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          太陽能供電系統在通信基站的應用

          2018-3-14

          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,大約占總人口的1/3。圖1顯示了世界上有電和沒有電的區域。

          沒有足夠電力供應的地區主要分布在非洲、南美洲、亞洲和東南亞地區。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無法統一建設大面積的電網。而在有些地區建設和維護大面積電網的費用太高,比如中國的西北偏遠地區,地廣人稀,將電網引入到每一個牧民家庭從經濟角度考慮是不合理的。

          在一些建立了主要的高壓輸電網的地方,供電經常不穩定,而升級和改造需要龐大的財政預算。幸運的是許多發展中國家擁有豐富的太陽能或者風力等可再生能源,在邊遠地區大規模使用這些可再生能源的供電系統,比使用大面積的高壓輸電網更劃算。邊遠地區供電系統可以應用在那些已經存在電網,但是單獨的供電比擴容高壓輸電網更劃算的場合,如在高速公路沿線使用獨立的供電系統用于信號指示、通信和照明,可以避免鋪設和維護地下電纜的昂貴工程。全球太陽能資源豐富的區域包括非洲、南亞、東南亞、澳洲、中美洲和我國的青藏高原等地區,在這些地區使用太陽能供電系統供電是經濟的選擇。

          一、邊遠地區通信基站供電系統選擇

          邊遠地區供電系統一般包括發電設備、儲能設備、能量變換和管理設備。發電設備有柴油發電機、光伏陣列、風力發電機或者水力發電機。儲能設備一般有蓄電池組或者儲能水池。能量變換和管理設備有直流變換器、逆變器等設備。

          柴油發電機是許多邊遠地區供電系統的能量來源,為了獲得最大燃料效率和減小維護,需要負載率保持在發電機額定負載容量的60%~70%。風力發電機的輸出功率可以達到250W~500kW,但是需要選取適當的風場,具備穩定的風速。水輪發電機雖然發電成本相對較低,但是需要選取建設在適度和穩定的河流上,水輪發電機的發電成本相對較低,但是發電機的成本較高。

          通信網絡要求基站等設備提供7×24小時穩定運行,基站設備除分布在市區外,還大量分布在沙漠、海島、山頂等各種環境中,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。太陽能供電系統的光伏電池將太陽能直接轉化為電能,通過光伏組件的串并聯方式提供基站需要的-48V 電壓,實現能量的靜止變換,與具備機械轉動部件的發電機相比較,維護工作量很少。對小于2kW的基站負載,是合適的邊遠地區供電系統方案,尤其在全球原油價格高企的發展趨勢下,光伏發電系統的成本優勢日益明顯。

          二、通信基站光伏供電系統

          通信基站太陽能供電系統由光伏組件、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,所以為了得到43.2~56.4V電壓范圍,需要兩塊組件串聯使用。功率等級盡量選取產量較大的規格,如165W、170W和175W等幾種規格。太小的組件規格導致支架設計成本增加和占地面積增加,而過大的組件規格使用的太陽電池成品率較低,電池成本相對較高。根據負載容量和當地太陽能資源情況選取組件并聯數。

          多個光伏組件并聯構成陣列,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,抵抗風吹。對于獨立光伏系統,為了降低蓄電池用量和系統成本,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置成比當地緯度大10°~20°。

          當陰雨天氣或者夜間,無太陽光或者輻照變弱,無法提供負載需要的能量時,蓄電池組繼續為負載提供所需能量。蓄電池組的容量根據負載容量、連續陰雨天時的自給天數、放電深度確定。

          過去富液式鉛酸蓄電池(OPzS)是光伏供電系統常用的選擇,這是由于OPzS蓄電池采用管狀正極,可以防止活性物質(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轉向管狀正極板的膠體閥控式密封鉛酸蓄電池(OPzV),這種轉變的主要原因是閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)技術需要更少的維護。

          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到邊遠地區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,也不需要專門建設機房和安裝專用通風裝置。電解液分層現象是造成許多富液電池失效的原因,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歷微不足道的電解液分層,因而不會遭受與分層相關的失效。欠充電是邊遠地區供電系統中工作的VRLA失效的常見原因,這是由于光伏能量來源在雨季不穩定時導致電池活性物質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生枝晶穿透,在這方面有更好的特性。與富液電池充電恢復能力為110%~115%相比,膠體電池的充電恢復僅為103%~105%,充電效率的提高,有利于節約光伏能源。

          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。當蓄電池充滿時,控制器將組件陣列逐路斷開;負載由蓄電池和剩余光伏組件聯合供電,當蓄電池電壓回落到設定值時,控制器再將組件陣列逐路接通,實現對蓄電池組充電電壓和電流的調節。這種增量控制方式可以近似達到脈寬調制(PWM)控制器的效果,路數愈多,增幅愈小,愈接近線性調節。

          三、應用實例

          圖3是美世樂在布基納法索農村地區提供的一個光伏供電系統實例。

          當地緯度是北緯11°59′,連續陰雨天自給天數為5天,基站負載類型是BTS和微波,負載功率為550W。根據這些信息,系統配置如下:
          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400~900W,容量相對較小。如果使用柴油發電機供電,配置油機的容量較小,油機轉換效率降低,導致經濟性較差,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,也不需要維護柴油發電機和富液蓄電池。節約了柴油購買費用,也減少了維護工作量,有效降低了運營商的運營成本。

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