風光互補基站供電系統設計思路與應用探討

吳學賓　胡富

【摘 要】風光互補供電系統可以解決引接普通農電成本高、供電不穩定等難題。通過對基站風光互補供電系統的技術原理進行簡要分析，并以中國聯通內蒙古阿拉善地區風光互補基站為例，詳細闡述了風光互補基站供電系統的設計思路與應用。

【關鍵詞】風光互補 基站 蓄電池 節能減排

中圖分類號：TM614；TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-03-0149-04

1 引言

內蒙古地處我國北部，幅員遼闊，各地環境復雜多樣，阿拉善郊區和農村基站供電以農電為主，引電距離遠且成本高。電力缺乏是開展通信網絡建設的巨大障礙，而且后期電力供應的穩定性和維護的難易程度也關系到基站的正常運行和后期投入。

由于阿拉善地區具有豐富的風光資源，可采用風光互補供電系統來解決傳統供電線損大、成本高的難題。這樣不但緩解了電力緊張局面，同時也實現了綠色能源的利用，開發了再生能源，促進了循環經濟的發展。

2 技術原理分析

2.1 風光互補供電系統結構

太陽能風光互補供電系統主要由太陽能電池、風力發電機、蓄電池和控制器組成。其結構原理框圖如圖1所示。

2.2 風光互補電源供電系統的運行方式

（1）在陽光照射時，由太陽能電池發電供電；

（2）在無光照而有風時，由風力發電機發電供電；

（3）在既有陽光照射又有風時，被確定為優先供電的太陽能優先供電，在必要時投入風力發電機，以便加強或接替先供電的能源，維持供電；

（4）在既無陽光照射又無風時，則由蓄電池放電供電，直到光照或風力出現，蓄電池放電損失的能量得到補充。

3 風光互補供電系統設計思路及應用實例

3.1 風光互補供電系統設計思路

具體設計思路如下：

（1）根據當地太陽能資源和氣象條件；

（2）根據當地風力資源條件；

（3）根據基站負荷功率；

（4）根據基站目前電源配置情況；

（5）綜合以上條件合理配置太陽能/風能電站的功率。

3.2 內蒙古阿拉善地區風光互補設計及應用實例

（1）阿拉善盟（阿左旗）地區簡介

阿拉善盟地處內蒙古自治區最西端，地理坐標為東經97°10'～106°52'，北緯37°21'～42°47'。該區域的太陽能資源較為豐富，年日照時數達2 600～3 500h。由于氣象意義上的日照時數并不能完全對應太陽能電源設計時所應考慮的有效日照數，而是以日照能夠產生陰影為衡量標準，其計時起始時間為日出、終止時間為日落，因此計算實際日照時數應以氣象日照時數減去3～4h為宜，即本案太陽有效日照按每天5.5h計算。阿拉善盟地區風力資源也較為豐富，加之地處高空西風環流區，全盟多大風天氣，年平均風速為3.7m/s，年平均風速變化幅度為2.9～5.0m/s，全年平均七級以上大風日數為16～58天。

（2）阿拉善盟（阿左旗）地區風光互補系統配置情況

兩種能源的特點如下：

◆太陽能資源的季節性變化相對較穩定，但太陽能晝夜穩定性較差，只能在白天發電，發電時間相對較短；

◆風能資源的季節性變化相對不穩定，但風能晝夜穩定性較好，只要有風全天24h都可以發電。

以上兩種能源各自有其優缺點，要想百分百的依靠太陽能或者風能發電，其系統供電的穩定性都是不太理想的。其實這兩種能源存在著非常好的互補性，因此要充分利用它們的互補性，合理地優化配置風力發電機與太陽能電池的子系統容量是風光互補電源供電系統設計的關鍵問題。

根據內蒙古當地的氣象情況，太陽能資源豐富且相對穩定，而風力資源較不穩定且與風機本身的性能密切相關，可控性不高。因此，選太陽能作為主用能源，且風、光按3：7的比例配置。

