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太阳能供电系统在通信基站的应用

2018-3-14

目前在全世界66亿人口中,有超过20亿的人口没有得到足够的电力供应,大约占总人口的1/3。图1显示了世界上有电和没有电的区域。

没有足够电力供应的地区主要分布在非洲、南美洲、亚洲和东南亚地区。如菲律宾和印度尼西亚,拥有众多的岛屿,在这些狭小的岛屿地区无法统一建设大面积的电网。而在有些地区建设和维护大面积电网的费用太高,比如中国的西北偏远地区,地广人稀,将电网引入到每一个牧民家庭从经济角度考虑是不合理的。

在一些建立了主要的高压输电网的地方,供电经常不稳定,而升级和改造需要庞大的财政预算。幸运的是许多发展中国家拥有丰富的太阳能或者风力等可再生能源,在边远地区大规模使用这些可再生能源的供电系统,比使用大面积的高压输电网更划算。边远地区供电系统可以应用在那些已经存在电网,但是单独的供电比扩容高压输电网更划算的场合,如在高速公路沿线使用独立的供电系统用于信号指示、通信和照明,可以避免铺设和维护地下电缆的昂贵工程。全球太阳能资源丰富的区域包括非洲、南亚、东南亚、澳洲、中美洲和我国的青藏高原等地区,在这些地区使用太阳能供电系统供电是经济的选择。

一、边远地区通信基站供电系统选择

边远地区供电系统一般包括发电设备、储能设备、能量变换和管理设备。发电设备有柴油发电机、光伏阵列、风力发电机或者水力发电机。储能设备一般有蓄电池组或者储能水池。能量变换和管理设备有直流变换器、逆变器等设备。

柴油发电机是许多边远地区供电系统的能量来源,为了获得最大燃料效率和减小维护,需要负载率保持在发电机额定负载容量的60%~70%。风力发电机的输出功率可以达到250W~500kW,但是需要选取适当的风场,具备稳定的风速。水轮发电机虽然发电成本相对较低,但是需要选取建设在适度和稳定的河流上,水轮发电机的发电成本相对较低,但是发电机的成本较高。

通信网络要求基站等设备提供7×24小时稳定运行,基站设备除分布在市区外,还大量分布在沙漠、海岛、山顶等各种环境中,覆盖面积宽广,一般无人值守,对电源可靠性和寿命具有高要求。太阳能供电系统的光伏电池将太阳能直接转化为电能,通过光伏组件的串并联方式提供基站需要的-48V 电压,实现能量的静止变换,与具备机械转动部件的发电机相比较,维护工作量很少。对小于2kW的基站负载,是合适的边远地区供电系统方案,尤其在全球原油价格高企的发展趋势下,光伏发电系统的成本优势日益明显。

二、通信基站光伏供电系统

通信基站太阳能供电系统由光伏组件、阵列支架、汇线盒、充放电控制器、蓄电池组、逆变器等组成,如图2所示。

组件一般采用单晶硅或多晶硅电池,每个电池输出电压大约为0.5V,一般组件采用72个太阳电池串联,所以为了得到43.2~56.4V电压范围,需要两块组件串联使用。功率等级尽量选取产量较大的规格,如165W、170W和175W等几种规格。太小的组件规格导致支架设计成本增加和占地面积增加,而过大的组件规格使用的太阳电池成品率较低,电池成本相对较高。根据负载容量和当地太阳能资源情况选取组件并联数。

多个光伏组件并联构成阵列,采用镀锌钢材支架支撑组件,使组件具备一定的倾斜角度,同时固定组件,抵抗风吹。对于独立光伏系统,为了降低蓄电池用量和系统成本,需要在冬季获得最大的太阳能辐照,这样就需要将组件的倾角设置成比当地纬度大10°~20°。

当阴雨天气或者夜间,无太阳光或者辐照变弱,无法提供负载需要的能量时,蓄电池组继续为负载提供所需能量。蓄电池组的容量根据负载容量、连续阴雨天时的自给天数、放电深度确定。

过去富液式铅酸蓄电池(OPzS)是光伏供电系统常用的选择,这是由于OPzS蓄电池采用管状正极,可以防止活性物质(active material)脱落,厚的负极极板,延长了使用寿命。然而,近年来愈来愈多的光伏系统转向管状正极板的胶体阀控式密封铅酸蓄电池(OPzV),这种转变的主要原因是阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA)技术需要更少的维护。

富液电池需要定期加水维护,如果得不到及时维护,蓄电池的使用寿命将会缩短,而将去离子蒸馏水运输到边远地区的基站需要更高的成本。VRLA电池在通常工作条件下,仅析出微量的硫酸和氢气,极大减少了维护工作量,也不需要专门建设机房和安装专用通风装置。电解液分层现象是造成许多富液电池失效的原因,一般采用过充电来消除,通常需要附加过充电高达15%。胶体电池在工作期间经历微不足道的电解液分层,因而不会遭受与分层相关的失效。欠充电是边远地区供电系统中工作的VRLA失效的常见原因,这是由于光伏能量来源在雨季不稳定时导致电池活性物质中硫酸铅晶体的积累和生长,研究表明,胶体电池使用的微孔隔板不容易发生枝晶穿透,在这方面有更好的特性。与富液电池充电恢复能力为110%~115%相比,胶体电池的充电恢复仅为103%~105%,充电效率的提高,有利于节约光伏能源。

充放电控制采用多路控制器,太阳能组件阵列分为多个支路通过汇线盒接入控制器。当蓄电池充满时,控制器将组件阵列逐路断开;负载由蓄电池和剩余光伏组件联合供电,当蓄电池电压回落到设定值时,控制器再将组件阵列逐路接通,实现对蓄电池组充电电压和电流的调节。这种增量控制方式可以近似达到脉宽调制(PWM)控制器的效果,路数愈多,增幅愈小,愈接近线性调节。

三、应用实例

图3是美克在布基纳法索农村地区提供的一个光伏供电系统实例。

当地纬度是北纬11°59′,连续阴雨天自给天数为5天,基站负载类型是BTS和微波,负载功率为550W。根据这些信息,系统配置如下:
光伏组件:monocrystalline 165W 30块组件;
蓄电池组:2V 1000Ah OPzV胶体蓄电池 2组;
充放电控制器:-48V 150A控制器。

该项目配置了22个太阳能供电的BTS站点,这些站点的负载功耗范围400~900W,容量相对较小。如果使用柴油发电机供电,配置油机的容量较小,油机转换效率降低,导致经济性较差,同时供电可靠性也较低。采用太阳能电池和胶体密封蓄电池供电方案,不需要定期为油箱加油,也不需要维护柴油发电机和富液蓄电池。节约了柴油购买费用,也减少了维护工作量,有效降低了运营商的运营成本。