移動基站太陽能技術的開發和應用

陳敏聰

廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東廣州 510630

社會經濟的快速發展與行業生產方式的變革對能源的需求呈現爆發式增長，科學技術的深入研發與進步為新能源的利用與普及提供了可行性方案，已經成為了我國國民經濟增長與綜合國力增強的重要推動力。科學家們通過對自然環境下的各類資源進行挖掘與利用，將其轉化為綠色、清潔、安全、高可用性能源，結合行業發展需求，克服行業發展痛點，緩解行業發展與能源短缺二者之間的矛盾[1]。以移動通信行業為例，移動通信行業通常需要在空間分布范圍內按照一定的排列順序架設相應的基站，即使是在高海拔地形環境復雜地區與偏遠的海域小島，都需要建設一定數量的基站以保證良好的通信信號與通信基站的全覆蓋。移動通信基站正常運行的可靠性依賴于供電系統的穩定性，但是在某些偏遠地區，尤其是高山高海拔地區，自然環境十分惡劣、天氣變化頻繁、平均氣壓較低，對電網系統的安裝與運維管理帶來了極大的阻礙，嚴重影響供電系統的安全穩定運行[2]。太陽能發電是一種新型的可再生能源，將太陽光的輻射能量轉化為電能，為移動基站提供穩定的電力供應是節約型社會的重要舉措之一，尤其是在高山高海拔地區，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，到達地面的太陽輻射強度相比于平原地區而言更強，若是將其加以利用，其轉化為的電力能源將更為豐富，一方面可以有效彌補高海拔地區人工電力系統建設的困難與缺陷，另一方面太陽能供電系統的搭建屬于一次性投資，將其作為移動基站的供電電源可以極大地降低供電系統的運維與管理費用，符合我國可持續發展理念與節能減排的社會號召。

1 太陽能發電技術工作原理及特點

太陽能發電技術是一項綠色、清潔、安全、無污染的能量轉換與能源產出技術，其主要工作原理是光伏效應，太陽能電池板主要由半導體器件組成，太陽光的照射使得半導體器件中的空穴電子由于非對稱結構在光子的作用下發生分離與躍遷，形成電位差，從而將太陽輻射的光能轉化為半導體器件的電能，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產生直流電并完成子自給充電過程，無需借助任何的外部設備設施[4]。

利用太陽能進行電能資源的產出，相比較于傳統的火力發電或其他清潔能源如水力發電、風力發電而言具有以下獨特的優勢。

1.1 清潔安全

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

1.2 運行穩定

太陽能發電裝置的工作原理相對簡單，在不同的天氣條件、光照強度、光照角度下太陽能發電裝置均能夠根據環境的變化自發、自適應地運行，而不受其他環境因素的影響或干擾，運行狀況相對穩定。

1.3 生命周期長

太陽能作為一種新能源，它與常規能源相比是人類可以利用的最豐富的能源。據估計，每年到達地球表面上的太陽輻射能約相當于130萬億噸煤，其總量屬現今世界上可以開發的最大能源，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。太陽能發電裝置獨立性較強，在使用過程中不會產生磨損，與其他常規發電裝置，如柴油發電機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，可以就地開發利用，不存在運輸問題，尤其對交通不發達的農村、海島和邊遠地區更具有利用的價值。相比于成本較高的火力發電，再加上高昂的運費，太陽能電力無疑更能節約成本，且無需復雜的人工操作，具有供電自主性。

1.5 運維費用較低

太陽能發電裝置組織結構相對單一，無論是安裝還是后期的運維管理，簡化的流程極大地降低了其所耗費的人力、物力、財力、時間成本，運維費用與常規發電設備，如核能發電設備等相比更具優勢，只需要工作人員定期對其運行狀況進行常規檢查即可。

2 移動通信基站供電方式

移動通信網絡是國家戰略性公共基礎設施，建設“高速暢通、覆蓋城鄉、質優價廉、服務便捷”的寬帶網絡基礎設施和服務體系，既有利于壯大信息消費、拉動有效投資，促進工業化、信息化、新型城鎮化和農村現代化融合發展，又可以降低創業成本，為打造大眾創業、萬眾創新和增加公共產品、公共服務“雙引擎”，推動“互聯網+”發展提供有力支撐，對于穩增長、促改革、調結構、惠民生具有重要意義。現階段移動通信基站的供電方式根據其建設地點、周圍自然環境、社會經濟發達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 太陽能獨立供電

