節能新技術在通信基站領域內的應用研究

譚洪利,高金波（中國移動通信集團設計院有限公司山東分公司，濟南 250101）

節能新技術在通信基站領域內的應用研究

譚洪利,高金波
（中國移動通信集團設計院有限公司山東分公司，濟南 250101）

摘 要本文總結了在基站電源領域最近幾年應用的新技術、新產品、新理念，重點介紹了太陽能等綠色再生資源的利用，氫燃料電池替代鉛酸電池及油機的嘗試。

關鍵詞節能；太陽能；燃料電池；基站

1　前言

中國移動通過多年的實踐和總結，并通過與供應商的緊密合作，推動了通信領域節能減排新技術、新產品的應用，取得了可喜的成果。從基站到中心機房，從傳統的通信機房改造到集多種節能措施于一體的先進IDC機房，從北方到南方，都能找到節能新產品的使用和節能設計方案的應用，并且每種措施都在最適合它應用的氣候、場合下發揮著最大的功效。本文淺談了一些節能措施的應用場景、使用方式、節能效果、發展方向等方面的內容。

移動通信領域，數量龐大的基站耗電量是驚人的，電信運營商的節能減排主要就是體現在對電力的節約上。在面積不大的基站中，應用的節能新技術有很多，例如綠色可再生的能源發電、氫燃料電池、一體化空調、磷酸鐵鋰電池、蓄電池恒溫箱、隔熱涂料等。

以下主要介紹太陽能、氫燃料電池在基站中的應用相關問題。

2　基站太陽能應用

2.1太陽能發電的特點

太陽能發電系統通過把太陽能轉化為電能，直接將其送到基站設備和電池。太陽能發電代表了太陽能電源的發展方向，是21世紀最具吸引力的能源利用技術。太陽能發電系統具有以下優點：

（1）是一種真正意義的清潔、環保的可再生能源，不耗用有限的含碳化石能源，無溫室氣體和污染物排放，與生態環境和諧，符合經濟社會可持續發展戰略。

（2）所發電能饋入基站設備和電池，從而使發電成本大為降低。

（3）分布式建設，就近就地分散發供電，進入和退出電網靈活，既有利于增強電力系統抵御災害的能力，又有利于改善電力系統的負荷平衡，并可降低線路損耗。

（4）太陽能光伏系統是世界各發達國家在光伏應用領域競相發展的熱點和重點，是世界太陽能光伏發電的主流發展趨勢，前景廣闊。

《中國移動基站太陽能電源系統建設指導意見》中按接受太陽能輻射量的大小，將全國大致分為5類地區，如表1所示。

表1　太陽能資源分類表

在基站應用太陽能發電可以解決兩種問題：第一種是市電引入困難或者市電引入代價昂貴的場合，太陽能發電用來解決基站供電問題；第二種是在市電情況良好的地區，利用太陽能發電，減少對市電的需求。

對于第一種情況，都是新建基站，根據當地的氣候條件確定太陽能組件的配置即可，一般安裝條件全部都符合。

對于第二種情況，建議選址原則如下：

（1）直流功率不超過3.2 kW。

（2）周圍或屋頂有安裝太能板空間，朝南方向并無遮擋，若為塔下房，房頂不適合安裝太陽能板，要求塔的南側有足夠安裝空間。

（3）基站功率與安裝太陽能組件最小面積的對應關系如表2所示。

表2　基站功率與太陽能組件安裝最小面積關系表

（4）安裝太陽能方陣的空場距離機房不能超過15 m。

（5）如果將太陽能板安裝在基站屋頂，則屋頂的需滿足承重、加固要求，屋頂承重要在300 kg/m2以上。一般彩鋼板結構基站機房不適合在屋頂安裝。

（6）滿足安全、防盜、施工要求等條件。

2.2太陽能供電方式選擇

基站太陽能供電推薦以下兩種方式：太陽能與市電并接、雙蓄電池切換。

2.2.1 太陽能與市電并接[1]

太陽能電池組件通過控制器直接并到蓄電池組正負極，太陽能控制器產生的浮充電壓與基站內開關電源的浮充電壓基本一致，無法對蓄電池充電，所以太陽能電池組件所發的電，即發即用，此種方式太陽能所發電能無法存儲。系統原理如圖1所示。

圖1　太陽能與市電并接方式系統原理圖

2.2.2 雙蓄電池組切換方式

太陽能供電系統中增加一組小容量蓄電池，與基站

內原有蓄電池形成并聯狀態，兩組蓄電池分別儲能，分別充電。新能源供電優先，負載輸出在兩組蓄電池間相互切換，切換繼電器默認狀態為接通市電一側蓄電池組，這樣即使繼電器出現故障，也可以保證基站的正常運行。系統原理如圖2所示。

