4項(xiàng)目技術(shù)報(bào)告(修改)

蕭山區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目風(fēng)光互補(bǔ)通信基站完成技術(shù)報(bào)告一、前言通信的快速發(fā)展要求有更廣的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時(shí)也要求提供可靠、穩(wěn)定電力供應(yīng)。但一些偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)法提供市電，通信設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，我國(guó)地域遼闊、地形復(fù)雜，海島、高山、草原占有量大；海島距離大陸遙遠(yuǎn)，電力傳輸和燃料能源供給需要很大的運(yùn)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(luò)覆蓋需要大量的基站建設(shè)，同時(shí)更需相應(yīng)的能源配套，高山因應(yīng)地形復(fù)雜，供應(yīng)電力設(shè)施困難，運(yùn)送燃料能源同樣存在大量的人力和物力因素；草原遼闊，無(wú)法大面積的提供電力布線和能源運(yùn)輸，另外還存臺(tái)風(fēng)、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(zāi)搶險(xiǎn)通信不暢造成二次災(zāi)害損失。種種情況造成通信設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，為解決上述問(wèn)題，給基站提供能夠自給自足的穩(wěn)定能源，特開(kāi)發(fā)風(fēng)光互補(bǔ)通信基站項(xiàng)目。二、項(xiàng)目簡(jiǎn)介風(fēng)光互補(bǔ)通信基站項(xiàng)目是集風(fēng)力發(fā)電機(jī)支架、太陽(yáng)能板支架、通信功能于一體的風(fēng)光互補(bǔ)型綠色基站，旨在充分利用各種清潔能源，實(shí)現(xiàn)自給自足，在無(wú)市電情況下滿足基站的無(wú)間斷工作，滿足一些偏遠(yuǎn)地區(qū)通信設(shè)施正常工作的需要，且節(jié)能環(huán)保?；具x用10kw級(jí)的風(fēng)機(jī)并安裝在30米以上高度的內(nèi)爬通信塔頂端，設(shè)計(jì)時(shí)要使塔架的自振周期避開(kāi)正常工作下的風(fēng)機(jī)自振頻率，減小風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)對(duì)塔架的影響；通信塔采用特制爬籠結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)及塔體進(jìn)行維護(hù)，特別是對(duì)風(fēng)機(jī)的葉片。爬籠在采用引曳輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪采用的alpha布置，提高產(chǎn)品防墜和起重性能；將太陽(yáng)能板固定在塔身上，有效實(shí)現(xiàn)防盜以及獲取較優(yōu)的光能資源；風(fēng)機(jī)與塔身連接節(jié)點(diǎn)螺栓采取了多重防松動(dòng)預(yù)緊措施；在塔體連接部位加裝應(yīng)力感應(yīng)片，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)各接點(diǎn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；系統(tǒng)則采用PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、太陽(yáng)能電池交流電以及柴電的平穩(wěn)融合及無(wú)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(xiàng)目開(kāi)發(fā)完成內(nèi)容（1）通信塔與風(fēng)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(jié)構(gòu)、10Kw級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的50米高通信塔架；結(jié)構(gòu)采用截面為圓形、受力各向相同的懸臂式單管塔 ，結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定通過(guò)徑厚比控制，使單管塔在風(fēng)荷載和風(fēng)機(jī)動(dòng)力荷載雙重作用下能夠隨遇平衡和穩(wěn)定耦合（實(shí)用新型專(zhuān)利：風(fēng)力發(fā)電通信塔 ZL200920215945.X；實(shí)用新型專(zhuān)利：風(fēng)光電互補(bǔ)通信基站 ZL201120014814.2；）?，F(xiàn)有技術(shù)中，為保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，運(yùn)營(yíng)商主要通過(guò)建設(shè)通信塔，在塔上安裝通信傳輸設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，而風(fēng)力通信塔要求有足夠高的塔筒將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組支撐到一定點(diǎn)高度方可運(yùn)行。