太陽能獨立供電是指移動通信基站完全依賴于太陽能供電系統提供電力能源，這種供電方案通常在高山、高海拔或偏遠地區采用，由于高海拔地區的太陽輻射強度大、交通可達性較差、社會經濟發展水平相對滯后，電力系統相關組件的運輸、電力系統的搭建、電力系統的定期巡檢與運維管理等相比較平原地區而言存在較大的困難，因此采用太陽能獨立供電的方案，充分利用當地豐沛的太陽能資源彌補電力資源產出的不足。太陽能獨立供電設備主要為太陽能光伏陣列，其具有輸出功率大、對自然環境與天氣變化敏感度較低，運行穩定性與可靠性較高。

2.2 高頻開關電源獨立供電

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

2.3 風能與光能互補供電

風能與光能互補供電是指利用風能與太陽能相互補充交替提供電力能源，在風力資源較為豐富充裕的地區，可以充分利用風能帶動發電裝置運轉產生機械能并轉化為電能，當風力較弱時則依托于太陽能發電裝置實時發電或者利用太陽能電池板中存儲的電能資源國供電。

2.4 太陽能與高頻開關電源互補供電

太陽能與高頻開關電源互補供電是一種較為通用的節約供電模式，電力系統運行正常的狀態下由電力系統相移動通信基站供電，一旦電力系統出現故障停止運行時則立刻切花到太陽能功能系統，將其作為UPS臨時向移動通信基站供電，保證通信基站的供電過程不受電網系統運行狀態的影響而全天候、無間斷工作。

3 移動基站太陽能電源供電系統設計

移動基站太陽能供電系統的設計主要包括系統硬件設計與系統軟件設計，系統軟件設計是指對移動基站內的所有用電設備的用電量以及實際運功功率進行計算與統計，并結合當地的太陽輻射強度、太陽輻射傾角等參數設計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所獲得的太陽輻射量以及電能轉化率達到峰值。系統硬件設計是指太陽能供電系統中各個組件型號的選擇。

3.1 光伏發電系統容量設計

光伏發電系統容量設計主要是基于移動通信基站的所有用電設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量，以支撐移動通信基站在長時間內能夠有充沛的電能供應。首先對移動基站內的所有用電設備的用電量以及實際運功功率進行計算與統計，然后全面搜集基站所在地區的年平均溫度、全年降水天數、太陽輻射強度、地形起伏度、海拔、經度、緯度、太陽折射角、最大風速等一系列基礎地理環境參數，以對當地的氣候、地理環境形成定量的直觀認識。光伏系統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構的鉛鈣合金欄板，電池可浮充使用10～15年，具有較低的維護更換成本與更高的市場成熟度，因此在光伏系統中通常采用鉛酸蓄電池。

3.2 光伏電池組件設計

光伏電池組件是移動通信基站太陽能供電系統中的重要環節，其設計思想主要為滿足基站所有用電設備年平均日負載用電量需求，可以用所有用電設備每日平均用電量除以一塊太陽能電池在一天中可以產生的電量計算出光伏系統中的電池組件數。在設計太陽能電池組件時，應當以光照最惡劣的季節作為研究對象，分析在太陽輻射總量最低、陰雨天最多的季節內要維持移動通信基站中所有用電設備的正常運行所需要的電能。

4 結語

太陽能資源具有清潔、安全、取之不盡用之不竭的優勢，尤其是在高海拔、運輸不便的地區，充分利用太陽輻射轉化為電能對移動通信基站進行供電，為提高我國偏遠地區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.移動通信SmallCell基站供電解決方案與趨勢分析[J/OL].中興通訊技術，2017（4）：1-8.

[2] 周樹文，趙旭. 移動基站太陽能技術應用[J].電子技術與軟件工程，2016（24）：31.

[3 張寧.風光互補供電技術在3G基站的應用[J].中國新通信，2013，15（21）：88-89.

[4] 劉芳.基于高原環境下移動基站風光氫能源混合供電系統應用相關技術研究與分析[D].北京郵電大學，2013.