太陽(yáng)能供電系統在通信基站的應用

目前在全世界66億人口中，有超過(guò)20億的人口沒(méi)有得到足夠的電力供應，大約占總人口的1/3。圖1顯示了世界上有電和沒(méi)有電的區域。

沒(méi)有足夠電力供應的地區主要分布在非洲、南美洲、亞洲和東南亞地區。如菲律賓和印度尼西亞，擁有眾多的島嶼，在這些狹小的島嶼地區無(wú)法統一建設大面積的電網(wǎng)。而在有些地區建設和維護大面積電網(wǎng)的費用太高，比如中國的西北偏遠地區，地廣人稀，將電網(wǎng)引入到每一個(gè)牧民家庭從經(jīng)濟角度考慮是不合理的。

在一些建立了主要的高壓輸電網(wǎng)的地方，供電經(jīng)常不穩定，而升級和改造需要龐大的財政預算。幸運的是許多發(fā)展中國家擁有豐富的太陽(yáng)能或者風(fēng)力等可再生能源，在邊遠地區大規模使用這些可再生能源的供電系統，比使用大面積的高壓輸電網(wǎng)更劃算。邊遠地區供電系統可以應用在那些已經(jīng)存在電網(wǎng)，但是單獨的供電比擴容高壓輸電網(wǎng)更劃算的場(chǎng)合，如在高速公路沿線(xiàn)使用獨立的供電系統用于信號指示、通信和照明，可以避免鋪設和維護地下電纜的昂貴工程。全球太陽(yáng)能資源豐富的區域包括非洲、南亞、東南亞、澳洲、中美洲和我國的青藏高原等地區，在這些地區使用太陽(yáng)能供電系統供電是經(jīng)濟的選擇。


1、邊遠地區通信基站供電系統選擇
邊遠地區供電系統一般包括發(fā)電設備、儲能設備、能量變換和管理設備。發(fā)電設備有柴油發(fā)電機、光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機或者水力發(fā)電機。儲能設備一般有蓄電池組或者儲能水池。能量變換和管理設備有直流變換器、逆變器等設備。

柴油發(fā)電機是許多邊遠地區供電系統的能量來(lái)源，為了獲得最大燃料效率和減小維護，需要負載率保持在發(fā)電機額定負載容量的60％～70％。風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率可以達到250W~500kW，但是需要選取適當的風(fēng)場(chǎng)，具備穩定的風(fēng)速。水輪發(fā)電機雖然發(fā)電成本相對較低，但是需要選取建設在適度和穩定的河流上，水輪發(fā)電機的發(fā)電成本相對較低，但是發(fā)電機的成本較高。

通信網(wǎng)絡(luò )要求基站等設備提供7×24小時(shí)穩定運行，基站設備除分布在市區外，還大量分布在沙漠、海島、山頂等各種環(huán)境中，覆蓋面積寬廣，一般無(wú)人值守，對電源可靠性和壽命具有高要求。太陽(yáng)能供電系統的光伏電池將太陽(yáng)能直接轉化為電能，通過(guò)光伏組件的串并聯(lián)方式提供基站需要的-48V 電壓，實(shí)現能量的靜止變換，與具備機械轉動(dòng)部件的發(fā)電機相比較，維護工作量很少。對小于2kW的基站負載，是合適的邊遠地區供電系統方案，尤其在全球原油價(jià)格高企的發(fā)展趨勢下，光伏發(fā)電系統的成本優(yōu)勢日益明顯。


2、通信基站光伏供電系統
通信基站太陽(yáng)能供電系統由光伏組件、陣列支架、匯線(xiàn)盒、充放電控制器、蓄電池組、逆變器等組成。

組件一般采用單晶硅或多晶硅電池，每個(gè)電池輸出電壓大約為0.5V，一般組件采用72個(gè)太陽(yáng)電池串聯(lián)，所以為了得到43.2~56.4V電壓范圍，需要兩塊組件串聯(lián)使用。功率等級盡量選取產(chǎn)量較大的規格，如165W、170W和175W等幾種規格。太小的組件規格導致支架設計成本增加和占地面積增加，而過(guò)大的組件規格使用的太陽(yáng)電池成品率較低，電池成本相對較高。根據負載容量和當地太陽(yáng)能資源情況選取組件并聯(lián)數。

