輕量式光伏組件在通信基站建設(shè)中的應(yīng)用探討

孫國同

（廣州杰賽科技股份有限公司，廣東 廣州 510310）

0 引 言

在提速降費(fèi)的大環(huán)境下，通信運(yùn)營商降本增效的壓力較大，其運(yùn)營成本中電費(fèi)約占一半開支。而隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的開展，基站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷增加，電費(fèi)開支比例將逐步上升，因此如何降低電費(fèi)成本支出已成為通信運(yùn)營商密切關(guān)心的問題，探索一條新型的電費(fèi)運(yùn)營模式是目前整個通行行業(yè)的迫切需求[1-3]。本文對輕量化光伏組件在通信基站建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行探討，希望對通信基站降本增效有所幫助。

1 全國太陽能資源情況

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的自然資源。我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源。據(jù)統(tǒng)計，全國總面積2/3以上地區(qū)日照數(shù)大于2 200 h，年輻射量為5 000 MJ/m2以上，全國太能能技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量達(dá)到1.56×1010kW，開發(fā)、利用前景十分看好。

我國太陽能資源分布的主要特點(diǎn)有以下3點(diǎn)：（1）太陽能的高值中心和低值中心大都處在北緯22°～35°一帶，其中高值中心在青藏高原，低值中心在四川盆地；（2）東部地區(qū)的太陽年輻射總量低于西部地區(qū)，但新疆和西藏兩個地區(qū)除外；（3）南方多數(shù)地區(qū)云霧雨多，在北緯30°～40°地區(qū)，太陽能隨著緯度的增加而增長。

根據(jù)國家氣象局風(fēng)能太陽能評估中心劃分標(biāo)準(zhǔn)，我國太陽能資源地區(qū)分為以下4類。一類地區(qū)是太陽能資源最為豐富的地區(qū)。該區(qū)域內(nèi)全年日照時數(shù)為3 200～3 300 h，年輻射總量為6 700～8 400 MJ/m2。這部分地區(qū)包括新疆東南部、甘肅北部、寧夏北部以及青藏高原西部等，其中西藏西部太陽能資源最為豐富，居世界第二位，日輻射量最高可達(dá)6.4 kW·h/m2。二類地區(qū)是太陽能資源較為豐富地區(qū)。該區(qū)域內(nèi)全年日照時數(shù)為3 000～3 200 h，年輻射總量為5 850～6 700 MJ/m2。這部分地區(qū)包括新疆南部、西藏東南部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、山西北部以及河北西北部等。三類地區(qū)是太陽能資源中等類型地區(qū)。該區(qū)域內(nèi)全年日照時數(shù)為2 200～3 000 h，年輻射總量為5 000～5 850 MJ/m2。這部分地區(qū)包括新疆北部、甘肅東南部、陜西北部、山西南部、河北東南部、山東、河南、吉林、遼寧、云南、廣東南部、福建南部、江蘇北部以及安徽北部等。四類地區(qū)是太陽能資源較差地區(qū)。該區(qū)域內(nèi)全年日照時數(shù)為1 000～2 200 h，年輻射總量為3 350～5 020 MJ/m2。這部分地區(qū)包括黑龍江、四川、貴州、湖南、湖北、廣西、江西、浙江、福建北部以及廣東北部等。

上述一、二、三類地區(qū)，年日照時數(shù)普遍大于2 200 h，年輻射總量高于5 000 MJ/m2，具有利用太陽能的良好條件。四類地區(qū)雖然太陽能資源條件較差，但秋冬季太陽能資源還可以，仍有一定的利用價值。