圖2　太陽能與市電并接方式系統原理圖

此系統中由于增加了儲能部分，太陽能的日發電量設計可適當加大并都能夠被有效利用。

小容量蓄電池組與原基站蓄電池組的下限點設置不同，略高于原基站蓄電池組下限點，當到達小容量蓄電池組下限點且負載尚未切出時，原系統蓄電池組已切入，隨后小容量蓄電池組切出，保證負載側無供電間斷。當小容量蓄電池組電壓值恢復負載又切回。

（1）太陽能供電系統并接方式。此系統優點是不會對原系統有任何影響，不改變原系統的蓄電池備用時間，施工簡便。此系統缺點是節能效率低。

（2）雙蓄電池組切換方式。此系統優點是可根據節能減排要求合理配備新能源發電的比例，新能源產生的電能得到最大的利用，不降低原系統的蓄電池備用供電時間，無斷點切換，投資回報率最高，節能效果最好。

此系統缺點是在系統改造過程中，需要對負載停電，將所有負載回路導入太陽能發電系統切換裝置中。

綜合比較以上兩種方案，雖然雙蓄電池組切換方式需要對基站原有負載回路進行改動，但是投資回報率高，特別是基站周圍有足夠空間安裝太陽能組件的情況下節能減排效果明顯，更適合應用于基站的新能源改造。

2.3太陽能發電技術發展[2]

太陽能發電系統的發展，除了太陽能組件更高的轉換效率外，其控制器的發展將是重中之重。具備最大功率跟蹤功能（MPPT）的控制器可以比方陣投切型、PWM變換型控制器提高太陽能組件利用率8%。MPPT功能的控制器還有一個優勢，也代表著發展方向，就是可以做成模塊化太陽能通道，更好地與市電開關電源進行集成及安裝。將來開關電源的輸入端是交流市電、太陽能和風能三種形式的電力，通過控制器的控制策略來充分利用自然資源并保障供電可靠。

3　氫燃料電池

3.1氫燃料電池的組成及工作原理

3.1.1 氫燃料電池的組成

氫燃料電池由以下幾部分組成：

（1）核心組件，放置燃料電堆并進行化學反應的組件；

（2）主控制面板，實現本地及遠程管理的組件；

（3）輔助起動電源，在燃料電池起動時間內提供電力；

（4）外置散熱器，用于散出化學反應產生熱量；

（5）儲氫氣罐，儲存氫氣，為核心組件提供氫燃料。要求氫燃料電池具備防漏檢測、壓力檢測、氣體濃度檢測等多種安全設備，確保設備的安全性。

3.1.2 氫燃料電池反應原理[3]

氫燃料電池發電的主要原理就是儲氫罐里的氫氣與空氣中的氧氣在質子交換膜中反應，產生電壓，再通過配電設備將產生的電能輸送到用電設備。主要反應方程式如下：

燃料電池是一種化學電池，也是一種新型的發電裝置，它所需的化學原料由外部供給，如氫氧燃料電池，只要外部供給氫和氧，經過內部電極、催化劑和堿性電解液的作用，就能產生0.9 V電壓的直流電能，同時產生大量的熱能，將單元燃料電池串聯可以組成各種直流電壓供通信設備用電。化學反應時產生大量的熱能，可

以供熱或經吸收式空調器為機房降溫使用。當采用熱、電綜合利用時，效率可達80%（一般火力發電廠的效率只能達到40%），可以利用燃料電池取代蓄電池組和柴油發電機設備。

氫燃料電池唯一的排放物是水，無溫室氣體排放，不產生廢棄物。

3.2氫燃料電池的應用

3.2.1 氫燃料電池的特點

氫氣的物理化學特性比天然氣更安全（質量極輕、自燃溫度極高等）。

與傳統油機發電相比，氫燃料電池具有發電響應快、后備時間長、發電無需人員干預、安全可靠、安裝靈活、更換簡單、低噪音無污染等優勢，可有效提高后備電源啟動及時性、大大減少人員油機發電的下站時間，減少油機和蓄電池的配置數量，并可適度提高基站溫度減少空調能耗。后備時間可通過增加、減少儲氫罐數量來調整，靈活方便。另一方面經測算如果因停電造成基站斷站，客戶滿意度損失和話費損失遠遠大于發電成本，符合公司的經濟利益和社會效益。

3.2.2 氫燃料電池的安裝要求

目前，氫燃料電池規格從3 kW到15 kW都有，針對移動通信基站用電負荷情況，3 kW、6 kW這兩種規格就可以滿足幾乎全部類型基站后備電源需求。電池設備可根據實際情況選擇室內安裝與室外安裝（儲氫罐一般需要室外安裝）。機柜尺寸約為：600 mm×800 mm（寬×深），最小安裝面積要求室內1 m2，室外背光處3 m2。散熱器可掛墻安裝。