另外在邊遠(yuǎn)山區(qū)無(wú)市電柴電接入點(diǎn)情況，需要專(zhuān)門(mén)建設(shè)通信基站，不僅成本過(guò)高，還要為其解決動(dòng)力源問(wèn)題而投入大量資金建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。目前兩種設(shè)備各自獨(dú)立安裝，不僅導(dǎo)致資源浪費(fèi)嚴(yán)重，還需更多土地資源來(lái)支撐這個(gè)通信塔的建設(shè)。國(guó)內(nèi)目前常規(guī)的建設(shè)模式是風(fēng)力塔和通信塔分離，即單獨(dú)立桿。在通信行業(yè)內(nèi)應(yīng)用的都是2kw以下的小風(fēng)機(jī)，且大多數(shù)為單獨(dú)立桿,單獨(dú)立桿有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：1、除了通信塔這個(gè)混凝土基礎(chǔ)之外，每安裝一臺(tái)風(fēng)機(jī)就必須增加一個(gè)混凝土基礎(chǔ)，浪費(fèi)有限的土地資源，更者在山區(qū)、海島這樣的邊遠(yuǎn)地區(qū)的物資運(yùn)輸十分困難，施工難度大。2、若滿足設(shè)備供電，一般都要求安裝三四臺(tái)小風(fēng)機(jī)，為了避免相互干擾，必須相隔很大一段距離，這樣鋪開(kāi)占地面積極大，同時(shí)人員在下面工作也是個(gè)非常不安全的。3、風(fēng)具有高度屬性，一般來(lái)說(shuō)風(fēng)能資源總是越是高處越是豐富，而現(xiàn)有的新增小風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)資源。風(fēng)力發(fā)電是在塔上面動(dòng)態(tài)的構(gòu)筑物，在風(fēng)電設(shè)備建設(shè)過(guò)程中對(duì)塔的要求特別高，這種發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉半徑長(zhǎng)，而且晃動(dòng)大，對(duì)軸的安全使用有更大的要求，一旦結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，風(fēng)力過(guò)強(qiáng)，直接給人帶來(lái)生命和財(cái)產(chǎn)的雙重?fù)p失，所以建造一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的風(fēng)力發(fā)電通信塔尤為重要。本公司利用自有專(zhuān)利技術(shù)，充分考慮利用風(fēng)能及基站能源要求，選用10Kw級(jí)的風(fēng)機(jī)并安裝到我司首創(chuàng)的內(nèi)爬通信塔頂端，實(shí)現(xiàn)基站在無(wú)市電柴電情況下實(shí)現(xiàn)通信電源獨(dú)立成體系供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)通信塔與風(fēng)力發(fā)電塔兩塔真正結(jié)合。塔架滿足通信塔與風(fēng)力發(fā)電塔兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)將天線置于風(fēng)機(jī)風(fēng)葉掃風(fēng)下端合理位置，免了基站天線受風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)的影響。圖1 風(fēng)光電互補(bǔ)通信基站結(jié)構(gòu)示意圖在通信塔上面能夠安裝的微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)大概是200瓦左右，200瓦左右的投入和產(chǎn)出我們做了一個(gè)計(jì)算，要幾十年才能收回成本。現(xiàn)在我們是在塔頂上安裝的10千瓦到15千瓦的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)風(fēng)葉的半徑長(zhǎng)晃動(dòng)大，對(duì)軸的安全使用有更大的要求。通過(guò)設(shè)計(jì)了單管內(nèi)爬錐筒式結(jié)構(gòu)，采用風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電互補(bǔ)，解決了風(fēng)力發(fā)電和通信塔合二為一，在運(yùn)行狀態(tài)下不受影響，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固耐用，同時(shí)采用風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電互補(bǔ)( 風(fēng)光互補(bǔ)) 技術(shù)后，可以有效解決電力供應(yīng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。（2）TSD（調(diào)頻彈簧阻尼振動(dòng)控制裝置）控制頂部位移技術(shù)：自主研發(fā)通信基站的TSD阻尼減振系統(tǒng)，通過(guò)改進(jìn)塔頭，加裝獨(dú)立研發(fā)的由彈簧、阻尼器并聯(lián)、吊繩和灌鉛球鉸（質(zhì)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(kāi)正常工作下的風(fēng)機(jī)自振頻率，避免在風(fēng)向驟變時(shí)尾舵迅速變相發(fā)出較大的噪音，克服單管塔細(xì)長(zhǎng)桿體漩渦脫落產(chǎn)生的橫向共振的技術(shù)難題。