易金印
(中廣核太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100037)
隨著我國(guó)通信事業(yè)的快速發(fā)展和智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備的爆發(fā)式增長(zhǎng),各大通信運(yùn)營(yíng)商不斷加大對(duì)硬件設(shè)施的投入,如增加通信基站。為擴(kuò)大通信覆蓋范圍,各大通信運(yùn)營(yíng)商積極推進(jìn)偏遠(yuǎn)地區(qū)的基站建設(shè)和信號(hào)全覆蓋,如高速鐵路、高速公路沿線和海島及山區(qū)等?;拘枰玫礁鞣N設(shè)備,其用電累計(jì)量巨大[1],而偏遠(yuǎn)地區(qū)大多山高路遠(yuǎn),電網(wǎng)供電困難??梢?jiàn),為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供一套經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定以及可靠的電源供應(yīng)系統(tǒng),是一個(gè)迫切需要深入研究的課題。
中廣核作為國(guó)內(nèi)一流的清潔電力提供商和服務(wù)商,已率先開(kāi)展了相關(guān)課題研究,探索了基于風(fēng)光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的新能源供電技術(shù)和應(yīng)用方案,并在鐵塔關(guān)鍵用戶的支持下,依托吉林省某新建鐵塔基站進(jìn)行了試點(diǎn)建設(shè)(以下簡(jiǎn)稱“吉林示范項(xiàng)目”),為后續(xù)鐵塔基站新能源供電的規(guī)?;瘧?yīng)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
通信行業(yè)是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)性行業(yè),故通信基站設(shè)備的持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。鐵塔基站用電具有負(fù)荷小和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。中國(guó)目前擁有鐵塔基站超過(guò)592萬(wàn)座[2],額定用電功率多在幾到十幾千瓦。不設(shè)機(jī)房或機(jī)房不設(shè)空調(diào)的鐵塔基站,額定用電功率一般只有兩三千瓦。
偏遠(yuǎn)鐵塔基站由于周邊缺少市網(wǎng)覆蓋,需采取特定措施解決用電問(wèn)題,提高了用電成本。偏遠(yuǎn)地區(qū)鐵塔基站的新建進(jìn)度往往受制于用電成本,隨著偏遠(yuǎn)地區(qū)鐵塔基站需求的增加,急需通過(guò)技術(shù)和商業(yè)創(chuàng)新解決用電貴的問(wèn)題。
目前,偏遠(yuǎn)鐵塔基站的主要供電方式有3種:(1)新建供電線路實(shí)現(xiàn)市網(wǎng)供電;(2)采用柴油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電并持續(xù)供電;(3)采用新能源發(fā)電,并通過(guò)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)進(jìn)行持續(xù)供電。目前,應(yīng)用比較廣泛的方式是前兩種。
1.2.1 電網(wǎng)供電方式
電網(wǎng)供電方式是將電網(wǎng)直接引線到偏遠(yuǎn)鐵塔基站進(jìn)行電力供應(yīng)的方式。利用電網(wǎng)供電,穩(wěn)定性最高,可很好地適應(yīng)負(fù)荷的較大波動(dòng)。
該方式需重新建設(shè)電網(wǎng)線路。按照目前的平均水平,高壓引電成本每公里為15~16萬(wàn)元,低壓引電成本每公里為12~13萬(wàn)元。這種方式適用于與既有電網(wǎng)距離在兩三公里的地區(qū)。若距離過(guò)遠(yuǎn),則一次性用電投入極高,度電成本甚至將高達(dá)幾元到十幾元。這種方式只有在特定情況下方可實(shí)現(xiàn),如旅游景區(qū)、邊防地區(qū)等。
1.2.2 柴油機(jī)供電方式
柴油機(jī)供電方式是通過(guò)柴油機(jī)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電為偏遠(yuǎn)鐵塔基站供應(yīng)電力的方式。此方式不僅需采購(gòu)柴油機(jī)發(fā)電設(shè)備,還需定期添加柴油和維護(hù)設(shè)備,可廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)無(wú)法抵達(dá)的海島、高山等用電“剛需”地區(qū)。但是,它的用電成本較高,且存在環(huán)境污染和噪聲污染,不可作為優(yōu)選方案,只能作為備選方案。
