新能源在5G基站系統低碳賦能中的應用展望

秦 宇，楊銘如，王偉云

（1.諾基亞通信系統技術（北京）有限公司，北京 100102；2.中國聯合網絡通信有限公司 遼寧省分公司，遼寧 沈陽 110003；3.沈陽航空航天大學 能源與環境學院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

2021年10 月，國務院印發了《2030年前碳達峰行動方案》，方案中提出要提加強新型基礎設施能源結構，采用直流供電、分布式儲能、新能源和儲能結合等模式，提高新能源的供給比重[1,2]。

5G基站為了支撐更高技術性能指標，采用大帶寬、多天線等技術導致耗電顯著增加。例如，我國運營商要求 3.5 GHz 5G 基站的單載波帶寬為 100 ～ 200 MHz，而傳統4G基站單載波為20 MHz，增加了5～10倍。如何減碳降耗是運營商亟需解決的問題，當前主要的降耗手段集中在用電側，設備廠商通過新工藝和新材料改進產品基礎能耗，運營商通過設備負荷閑時開通關斷與休眠等軟件方式降低場景功耗。供電側仍主要來自傳統火力發電廠，新能源技術引入較少。根據中國通信標準化協會的數據顯示，5G基站的功耗仍然較高，是4G基站的3倍左右[3]。

將新能源引入5G基站供電側，一方面契合了國家的雙碳要求，另一方面也降低了運營過程的成本，具有重要意義。為深入探討新型能源在5G基站運維過程的低碳減排作用，本文將主要從5G基站供電角度闡述新能源在5G基站系統中的低碳賦能。

1 5G基站供電現狀

當前，5G基站供電主要采用市電供電，集中/分布單元（Centralized Unit/Distributed Unit，CU/DU）和有源天線單元（Active Antenna Unit，AAU）多數都從電網取電，在電網電力供應中斷時采用備用電池或汽/柴油發電機供電。

5G基站日常供電來自電網公司，我國多數地區的電網公司主要電力供應仍以火力發電為主。火電廠作為燃煤大戶，CO2排放量相對較高，采用火力發電不會有效降低5G基站碳排放。另外在電網故障或檢修期間會停電，為保障基站運行，一般基站都采用了電池或油機提供臨時供電。如果采用油機發電，由于小型發電機發電效率不高，尾氣中含有較高含量的CO、氮氧化合物和含碳顆粒，會造成碳排放進一步增加。

2 5G低碳供電技術展望

為了降低5G基站碳排放，可采用各種新技術降低基站本身的電力消耗，但由于5G基站高帶寬、高速率以及低延遲的技術特征，因此總體的電力消耗還是會大幅度增加，需要從供電側找到突破，采用綠色新能源供電，儲能調整電力峰谷，降低碳排放。

2.1 離網光伏和風力供電

對于有較大占地面積的機房或者中西部偏遠地區市電供電存在問題的機房，可以采用離網光伏發電的模式給5G基站供電[4]。

目前，5G基站多數的CU/DU單元為集中放置，一般在運營商的中小型局機房，機房樓頂面積較大，可以大面積鋪放太陽能電池板。在當前化石能源價格上漲，光伏產業日趨成熟的背景下，光伏發電的單位成本低于電網價格，不但實現了環保，還降低了5G基站電費支出。并且5G基站的單元都是直流供電，相對交流光伏系統規避掉了交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）逆變設備和能耗損失。光伏功率輸出直用系統對比優勢如圖1所示，轉換效率顯然會明顯提高。

圖1 光伏功率輸出直用系統對比優勢

另外，在偏遠的山區、森林、高原以及荒漠等區域，部分基站無法市電供電或經常性停電，也可以采用小型離網光伏及風力發電系統給5G基站供電。日間以太陽能供電為主，夜間依靠風力發電為主，實現風光互補[5]。

2.2 鋰電池削峰填谷梯次利用

當前，火力發電和太陽能、風能等新能源的生產時間以及5G基站用電峰谷時間不對應，如太陽能發電主要是日間，而市電使用的一個高峰則在傍晚日落以后，造成了高峰用電仍將以高碳排放的火力發電為主。電力公司為了供電平穩，一般都采用峰谷的差異電價，如果基站的蓄電池在市電供電波谷期間充電，在波峰期間釋放電力給5G基站供電，則可以間接降低火電發電比例，提高新能供電比例，降低碳排放并降低電費支出[6]。

