4項目技術報告(修改)

蕭山區(qū)科技計劃項目風光互補通信基站完成技術報告一、前言通信的快速發(fā)展要求有更廣的網(wǎng)絡覆蓋，同時也要求提供可靠、穩(wěn)定電力供應。但一些偏遠地區(qū)無法提供市電，通信設備無法正常運行，我國地域遼闊、地形復雜，海島、高山、草原占有量大；海島距離大陸遙遠，電力傳輸和燃料能源供給需要很大的運力，這些環(huán)境下的通信和能源都需要投入大量的人力物力；高山多嶺，網(wǎng)絡覆蓋需要大量的基站建設，同時更需相應的能源配套，高山因應地形復雜，供應電力設施困難，運送燃料能源同樣存在大量的人力和物力因素；草原遼闊，無法大面積的提供電力布線和能源運輸，另外還存臺風、暴雨等惡劣天氣下出現(xiàn)的大事故大面積停電事件，一旦發(fā)生斷電事故，救災搶險通信不暢造成二次災害損失。種種情況造成通信設備無法正常運行，為解決上述問題，給基站提供能夠自給自足的穩(wěn)定能源，特開發(fā)風光互補通信基站項目。二、項目簡介風光互補通信基站項目是集風力發(fā)電機支架、太陽能板支架、通信功能于一體的風光互補型綠色基站，旨在充分利用各種清潔能源，實現(xiàn)自給自足，在無市電情況下滿足基站的無間斷工作，滿足一些偏遠地區(qū)通信設施正常工作的需要，且節(jié)能環(huán)保?；具x用10kw級的風機并安裝在30米以上高度的內(nèi)爬通信塔頂端，設計時要使塔架的自振周期避開正常工作下的風機自振頻率，減小風機旋轉對塔架的影響；通信塔采用特制爬籠結構對風機及塔體進行維護，特別是對風機的葉片。爬籠在采用引曳輪驅動，驅動輪采用的alpha布置，提高產(chǎn)品防墜和起重性能；將太陽能板固定在塔身上，有效實現(xiàn)防盜以及獲取較優(yōu)的光能資源；風機與塔身連接節(jié)點螺栓采取了多重防松動預緊措施；在塔體連接部位加裝應力感應片，通過無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務實現(xiàn)各接點遠程實時監(jiān)控；系統(tǒng)則采用PLC控制技術，實現(xiàn)風電、太陽能電池交流電以及柴電的平穩(wěn)融合及無縫隙切換，提高系統(tǒng)整體發(fā)電效率，保障電流電壓的穩(wěn)定性。三、項目開發(fā)完成內(nèi)容（1）通信塔與風力發(fā)電塔合二為一：自主研發(fā)了通信基站單管內(nèi)爬錐筒式結構、10Kw級風力發(fā)電機組的50米高通信塔架；結構采用截面為圓形、受力各向相同的懸臂式單管塔 ，結構局部穩(wěn)定通過徑厚比控制，使單管塔在風荷載和風機動力荷載雙重作用下能夠隨遇平衡和穩(wěn)定耦合（實用新型專利：風力發(fā)電通信塔 ZL200920215945.X；實用新型專利：風光電互補通信基站 ZL201120014814.2；）?，F(xiàn)有技術中，為保證網(wǎng)絡覆蓋率，運營商主要通過建設通信塔，在塔上安裝通信傳輸設備來實現(xiàn)，而風力通信塔要求有足夠高的塔筒將風力發(fā)電機組支撐到一定點高度方可運行。另外在邊遠山區(qū)無市電柴電接入點情況，需要專門建設通信基站，不僅成本過高，還要為其解決動力源問題而投入大量資金建設基礎設施。目前兩種設備各自獨立安裝，不僅導致資源浪費嚴重，還需更多土地資源來支撐這個通信塔的建設。