實(shí)際運(yùn)功功率進(jìn)行計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐奶栞椛鋸?qiáng)度、太陽輻射傾角等參數(shù)設(shè)計(jì)太陽能電池板的擺放傾角，以使得太陽能電池板能夠在一定周期內(nèi)所獲得的太陽輻射量以及電能轉(zhuǎn)化率達(dá)到峰值。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是指太陽能供電系統(tǒng)中各個(gè)組件型號的選擇。

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)主要是基于移動(dòng)通信基站的所有用電設(shè)備用電量與功率為參照確定太陽能電池組件以及蓄電池的數(shù)量，以支撐移動(dòng)通信基站在長時(shí)間內(nèi)能夠有充沛的電能供應(yīng)。首先對移動(dòng)基站內(nèi)的所有用電設(shè)備的用電量以及實(shí)際運(yùn)功功率進(jìn)行計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，然后全面搜集基站所在地區(qū)的年平均溫度、全年降水天數(shù)、太陽輻射強(qiáng)度、地形起伏度、海拔、經(jīng)度、緯度、太陽折射角、最大風(fēng)速等一系列基礎(chǔ)地理環(huán)境參數(shù)，以對當(dāng)?shù)氐臍夂?、地理環(huán)境形成定量的直觀認(rèn)識。光伏系統(tǒng)中常用的蓄電池種類較多，包括鋰電池、鉛酸蓄電池等，其中鉛酸蓄電池在正常操作中，電解液不會從電池的端子或外殼中泄露出，且采用了有抗腐蝕結(jié)構(gòu)的鉛鈣合金欄板，電池可浮充使用10～15年，具有較低的維護(hù)更換成本與更高的市場成熟度，因此在光伏系統(tǒng)中通常采用鉛酸蓄電池。

3.2 光伏電池組件設(shè)計(jì)

光伏電池組件是移動(dòng)通信基站太陽能供電系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)思想主要為滿足基站所有用電設(shè)備年平均日負(fù)載用電量需求，可以用所有用電設(shè)備每日平均用電量除以一塊太陽能電池在一天中可以產(chǎn)生的電量計(jì)算出光伏系統(tǒng)中的電池組件數(shù)。在設(shè)計(jì)太陽能電池組件時(shí)，應(yīng)當(dāng)以光照最惡劣的季節(jié)作為研究對象，分析在太陽輻射總量最低、陰雨天最多的季節(jié)內(nèi)要維持移動(dòng)通信基站中所有用電設(shè)備的正常運(yùn)行所需要的電能。

4 結(jié)語

太陽能資源具有清潔、安全、取之不盡用之不竭的優(yōu)勢，尤其是在高海拔、運(yùn)輸不便的地區(qū)，充分利用太陽輻射轉(zhuǎn)化為電能對移動(dòng)通信基站進(jìn)行供電，為提高我國偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信信號覆蓋率提供可行性供電方案支撐。

[1] 胡先紅，劉明明.移動(dòng)通信SmallCell基站供電解決方案與趨勢分析[J/OL].中興通訊技術(shù)，2017（4）：1-8.

[2] 周樹文，趙旭. 移動(dòng)基站太陽能技術(shù)應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2016（24）：31.

[3 張寧.風(fēng)光互補(bǔ)供電技術(shù)在3G基站的應(yīng)用[J].中國新通信，2013，15（21）：88-89.

[4] 劉芳.基于高原環(huán)境下移動(dòng)基站風(fēng)光氫能源混合供電系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)技術(shù)研究與分析[D].北京郵電大學(xué)，2013.