另外，如果室內安裝，需要在基站墻體上開2個200 mm×200 mm大小通風口，以便補充反應消耗的空氣，相應做好防水、防塵、防盜等處理。產生的水需要通過管道排到基站外，所以，建議在靠墻處安裝。

由于氫燃料電池屬于新型能源，被普遍接受需要一個過程，特別是儲氫罐屬于壓力容器，可能會引起周圍人的抵觸。所以目前適合用于偏遠地區，遠離人群的基站，有獨有小院的基站更為理想。

3.2.3 氫燃料電池的發電成本

對初始設備購置費用、日常維護使用費用綜合考慮后，通過計算，氫燃料電池每年發電時間在400 h以下時，發電成本低于柴油發電機，并且氫燃料電池取代鉛酸電池后，不僅可以減少鉛酸電池這部分投資，還可提高基站運行溫度，大幅減少空調耗電量。

氫燃料電池屬于新型無污染能源，在生產和使用過程中都可以減少污染物排放，并且使用靈活方便，可靠性高。以其固有的優勢，可以彌補現在蓄電池和油機的后備電源系統現在存在的缺點。隨著技術的進步，氫燃料電池可以進一步改進自身性能，提高可靠性、可用性，為移動通信基站的正常運行提供完備、經濟、環保的保障。

4　其它節能技術

4.1磷酸鐵鋰電池

與傳統鉛酸蓄電池相比，鋰蓄電池具有電池電壓高，單體電池電壓可達3.9 V；能量和功率高，工作溫度范圍廣，能在-40℃～+70℃范圍內工作，放電電壓平穩；儲存壽命長，一般在室溫下儲存5年，其容量只下降5% ～10%，充放電循環次數達到1 000次以上等優點。因此鋰蓄電池應用到基站中，可適當調高基站運行溫度，實現節能減排。

4.2一體化空調

一體化空調是集智能通風/智能換熱機器與舒適性空調機于一體的空調機。在春秋時間，特別是北方地區的春秋時間，當室內外溫差相差10℃時，可關閉空調壓縮器，僅僅將室內較熱空氣與較冷室外空氣進行熱交換即可滿足基站需求。在環境較好，空氣中粉塵含量低的地區，可直接將室外新風引入基站，智能通風比智能換熱更加節能。

4.3電池恒溫箱

在基站內所有的設備中，蓄電池是對基站內的溫度條件要求最高，最敏感的設備。基站內溫度每升高10℃，蓄電池壽命下降1倍。蓄電池恒溫箱是對蓄電池

冷卻、加熱、保持恒溫工作條件的一種專用設備。將蓄電池安裝在獨立的空間內，利用小型空調，對蓄電池的獨立進行單獨的溫度控制，為蓄電池提供一個25℃左右的工作環境。同時提高基站內主設備和電源設備的溫度到35℃左右甚至更高，大大降低基站內部空調能耗，達到節能減排的目的。

蓄電池恒溫箱小空調有兩種，一種是壓縮機式，一種是半導體式。

壓縮機式空調的優點是制冷量大；制冷效率高，能效比在1.6左右，節能環保；適用范圍比較寬，在內外溫差可以到達10℃以上。壓縮機式空調的缺點是噪音大，體積大。

半導體式空調的優點是不需要任何制冷劑，沒有污染源。工作時沒有震動、噪音；結構簡單、體積小、重量輕。半導體式空調的缺點是能效比差，內外環境溫差較大時制冷效率低下，節能效果不明顯；制冷量小，最大不超過200 W；使用的地區的環境受限制。

5　總結

中國幅員遼闊，氣候多樣，地形復雜，每一處的基站所處的環境不同，其適用的節能技術也應該不同，對于一個具體的基站，可以使用某種最適合的技術，可以是多種技術的組合使用。總之，為了打造綠色節能的通信網絡，基站中的各項節能措施都在發揮著自己的作用。我們應該做的是總結經驗，讓這些措施發揮最大的效能。

參考文獻

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[3] 鐘家輪. 質子交換膜燃料電池的發展及展望[J].電池工業，1999，1(4)：23-26.

The research for new energy-efficient technologies in base station

TAN Hong-li, GAO Jin-bo
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Shandong Branch, Jinan 250101, China)

AbstractThe paper summarizes the new technologies and the nes designs , and focuses on the application of

solar-energy and Hydrogen fuel cell in base station.

Keywordsenergy conservation； solar power； hydrogen fuel cell； base station

收稿日期：2015-09-24

中圖分類號TN915

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2015）11-0073-05