國內(nèi)目前常規(guī)的建設模式是風力塔和通信塔分離，即單獨立桿。在通信行業(yè)內(nèi)應用的都是2kw以下的小風機，且大多數(shù)為單獨立桿,單獨立桿有以下幾個缺點：1、除了通信塔這個混凝土基礎之外，每安裝一臺風機就必須增加一個混凝土基礎，浪費有限的土地資源，更者在山區(qū)、海島這樣的邊遠地區(qū)的物資運輸十分困難，施工難度大。2、若滿足設備供電，一般都要求安裝三四臺小風機，為了避免相互干擾，必須相隔很大一段距離，這樣鋪開占地面積極大，同時人員在下面工作也是個非常不安全的。3、風具有高度屬性，一般來說風能資源總是越是高處越是豐富，而現(xiàn)有的新增小風機支撐桿體高度一般都在30米及以下，不能最大程度上利用有限的風機資源。風力發(fā)電是在塔上面動態(tài)的構筑物，在風電設備建設過程中對塔的要求特別高，這種發(fā)電機的風葉半徑長，而且晃動大，對軸的安全使用有更大的要求，一旦結構不穩(wěn)定，風力過強，直接給人帶來生命和財產(chǎn)的雙重損失，所以建造一個結構穩(wěn)定安全的風力發(fā)電通信塔尤為重要。本公司利用自有專利技術，充分考慮利用風能及基站能源要求，選用10Kw級的風機并安裝到我司首創(chuàng)的內(nèi)爬通信塔頂端，實現(xiàn)基站在無市電柴電情況下實現(xiàn)通信電源獨立成體系供應，實現(xiàn)通信塔與風力發(fā)電塔兩塔真正結合。塔架滿足通信塔與風力發(fā)電塔兩個標準，同時將天線置于風機風葉掃風下端合理位置，免了基站天線受風葉旋轉的影響。圖1 風光電互補通信基站結構示意圖在通信塔上面能夠安裝的微型風力發(fā)電機大概是200瓦左右，200瓦左右的投入和產(chǎn)出我們做了一個計算，要幾十年才能收回成本?，F(xiàn)在我們是在塔頂上安裝的10千瓦到15千瓦的風力發(fā)電機，這種發(fā)電機風葉的半徑長晃動大，對軸的安全使用有更大的要求。通過設計了單管內(nèi)爬錐筒式結構，采用風力發(fā)電和太陽能發(fā)電互補，解決了風力發(fā)電和通信塔合二為一，在運行狀態(tài)下不受影響，結構穩(wěn)定牢固耐用，同時采用風力發(fā)電和太陽能發(fā)電互補( 風光互補) 技術后，可以有效解決電力供應不穩(wěn)定的現(xiàn)象。（2）TSD（調頻彈簧阻尼振動控制裝置）控制頂部位移技術：自主研發(fā)通信基站的TSD阻尼減振系統(tǒng)，通過改進塔頭，加裝獨立研發(fā)的由彈簧、阻尼器并聯(lián)、吊繩和灌鉛球鉸（質量塊）組成；將TSD阻尼減振裝置安裝在鋼管圓錐通信塔靠近頂端的內(nèi)部，使塔架的自振周期避開正常工作下的風機自振頻率，避免在風向驟變時尾舵迅速變相發(fā)出較大的噪音，克服單管塔細長桿體漩渦脫落產(chǎn)生的橫向共振的技術難題。隨著移動通信的快速發(fā)展，對移動通信塔的需求量也隨之增大，優(yōu)于環(huán)保意識的增強和人們審美觀念的概念，老式的桁架通信塔已被淘汰，取而代之的是一種外形美觀、成本低廉的單管通信塔。而鋼管圓錐通信塔因其自身結構的限制，在高度增加后，若要滿足GBJ50135-2006高聳結構設計規(guī)范所規(guī)定的剛度指標，就要大幅增加塔體的直徑和厚壁，鐵塔的重量會大幅度增加，成本也會成倍增加，當高度超過55米后，單管圓錐通信塔的成本就超出了移動公司的承受范圍而只能使用老式非常粗苯的桁架通信塔。