柴油機(jī)供電方式的用電成本與柴油價(jià)格和交通情況有關(guān),一般每千瓦時(shí)為3~4元。從遠(yuǎn)期來(lái)看,柴油價(jià)格將逐步提高,柴油機(jī)供電方式的用電成本將隨之升高。
1.2.3 新能源供電方式
新能源供電方式是依托風(fēng)力和太陽(yáng)光發(fā)電,并通過(guò)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)設(shè)備和智能化管理系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定供電的一種方式,具備就地取材、維護(hù)簡(jiǎn)便及綠色環(huán)保等特點(diǎn)。相比電網(wǎng)供電方式和柴油機(jī)供電方式,新能源供電方式的適應(yīng)范圍更廣,可應(yīng)用于風(fēng)、光資源充足的地區(qū)。很多通信基站的站址具有地勢(shì)高、風(fēng)力和太陽(yáng)能資源好的特點(diǎn),因此新能源發(fā)電可較好地適用于高速鐵路、高速公路沿線、山區(qū)、海島及邊防等地區(qū),如圖1所示。
圖1 風(fēng)、光資源充足的地區(qū)的新能源供電現(xiàn)場(chǎng)圖
新能源發(fā)電方式通常有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)光一體化、風(fēng)光柴一體化及風(fēng)光網(wǎng)一體化等多種形式[3]。風(fēng)光網(wǎng)一體化模式是以已有市網(wǎng)接入為主,光伏和風(fēng)電為輔,并按照“自發(fā)自用、余電上網(wǎng)”的原則建設(shè)運(yùn)營(yíng)的一種模式。其他發(fā)電模式下,光伏和風(fēng)力存在發(fā)電不穩(wěn)定的問(wèn)題,故需配置適當(dāng)?shù)膬?chǔ)能調(diào)節(jié)設(shè)備和智能化調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)供電。風(fēng)光儲(chǔ)一體化方案很好地利用了光伏和風(fēng)力的天然互補(bǔ)性,應(yīng)用前景廣闊,因此本文討論的發(fā)電方式中未加以特別說(shuō)明,均指風(fēng)光儲(chǔ)一體化方式。
新能源供電方式隨光伏、風(fēng)力發(fā)電成本的大幅下降,已陸續(xù)開(kāi)展試點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行探索和應(yīng)用。由于儲(chǔ)能成本仍處于高位,所以尚未大規(guī)模商業(yè)推廣。根據(jù)測(cè)算,風(fēng)光儲(chǔ)一體化供電方式的折算電價(jià)在每千瓦時(shí)2~3元,但隨著儲(chǔ)能成本和發(fā)電成本的下降,其用電成本已明顯下降,商業(yè)化推廣為期不遠(yuǎn)。
1.3.1 供電方式
電網(wǎng)供電和柴油機(jī)供電是偏遠(yuǎn)鐵塔基站傳統(tǒng)的供電方式,新能源供電是新興的供電方式。
1.3.2 技術(shù)效益方面
電網(wǎng)供電穩(wěn)定性最高,對(duì)負(fù)荷波動(dòng)的適應(yīng)能力最強(qiáng),柴油機(jī)供電和新能源供電次之。電網(wǎng)和柴油供電技術(shù)已較為成熟,可提升空間有限。新能源供電技術(shù)快速更新,潛在的技術(shù)優(yōu)化空間極大。
1.3.3 經(jīng)濟(jì)效益方面
電網(wǎng)供電成本與引線距離基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,供電成本在一元到若干元不等。根據(jù)初步測(cè)算,引線距離在1~2 km經(jīng)濟(jì)性較好,2~3 km可進(jìn)行分析比較,大于3 km基本不具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。柴油發(fā)電成本相對(duì)穩(wěn)定,但始終保持每千瓦時(shí)3~4元的較高水平,一般只在其他方式都不適宜時(shí)采用;新能源供電方式適應(yīng)力較強(qiáng),既可解決電網(wǎng)遠(yuǎn)距離引線問(wèn)題,也可彌補(bǔ)柴油發(fā)電方式高能耗、高成本的缺陷,測(cè)算電價(jià)在2~3元,顯示出良好的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。遠(yuǎn)期看,電網(wǎng)供電成本將隨電價(jià)的緩慢提升而提升;柴油機(jī)供電成本也將隨柴油價(jià)格的逐步上漲而上漲;新能源供電成本將隨發(fā)電成本和儲(chǔ)能成本的降低而降低,并隨標(biāo)準(zhǔn)化、集約化發(fā)展而進(jìn)一步降低。因此,新能源的供電成本有望降至2元以內(nèi),市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力最佳。
1.3.4 社會(huì)效益方面
