綠色能源在青海高原地區通信基站建設中的應用

韓 瑞

（中通服咨詢設計研究院有限公司，青海 西寧 810000）

0 引 言

在無電力設施或者電力供電設施較遠的區域建設通信基站，遠距離的引接會造成市電引入費用的提升，如果出現市電停電情況，無法及時恢復通信網絡，而無電力設施的區域則會造成通信網絡無法使用[1]。為了更好地解決這一問題，實現長期穩定的供電，可以采用太陽能、風能互補的供電方式。通常情況下，偏遠地區的通信基站建設在山頂或較為空曠的區域，周圍不會存在高大建筑物遮擋等情況，這種地理條件有利于增加在某一時段內獲取風能和太陽能等資源的概率[2]。

1 風光互補在通信建設中的意義

在前期通信網絡建設時，運營商在考慮企業自身收益時選擇性地對一些偏遠區域進行了戰略性放棄。為了消除數字鴻溝，國家針對網絡未覆蓋的鄉村和偏遠地區實施電信普遍服務，保障人們的基本通信需要，促進地區經濟與社會均衡發展。實際建設中，良好的建設方式可以在保證通信網絡覆蓋質量的前提下節約建設成本。如果一個基站在運行期間節約用電1 kW·h，則意味著節約標準煤0.4 kg，減少污染排放約0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物。通過綜合計算，整個網絡所節約的各項能耗相當可觀。太陽能與風能屬于可再生資源與清潔能源，通過兩者之間的互補不僅能夠充分體現國家綠色環保基站建設理念，而且還能使運營商較好地解決偏遠地區通信基站持續性供電需求問題[3]。

2 風光互補系統組成分析

風光互補供電系統由多個部分構成，例如風力發電機組、太陽能列陣、控制器、蓄電池以及基站交直流負載等。該系統將風能、太陽能作為主要的能量來源，利用不同設備構成供電系統來進行智能化控制，從而實現對交流電壓、直流電壓的穩定輸出，滿足基站中各類設備的供電需求。風光互補供電系統結構如圖1所示。

圖1 風光互補供電系統結構

風機通過大葉片轉動的方式帶動內部多個大齒輪和小齒輪轉動，最小的齒輪往往會通過最快的速度實現對磁力線的切割，從而獲得交流電能，接著控制器通過電壓變換和工作狀態的調整輸出穩定的電流，為通信基站的負載提供穩定的電能。太陽能電池板通過光伏效應可以持續將太陽能轉化為直流電能[4]。逆變器的應用會將-48 V直流電轉化為220 V交流電，這對于通信基站內交流負載設備的安全穩定運行具有重要意義。如果通信基站中只有直流負載，那么供電系統不需要設置逆變器。

控制系統要實現對供電系統的智能化調節，需要綜合考慮具體日照強度、風力大小以及負載耗電情況等。通過智能化調節，不僅可以實現對穩定電能的輸送，將電能輸送到基站負載，而且還可以將多余電能浮充到蓄電池中進行存儲。在發電量較低且達到一定限值時，控制器會對蓄電池中存儲的電能進行自動釋放，為負載提供充足電能[5]。

相較于單獨的風電系統或者光電系統而言，風光互補供電系統能夠實現雙能源互補，實際建設成本較低，而且能夠輸出更多的電能，提高系統可靠性。

3 綠色能源多系統在通信基站建設中的運用方案

3.1 基礎條件

太陽能有效發電時長是指在標準條件下太陽能組件所發出電能滿足系統最大持續供電時間和補充蓄電池的最大充電時間，假設以每天4.5 h作為太陽能的有效日照時長，當地有效日照時間在每天10:30—15:00，則意味著太陽能設施每天可以提供的發電量滿足負荷正常工作4.5 h。氣象意義上的日照時數并不是太陽能供電設計中所考慮的太陽能板接受光照的時間，而是在某一時間和某一地點測試太陽直射光線照射地面的時間。對于所選區域，保證在每天09:00—15:00，太陽能電池板不會因阻擋而產生陰影。如果產生陰影的因素無法完全消除，則可以嘗試去增加容量或者移動太陽能電池陣列，以此來彌補陰影造成的損失。太陽能電池陣列的最佳朝向為北半球正南方向，如果能使方形陣列朝向為正南或0°方位角，則每天日照是最佳的。此外，還應對當地的氣候特征的影響進行充分考慮和仔細評估。例如，如果早上站點周圍有霧或者站點東部有部分陰影，則需要調整太陽能電池陣列的方向，為了在滯后時間內獲得更有效的太陽輻射，可以通過向西南方向的微偏來解決。