1）太陽能電源配置

太陽能電源配置可按以下公式計算：

S=JU（IT+24NI）/NHρ （1）

其配置情況具體如表1所示：

若按7：3的比例配置太陽能和風能電源，則對應的太陽能光伏板容量為：6614.35×70%≈4630Wp。

T選擇72h是為了保證當地連續陰雨天數達不到3天時系統仍能可靠供電。要求補足蓄電池極限能耗的選取時間，則應結合工程投資額度進行調整。

風機提供電能為：6614.35×30%≈1984kW，配置風力發電機（含塔桿）：2套1kW，合計2kW。

2）蓄電池組配置：采用風光互補系統站的蓄電池組，與普通基站的蓄電池容量選擇不同。應重點考慮當地連續無風陰雨天數，并結合通信設備的重要程度、工程投資確定蓄電池持續供電時間。

蓄電池組容量的配置可按照YD/T5040-2005《通信電源設備安裝工程設計規范》中規定的計算方法，并結合蓄電池持續供電時間。阿拉善盟地區考慮蓄電池持續供電時間為72h，經計算選擇48V/1 000Ah蓄電池2組。

至此，48V/15A負載的配置情況如表2所示：

表2 48V/15A風光互補系統的配置情況

序號 設備名稱 配置參數

1 PV 4.6kWp

2 風機 1kW，2臺

3 太陽能控制器 300A系統1套

4 風能控制器 2臺

5 蓄電池組 48V/1 000Ah 2組

4 風光互補基站供電系統應用分析

4.1 經濟性分析

在內蒙古阿拉善地區，對于一個功率500W的基站，市電引入距離超過20公里，前期引電投資較大，平均每公里費用約3萬元，僅拉電費用就超過60萬元；變壓器費用、機房以及電源設備費用、空調費用超過13萬元。建設初期，投資總費用超過70萬元，且開通基站后平均每年電費1.5萬元，傳統農電的費用存在前期投資大的問題。此外，拉電的建設周期長，一般從申請到開通需要1～2個月的時間，而且還經常受到停電的制約。endprint

風光互補基站由于供電能量有限，盡量不使用空調。為了保證基站和蓄電池組的正常工作，一般采用風光互補供電系統基站的機房都建成了地下或半地下的機房，通過地熱輔助設備調節機房溫度，且風光互補基站盡量使用膠體電池。

農電基站與風光互補基站投資對比具體如表3所示。

而對于采用太陽能風光互補型的基站，建設周期短，產權歸局方所有。除去建設初期投入的太陽能風光互補以及機房等配套設施的費用，后期系統每年還可以節省1.5萬元的電費。如果一套風光互補系統在網20年，則可以節省30萬元的電費以及高額的引電費用。

4.2 節能分析

目前各行業都在貫徹國家節能減排計劃，國務院還印發了關于《節能減排綜合性工作方案》。電力消耗在通信運營企業能源消耗成本中占據很大比例。中國聯通內蒙古阿拉善地區每個風光互補型的供電站功耗約為500W，每年的耗電量超過4 000kWh，加上不用空調省下的費用，比常規基站節約將近一萬多度電。據統計資料顯示，按照每節約1kWh電相當于節省0.36kgce的能耗，即相當于節省了1kg廢水的排放量，同時節省了0.959kg二氧化碳和6.5g二氧化硫的排放量。一個基站每天可以節約9.86kgce，一年就是3.6tce，可減少二氧化碳排放量9.59t。具體如表4所示。

我國是能源消耗大國，也是二氧化碳等溫室氣體的排放大國，大幅削減二氧化硫等污染物排放的壓力很大。采用太陽能風光互補技術，可為實現能源結構多元化、解決好節能降耗和生態環境保護問題作出貢獻。