新能源屬于清潔能源,是綠色低碳經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,符合節(jié)能環(huán)保的時(shí)代主題,且社會(huì)效益最高。電網(wǎng)供電方式和柴油機(jī)供電方式均存在不同程度的環(huán)境污染問(wèn)題,無(wú)法與新能源供電方式相提并論。
傳統(tǒng)供電技術(shù)穩(wěn)定但發(fā)展有限。新能源供電技術(shù)方興未艾,技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性逐步顯現(xiàn)。雖然傳統(tǒng)的供電方式仍是應(yīng)用主流,但新能源供電方式正以幾何級(jí)數(shù)的發(fā)展速度逐步替代其他方式,成為未來(lái)偏遠(yuǎn)鐵塔基站供電的主要方式。
2.1.1 系統(tǒng)方案研究
偏遠(yuǎn)鐵塔基站的風(fēng)光儲(chǔ)一體化供電系統(tǒng)的主要技術(shù)方案為:在基站附近地面安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī);在基站的機(jī)房屋頂或者地面空地安裝太陽(yáng)能電池組件;根據(jù)基站功耗情況,設(shè)計(jì)合適的風(fēng)光裝機(jī)容量和蓄電池儲(chǔ)能裝置,達(dá)到風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)供電的目的。
為實(shí)現(xiàn)風(fēng)光互補(bǔ)離網(wǎng)供電,系統(tǒng)需配置光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)及有關(guān)的微網(wǎng)控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)置,系統(tǒng)可優(yōu)先示范光伏和風(fēng)力發(fā)電,始終保持蓄電池充滿狀態(tài),并在需要時(shí)供電。極端天氣下,蓄電池工作電壓將低于某一閥值。此時(shí),控制系統(tǒng)應(yīng)提前且持續(xù)發(fā)出告警,保證供運(yùn)維人員有充足時(shí)間采取必要的應(yīng)急措施。
2.1.2 示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)及主要配置
吉林示范項(xiàng)目規(guī)劃的固定用電功率為2 kW,必要時(shí)開(kāi)啟空調(diào)機(jī)的用電功率為3 kW。風(fēng)光儲(chǔ)一體化供電方式如圖2所示,并預(yù)留油機(jī)接口。極端情況下,運(yùn)維人員可攜帶應(yīng)急油機(jī)至站點(diǎn),并利用油機(jī)對(duì)蓄電池緊急充電。
圖2 風(fēng)光儲(chǔ)一體化供電方式
按照設(shè)計(jì)方案,有光有風(fēng)時(shí),可同時(shí)使用光能和風(fēng)能;有光無(wú)風(fēng)時(shí),可使用光能;無(wú)光有風(fēng)時(shí),可使用風(fēng)能;無(wú)光、無(wú)風(fēng)或者在風(fēng)光能量不足時(shí),則由蓄電池向負(fù)載供電。
示范項(xiàng)目的用電負(fù)荷主要包括通信設(shè)備用電和空調(diào)用電。經(jīng)分析,空調(diào)開(kāi)啟的時(shí)間不持續(xù),往往與光伏發(fā)電的峰值相吻合,即夏季白天溫度高,空調(diào)開(kāi)啟,用電負(fù)荷大。同時(shí),夏季光照時(shí)間長(zhǎng)、光照條件好,光伏發(fā)電量也大,可在發(fā)電時(shí)間和用電時(shí)間上實(shí)現(xiàn)很好的匹配。
根據(jù)業(yè)主需求,蓄電池容量按照2 d(48 h)后備時(shí)間、極限狀態(tài)時(shí)利用3個(gè)晴天在保障負(fù)載供電情況下恢復(fù)蓄電池虧欠電量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配置(即通常所說(shuō)的“2天對(duì)3天”)。
為此,示范項(xiàng)目配置了54塊260 W光伏組件(1 404 W)、1臺(tái)5 kW的小型風(fēng)機(jī)、48節(jié)2 V、1 500 A(144 kW·h)的鉛酸儲(chǔ)能裝置及相關(guān)配套的功能模塊。
示范項(xiàng)目的支出主要包括:太陽(yáng)能電池板、小型風(fēng)機(jī)和匯流箱及支架等主要設(shè)備費(fèi)用約16萬(wàn)元;鉛酸電池及其支架機(jī)柜等儲(chǔ)能費(fèi)用約18萬(wàn)元;控制模塊和線纜等輔助材料費(fèi)用約7萬(wàn)元;施工安裝和保險(xiǎn)等工程類費(fèi)用約8萬(wàn)元。其中,儲(chǔ)能設(shè)備和發(fā)電設(shè)備費(fèi)用占據(jù)項(xiàng)目投資的主要部分。