3.2 配置方案

以青海省海西州天峻縣蘇里鄉曲尕追村新增4G基站為例，經現場勘查測定，該地區平均海拔在3 000 m以上。基站站型配置為S111，距離國家電網電力設施23 km。查詢當地氣象資料可知，該地區2020年平均日照時數為2 850.6 h。以2020年全年366天計算，該地區日平均時長為7.79 h，最高溫度為15.8 ℃，最低溫度為-10.3 ℃，年平均風速為2.1 m/s。

3.2.1 方案一

考慮傳統的電力供電方式，此方案只需向當地電力部門進行用電申請，對于引接距離超過500 m的需由電力相關部門進行建設。經過和當地電力部門溝通協調，超出500 m的輸電線每千米平均造價在110 000元，如果需要開通本基站電力引接，接火費和建設費需要花費2 530 000元。根據當地電力價格及基站功耗計算，每年需花費電費為13 200元，年平均維護費用為11 200元。

3.2.2 方案二

新增4G基站采用風光互補進行供電，采用室外型基站，射頻單元部分的總功耗為525 W、基帶處理單元（Building Base band Unit，BBU）設備功耗為120 W、傳輸設備功耗為250 W，本基站合計負載功率895 W。站點負載電壓為48 V、氣候指數J=1、系統輸出電壓U=48 V、控制系統效率ρ=0.95，設備工作時間M=24 h，蓄電池供電時間T=12 h，補足蓄電池極限能耗時間N為3天，當地日平均有效日照時間H=4.29 h，單片24 V太陽能電池板峰值功率為180 W，保險系數K=1，環境溫度（低溫）t=-10.3 ℃，蓄電池容量系數η=0.75，風能系數F=15%，負載電流I約為18.65 A。

太陽能蓄電池配置總量為

蓄電池組容量計算公式為

通過與設備廠家之間的聯系獲得相關設備材料的成本，結合風光互補供電系統的具體容量進行計算，預計建設投資為220 000元，年平均維護費用為29 500元。

3.2.3 方案三

新增4G基站采用光油互補，平時柴油發電機處于不工作的狀態，在太陽能充足時優先選用太陽能為基站供電，只有連續3日內該區域無太陽或者蓄電池容量低于20%時由維護人員將柴油發電機運至該基站進行供電，以保證該基站設備的正常運行。

一般情況下，重要基站及通信中繼點所配備的柴油發電機為停電自啟式柴油發電機組，為了保障其安全的運行，需將相關設備安裝在室內。但考慮本基站為一般性非重要通信基站，建議采用流動油機的方案進行停電后電源的供給，即停電后由維護人員將發電機從維護站運至基站，人工接線后啟動柴油發電機為基站供電。根據現場勘查，該基站距離相關維護站112 km。結合當地的氣候、環境、日照等因素，該方案不考慮新增風力發電系統，而改用流動式油機發電系統。該基站位于山頂，車輛無法到站，維護人員需徒步到站操作。此外，該區域年平均氣溫為3.5 ℃，長期降雪等原因造成維護困難，維修人員運維時存在人身安全風險。綜合考慮以上因素，預計建設投資為183 500元，年平均維護費用為189 800元。

3.3 方案分析

以一年為周期進行對比，結果如表1所示，其中投資金額由前期建設成本、年平均維護成本以及運營投入等構成。

表1 方案對比

通過上述3種方案對比可知，風光互補和油光互補方案在基站初期的建設投資中能節省更多的建設成本。而考慮后期維護成本，風光互補是偏遠地區基站動力的最佳選擇。通過后期開展的經濟效益評價，對通信基站建設可行性進行全面論證，風光互補不僅具有綠色低碳的可持續發展性，而且還具有投資回收期短、供電穩定等優點。

4 結 論

綜上所述，通信基站建設是當前我國社會發展的一項重點工作，通過通信基站的建設可以完善偏遠地區的網絡覆蓋，為人們的日常通信提供更多的便利。在具體建設工作開展時，要對風光互補供電系統有正確認識，結合實際情況做好方案設計、站址勘察工作，從而推動通信基站建設的順利進行。