隨著移動(dòng)通信的快速發(fā)展，對(duì)移動(dòng)通信塔的需求量也隨之增大，優(yōu)于環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)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(jié)構(gòu)的限制，在高度增加后，若要滿足GBJ50135-2006高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的剛度指標(biāo)，就要大幅增加塔體的直徑和厚壁，鐵塔的重量會(huì)大幅度增加，成本也會(huì)成倍增加，當(dāng)高度超過(guò)55米后，單管圓錐通信塔的成本就超出了移動(dòng)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(duì)這些缺陷而開(kāi)發(fā)的TSD（調(diào)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(kuò)大了鋼管圓錐通信塔的使用范圍，受到了移動(dòng)公司的好評(píng)。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(zhì)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(kāi)正常工作下的風(fēng)機(jī)自振頻率，避免在風(fēng)向驟變時(shí)尾舵迅速變相發(fā)出較大的噪音，克服單管塔細(xì)長(zhǎng)桿體漩渦脫落產(chǎn)生的橫向共振的技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)單管塔TSD風(fēng)振機(jī)理進(jìn)行研究，采用有限元進(jìn)行了動(dòng)靜力分析，分析控制參數(shù)對(duì)控制效果的影響，確定了TSD的基本設(shè)計(jì)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(biāo)高h(yuǎn)（m)656055453525157筒壁厚度t（mm）8881012141416表5 TSD設(shè)計(jì)參數(shù)TSD序號(hào)mdi(kg)kdi(kg/m)cdi(kgt/m)標(biāo)高（m228020006064.238020006064.6測(cè)試目標(biāo):實(shí)測(cè)該通信塔的自振頻率；記錄負(fù)階躍激勵(lì)下的時(shí)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(yàn)原理及儀器:對(duì)通信塔在各狀態(tài)下的時(shí)域波形進(jìn)行頻率分析得到其自振頻率；通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析儀對(duì)負(fù)階躍激勵(lì)后的位移時(shí)間過(guò)程進(jìn)行記錄；定義位移減振系數(shù):1max 1min為塔頂未裝TSD時(shí)最大、最小位移值；2max 2min為塔頂已裝TSD時(shí)最大、最小位移值。理論上，借助通用的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，位移減振系數(shù)為25.08%。阻尼比計(jì)算公式為：為振動(dòng)對(duì)數(shù)衰減率；D為阻尼比；Ak為第K個(gè)振幅值。 測(cè)試過(guò)程：激勵(lì)方案示意圖及測(cè)點(diǎn)位置示意圖見(jiàn)下圖: 圖4 激勵(lì)方案示意 圖5 測(cè)點(diǎn)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(cè)量選擇2 點(diǎn)（第1平臺(tái)上兩邊），分別安裝1個(gè)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(jiàn)下圖。圖6傳感器接線圖 試驗(yàn)過(guò)程為：安裝完成后，采用瞬態(tài)激振試驗(yàn)。先利用尼龍繩對(duì)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(duì)塔體產(chǎn)生負(fù)階躍激勵(lì)，使TSD 鋼管圓錐通信塔進(jìn)行自由振動(dòng)，并利用傳感器對(duì)其振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，最后通過(guò)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(dòng)情況，要求每次試驗(yàn)時(shí)施加的載荷都相同（2000N），共進(jìn)行了5次試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果：TSD位移減振系數(shù)和阻尼比計(jì)算，根據(jù)上述波形，分別測(cè)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(wú)TSD2組和有TSD3組數(shù)據(jù)，共6種組合，分別計(jì)算，求均：見(jiàn)下表6:位移減振系數(shù)計(jì)算結(jié)果。