边远地区基站供电方案的解决与研究

一、背景

距不完全统计，我国目前尚有7,656万无电人口，16个无电县，828个无电乡和29,783个无电村。由于这些县城、村镇及散居牧户地处边远，远离电网，用电负荷小而且分散，近20年之内不可能通过延伸电网实现供电。我国风能、太阳能资源丰富。可利用的风能资源约2.5亿千瓦，主要分布在沿海和内蒙古—甘肃—新疆一线的两大风带，有效风能密度在200瓦/平方米以上；我国2/3以上地区的年日照大于2000小时，年均辐射量约为5900 兆焦耳/平方米，青藏高原、内蒙古、宁夏、甘肃北部、陕西、河北西北部、新疆南部、东北以及陕甘宁部分地区的光照尤为突出。而我国大多数无电人口恰好主要分布在这些地区。

中国移动以“责任”与“卓越”作为追求目标，以“创新”来实现跨越，先后在中西部地区开始了“村通”工程建设，并为此投入了巨大的人力、物力，取得了一定的效果。但在边远的地区如山区、沙漠、高原、海岛、湖泊等地方，市电无法到达或市电施工成本太高，如何高效、快捷、便利地做好基站供电工作，是当前“村通工程”面临的重要问题。笔者经过多年大量资料的搜集与研究，提出一种新型的供电方案，此方案可以全天候供电，且安装时间较短、维护简单，一次性投资，常年收益。

二、系统方案

对于一般的边远地区移动基站，视本地的地理位置和环境情况，配以不同功率的太阳能电池板和风力发电机，通过充电控制来对蓄电池进行充电，对于系统多余的能量，可以通过卸荷系统来调节室内的温度，BTS和传输通过直流配电屏直接供电，基站内的日光灯等，建议也选用直流电源的LED灯具，对于维护、检修用的交流电源，可以通过便携式逆变电源来供给。通过这样的配置，可以节省了空调设备，可以很大的简化供电系统。下面将相关涉及的材料，进行简单的介绍。

三、风力发电机

风力发电机组正常分为高速风型和低风速型，考虑到绝大多数地区的年平均风能的具体情况以及系统造价，一般采用低风速型设计方案，具有适应地区广、发电效率高、结构简单、性能可靠、维护方便的特点，稳速机构采用侧偏尾翼方式，整机设计合理、运行平稳、对不同风况适应能力强。风力发电机组一般包含以下几个组件：发电机、叶片、导流罩、尾翼、回转体、支撑杆、底座、拉线等。风力发电机正常使用应注意以下事项：
     
风机应安装在使风能充分利用的地方，且无高大障碍物，使风机四面临风，或者立于小山包之上，或虽处凹地，但形如走廊，总有疾风劲吹而得天独厚。

A  如需在障碍物附近安装风机，在条件许可的情况下应机 尽可能地远离障碍物，以充分利用风能，离障碍物的极距离要求。（见图）

B  如在障碍物之上架设风机，风机的安装高度应使风轮的下缘至少高出障碍物的最高点 2 米 。（见图）

四、太阳能电池板

太阳能电池板采用高晶硅材料制成，并用高强度、透光性能强的太阳能专用钢化玻璃以及高性能、耐紫外线辐射的专用密封材料层压而成的太阳能电池板，能抗冰雪地带。在温度剧变的恶劣环境下能正常使用，在使用过程中，把太阳能转换成电能；所以，只要有阳光就可以发电，是一种先进、无污染的环保的高科技产品。

太阳能安装应注意以下事项：

太阳电池组件工作时其安装方向应保证最大限度地接收日光照射，考虑了一天内阳光入射方向的变化和一年内冬季和夏季太阳距地平线高度的不同。建议在一般情况下组件应朝赤道方向倾斜安装，即北半球组件受光面应朝向南方，南半球组件受光面应朝向北方。一般情况下其组件与地面的夹角应参照当地纬度±（5°~10°）。
 

五、充电控制器（MPPT即峰值功率跟踪）的应用

MPPT(Maximum Power Point Tracker)即峰值功率跟踪器，是太阳能电池发电系统、风力发电系统中的重要部件。MPPT的作用是使太阳能电池阵列工作在最大输出功率点。它是高效率的DC／DC变换器，相当于太阳能电池输出端的阻抗变换器。MPPT是太阳能车、太阳能发电系统、太阳能水泵上常用的功率提升部件。MPPT能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15％～36％。

本文所述MPPT是通用性的功率控制器，主要针对于3000W以下的太阳能发电系统、风力发电机系统。在提高发电效率的同时，可以实现充电限流、停止充电、卸荷、输出稳压等功能。MPPT根据智能的控制策略判断最大功率点的位置，自动调整发电系统的输出电流，来跟踪最大功率点电压，由此实现MPPT的功能。因此，MPPT不仅是一个高效率的DC／DC转换器，更是一个智能的控制系统。

