風光互補發電在通信基站節能中的應用

馬也騁

（浙江郵電職業技術學院，浙江 紹興312016）

能源是人類社會生存與發展的物質基礎，更是國民經濟發展的基本動力。由于多年來對煤炭、石油、天然氣等化石能源過度的、無限制的開采，造成了全球性的環境污染和生態破壞，對人類的生存和發展構成了嚴重威脅。處在經濟轉型期的中國應對氣候變化，節能減排的壓力與日俱增，已經顯得越來越重要，尋找可替代的清潔能源資源成為人類迫切需要。

風能和太陽能就是來自大自然的一種清潔能源，都屬于取之不盡、用之不竭的可再生能源。采用相應的技術，將風能和太陽能轉化為電能，進行整合后稱為風光互補能源。風能和太陽能具有天然的互補性，白天日照強，太陽能豐富，晚上風多，風能充足，夏日和冬日風能和太陽能也有很好的互補效果，風能和太陽能互補的這個特點使它能成為持續穩定供電的電源。實踐證明，風光互補供電系統等清潔能源將廣泛得到應用，前景廣闊。

1 通信基站供電系統應用背景

改革開放以來，我國經濟快速增長，各項建設取得巨大成就，但也付出了巨大的資源和環境代價，經濟發展與資源環境的矛盾日趨尖銳，群眾對環境污染問題反應強烈。這種狀況與經濟結構不合理、增長方式粗放直接相關。只有加快調整經濟結構、轉變增長方式，堅持節約發展、清潔發展、安全發展，才能實現經濟又好又快地可持續發展。

借助于改革開放的東風，我國通信事業近年來飛速發展，移動通信大規模普及，眾多通信運營商不斷加大對硬件設施的投入。其主要表現為增加通信基站，擴大通信覆蓋范圍。據不完全統計，我國各類移動通信基站數量早已超過60萬個，加上電信、聯通等運營商，基站數量不計其數。這些基站的年耗電量就已超過80億k Wh。如果考慮配套的空調、電源和傳輸等設備，耗電量還將大幅增長。通信基站選用市電、柴油、汽油及燃氣輪機作為供電系統，一方面給運營商帶來了較大的運營成本，同時也給環境造成巨大污染。順應國家節能減排的戰略，提升通信基站的節能環保性能，改變基站現有的供電方式，建設綠色通信基站，逐漸成為一個不容忽視的重要問題。中國電信、中國移動等運營商于2007年起就啟動了以節能減排為核心的“綠色行動計劃”，從企業自身、行業和社會三個層面推進節能減排工作。通過積極的努力，取得了重大進展。僅中國移動2008年實現單位業務量耗電較2007年下降11%，節電11.7億度；2009年，實現單位業務耗電下降14%，節電18億度，較2005年下降49%，提前一年完成十一五工作目標。

通信基站風光互補發電系統是獨立的供電系統。從經濟性來考慮，風光互補發電系統就地取用風能與太陽能發電，發電過程是利用自然資源，節省了運營商使用市電的費用。另一方面，對于海島、山區等遠離電網的偏遠地區的基站來說，風光互補發電系統能可靠獨立地為基站供電，而不需要市電的接入，為運營商節省了市電接入而架桿鋪線的巨大成本。從運行可靠性來考慮，風光互補發電系統也有著巨大的優勢。風能與光能在自然界中本身就具有很好的互補性。天氣晴朗時太陽能資源好，陰雨天氣時風能資源好；白天太陽能資源好、夜晚風能資源好；夏天太陽能資源好，冬天風能資源好。這保證了風光互補發電系統能夠在大多數時間內都可以向外發電，極大地減小了系統因為天氣原因而供電不足的可能性，增強了系統供電的連續性、穩定性和可靠性。并且相對于單一的風能或太陽能發電系統，有效地減少了備用蓄電池組配置的容量，從而進一步降低了運營商的建設成本。

2 風光互補供電系統

2.1 風光互補系統適用地區

風光互補發電系統使用環境要求風光互補發電系統在下列條件下應能連續，可靠地工作：

（1）風機耐受的室外溫度：－30℃～＋55℃；

（2）太陽能組件耐受的室外溫度：－40℃～＋85℃；

（3）其他室外安裝設備（不含安裝基礎、材料等）耐受溫度：－30℃～＋55℃；

（4）室內設備耐受溫度：－10℃～＋45℃；

（5）空氣相對濕度：不大于90%（25±5℃）；

風光互補發電系統適用條件：當地年平均風速大于3.5 m／s，同時年太陽能輻射總量不小于5 000 MJ／m2（或太陽能年平均日照時數不低于1 800 h）為風光互補系統推薦使用區。滿足以下條件推薦使用風光互補供電系統：