4.3 注意事項

（1）適用在市電無法引入、市電不穩或市電引入建設成本高的站點建設風光互補供電系統；

（2）由于風機的機械運動，系統不可避免地會有一定的磨損，其使用壽命將較低且維護難度較大，因此使用時要慎重，應制定風光互補供電系統的監控系統標準，確保能夠實時監測系統的運行狀況，并更加重視該站點的防盜技術手段；

（3）風光互補供電系統比普通站點所配置的電池容量要大，且通常使用膠體電池，成本較普通鉛酸電池高；

（4）受地域和氣候限制，選址時對自然環境（風能和太陽能資源）要求較高。

5 結論

在太陽能、風能資源比較豐富且互補性好的地區，太陽能風光互補系統要比引接傳統市電體現出更好的經濟性，且節能效果較好，可為節能減排工程作出一定的貢獻。選擇風光互補系統，應在經濟性和可靠性方面做出評估，做好系統配置。

參考文獻：

[1] 馬勇. 基站風光互補供電系統——設計思路、推廣應用情況[A]. 通信電源新技術論壇——2008通信電源學術研討會論文集[C]. 2008.

[2] 朱振宇. 通信基站風光互補供電系統設計[J]. 浙江水利水電專科學校學報， 2009（4）： 38-41.

[3] 馬也騁. 風光互補發電在通信基站節能中的應用[J]. 通信電源技術， 2012（6）： 43-45.

[4] 劉志寧，劉穎，劉和平，等. 淺析阿拉善盟風能資源特征與區劃[J]. 內蒙古氣象， 2002（3）： 32-34.

[5] 何淼. 48V風光互補獨立電源系統研究與開發[D]. 合肥： 中國科學技術大學， 2011.★endprint

風光互補基站由于供電能量有限，盡量不使用空調。為了保證基站和蓄電池組的正常工作，一般采用風光互補供電系統基站的機房都建成了地下或半地下的機房，通過地熱輔助設備調節機房溫度，且風光互補基站盡量使用膠體電池。

農電基站與風光互補基站投資對比具體如表3所示。

而對于采用太陽能風光互補型的基站，建設周期短，產權歸局方所有。除去建設初期投入的太陽能風光互補以及機房等配套設施的費用，后期系統每年還可以節省1.5萬元的電費。如果一套風光互補系統在網20年，則可以節省30萬元的電費以及高額的引電費用。

4.2 節能分析

目前各行業都在貫徹國家節能減排計劃，國務院還印發了關于《節能減排綜合性工作方案》。電力消耗在通信運營企業能源消耗成本中占據很大比例。中國聯通內蒙古阿拉善地區每個風光互補型的供電站功耗約為500W，每年的耗電量超過4 000kWh，加上不用空調省下的費用，比常規基站節約將近一萬多度電。據統計資料顯示，按照每節約1kWh電相當于節省0.36kgce的能耗，即相當于節省了1kg廢水的排放量，同時節省了0.959kg二氧化碳和6.5g二氧化硫的排放量。一個基站每天可以節約9.86kgce，一年就是3.6tce，可減少二氧化碳排放量9.59t。具體如表4所示。

我國是能源消耗大國，也是二氧化碳等溫室氣體的排放大國，大幅削減二氧化硫等污染物排放的壓力很大。采用太陽能風光互補技術，可為實現能源結構多元化、解決好節能降耗和生態環境保護問題作出貢獻。

4.3 注意事項

（1）適用在市電無法引入、市電不穩或市電引入建設成本高的站點建設風光互補供電系統；

（2）由于風機的機械運動，系統不可避免地會有一定的磨損，其使用壽命將較低且維護難度較大，因此使用時要慎重，應制定風光互補供電系統的監控系統標準，確保能夠實時監測系統的運行狀況，并更加重視該站點的防盜技術手段；

（3）風光互補供電系統比普通站點所配置的電池容量要大，且通常使用膠體電池，成本較普通鉛酸電池高；

（4）受地域和氣候限制，選址時對自然環境（風能和太陽能資源）要求較高。

5 結論

在太陽能、風能資源比較豐富且互補性好的地區，太陽能風光互補系統要比引接傳統市電體現出更好的經濟性，且節能效果較好，可為節能減排工程作出一定的貢獻。選擇風光互補系統，應在經濟性和可靠性方面做出評估，做好系統配置。

參考文獻：

[1] 馬勇. 基站風光互補供電系統——設計思路、推廣應用情況[A]. 通信電源新技術論壇——2008通信電源學術研討會論文集[C]. 2008.

