风光互补发电在通信基站节能中的应用

马也骋

（浙江邮电职业技术学院，浙江 绍兴312016）

能源是人类社会生存与发展的物质基础，更是国民经济发展的基本动力。由于多年来对煤炭、石油、天然气等化石能源过度的、无限制的开采，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成了严重威胁。处在经济转型期的中国应对气候变化，节能减排的压力与日俱增，已经显得越来越重要，寻找可替代的清洁能源资源成为人类迫切需要。

风能和太阳能就是来自大自然的一种清洁能源，都属于取之不尽、用之不竭的可再生能源。采用相应的技术，将风能和太阳能转化为电能，进行整合后称为风光互补能源。风能和太阳能具有天然的互补性，白天日照强，太阳能丰富，晚上风多，风能充足，夏日和冬日风能和太阳能也有很好的互补效果，风能和太阳能互补的这个特点使它能成为持续稳定供电的电源。实践证明，风光互补供电系统等清洁能源将广泛得到应用，前景广阔。

1 通信基站供电系统应用背景

改革开放以来，我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。只有加快调整经济结构、转变增长方式，坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快地可持续发展。

借助于改革开放的东风，我国通信事业近年来飞速发展，移动通信大规模普及，众多通信运营商不断加大对硬件设施的投入。其主要表现为增加通信基站，扩大通信覆盖范围。据不完全统计，我国各类移动通信基站数量早已超过60万个，加上电信、联通等运营商，基站数量不计其数。这些基站的年耗电量就已超过80亿k Wh。如果考虑配套的空调、电源和传输等设备，耗电量还将大幅增长。通信基站选用市电、柴油、汽油及燃气轮机作为供电系统，一方面给运营商带来了较大的运营成本，同时也给环境造成巨大污染。顺应国家节能减排的战略，提升通信基站的节能环保性能，改变基站现有的供电方式，建设绿色通信基站，逐渐成为一个不容忽视的重要问题。中国电信、中国移动等运营商于2007年起就启动了以节能减排为核心的“绿色行动计划”，从企业自身、行业和社会三个层面推进节能减排工作。通过积极的努力，取得了重大进展。仅中国移动2008年实现单位业务量耗电较2007年下降11%，节电11.7亿度；2009年，实现单位业务耗电下降14%，节电18亿度，较2005年下降49%，提前一年完成十一五工作目标。

通信基站风光互补发电系统是独立的供电系统。从经济性来考虑，风光互补发电系统就地取用风能与太阳能发电，发电过程是利用自然资源，节省了运营商使用市电的费用。另一方面，对于海岛、山区等远离电网的偏远地区的基站来说，风光互补发电系统能可靠独立地为基站供电，而不需要市电的接入，为运营商节省了市电接入而架杆铺线的巨大成本。从运行可靠性来考虑，风光互补发电系统也有着巨大的优势。风能与光能在自然界中本身就具有很好的互补性。天气晴朗时太阳能资源好，阴雨天气时风能资源好；白天太阳能资源好、夜晚风能资源好；夏天太阳能资源好，冬天风能资源好。这保证了风光互补发电系统能够在大多数时间内都可以向外发电，极大地减小了系统因为天气原因而供电不足的可能性，增强了系统供电的连续性、稳定性和可靠性。并且相对于单一的风能或太阳能发电系统，有效地减少了备用蓄电池组配置的容量，从而进一步降低了运营商的建设成本。

2 风光互补供电系统

2.1 风光互补系统适用地区

风光互补发电系统使用环境要求风光互补发电系统在下列条件下应能连续，可靠地工作：

（1）风机耐受的室外温度：－30℃～＋55℃；

（2）太阳能组件耐受的室外温度：－40℃～＋85℃；

（3）其他室外安装设备（不含安装基础、材料等）耐受温度：－30℃～＋55℃；

（4）室内设备耐受温度：－10℃～＋45℃；

（5）空气相对湿度：不大于90%（25±5℃）；

风光互补发电系统适用条件：当地年平均风速大于3.5 m／s，同时年太阳能辐射总量不小于5 000 MJ／m2（或太阳能年平均日照时数不低于1 800 h）为风光互补系统推荐使用区。满足以下条件推荐使用风光互补供电系统：

