光伏發(fā)電系統(tǒng)在通信基站的應(yīng)用

1、光伏發(fā)電系統(tǒng)在通信基站的應(yīng)用目前在全世界66億人口中，有超過20億的人口沒有得到足夠的電力供應(yīng)，大約占總?cè)丝诘?/3。圖1 顯示了世界上有電和沒有電的區(qū)域。沒有足夠電力供應(yīng)的地區(qū)主要分布在非洲、南美洲、亞洲和東南亞地區(qū)。如菲律賓和印度尼西亞， 擁有眾多的島嶼，在這些狹小的島嶼地區(qū)無法統(tǒng)一建設(shè)大面積的電網(wǎng)。而在有些地區(qū)建設(shè)和維護大面積電 網(wǎng)的費用太高，比如中國的西北偏遠地區(qū)，地廣人稀，將電網(wǎng)引入到每一個牧民家庭從經(jīng)濟角度考慮是不 合理的。在一些建立了主要的高壓輸電網(wǎng)的地方，供電經(jīng)常不穩(wěn)定，而升級和改造需要龐大的財政預(yù)算。幸運 的是許多發(fā)展中國家擁有豐富的太陽能或者風(fēng)力等可再生能源，在邊遠地區(qū)大規(guī)

2、模使用這些可再生能源的 供電系統(tǒng)，比使用大面積的高壓輸電網(wǎng)更劃算。邊遠地區(qū)供電系統(tǒng)可以應(yīng)用在那些已經(jīng)存在電網(wǎng)，但是單 獨的供電比擴容高壓輸電網(wǎng)更劃算的場合，如在高速公路沿線使用獨立的供電系統(tǒng)用于信號指示、通信和 照明，可以避免鋪設(shè)和維護地下電纜的昂貴工程。全球太陽能資源豐富的區(qū)域包括非洲、南亞、東南亞、 澳洲、中美洲和我國的青藏高原等地區(qū)，在這些地區(qū)使用太陽能供電系統(tǒng)供電是經(jīng)濟的選擇。一、邊遠地區(qū)通信基站供電系統(tǒng)選擇邊遠地區(qū)供電系統(tǒng)一般包括發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、能量變換和管理設(shè)備。發(fā)電設(shè)備有柴油發(fā)電機、光 伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機或者水力發(fā)電機。儲能設(shè)備一般有蓄電池組或者儲能水池。能量變換和管理設(shè)備有

3、直 流變換器、逆變器等設(shè)備。柴油發(fā)電機是許多邊遠地區(qū)供電系統(tǒng)的能量來源，為了獲得最大燃料效率和減小維護，需要負載率保 持在發(fā)電機額定負載容量的60%70%。風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率可以達到250W500kW，但是需要選取適當(dāng) 的風(fēng)場，具備穩(wěn)定的風(fēng)速。水輪發(fā)電機雖然發(fā)電成本相對較低，但是需要選取建設(shè)在適度和穩(wěn)定的河流上， 水輪發(fā)電機的發(fā)電成本相對較低，但是發(fā)電機的成本較高。通信網(wǎng)絡(luò)要求基站等設(shè)備提供7X24小時穩(wěn)定運行，基站設(shè)備除分布在市區(qū)外，還大量分布在沙漠、 海島、山頂?shù)雀鞣N環(huán)境中，覆蓋面積寬廣，一般無人值守，對電源可靠性和壽命具有高要求。太陽能供電 系統(tǒng)的光伏電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，通過光

4、伏組件的串并聯(lián)方式提供基站需要的-48V電壓，實現(xiàn)能 量的靜止變換，與具備機械轉(zhuǎn)動部件的發(fā)電機相比較，維護工作量很少。對小于2kW的基站負載，是合適 的邊遠地區(qū)供電系統(tǒng)方案，尤其在全球原油價格高企的發(fā)展趨勢下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本優(yōu)勢日益明顯。二、通信基站光伏供電系統(tǒng)通信基站太陽能供電系統(tǒng)由光伏組件、陣列支架、匯線盒、充放電控制器、蓄電池組、逆變器等組成， 如圖2所示。組件一般采用單晶硅或多晶硅電池，每個電池輸出電壓大約為0.5V, 一般組件采用72個太陽電池串 聯(lián)，所以為了得到43.256.4V電壓范圍，需要兩塊組件串聯(lián)使用。功率等級盡量選取產(chǎn)量較大的規(guī)格，如 165W、170W和175W等幾