2 輕量化光伏組件技術(shù)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的光伏組件主要有單晶硅、多晶硅以及異質(zhì)結(jié)電池等3大類。其主要結(jié)構(gòu)由鋼化玻璃層、前EVA層、電池片、后EVA層、TPT層以及鋁合金框組成，其中鋼化玻璃層厚度為3.2 mm，前后EVA層的厚度均為0.55 mm，TPT層的厚度為0.32 mm，鋁合金框的壁厚為2 mm，總厚度為6.62 mm。該光伏組件結(jié)構(gòu)以60片156電池片封裝，凈重達(dá)到19 kg。而輕量化光伏組件主要由鋼化玻璃層、前EVA層、電池片、后EVA層、旭硝子ETFE薄膜以及鋁合金框組成，其中鋼化玻璃層厚度為2 mm，前后EVA層厚度均為0.45 mm，旭硝子ETFE薄膜厚度為0.1 mm，鋁合金框內(nèi)部設(shè)有兩條加強(qiáng)橫梁厚度為1.6 mm，總厚度為4.6 mm。該光伏組件結(jié)構(gòu)以60片156電池片封裝，重量為12 kg，相比傳統(tǒng)的19 kg要輕薄許多[4-10]。

輕量化光伏組件跟傳統(tǒng)光伏組件相比，有如下優(yōu)點(diǎn)。（1）輕量化光伏組件比傳統(tǒng)常規(guī)組件質(zhì)量降低了36.8%，在光伏施工中大大降低了施工人員的勞動強(qiáng)度，同時也大大減輕了光伏安裝支架和屋頂支撐的負(fù)荷。（2）輕量化光伏組件面板材質(zhì)為硅膠，反射率比傳統(tǒng)普通玻璃模組的反射率低10倍，發(fā)電效率提升10%。反射率對比如圖1所示。（3）輕量化光伏組件具有耐候性強(qiáng)，能夠耐17級強(qiáng)風(fēng)和酸堿鹽霧，同時具有防破裂功能，免除傳統(tǒng)型的破裂危機(jī)，且自潔抗污性優(yōu)于傳統(tǒng)型。

圖1 反射率對比圖

3 輕量化光伏組件與通信基站結(jié)合

輕量化光伏組件與通信基站結(jié)合主要指利用基站的塔身空間資源和機(jī)房屋頂空間資源，在基站塔身上和機(jī)房屋頂安裝新型的輕量化光伏系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，與市電（晚上供電）相互補(bǔ)充，共同為通信基站供電。光伏和市電互補(bǔ)系統(tǒng)如圖2所示，光伏組件與基站結(jié)合現(xiàn)場如圖3所示。

圖2 光伏和市電互補(bǔ)系統(tǒng)圖

圖3 光伏組件與基站結(jié)合現(xiàn)場圖

4 案例分析

某通信基站有兩座鐵塔（產(chǎn)權(quán)是鐵塔公司），3個機(jī)房（其中聯(lián)通公司所用機(jī)房產(chǎn)權(quán)為鐵塔公司，其余兩個機(jī)房分別為移動和電信的自留機(jī)房）。該站址內(nèi)通信設(shè)備功率為2.06 kW，空調(diào)功率為1.1 kW，輔助照明功率為0.08 kW，整站功率合計為3.24 kW，日用電量為77.76 kW·h。

本次所做方案主要是利用兩個鐵塔和部分機(jī)房屋頂?shù)目臻g安裝新型的硅膠薄膜晶硅的太陽能光伏產(chǎn)品，用鋁合金光伏專用支架安裝光伏組件，并通過光伏專用壓塊固定組件，安裝傾角取3°。白天由光伏供電，晚上由市電供電，兩者相互補(bǔ)充，共同為通信基站供電。輕量化光伏組件發(fā)電的直流電直接接入（開關(guān)電源）為設(shè)備供電，從而減少系統(tǒng)中的電能損耗。此外，光伏電站安裝場址的選擇應(yīng)避免陰影影響，即各陣列之間保證有足夠的間距，其中在冬至日影子最長時，前后兩排的陣列之間距離要保證前排不對后排造成遮擋。