六、空气调节及卸荷控制原理：

根据大量的数据调研，表明边远基站的绝大部分时间内，户外温度低于机房规定的需求温度，因此可以通过利用全热交换的方式，利用室外的冷空气降低室内的温度。当室内空气调系统进风和出风分别呈正交叉方式流经换热芯体，由于平隔板两侧气流存在着温度差和水蒸汽压差，两股气流间同时呈现传热传质现象，引起全热交换过程。这种过程是通过平隔板完成的，所以属透过型全热交换现象。

换热式空气调节示意图如下：

当风力发电机和太阳能电池板对电池充满后或风力太大后引起风机转速超高，为了保护发电设备，根据国家相应的技术规范，需要对发电设备进行强制卸荷处理，即用重负载加到发电设备的两端，以提供一个电荷泄发回路，强制降低发电端输出电压或降低风机的转速。利用半导体致冷片的发热效应，配以电压换向装置，利用充电满后多余的能量，用半导体致冷片来合理调节边远基站的室内温度。如果再配以智能通风系统，完全可以达到空调的效果，可以取代基站传统的空调设备。以下是对半导体致冷片的简介：

半导体致冷片（TE）也叫热电致冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无致冷剂污染的场合。

当室内温度达到设定的温度后，为了继续保证卸荷功能的正常进行，微处理器通过程序来周期性的变换制冷、制热工作状态，人为地消耗了多余的能量。

七、便携式逆变电源

根据日常维护需要用到的仪表、设施的交流功率，来恰当地配备好符合负载功率容量的逆变电源。但建议相关部门一定要选配纯正弦波的逆变电源。

八、用电功率计算

通用的移动基站用电设备主要有：BTS、传输设备、电源设备、空调设备、照明系统等，在新型基站供电系统中，普通的空调设备更换为智能通风系统、照明系统更换为LED灯，整个功耗基本不变。

根据设备厂家提供的技术文件，BTS、传输设备的标准功率消耗量为：

以标准的2/2/2配置来计算直流负载，不包含3G需要48V/105A，考虑到变换效率，则需要输入功率P=48×105/0.85=5.93KW。

九、热工负荷计算

移动基站热工负荷，主要来自基站设备、外部设备及机房的发热量，大约占总热量的80%以上，其次是照明热、传导热、辐射热等。

a.外部设备发热量计算

Q＝860N￠(kcal／h)。式中：
N：用电量(kW)；　
￠：同时使用系数(0.2～0.5)；　
860：功的热当量，即lkW电能全部转化为热能所产生的热量。
b.主机发热量计算　
Q＝860P×h1×h2×h3。式中：
P：总功率(kW)；
h1：同时使用系数；
h2：利用系数；　
h3：负荷工作均匀系数。
　　
基站内各种设备的总功率，应以基站内设备的最大功耗为准，但这些功耗并未全部转换成热量，因此，必须用以上三种系数来修正，这些系数又与基站的系统结构、功能、用途、工作状态等有关。总系数一般取0.6～0.8之间为好。
c
.照明设备热负荷计算　
　　
机房照明设备的耗电量，一部分变成光，一部分变成热。因基站是无人值守的，故照明发热可以忽略不计。

d.人体发热量
　　
人体内的热是通过皮肤和呼吸器官放出来的，这种热因含有水蒸汽，其热负荷应是显热和潜热负荷之和。因基站是无人值守的，可以忽略不计。

e.围护结构的传导热
　　
通过机房屋顶、墙壁、隔断等围护结构进入机房的传导热是一个与季节、时间、地理位置和太阳的照射角度等有关的量。因此，要准确地求出这样的量是很复杂的问题。
　　
当室内外空气温度保持一定的稳定状态时，由平面形状墙壁传入机房的热量可按下式计算：

Q＝KF(t1-t2)　kcal／h。式中：
K：围护结构的导热系数(kcal／m2h℃)；
F：围护结构面积(m2)；　
t1：机房内温度(℃)；
t2：机房外的计算温度(℃)。

当计算不与室外空气直接接触的围护结构如隔断等时，室内外计算温度差应乘以修正系数，其值通常取0.4～0.7。常用材料导热系数如下表所示：

常用材料导热系数

f.从玻璃透入的太阳辐射热　
　　
当玻璃受阳光照射时，一部分被反射、一部分被玻璃吸收，剩下透过玻璃射入机房转化为热。被玻璃吸收的热使玻璃温度升高，其中一部分通过对流进入机房也成为热负荷。
　　
透过玻璃进入室内的热量可按下式计算：

