新能源解決海島5G通信基站供電問題研究

盧世雄

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

隨著5G大規模應用普及，5G基站的覆蓋場景也不斷拓展，一方面由于5G網絡采用了毫米波技術，相比4G網絡具備更高的頻率，因此5G信號相對于4G信號的覆蓋能力更弱、覆蓋距離更短；另一方面許多海島的電力供應長能處于缺電或無電狀態，且引電成本及電價長期居高不下，如何實現低成本引電和用電成為制約海島5G基站建設的主要的阻礙，使得5G海島基站的建設長期滯后，無法滿足海域航線、海島對5G覆蓋的需求。探索通過新能源方案解決海島5G通信基站供電，有效降低5G基站建設的CAPEX及OPEX，具有重要的推廣意義[1]。

1 光照資源分析

在海島上建設5G基站，首先解決供電問題，傳統供電方案就是通過海底電纜或者通過油機供電，建設周期長，維護、用電成本高。以菲律賓的宿務、達沃等區域為例，由于比較靠近赤道，光照資源非常豐富，根據NASA提供的統計數據，以宿務城市為例，全年有7個月時間光照時間超過12個小時，其余5個月時間光照接近12個小時；日照時間超過7小時的有3個月，日照時間超過6小時有9個月。另外一個城市達沃市的光照時長和日照時長也類似。

2 光伏供電建模

光伏組件是太陽能轉化為電能的核心部件，由若干單體電池串、并聯連接和嚴密封裝成組件，太陽能轉化為電能的效率取決于光伏組件原材料及技術參數要求。

光伏組件從原材料上分為單晶光伏組件和多晶光伏組件，符合通信基站供電的電池片數量一般有48片、60片、72片、120片，組件容量（峰值功率Wp）為250～445 Wp。

一定數量光伏組件按照系統的總功率需求組合成太陽能方陣為通信基站系統供電，太陽能方陣總功率計算如下：

式中，負載功率QW由通信基站設備負載功耗確定；用電時間根據夜間（HE）（陰雨天最低日照時間）確定；日照峰值時間（HS）根據基站所在位置的日照時長確定；損耗系數R默認按照0.75取值。

供電模型以宿務島為例：

負載功率QW=負載功率QE+充電功率QB=1.81 kW+7.2 kW

用電時間（HE）=14小時；

日照峰值時間（HS）=10小時；

太陽能方陣總功率QP=16.82 kW，光伏板數量（PCS）需求80PCS。

3 光伏供電系統組成

光伏發電是利用半導體界面的光伏效應將光能直接轉變為電能，通過計算用電時間和充放電時間，按照基站功耗需求適當配置由光伏組件組成的太陽能方陣進行發電及儲能電池組，從而實現不間斷的為基站進行供電，其組成如圖1所示。

圖1 新能源通信基站系統結構圖

（1）場景模型一：晴天。白天太陽能為通信基站設備供電及蓄電池充電，黑夜蓄電池組放電，如遇陰雨天氣，蓄電池組放電完結前出現晴天，太陽能恢復供電并為蓄電池組充電，基站設備正常運行，不斷電[2]。

（2）場景模型一：陰雨。在陰雨天來臨前，晴天的白天時段太陽能系統為通信基站設備供電及為蓄電池組充電，黑夜蓄電池組放電。如遇連續長時間陰雨天氣，蓄電池組放電完結前并未出現晴天，蓄電池組電量將耗盡。

4 太陽能供電方案：光伏組件及儲能電池組的選擇

光伏組件及儲能電池組是新能源站點配置中兩個最關鍵的組件，關鍵組件的配置一般分為以下四步：計算功耗需求、確定光伏組件、確定儲能電池組、其他配套系統。關鍵組件的配置除了需要考慮負載總功率、光伏組件的轉換效率、電池組充放電能力等技術因素，還需要考慮組件的經濟性。

圖2 新能源組件配置步驟

4.1 光伏組件選擇

在選擇基站光伏組件的同時，需要兼顧經濟性及適用性。目前，光伏組件主要分為單晶和多晶兩種類型，單晶組件比多晶組件轉化效率高、單位占地面積小，更適合應用在新能源基站建設中征地面積小、盡可能節約支撐安裝耗材等特點。單晶組件根據功率需要一般可以組合成20～500 Wp的太陽電池板，一方面集成的組件越多轉化效率也越高，但同時單板故障對整個新能源系統影響也越大。因此新能源基站一般選用48片、60片、72片的光伏組件[3]。

光伏組件轉換效率計算公式如下：

一般要求單晶硅光伏主件轉換效率不低于16%，72片太陽能板效率計算如下：

表1 48片與72片光伏組件太陽能板主要參數對比

4.2 儲能電池組選擇

（1）儲能電池組技術參數對比。新能源通信基站儲能電池組一般指化學儲能電池，可滿足大功率、多次循環使用的基站儲能電池主要有鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池兩種，二者分析對比性能如表2所示。

表2 鉛酸電池組與磷酸鐵鋰電池技術參數對比表

磷酸鐵鋰電池具有質量輕、充放電次數多、能量密度高及高溫適應性強等優點，代表了儲能發展的方向，隨著新能源汽車快速發展及其他新能源系統的發展，作為儲能環節的磷酸鐵鋰電池隨著產量的不斷增加，單位成本在持續走低，目前磷酸鐵鋰電池的價格比鉛酸電池價格略高。

（2）儲能電池組價格分析。隨著使用磷酸鐵鋰進行儲能的技術積累和技術升級，大規模使用磷酸鐵鋰電池的價格逐步降低。從2018年磷酸鐵鋰電池價格達到0.9元/Wh，是鉛酸電池價格的1.5倍，到2021年底磷酸鐵鋰每Wh電池價格基本與鉛酸電池價格持平。因此，在新能源基站中使用磷酸鐵鋰電池作為儲能電池組已經具備可行性和經濟性。而磷酸鐵鋰電池具有的長使用壽命、安全性能好、無記憶效應、體積小、重量輕等優點，是鉛酸電池無法比擬的，其高溫適應性尤其適合在熱帶、亞熱帶的區域推廣使用，磷酸鐵鋰電池成為海島基站建設中儲能環節的最優選擇[4]。

5 新能源通信基站建設場景

光伏+鋰電池場景（一）：連續晴天備電時長為24小時。

光伏+鋰電池場景（二）：連續2天陰雨備電時長為48小時。

表3 新能源基站配置表

通信基站以設備BBU+3RRU場景、基站功耗按1 800 W估算，要求備電時長24時為例，新能源供電方案建設造價約為26萬元，常規引電造價約為27.6萬元，供電方案造價降低1.6萬元。按1.4元/度電費計算，每年可節約電費2.2萬元，新能源方案在基站建設CAPEX及OPEX方面都有優勢，具有推廣價值。

6 結束語

隨著光伏組件的技術發展、產能升級及產業供應完善，光伏組件的使用壽命、發電效率、維護難度等參數將不斷提升，光伏材料價格逐步降低。以磷酸鐵鋰電池作為新能源供電系統的主要儲能電池組，其安全性、經濟性、使用壽命、維護效率等也將更加適應不同環境及不同建設場景。隨著新能源太陽能供電項目的建設并投入使用，通信基站供電系統建設方式將有更靈活的選擇，更優的建造及運營經濟性。本文通過對在5G通信基站中引入新能源太陽能供電技術方案并結合海島基站的建設經驗進行應用研究，豐富了5G基站的建設場景，為更好地推動5G基站建設，擴大延伸5G網絡信號的覆蓋，產生良好的社會效益提供參考。■