一般情況下，通過對光伏陣列分區(qū)、分級排布來實(shí)現(xiàn)光伏電站中組件陣列的布置。而陣列分區(qū)又以光伏電場設(shè)備為對象，將光伏電場劃分為若干個相對獨(dú)立的交流發(fā)電子系統(tǒng)。本方案中由于項(xiàng)目規(guī)模較小，僅設(shè)計一個發(fā)電單元。光伏組件中，支架作為光伏組件安裝支撐固定的主要結(jié)構(gòu)形式，其強(qiáng)度應(yīng)滿足在自身重量、風(fēng)荷載、雪荷載以及地震荷載共同作用下的使用要求。根據(jù)GB 50009ü2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》提供的基本風(fēng)壓和基本雪壓計算出風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值與雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，與恒載進(jìn)行荷載組合，計算出彎矩和剪力。按照GB 50017ü2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和GB 50429ü2007《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求進(jìn)行承載力與變形計算。

本項(xiàng)目該站點(diǎn)光伏系統(tǒng)配置如下。光伏組件的總功率按10 kW容量考慮，其中桿塔的功率為1 kW，基站房頂?shù)墓β蕿? kW。光伏控制器48 V三路光伏輸入為50 A，將光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電逆變成三相交流電，直接并入通信基站從而為通信設(shè)備提供電源。計量表測量范圍中，電流為直流0～10 A（超出10 A需要外附分流器），電壓為0～700 V,輸入為直流48 V，接口協(xié)議為RS485通信接口（Modbus-RTU）協(xié)議。該套系統(tǒng)總造價為43 100元，具體如表1所示。

表1 系統(tǒng)造價 單位：元

該站點(diǎn)運(yùn)營以來，夏季月均發(fā)電量達(dá)1 500 kW·h，節(jié)約電費(fèi)開支1 080元，其中電費(fèi)按0.72元/（kW·h）計算。全年年節(jié)約電費(fèi)理論值為1 080×12=12 960元。考慮天氣及季節(jié)影響，每年實(shí)際節(jié)省電費(fèi)約8 500元，預(yù)計5年可完全收回投資，年投資收益率為20%。該光伏產(chǎn)品壽命最少為25年，剩余20年純收益約為8 500×20=170 000元。

5 后續(xù)演進(jìn)

在光伏和市電互補(bǔ)這種模式的基礎(chǔ)上，后續(xù)可以疊加儲能電池，實(shí)現(xiàn)光+儲能和市電互補(bǔ)。儲能電池容量要求滿足基站光伏系統(tǒng)不工作時的供電要求，且有盈余。該種模式下，供電系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 光+儲能和市電互補(bǔ)系統(tǒng)

這種模式下，白天由光伏組件同時為基站設(shè)備和儲能供電，晚上或無光伏發(fā)電時優(yōu)先儲能供電，從而減少市電供電時間。

據(jù)統(tǒng)計資料，截止2020年底，全國通信運(yùn)營商基站總數(shù)達(dá)9.31×106個。這些基站如果條件合適新增輕量化光伏組件發(fā)電系統(tǒng)，則全國范圍內(nèi)將形成一定規(guī)模的分布式能源站，容量夠大時，還可以往并網(wǎng)型方向發(fā)展。即在保障通信基站自身供電的同時，與國家電網(wǎng)接軌，參與電力交易市場和其他輔助服務(wù)市場，從而提高通信運(yùn)營商的市場價值，有助于推動通信運(yùn)營商新能源發(fā)展。

6 結(jié) 論

采用輕量化光伏組件發(fā)電和市電互補(bǔ)的方案為通信基站設(shè)備供電，可以有效節(jié)約通信基站的電費(fèi)開支，項(xiàng)目投資回收期預(yù)計在5年以內(nèi)。該方案適用于年日照時數(shù)1 200小時以上或年輻射總量大于4 200 MJ/m2的地區(qū)。后期結(jié)合蓄電池儲能，投資效益會進(jìn)一步增加，但回收周期會長一些。該應(yīng)用社會效益顯著，有利于推動能源清潔生產(chǎn)和就近消納，對于建設(shè)清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系具有重要意義。