（1）無市電，或者市電為四類市電，無法滿足通信設備供電需求的基站；

（2）如果新建基站的市電引入距離較遠，市電引入費用達到（或者超過）風光互補電源系統總投資的70%時，推薦采用風光互補電源系統。

（3）有市電、設備實際功率不大于1 000 W，且是市電引入距離達到4 k m的基站。

（4）對于直放站，如市電引入距離大于2 k m，推薦采用風光互補電源系統。

2.2 風光互補系統的優點

（1）光伏／風力互補發電系統同時利用太陽能和風能發電，因此對氣象資源的利用更加充分，可實現晝夜發電。在合適的氣象資源條件下，光伏／風力互補發電系統可提高系統供電的連續性、穩定性和可靠性。

（2）單位容量的系統初投資和發電成本均低于獨立的光伏系統。如果太陽能與風能資源互補性好，則可適當減少系統的蓄電池組容量。

（3）在太陽能、風能資源比較豐富，且互補性好的情況下，對系統的部件配置、運行模式及及負荷調度方法等進行優化設計后，系統負載只靠光伏／風力互補發電即可獲得連續、穩定的供電，備用柴油發電機組可以不啟動或很少啟動。這樣，光伏／風力互補發電系統會有更好的經濟效益和社會效益。

（4）單就風力發電機組而言，優勢不言而喻，一是自動偏側、風葉失速、電磁制動等多重保護，安全可靠；二是具有電池控制管理，即過壓、欠壓、過載等保護功能，運行穩定；三是整機結構簡單，安裝方便。四是無需鋪設輸電線路，綠色環保。五是可與基站柴油發電機和現有設備無縫連接，安全便捷；六是對于不同基站，可優化配置不同容量的風力發電機組和光伏組件；七是無污染，噪聲低、使用壽命長。

2.3 系統設計

風光互補供電系統設計條件。

（1）采用風光互補的供電方式，以太陽能、風力發電系統為負載提供電力。

（2）該類供電系統所包含的主要設備有：小型風力發電機組、風機控制器、塔架、光電板、光電控制器、光電板支架、蓄電池、逆變器（如果為直流用電設備，則不需要）、電纜線等。

（3）一般來說，冬天的風資源較好、太陽能資源相對弱；而夏天的太陽能資源很好，風資源相對弱。采用風光互補供電系統后，就很好地實現了能源的互補性，同時提高了供電系統的供電可靠性。

風光互補供電系統利用先進的太陽能方陣和風力發電機控制技術，通過智能控制柜將太陽能電池組件產生的直流電與風力發電機組產生的交流電整流，然后一部分轉化成交流電供負載使用，另一部分將電能存儲到蓄電池組中。當陽光或風能不足時，蓄電池的電能通過控制柜的智能管理轉化為交流電供負載使用。當蓄電池的容量不足以給負載供電時，則由智能控制柜感應到信號后直接切換到市電供電，保證了系統供電的連續性，其基本原理如圖1所示。