多個(gè)光伏組件并聯(lián)構成陣列，采用鍍鋅鋼材支架支撐組件，使組件具備一定的傾斜角度，同時(shí)固定組件，抵抗風(fēng)吹。對于獨立光伏系統，為了降低蓄電池用量和系統成本，需要在冬季獲得最大的太陽(yáng)能輻照，這樣就需要將組件的傾角設置成比當地緯度大10°~20°。

當陰雨天氣或者夜間，無(wú)太陽(yáng)光或者輻照變弱，無(wú)法提供負載需要的能量時(shí)，蓄電池組繼續為負載提供所需能量。蓄電池組的容量根據負載容量、連續陰雨天時(shí)的自給天數、放電深度確定。

過(guò)去富液式鉛酸蓄電池（OPzS）是光伏供電系統常用的選擇，這是由于OPzS蓄電池采用管狀正極，可以防止活性物質(zhì)（active material）脫落，厚的負極極板，延長(cháng)了使用壽命。然而，近年來(lái)愈來(lái)愈多的光伏系統轉向管狀正極板的膠體閥控式密封鉛酸蓄電池（OPzV），這種轉變的主要原因是閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）技術(shù)需要更少的維護。

富液電池需要定期加水維護，如果得不到及時(shí)維護，蓄電池的使用壽命將會(huì )縮短，而將去離子蒸餾水運輸到邊遠地區的基站需要更高的成本。VRLA電池在通常工作條件下，僅析出微量的硫酸和氫氣，極大減少了維護工作量，也不需要專(zhuān)門(mén)建設機房和安裝專(zhuān)用通風(fēng)裝置。電解液分層現象是造成許多富液電池失效的原因，一般采用過(guò)充電來(lái)消除，通常需要附加過(guò)充電高達15％。膠體電池在工作期間經(jīng)歷微不足道的電解液分層，因而不會(huì )遭受與分層相關(guān)的失效。欠充電是邊遠地區供電系統中工作的VRLA失效的常見(jiàn)原因，這是由于光伏能量來(lái)源在雨季不穩定時(shí)導致電池活性物質(zhì)中硫酸鉛晶體的積累和生長(cháng)，研究表明，膠體電池使用的微孔隔板不容易發(fā)生枝晶穿透，在這方面有更好的特性。與富液電池充電恢復能力為110％~115％相比，膠體電池的充電恢復僅為103%~105%，充電效率的提高，有利于節約光伏能源。

充放電控制采用多路控制器，太陽(yáng)能組件陣列分為多個(gè)支路通過(guò)匯線(xiàn)盒接入控制器。當蓄電池充滿(mǎn)時(shí)，控制器將組件陣列逐路斷開(kāi)；負載由蓄電池和剩余光伏組件聯(lián)合供電，當蓄電池電壓回落到設定值時(shí)，控制器再將組件陣列逐路接通，實(shí)現對蓄電池組充電電壓和電流的調節。這種增量控制方式可以近似達到脈寬調制（PWM）控制器的效果，路數愈多，增幅愈小，愈接近線(xiàn)性調節。


3、應用實(shí)例
一個(gè)光伏供電系統實(shí)例：
當地緯度是北緯11°59′，連續陰雨天自給天數為5天，基站負載類(lèi)型是BTS和微波，負載功率為550W。根據這些信息，系統配置如下：
光伏組件：monocrystalline 165W 30塊組件；
蓄電池組：2V 1000Ah OPzV膠體蓄電池 2組；
充放電控制器：-48V 150A控制器。

該項目配置了22個(gè)太陽(yáng)能供電的BTS站點(diǎn)，這些站點(diǎn)的負載功耗范圍400～900W，容量相對較小。如果使用柴油發(fā)電機供電，配置油機的容量較小，油機轉換效率降低，導致經(jīng)濟性較差，同時(shí)供電可靠性也較低。采用太陽(yáng)能電池和膠體密封蓄電池供電方案，不需要定期為油箱加油，也不需要維護柴油發(fā)電機和富液蓄電池。節約了柴油購買(mǎi)費用，也減少了維護工作量，有效降低了運營(yíng)商的運營(yíng)成本。