Q＝KFq　(kcal／h)。式中：
K：太阳辐射热的透入系数；
F：玻璃窗的面积(m2)；　
q：透过玻璃窗进入的太阳辐射热强度(kcal／m2h)。

透入系数K值取决于窗户的种类，通常取0.36～0.4。　
　　
太阳辐射热强度q随纬度、季节和时间而不同，又随太阳照射角度而变化。具体数值请参考当地气象资料。

g.换气及室外侵入的热负荷　
　　
为了给在机房内工作的人员不断补充新鲜空气，以及用换气来维持机房的正压，需要通过空调设备的新风口向机房送入室外的新鲜空气，这些新鲜空气也将成为热负荷。通过门、窗缝隙和开关而侵入的室外空气量，随机房的密封程度，人的出入次数和室外的风速而改变。这种热负荷通常都很小，如需要，可将其折算为房间的换气量来确定热负荷。

 十、样板工程分析

以吉林长白山山顶建设的移动基站为例，来计算系统配置。

1、功率计算

以2/2/2的基站配置来计算，理论上需要的电功率为：51A，  但经过实际测量，实际平均负载容量为48V、21A，考虑到浮充因数，计为1.1KW。考虑到连续5天无太阳和风力特殊情况，蓄电池放电深度按0.8计，则蓄电池容量应为：5X24X21A/0.8=3150Ah，取最近的值，则选用2V1000Ah的蓄电池72节，并联成48V2000Ah的蓄电池组3组。

2、系统要求及气象数据

针对以上负载功耗和相关要求，在吉林长白地区的太阳能配置如下：

基本要求：最长连续阴雨天3天，两个阴雨天之间的间隔最短30天；

气象数据：纬度41.50，经度128.20 ，每日有效光辐射时间为4.86小时。

长白山天池一带，为特大风区，年平均风速为11.7米／秒，有效风能密度最大为1100瓦/米2

 注：以上数据来源于是NASA

3、系统建议配置

基站供电系统主要配置如下：

风力发电机：

按照平均风速发电，在24小时内能将电池充满，风机选用低速风机，平均风速发电能力按照80%计算，则需要配备的风力发电机容量应为：

54V×3000A/（24×80%）=8438W，建议由8台110V1KW的风力发电机并联组成；

风力发电隔离充电控制器：48V、50A模块4个

蓄电池：

48V、3000Ah，由72块2V、1000Ah蓄电池24只3组并联；

风力发电输入配电柜：

选用10KVA10路输入，8路输出的发电配电柜

直流输出配电柜：

选用400A输出4路，100A输出4路，63A输出4路的直流配电柜

智能换热式空调调节系统：

为了保证机房的温度能保持在规定的温度范围内，建议对机房进行密封、二次保温处理，处理过后，机房本身电气设备产生的热量为：1.1KWX0.6=0.66KW，Q1=0.66X860=567.6 kcal/h；

外围围护结构的传热为：

夏季，以5X5基站的5个接触面合计面积为85平方，温差10度，围护结构传热系数0.4来计算，Q2=85X10X0.4=+340kcal/h

冬季，以5X5基站的6个接触面合计面积110平方（考虑到地坪的传热效果），温差25度来计算，Q2=110X25X0.4=-1110kcal/h。则：

夏季需要提供：Q1+Q2=907.6 kcal/h的制冷量，

冬季需要提供：Q1+Q2=542.4 kcal/h的制热量

据上，考虑到卸荷需要用到的负载，则选用制冷量为1K大卡，卸荷电阻为8KW的智能空气调节系统。

结论：

本课题设计的系统具有以下功能：

•使用了MPPT(峰值功率跟踪)技术，可提高充电效率30%；在低风速、低光照情况下也可进行充电。

•卓越的充电管理技术:充电时最大功率跟踪，充满后自动转为浮动充电，强风和强光时进行充电限流，有效保护电池和负载；

•通过智能处理，在强风和强光时或电池电充满后，利用半导体制冷（热）来作为卸荷装置，既将富余能量释放掉、保护了发电设备又调节了基站的室内温度，节省了空调设备的投资，节省了基站的室内面积。

•节省了大量的供电费用，并降低了维护成本

采用本文的供电方案，在边远基站的建设上可以不受市电供电条件的限制。利用本文的方案，可以缩短基站建设工期、降低工程总体成本。因采用风、光互补发电方式，可以24小时不间断发电，无须另配发电机，发电维护量较少。

综上所述，本文的方案在国内具有领先水平，方案经济合理，可操作性强，具有极高的推广价值。