5、種規(guī)格。太小的組件規(guī)格導(dǎo)致支架設(shè)計成本增加和占地面積增加，而過大的組件 規(guī)格使用的太陽電池成品率較低，電池成本相對較高。根據(jù)負載容量和當(dāng)?shù)靥柲苜Y源情況選取組件并聯(lián) 數(shù)。多個光伏組件并聯(lián)構(gòu)成陣列，采用鍍鋅鋼材支架支撐組件，使組件具備一定的傾斜角度，同時固定組 件，抵抗風(fēng)吹。對于獨立光伏系統(tǒng)，為了降低蓄電池用量和系統(tǒng)成本，需要在冬季獲得最大的太陽能輻照， 這樣就需要將組件的傾角設(shè)置成比當(dāng)?shù)鼐暥却?0 20。當(dāng)陰雨天氣或者夜間，無太陽光或者輻照變?nèi)?，無法提供負載需要的能量時，蓄電池組繼續(xù)為負載提 供所需能量。蓄電池組的容量根據(jù)負載容量、連續(xù)陰雨天時的自給天數(shù)、放電深度確定。過去富液式鉛酸蓄電池（O

6、PzS）是光伏供電系統(tǒng)常用的選擇，這是由于OPzS蓄電池采用管狀正極，可 以防止活性物質(zhì)（active material）脫落，厚的負極極板，延長了使用壽命。然而，近年來愈來愈多的光 伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)向管狀正極板的膠體閥控式密封鉛酸蓄電池（OPzV），這種轉(zhuǎn)變的主要原因是閥控式密封鉛酸蓄 電池（VRLA）技術(shù)需要更少的維護。富液電池需要定期加水維護，如果得不到及時維護，蓄電池的使用壽命將會縮短，而將去離子蒸餾水 運輸?shù)竭呥h地區(qū)的基站需要更高的成本。VRLA電池在通常工作條件下，僅析出微量的硫酸和氫氣，極大減 少了維護工作量，也不需要專門建設(shè)機房和安裝專用通風(fēng)裝置。電解液分層現(xiàn)象是造成許多富液電池失效

7、的原因，一般采用過充電來消除，通常需要附加過充電高達15%。膠體電池在工作期間經(jīng)歷微不足道的電 解液分層，因而不會遭受與分層相關(guān)的失效。欠充電是邊遠地區(qū)供電系統(tǒng)中工作的VRLA失效的常見原因， 這是由于光伏能量來源在雨季不穩(wěn)定時導(dǎo)致電池活性物質(zhì)中硫酸鉛晶體的積累和生長，研究表明，膠體電 池使用的微孔隔板不容易發(fā)生枝晶穿透，在這方面有更好的特性。與富液電池充電恢復(fù)能力為110%115% 相比，膠體電池的充電恢復(fù)僅為103%105%，充電效率的提高，有利于節(jié)約光伏能源。充放電控制采用多路控制器，太陽能組件陣列分為多個支路通過匯線盒接入控制器。當(dāng)蓄電池充滿時， 控制器將組件陣列逐路斷開；負載由蓄電池

8、和剩余光伏組件聯(lián)合供電，當(dāng)蓄電池電壓回落到設(shè)定值時，控 制器再將組件陣列逐路接通，實現(xiàn)對蓄電池組充電電壓和電流的調(diào)節(jié)。這種增量控制方式可以近似達到脈寬調(diào)制（PWM ）控制器的效果，路數(shù)愈多，增幅愈小，愈接近線性調(diào)節(jié)。三、應(yīng)用實例圖3是中興通訊在布基納法索農(nóng)村地區(qū)提供的一個光伏供電系統(tǒng)實例。座3詁流地區(qū)太低暨樓宅實際應(yīng)月京例當(dāng)?shù)鼐暥仁潜本?1 59,連續(xù)陰雨天自給天數(shù)為5天，基站負載類型是BTS和微波，負載功率為550W。 根據(jù)這些信息，系統(tǒng)配置如下：光伏組件：monocrystalline 165W 30 塊組件；蓄電池組：2V 1000Ah OPzV膠體蓄電池2組；充放電控制器：-48V 150A控制器。該項目配置了 22個太陽能供電的BTS站點，這些站點的負載功耗范圍400900W，容量相對較小。如 果使用柴油發(fā)電機供電，配置油機的容量較小，油機轉(zhuǎn)換效率降低，導(dǎo)致經(jīng)濟性較差，同時供電可靠性也 較低。采用太陽能電池和膠體密封蓄電池供電方案，不需要定期為油箱加油，也不