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[3] 馬也騁. 風光互補發電在通信基站節能中的應用[J]. 通信電源技術， 2012（6）： 43-45.

[4] 劉志寧，劉穎，劉和平，等. 淺析阿拉善盟風能資源特征與區劃[J]. 內蒙古氣象， 2002（3）： 32-34.

[5] 何淼. 48V風光互補獨立電源系統研究與開發[D]. 合肥： 中國科學技術大學， 2011.★endprint

風光互補基站由于供電能量有限，盡量不使用空調。為了保證基站和蓄電池組的正常工作，一般采用風光互補供電系統基站的機房都建成了地下或半地下的機房，通過地熱輔助設備調節機房溫度，且風光互補基站盡量使用膠體電池。

農電基站與風光互補基站投資對比具體如表3所示。

而對于采用太陽能風光互補型的基站，建設周期短，產權歸局方所有。除去建設初期投入的太陽能風光互補以及機房等配套設施的費用，后期系統每年還可以節省1.5萬元的電費。如果一套風光互補系統在網20年，則可以節省30萬元的電費以及高額的引電費用。

4.2 節能分析

目前各行業都在貫徹國家節能減排計劃，國務院還印發了關于《節能減排綜合性工作方案》。電力消耗在通信運營企業能源消耗成本中占據很大比例。中國聯通內蒙古阿拉善地區每個風光互補型的供電站功耗約為500W，每年的耗電量超過4 000kWh，加上不用空調省下的費用，比常規基站節約將近一萬多度電。據統計資料顯示，按照每節約1kWh電相當于節省0.36kgce的能耗，即相當于節省了1kg廢水的排放量，同時節省了0.959kg二氧化碳和6.5g二氧化硫的排放量。一個基站每天可以節約9.86kgce，一年就是3.6tce，可減少二氧化碳排放量9.59t。具體如表4所示。

我國是能源消耗大國，也是二氧化碳等溫室氣體的排放大國，大幅削減二氧化硫等污染物排放的壓力很大。采用太陽能風光互補技術，可為實現能源結構多元化、解決好節能降耗和生態環境保護問題作出貢獻。

4.3 注意事項

（1）適用在市電無法引入、市電不穩或市電引入建設成本高的站點建設風光互補供電系統；

（2）由于風機的機械運動，系統不可避免地會有一定的磨損，其使用壽命將較低且維護難度較大，因此使用時要慎重，應制定風光互補供電系統的監控系統標準，確保能夠實時監測系統的運行狀況，并更加重視該站點的防盜技術手段；

（3）風光互補供電系統比普通站點所配置的電池容量要大，且通常使用膠體電池，成本較普通鉛酸電池高；

（4）受地域和氣候限制，選址時對自然環境（風能和太陽能資源）要求較高。

5 結論

在太陽能、風能資源比較豐富且互補性好的地區，太陽能風光互補系統要比引接傳統市電體現出更好的經濟性，且節能效果較好，可為節能減排工程作出一定的貢獻。選擇風光互補系統，應在經濟性和可靠性方面做出評估，做好系統配置。

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[4] 劉志寧，劉穎，劉和平，等. 淺析阿拉善盟風能資源特征與區劃[J]. 內蒙古氣象， 2002（3）： 32-34.

[5] 何淼. 48V風光互補獨立電源系統研究與開發[D]. 合肥： 中國科學技術大學， 2011.★endprint