（1）无市电，或者市电为四类市电，无法满足通信设备供电需求的基站；

（2）如果新建基站的市电引入距离较远，市电引入费用达到（或者超过）风光互补电源系统总投资的70%时，推荐采用风光互补电源系统。

（3）有市电、设备实际功率不大于1 000 W，且是市电引入距离达到4 k m的基站。

（4）对于直放站，如市电引入距离大于2 k m，推荐采用风光互补电源系统。

2.2 风光互补系统的优点

（1）光伏／风力互补发电系统同时利用太阳能和风能发电，因此对气象资源的利用更加充分，可实现昼夜发电。在合适的气象资源条件下，光伏／风力互补发电系统可提高系统供电的连续性、稳定性和可靠性。

（2）单位容量的系统初投资和发电成本均低于独立的光伏系统。如果太阳能与风能资源互补性好，则可适当减少系统的蓄电池组容量。

（3）在太阳能、风能资源比较丰富，且互补性好的情况下，对系统的部件配置、运行模式及及负荷调度方法等进行优化设计后，系统负载只靠光伏／风力互补发电即可获得连续、稳定的供电，备用柴油发电机组可以不启动或很少启动。这样，光伏／风力互补发电系统会有更好的经济效益和社会效益。

（4）单就风力发电机组而言，优势不言而喻，一是自动偏侧、风叶失速、电磁制动等多重保护，安全可靠；二是具有电池控制管理，即过压、欠压、过载等保护功能，运行稳定；三是整机结构简单，安装方便。四是无需铺设输电线路，绿色环保。五是可与基站柴油发电机和现有设备无缝连接，安全便捷；六是对于不同基站，可优化配置不同容量的风力发电机组和光伏组件；七是无污染，噪声低、使用寿命长。

2.3 系统设计

风光互补供电系统设计条件。

（1）采用风光互补的供电方式，以太阳能、风力发电系统为负载提供电力。

（2）该类供电系统所包含的主要设备有：小型风力发电机组、风机控制器、塔架、光电板、光电控制器、光电板支架、蓄电池、逆变器（如果为直流用电设备，则不需要）、电缆线等。

（3）一般来说，冬天的风资源较好、太阳能资源相对弱；而夏天的太阳能资源很好，风资源相对弱。采用风光互补供电系统后，就很好地实现了能源的互补性，同时提高了供电系统的供电可靠性。

风光互补供电系统利用先进的太阳能方阵和风力发电机控制技术，通过智能控制柜将太阳能电池组件产生的直流电与风力发电机组产生的交流电整流，然后一部分转化成交流电供负载使用，另一部分将电能存储到蓄电池组中。当阳光或风能不足时，蓄电池的电能通过控制柜的智能管理转化为交流电供负载使用。当蓄电池的容量不足以给负载供电时，则由智能控制柜感应到信号后直接切换到市电供电，保证了系统供电的连续性，其基本原理如图1所示。

图1 风光互补供电系统基本原理图

在已有市电供电的通信基站基础上配置风光互补发电系统，一方面可以减少蓄电池的容量，节省系统费用的投入，同时也基本上替代了市电供电的功能，节约了通信基站的电费开支。

2.4 风光互补供电系统主要部件

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳电池组件（方阵）、风光互补控制器、逆变器、蓄电池组、泄荷器和远程监控系统组成。各部分功能如下：