針對這些缺陷而開發(fā)的TSD（調頻彈簧阻尼減振器）的通信塔解決了鋼管圓錐通信塔的剛度要求，擴大了鋼管圓錐通信塔的使用范圍，受到了移動公司的好評。TSD阻尼減振器主要由阻尼彈簧、阻尼器并聯(lián)、吊繩和灌鉛球鉸（質量塊）組成；將TSD阻尼減振裝置安裝在鋼管圓錐通信塔靠近頂端的內(nèi)部，使塔架的自振周期避開正常工作下的風機自振頻率，避免在風向驟變時尾舵迅速變相發(fā)出較大的噪音，克服單管塔細長桿體漩渦脫落產(chǎn)生的橫向共振的技術難題。 圖2 裝有TSD的塔段示意圖 圖3 TSD沿Z軸正向投影根據(jù)高聳結構設計規(guī)范，對單管塔TSD風振機理進行研究，采用有限元進行了動靜力分析，分析控制參數(shù)對控制效果的影響，確定了TSD的基本設計參數(shù)。表4 單管塔各節(jié)段參數(shù)單管塔圓錐節(jié)12345678節(jié)段上表面標高h（m)656055453525157筒壁厚度t（mm）8881012141416表5 TSD設計參數(shù)TSD序號mdi(kg)kdi(kg/m)cdi(kgt/m)標高（m228020006064.238020006064.6測試目標:實測該通信塔的自振頻率；記錄負階躍激勵下的時域波形；求得TSD的位移減振系數(shù)；求得各狀態(tài)阻尼比。試驗原理及儀器:對通信塔在各狀態(tài)下的時域波形進行頻率分析得到其自振頻率；通過數(shù)據(jù)采集和分析儀對負階躍激勵后的位移時間過程進行記錄；定義位移減振系數(shù):1max 1min為塔頂未裝TSD時最大、最小位移值；2max 2min為塔頂已裝TSD時最大、最小位移值。理論上，借助通用的結構有限元分析軟件ANSYS進行計算，位移減振系數(shù)為25.08%。阻尼比計算公式為：為振動對數(shù)衰減率；D為阻尼比；Ak為第K個振幅值。 測試過程：激勵方案示意圖及測點位置示意圖見下圖: 圖4 激勵方案示意 圖5 測點位置示意如上圖，速度/位移傳感器安裝在塔頂，力傳感器安裝在尼龍繩末端。其中，速度、位移測量選擇2 點（第1平臺上兩邊），分別安裝1個水平速度/位移傳感器，傳感器敏感方向與拉力方向一致。接線后見下圖。圖6傳感器接線圖 試驗過程為：安裝完成后，采用瞬態(tài)激振試驗。先利用尼龍繩對TSD鋼管圓錐通信塔加載，待塔體產(chǎn)生一定的變形后再用剪刀快速剪斷尼龍繩突然釋放，對塔體產(chǎn)生負階躍激勵，使TSD 鋼管圓錐通信塔進行自由振動，并利用傳感器對其振動參數(shù)進行測試，最后通過數(shù)據(jù)分析得到基頻、阻尼比、位移減振系數(shù)。為了比較安裝TSD減振裝置前后的振動情況，要求每次試驗時施加的載荷都相同（2000N），共進行了5次試驗。測試結果：TSD位移減振系數(shù)和阻尼比計算，根據(jù)上述波形，分別測量出max min, Ak,Ak+2。圖7 圖8 根據(jù)位移減振系數(shù)公式分無TSD2組和有TSD3組數(shù)據(jù)，共6種組合，分別計算，求均：見下表6:位移減振系數(shù)計算結果。123456均0.29720.21200.25350.24430.17380.21730.23 圖9 無TSD時域波形（1） 圖10 無TSD時域波形（2） 圖11 無TSD時域波形（1） 圖12 無TSD時域波形（2） 圖13 無TSD時域波形（3）由阻尼比計算公式，根據(jù)(表 各測點位移值記錄)的數(shù)據(jù)計算出2組無TSD和3組有TSD的阻尼比，進而可以計算出有、無TSD情況下，阻尼比增加的平均幅值（見表 阻尼比計算結果）。