圖1 風光互補供電系統基本原理圖

在已有市電供電的通信基站基礎上配置風光互補發電系統，一方面可以減少蓄電池的容量，節省系統費用的投入，同時也基本上替代了市電供電的功能，節約了通信基站的電費開支。

2.4 風光互補供電系統主要部件

風光互補發電系統主要由風力發電機組、太陽電池組件（方陣）、風光互補控制器、逆變器、蓄電池組、泄荷器和遠程監控系統組成。各部分功能如下：

風力發電機：通過風力推動風葉轉動，將風能轉化成電能；

太陽能電池組件：通過硅片吸收太陽能，再轉換成電能；

風光互補控制器：根據負載用電需求，支配風能、光能的有效存儲及電量輸出；

逆變器：將直流電壓轉換成交流電壓；

蓄電池：存儲風力發電機和太陽能轉換成的電能，并向負載提供電能；

泄荷器：將富余電能轉換成熱能；

遠程監控系統：實時記錄系統工作狀況，并將數據傳輸回監控中心。

小型風力發電機技術水平為永磁式同步發電機，其輸出與風力直接相關，空載輸出波形基本是標準正弦波，諧波含量可以不考慮；風力發電機專門為基站供電，沒有別的負載，也就沒有來自其它負載的諧波干擾，故風力發電機的供電質量甚至高于電網；盡管風力發電機電源存在供電不穩定、下行電壓、電流、頻率受風力影響而忽高忽低，但其頻率變化不大，故不考慮其諧波干擾；基站用直流電源來自電網→DC－DC模塊→蓄電池組，其中蓄電池組在該系統中發揮了強大的功能，除了基本的蓄電功能外，還相當于一個容量極大的濾波系統，風力發電機電壓、電流、頻率的波動，到蓄電池環節，已基本消除。采用風光互補式供電系統，風力發電機供電的不穩定現象更不會對直流供電環節造成影響。鉛酸電池最好的工作狀態是浮充狀態，并定時給予一定深度的放電。所以對蓄電池不產生任何質量影響，反而能提高蓄電池的使用壽命。

3 基站風光互補供電系統經濟節能性分析

隨著“十二五”節能減排的深入以及資源稅、環境稅改革的推進，中國的整體能源結構將發生深刻變化。傳統化石能源份額將逐步降低，而以光伏、風電為代表的新能源以及以鋰電池為代表的新能源汽車則將獲得更有利的發展機會，產生爆發性增長。

以基站為例，基站的耗能設備主要包括信號傳輸主設備、開關電源、機房空調。其中信號傳輸主設備約占系統總耗電的40%～50%，機房空調占45%～55%，開關電源占5%～15%。如果風光資源條件良好，在風光互補供電系統保證主設備正常運行的同時又能給空調供電，風光互補供電系統能降低基站總能耗的80%～90%。根據基站用電量數據統計，基站一年的耗電量大約在38 000 k Wh左右，如果按照0.8元／度的價格計算，風光互補供電系統一年能給基站節省電費2萬余元。

另外，風光互補供電系統從能源方面也節約了很多的能耗。該基站每年的耗電量將近4 000 k Wh，據資料統計，每節約1度電相當于節省0.5 kg煤的能耗和4 L水，同時節省了1 kg二氧化碳和0.03 kg二氧化硫的排放量。可知，單單一個基站一年可以節約2 000 kg標準煤，可減少二氧化碳排放量4 000 kg。如果建設200套風光互補供電系統，全年可以節約電費400萬余元；可節約標準煤400噸；可減少二氧化碳排放量800噸。如果正常運行20年可節約電費8 000多萬元；節約標準煤8 000噸；減少二氧化碳排放量16 000噸。

中國移動公司擁有全球最多移動用戶，從2007年開始大力發展綠色能源。到目前為止，中國移動采用綠色能源的基站數量已經達到了6 000座，而且還在不斷增加。以目前應用最多的500 W小型風力發電機為例：在年平均風速4.2 m／s的地區，如果在每個站點都裝有3臺功率為500 W的小型風力發電系統，全年可發電2 500 k Wh，減少市電消耗近一成，減排二氧化碳近2噸，節能減排效果十分明顯。

我國已進入第十二個五年計劃發展期，國家不久前提出了“十二五”節能減排目標是：到2015年，全國萬元國內生產總值能耗下降到0.869噸標準煤（按2005年價格計算），比2010年的1.034噸標準煤下降16%，比2005年的1.276噸標準煤下降32%；“十二五”期間，實現節約能源6.7億噸標準煤。到2015年，全國化學需氧量和二氧化硫排放總量分別控制在2 347.6萬噸、2 086.4萬噸，比2010年的25 51.7萬噸、2 267.8萬噸分別下降8%；全國氨氮和氮氧化物排放總量分別控制在238.0萬噸、2 046.2萬噸，比2010年的264.4萬噸、2 273.6萬噸分別下降10%。實現這一目標任重道遠，它將對通信電源結構調整、大范圍大規模推廣風光互補供電系統等清潔能源產生深遠的影響。

［1］ 國務院發布“十二五”節能減排綜合性工作方案［Z］.國家發展改革委有關負責人就“十二五”節能減排綜合性工作方案答記者問，2011.

［2］ 賴克中.風光互補移動通信電源的設計與應用［J］.能源與環境，2009，（02）104－105.

［3］ 付河生.淺談風光互補能源在移動通信基站的應用［C］.通信電源新技術論壇2011通信電源學術研討會論文集，2011.

［4］ 何 淼.48 V風光互補獨立電源系統研究與開發［D］.合肥：中國科學技術大學，2011.