风力发电机：通过风力推动风叶转动，将风能转化成电能；

太阳能电池组件：通过硅片吸收太阳能，再转换成电能；

风光互补控制器：根据负载用电需求，支配风能、光能的有效存储及电量输出；

逆变器：将直流电压转换成交流电压；

蓄电池：存储风力发电机和太阳能转换成的电能，并向负载提供电能；

泄荷器：将富余电能转换成热能；

远程监控系统：实时记录系统工作状况，并将数据传输回监控中心。

小型风力发电机技术水平为永磁式同步发电机，其输出与风力直接相关，空载输出波形基本是标准正弦波，谐波含量可以不考虑；风力发电机专门为基站供电，没有别的负载，也就没有来自其它负载的谐波干扰，故风力发电机的供电质量甚至高于电网；尽管风力发电机电源存在供电不稳定、下行电压、电流、频率受风力影响而忽高忽低，但其频率变化不大，故不考虑其谐波干扰；基站用直流电源来自电网→DC－DC模块→蓄电池组，其中蓄电池组在该系统中发挥了强大的功能，除了基本的蓄电功能外，还相当于一个容量极大的滤波系统，风力发电机电压、电流、频率的波动，到蓄电池环节，已基本消除。采用风光互补式供电系统，风力发电机供电的不稳定现象更不会对直流供电环节造成影响。铅酸电池最好的工作状态是浮充状态，并定时给予一定深度的放电。所以对蓄电池不产生任何质量影响，反而能提高蓄电池的使用寿命。

3 基站风光互补供电系统经济节能性分析

随着“十二五”节能减排的深入以及资源税、环境税改革的推进，中国的整体能源结构将发生深刻变化。传统化石能源份额将逐步降低，而以光伏、风电为代表的新能源以及以锂电池为代表的新能源汽车则将获得更有利的发展机会，产生爆发性增长。

以基站为例，基站的耗能设备主要包括信号传输主设备、开关电源、机房空调。其中信号传输主设备约占系统总耗电的40%～50%，机房空调占45%～55%，开关电源占5%～15%。如果风光资源条件良好，在风光互补供电系统保证主设备正常运行的同时又能给空调供电，风光互补供电系统能降低基站总能耗的80%～90%。根据基站用电量数据统计，基站一年的耗电量大约在38 000 k Wh左右，如果按照0.8元／度的价格计算，风光互补供电系统一年能给基站节省电费2万余元。

另外，风光互补供电系统从能源方面也节约了很多的能耗。该基站每年的耗电量将近4 000 k Wh，据资料统计，每节约1度电相当于节省0.5 kg煤的能耗和4 L水，同时节省了1 kg二氧化碳和0.03 kg二氧化硫的排放量。可知，单单一个基站一年可以节约2 000 kg标准煤，可减少二氧化碳排放量4 000 kg。如果建设200套风光互补供电系统，全年可以节约电费400万余元；可节约标准煤400吨；可减少二氧化碳排放量800吨。如果正常运行20年可节约电费8 000多万元；节约标准煤8 000吨；减少二氧化碳排放量16 000吨。

中国移动公司拥有全球最多移动用户，从2007年开始大力发展绿色能源。到目前为止，中国移动采用绿色能源的基站数量已经达到了6 000座，而且还在不断增加。以目前应用最多的500 W小型风力发电机为例：在年平均风速4.2 m／s的地区，如果在每个站点都装有3台功率为500 W的小型风力发电系统，全年可发电2 500 k Wh，减少市电消耗近一成，减排二氧化碳近2吨，节能减排效果十分明显。

我国已进入第十二个五年计划发展期，国家不久前提出了“十二五”节能减排目标是：到2015年，全国万元国内生产总值能耗下降到0.869吨标准煤（按2005年价格计算），比2010年的1.034吨标准煤下降16%，比2005年的1.276吨标准煤下降32%；“十二五”期间，实现节约能源6.7亿吨标准煤。到2015年，全国化学需氧量和二氧化硫排放总量分别控制在2 347.6万吨、2 086.4万吨，比2010年的25 51.7万吨、2 267.8万吨分别下降8%；全国氨氮和氮氧化物排放总量分别控制在238.0万吨、2 046.2万吨，比2010年的264.4万吨、2 273.6万吨分别下降10%。实现这一目标任重道远，它将对通信电源结构调整、大范围大规模推广风光互补供电系统等清洁能源产生深远的影响。

［1］ 国务院发布“十二五”节能减排综合性工作方案［Z］.国家发展改革委有关负责人就“十二五”节能减排综合性工作方案答记者问，2011.

［2］ 赖克中.风光互补移动通信电源的设计与应用［J］.能源与环境，2009，（02）104－105.

［3］ 付河生.浅谈风光互补能源在移动通信基站的应用［C］.通信电源新技术论坛2011通信电源学术研讨会论文集，2011.

［4］ 何 淼.48 V风光互补独立电源系统研究与开发［D］.合肥：中国科学技术大学，2011.