傳統基站采用的是鉛酸電池，充放電次數較低，如果每日都要進行削峰填谷，則很快就將達到循環使用壽命。通過高循環鋰電池淘汰鉛酸電池是當前熱門方向，2020年退役的動力電池高達2×105 t，但對退役電池回收還缺乏統一標準，回收經濟性差，且這些電池可以剩余400～2 000次的實際循環次數，相對傳統鉛酸電池200次的循環次數仍優勢巨大，在5G基站利舊動力電池側消納退役動力電池的優選方案[7]。

2.3 其他新型儲能技術

相對于鋰電池，還有更綠色環保的新型儲能技術可以應用在5G基站，包括超級電容和機械儲能等。目前，新型儲能技術在通信行業的應用較少，但是由于應用潛力較大、環境污染小等優點，仍是各國的研究熱點。

超級電容器的主要優點包括百萬次的超長充放電循環壽命、寬廣的工作溫度范圍（-40～70 ℃）、充電快、功率密度高以及維護要求低等。另外，其全生命周期均沒有有毒化學和金屬污染，是非常綠色環保的儲能技術，適合配合化學電池進行儲能，為市電經常短時中斷的站點供電[8]。

機械儲能主要包括壓縮空氣儲能和飛輪儲能等，由于目前有較大功率消納和設備占地要求，因此可以用于大型通信機房儲能，暫不適合離散的5G基站分布需求[9]。

3 5G新能源供電改造碳排放收益模擬分析

以北方某城市某5G基站進行離網光伏發電結合鋰電池儲能為例，站點供電方式為傳統市電供電，備電采用鉛酸蓄電池。該站日統計最高功耗為3.68 kW，最低功耗為1.73 kW，平均功耗為2.72 kW，日耗電為65 kW·h，一天24 h的功耗分布如圖2所示。

圖2 某5G基站24 h功耗圖

該站擬改造方案為樓頂鋪設光伏供電+利舊梯次鋰電池，日間光照充足時，通過光伏供電，并將剩余電力存儲在鋰電池中，夜間通過利舊鋰電池放電給5G基站供電。已知所在地區單位面積太陽能發電功率曲線和5G基站耗電功率面積，可推算出光伏輸出功率要求與儲能電池所需容量。具體通過使用PVSYST模擬軟件分析，在完善地理信息和氣象等數據，確定電池板安裝方向和角度，光伏側需配置單機標稱功率為250 Wp的光伏組共計100件，由4組件串聯成組串，再把25組串進行并聯，標稱功率為 25.0 kWp，電池側配置 5 980 Ah/51 V 的退役電池組件115套并聯，電池組存儲容量為276 kW·h，一年的發電量和用電量如圖3所示。由圖3可知，光伏的發電除了供給基站和電池儲能，還有太陽能板采光和系統等的耗電損失，在設計時都需要考慮。另外雖然用戶用電量恒定，但由于不同月份光照差異大，導致不同季節電池存儲的電量差異明顯，因此鋰電池的選取非常重要，合適的電池容量才能確保整套系統的經濟穩定運行。

圖3 耗電及發電模擬

煙煤 CO2排放量為 2.54 kg/kg ，按火電廠每 300 g煤可以發電1 kW·h計算，5G基站用電來自火電廠時，每kW·h耗電會產生CO2的排放量為0.762 kg[10]。按該基站平均功率為2.72 kW計算，如果新能源供電比例增加10%，那么CO2的年排放將減少1 815.63 kg，具體參數計算如表1所示。

表1 某基站CO2年減排量估算

至2021年底，全國5G基站數量將達到1.4×106臺，按上述功率及增加10%的新能源發電供給比例計算，全國5G基站年可降低CO2碳排放量高達2.9×106t[11]。

4 結 論

我國是5G基站保有量最多的國家，未來為了實現高容量熱點覆蓋和工業化萬物互聯的需求，還將有數百萬的5G基站入網，通過離網光伏、風光互補以及退役動力鋰電池利舊儲能等新能源在5G基站系統中的賦能，可以非常有效降低碳排放，為2030碳達峰方案共享行業力量。