一套技術(shù)可行的方案能否被商業(yè)化、規(guī)?;茝V,關(guān)鍵在于其是否具有合理、可復(fù)制的經(jīng)濟(jì)盈利能力。在售電收入固定的情況下,降低建設(shè)成本是最重要的路徑。吉林示范項(xiàng)目以技術(shù)驗(yàn)證、展示和樹(shù)立關(guān)鍵用戶對(duì)新能源供電穩(wěn)定性信心為主,采用較安全保守的技術(shù)配置,加上示范項(xiàng)目單一、管理成本較高,因此整體造價(jià)較高。吉林示范項(xiàng)目的整體造價(jià)可作為項(xiàng)目造價(jià)的上限值,后續(xù)項(xiàng)目可通過(guò)數(shù)據(jù)搜集分析和優(yōu)化技術(shù)方案降低項(xiàng)目造價(jià)。
降低項(xiàng)目造價(jià)的有效路徑主要有4種。
第一,優(yōu)化集成方案和容量配置。吉林示范方案固定用電功率2 kW(不含空調(diào)),光伏和風(fēng)力發(fā)電功率達(dá)到19 kW,儲(chǔ)能配置為144 kW·h(48 h放完,72 h充滿)。這種配置在技術(shù)上留有較大余量,在缺少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)期間十分必要。通過(guò)后續(xù)的數(shù)據(jù)收集,可在合理保證率下,進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)集成方案,降低發(fā)電和儲(chǔ)能容量,滿足用電情況的同時(shí)降低項(xiàng)目造價(jià)。
第二,標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和規(guī)?;ㄔO(shè)。吉林示范項(xiàng)目作為單一的建設(shè)項(xiàng)目,采購(gòu)量少,采購(gòu)成本、人工成本、物流運(yùn)輸成本及管理成本都很高。后續(xù)項(xiàng)目可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、批量化生產(chǎn)及規(guī)模化建設(shè)實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì),提高議價(jià)能力,降低采購(gòu)成本,從而降低項(xiàng)目總體造價(jià)。據(jù)了解,目前已有多個(gè)新能源省級(jí)分公司達(dá)成了當(dāng)?shù)罔F塔基站供電訂單,訂單數(shù)量已達(dá)到幾千個(gè)的數(shù)量級(jí),已具備規(guī)?;ㄔO(shè)的條件。
第三,加強(qiáng)供用電雙方協(xié)同且避免重復(fù)工作。鐵塔基站新能源供電是發(fā)電企業(yè)與鐵塔企業(yè)的共贏合作,需在設(shè)計(jì)和建設(shè)環(huán)節(jié)加強(qiáng)業(yè)務(wù)協(xié)同,避免重復(fù)工作。吉林示范項(xiàng)目的發(fā)電建設(shè)和鐵塔建設(shè)由兩家單位分開(kāi)進(jìn)行,協(xié)同性較低。后續(xù)項(xiàng)目可通過(guò)統(tǒng)一的招投標(biāo)平臺(tái)和必要的工作委托,共同選定工程承包單位,實(shí)現(xiàn)技術(shù)協(xié)同、管理協(xié)同及發(fā)展協(xié)同,進(jìn)而提升協(xié)同效益。
第四,創(chuàng)新商業(yè)模式并發(fā)揮蓄電池梯次應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。吉林示范項(xiàng)目采用發(fā)電企業(yè)投資、用電企業(yè)購(gòu)電的商業(yè)模式。后續(xù)項(xiàng)目可積極開(kāi)展商業(yè)模式創(chuàng)新,開(kāi)展發(fā)電企業(yè)與鐵塔企業(yè)的投資合作,共擔(dān)風(fēng)險(xiǎn),共享收益。據(jù)了解,中國(guó)鐵塔集團(tuán)將受國(guó)家有關(guān)部門(mén)的委托,承接電動(dòng)汽車充電樁建設(shè)[4]和蓄電池的梯次利用任務(wù),即技術(shù)要求等級(jí)較高的電動(dòng)汽車蓄電池報(bào)廢后,可應(yīng)用在技術(shù)要求等級(jí)較低的鐵塔基站上。儲(chǔ)能成本在鐵塔基站供電成本中的占比較高,這一政策優(yōu)勢(shì)將很大程度上降低項(xiàng)目造價(jià),提升項(xiàng)目收益。
2.3.1 優(yōu)勢(shì)分析
風(fēng)光儲(chǔ)一體化應(yīng)用方案順應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略要求,提升了通信基站的節(jié)能環(huán)保性能,增加了基站現(xiàn)有的供電方式,促進(jìn)了綠色通信基站的建設(shè)推廣。它在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面具有5個(gè)優(yōu)勢(shì)。