123456均0.29720.21200.25350.24430.17380.21730.23 圖9 無(wú)TSD時(shí)域波形（1） 圖10 無(wú)TSD時(shí)域波形（2） 圖11 無(wú)TSD時(shí)域波形（1） 圖12 無(wú)TSD時(shí)域波形（2） 圖13 無(wú)TSD時(shí)域波形（3）由阻尼比計(jì)算公式，根據(jù)(表 各測(cè)點(diǎn)位移值記錄)的數(shù)據(jù)計(jì)算出2組無(wú)TSD和3組有TSD的阻尼比，進(jìn)而可以計(jì)算出有、無(wú)TSD情況下，阻尼比增加的平均幅值（見(jiàn)表 阻尼比計(jì)算結(jié)果）。表7 各測(cè)點(diǎn)位移值記錄 （有無(wú)TSD對(duì)比） 項(xiàng)目類(lèi)別Vmax(mm)Vmin(mm)Ak(mm)Ak+2(mm)無(wú)TSD(1)97.5-136.087.783.5無(wú)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(jì)算結(jié)果（有無(wú)TSD對(duì)比）項(xiàng)目類(lèi)別Ak(mm)Ak+2(mm)DD均阻尼比增加平均福值無(wú)TSD(1)87.785.50.0078100.00774535.57%無(wú)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(guò)測(cè)試，經(jīng)過(guò)分析對(duì)比可得到如下結(jié)論：?jiǎn)喂芩SD減振效果理論計(jì)算與實(shí)測(cè)分析結(jié)果基本一致，表明理論計(jì)算可靠。對(duì)于單管塔這樣的高柔結(jié)構(gòu)，采用位移減振裝置（TSD）能有效地減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，增大結(jié)構(gòu)的阻尼比，加速結(jié)構(gòu)振動(dòng)的衰減,采用位移減振裝置（TSD）前后對(duì)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(xì)長(zhǎng)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(yùn)用在通信基站的風(fēng)光電交直流平穩(wěn)融合及無(wú)縫切換的PLC系統(tǒng)控制技術(shù)：通過(guò)運(yùn)用在通信基站的風(fēng)光電交直流平穩(wěn)融合及無(wú)縫切換的PLC系統(tǒng)控制技術(shù)；通過(guò)各自的AC/DC轉(zhuǎn)換器與風(fēng)光電互補(bǔ)控制器連接，太陽(yáng)能電池板通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器與風(fēng)光電互補(bǔ)控制器連接，有效地分配和控制基站風(fēng)能、光能、燃油發(fā)電能源，有效地避免48V直流電池長(zhǎng)時(shí)間浮充導(dǎo)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(chǔ)能系統(tǒng)供電圖圖15 基站供電原理圖四、項(xiàng)目效益公司的基于風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)的移動(dòng)通信基站項(xiàng)目，特有的結(jié)構(gòu)使基站在風(fēng)力強(qiáng)勁時(shí)穩(wěn)定牢固，能抵御14級(jí)臺(tái)風(fēng)，使用期限達(dá)50年，同時(shí)利用風(fēng)能和光能的有效支撐，降低了基站在電能供應(yīng)上的成本，基站的功能效率達(dá)到8%，功效已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，并采用磷酸鐵鋰電池技術(shù)進(jìn)行蓄能，保證整個(gè)系統(tǒng)能夠連續(xù)持久運(yùn)行，降低了對(duì)機(jī)房的要求，是其他廠家不能掌握的技術(shù)。風(fēng)光電系統(tǒng)采用優(yōu)化的最大功率跟蹤（MPPT）控制策略，結(jié)合自主開(kāi)發(fā)的中央PLC系統(tǒng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)光各自發(fā)出的電能平穩(wěn)快速切換；并在機(jī)房設(shè)計(jì)中，基于焓差理論自主設(shè)計(jì)了智能新風(fēng)系統(tǒng)替代了空調(diào)，提高了風(fēng)、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(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。與主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的情況，本項(xiàng)目產(chǎn)品的技術(shù)性能具有明顯優(yōu)勢(shì)，具體數(shù)據(jù)分析、對(duì)比。國(guó)內(nèi)廠家技術(shù)指標(biāo)對(duì)照如下：表9 廠家技術(shù)參數(shù)本公司廣州尚能