表7 各測點位移值記錄 （有無TSD對比） 項目類別Vmax(mm)Vmin(mm)Ak(mm)Ak+2(mm)無TSD(1)97.5-136.087.783.5無TSD(2)94.2-128.574.370.8有TSD(1)67.0-101.349.746.7有TSD(2)76.4-107.660.356.8有TSD(3)66.6-107.746.943.8表8 阻尼比計算結果（有無TSD對比）項目類別Ak(mm)Ak+2(mm)DD均阻尼比增加平均福值無TSD(1)87.785.50.0078100.00774535.57%無TSD(2)74.370.80.117679有TSD(1)49.746.70.0099090.0101有TSD(2)60.356.80.009516有TSD(3)46.943.80.010883通過測試，經(jīng)過分析對比可得到如下結論：單管塔TSD減振效果理論計算與實測分析結果基本一致，表明理論計算可靠。對于單管塔這樣的高柔結構，采用位移減振裝置（TSD）能有效地減小結構的振動，增大結構的阻尼比，加速結構振動的衰減,采用位移減振裝置（TSD）前后對比，位移減少的幅度（位移減振系數(shù)）平均值為23%，阻尼比增加的平均幅值為35.57%,克服了單管塔細長桿體漩渦脫落產(chǎn)生的橫向共振，提高了鋼管圓錐通信塔的剛度。（3）自主研發(fā)了運用在通信基站的風光電交直流平穩(wěn)融合及無縫切換的PLC系統(tǒng)控制技術：通過運用在通信基站的風光電交直流平穩(wěn)融合及無縫切換的PLC系統(tǒng)控制技術；通過各自的AC/DC轉換器與風光電互補控制器連接，太陽能電池板通過DC/DC轉換器與風光電互補控制器連接，有效地分配和控制基站風能、光能、燃油發(fā)電能源，有效地避免48V直流電池長時間浮充導致壽命減短，提高了系統(tǒng)整體能源利用率，保障了電流電壓的穩(wěn)定性。圖14 基站儲能系統(tǒng)供電圖圖15 基站供電原理圖四、項目效益公司的基于風光互補技術的移動通信基站項目，特有的結構使基站在風力強勁時穩(wěn)定牢固，能抵御14級臺風，使用期限達50年，同時利用風能和光能的有效支撐，降低了基站在電能供應上的成本，基站的功能效率達到8%，功效已經(jīng)達到國內(nèi)領先水平，并采用磷酸鐵鋰電池技術進行蓄能，保證整個系統(tǒng)能夠連續(xù)持久運行，降低了對機房的要求，是其他廠家不能掌握的技術。風光電系統(tǒng)采用優(yōu)化的最大功率跟蹤（MPPT）控制策略，結合自主開發(fā)的中央PLC系統(tǒng)控制技術，實現(xiàn)風光各自發(fā)出的電能平穩(wěn)快速切換；并在機房設計中，基于焓差理論自主設計了智能新風系統(tǒng)替代了空調，提高了風、光發(fā)電系統(tǒng)整體發(fā)電效率及能量利用效率。我公司本套系統(tǒng)達到了國內(nèi)領先水平。與主要競爭對手的情況，本項目產(chǎn)品的技術性能具有明顯優(yōu)勢，具體數(shù)據(jù)分析、對比。國內(nèi)廠家技術指標對照如下：表9 廠家技術參數(shù)本公司廣州尚能