(1)充分利用風(fēng)能和太陽(yáng)能的自然互補(bǔ)特性,優(yōu)先使用風(fēng)能和太陽(yáng)能發(fā)電進(jìn)行供電和蓄電池儲(chǔ)能。
(2)采用風(fēng)光互補(bǔ)供電方式,設(shè)計(jì)合適的風(fēng)光容量比配置蓄電池組,保障通信設(shè)備的用電需求。
(3)施工周期短,投入資金少,可在較短時(shí)間內(nèi)為運(yùn)營(yíng)商節(jié)約通信基站的電費(fèi)開(kāi)支,具有良好的時(shí)效性和經(jīng)濟(jì)性。
(4)利用微網(wǎng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率和智能化水平。
(5)通過(guò)試點(diǎn)項(xiàng)目可總結(jié)一套標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)和建設(shè)方案,通過(guò)規(guī)?;ㄔO(shè)降低項(xiàng)目造價(jià),提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。
2.3.2 潛在的不足
風(fēng)光儲(chǔ)一體化應(yīng)用方案在技術(shù)上不存在顛覆性障礙因素,在試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目上已取得成功。它的主要不足是實(shí)踐應(yīng)用相對(duì)較少,在集成優(yōu)化方面缺少經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐,儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)尚未最終突破,商業(yè)模式創(chuàng)新不足,協(xié)同性不高,未形成規(guī)?;l(fā)展。
2015年,中共中央出臺(tái)《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見(jiàn)(中發(fā)〔2015〕9號(hào))文》,提出加快電力體制改革,穩(wěn)步推進(jìn)售電側(cè)改革,有序向社會(huì)資本放開(kāi)售電業(yè)務(wù),并建立分布式電源發(fā)展新機(jī)制。這在很大程度上激發(fā)了全社會(huì)參與售電業(yè)務(wù)的熱情,為發(fā)電企業(yè)建設(shè)風(fēng)光儲(chǔ)一體化微網(wǎng)并直接向鐵塔基站用戶供電提供了政策支持。
隨著國(guó)家通信行業(yè)的蓬勃發(fā)展,鐵塔通信基站的用電越來(lái)越受到重視。新能源供電系統(tǒng)尤其是基于風(fēng)光儲(chǔ)一體化的孤島微網(wǎng)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用,為我國(guó)綠色電力、綠色通信的長(zhǎng)足發(fā)展提供了有力支撐。
(1)在偏遠(yuǎn)鐵塔基站現(xiàn)有的供電方式中,新能源供電方式尤其是基于風(fēng)光儲(chǔ)一體化技術(shù)的供電系統(tǒng)最具發(fā)展?jié)摿ΑR虼?,需通過(guò)持續(xù)的深入研究和試點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè),不斷積累經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化技術(shù)集成方案,推進(jìn)新能源供電方式的規(guī)?;瘧?yīng)用。
(2)受制于當(dāng)下較高的儲(chǔ)能成本,新能源供電方案僅在距離市網(wǎng)較遠(yuǎn)的基站中應(yīng)用。隨著技術(shù)的進(jìn)步,相關(guān)儲(chǔ)能設(shè)備價(jià)格將不斷降低,新能源供電方案將具備不可比擬的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。因此,企業(yè)需保持高度關(guān)注,提前布局,在摸清外部需求、爭(zhēng)取優(yōu)質(zhì)客戶的同時(shí),盡早建立適合自身特點(diǎn)的財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)模型。
(3)國(guó)家電力改革已逐步深入推進(jìn),企業(yè)需緊跟電改步伐,積極參與通信基站的供電和售電業(yè)務(wù),加強(qiáng)業(yè)務(wù)協(xié)同,推動(dòng)建立、健全鐵塔基站供電市場(chǎng)交易體系,從而引領(lǐng)鐵塔供電基站的新能源創(chuàng)新發(fā)展。
(4)以風(fēng)光儲(chǔ)一體化技術(shù)為基礎(chǔ)的供電模式,不僅適用于鐵塔基站用電,而且適用于其他市網(wǎng)無(wú)法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)用電,尤其是邊疆、海島等偏遠(yuǎn)邊防哨所的照明和供暖用電。