通信基站用光伏上塔能源系統設計及運營效益分析

摘" 要：該文設計一種通信基站用光伏上塔能源系統，重點對光伏發電陣列的布局和結構進行設計和校核，并深入分析其運營效益。分析結果顯示，該系統設計的光伏發電陣列在12級風速條件下不會對鐵塔結構安全造成損害；光伏上塔能源系統的5年平均平準化度電成本（LCOE）為3.6元/kWh，僅為采用柴油發電系統的50.42%、采用地面油光互補能源系統的74.07%；與地面油光互補能源系統相比，5年可節約土地租賃成本6.39萬元。

關鍵詞：通信基站；光伏上塔；能源系統；運營效益；光伏發電陣列

中圖分類號：TM615" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0017-04

Abstract： This paper designs a photovoltaic tower energy system for communication base stations， focusing on the design and verification of the layout and structure of the photovoltaic power generation array， and in-depth analysis of its operational benefits. The analysis results show that the photovoltaic power generation array designed by the system will not cause damage to the structural safety of the tower under the condition of wind speed of 12 levels; the five-year Levelized Cost of Energy （LCOE） of the photovoltaic tower energy system is 3.6 yuan/kWh， which is only 50.42% of that when using the diesel power generation system and 74.07% of that when using the ground oil-light complementary energy system; compared with the ground oil-light complementary energy system， the land lease cost can be saved by 63，900 yuan in 5 years.

Keywords： communication base station; photovoltaic tower; energy system; operational efficiency; photovoltaic power generation array

近幾年來，隨著東南亞地區緬甸、越南、柬埔寨等“一帶一路”國家經濟的快速發展，移動通信業務也得到迅猛發展，促使通信基站數量呈現幾何數量增長，以滿足運營商對移動信號高覆蓋率的要求[1]。而東南亞國家普遍存在經濟不發達、基礎設施差、電力供應不足，偏遠農村地區大部分都是缺乏電力或無電力的區域[2]。但可喜的是這些地區的太陽能資源十分豐富，因此利用太陽能發電給通信基站供電是理想的選擇[3]。以東南亞國家緬甸為例，其郊區及偏遠地區通信基站的電力供應基本由柴油發電機供應，導致運營維護成本非常高，逐步有偏遠通信基站在地面安裝光伏組件給通信基站負載供電[4]。但地面安裝光伏組件占地面積較大，導致部分通信基站征地困難且成本較高。

基于此，本文通過對光伏上塔能源系統進行研究，重點對光伏發電陣列的布局和結構進行設計和校核，并深入分析其運營效益。

1" 光伏上塔能源系統簡介

通信基站用光伏上塔能源系統一般由光伏發電陣列、光伏控制器、蓄電池、柴油發電系統以及通信模塊等組成。其中，光伏發電陣列包含光伏組件和光伏支架；柴油發電系統包含柴油發電機和整流器。光伏上塔能源系統組成如圖1所示。

光伏組件用于將太陽輻射能量直接轉換為直流電能；光伏控制器是控制多路光伏組件對蓄電池充電以及控制蓄電池給負載供電。蓄電池用于將光伏組件和柴油發電系統發出的電能貯存起來，在用電期間為負載供電[5]。柴油發電系統則作為備用電源，在光伏組件發電不足的情況下，給蓄電池充電，給負載供電。

2" 光伏上塔能源系統設計

2.1" 系統配置

以緬甸曼德勒市的通信基站為例進行分析。光伏上塔能源系統采用光伏發電陣列和柴油機共同發電、儲能電池供電的混合模式。

2.2" 光伏發電陣列設計

緬甸曼德勒市的通信基站鐵塔結構和環境參數見表2。

2.2.1" 光伏發電陣列傾角設計

通信基站的地理坐標為北緯19°30′、東經94°50′，全年日平均有效日照時長為4.5 h，最大高度角為88.61°（6月份）。法定時太陽路徑如圖2所示。

由表2和表3可知，鐵塔一面朝南，光伏發電陣列朝南分層安裝且傾角為36°時，全年的總輻射量最大。由圖2和圖3可知，當最小安裝高度為2 m，相鄰垂直高度為5.4 m時（靠近塔段連接處，且高度最低），相鄰光伏發電陣列遮擋最少，可實現全年最大發電量。

2.2.2" 光伏組件排布設計

由表1和圖3可知，光伏上塔能源系統由18塊光伏組件構成，采用3串6并布局排列，光伏發電陣列長度為6.4 m，超過第二節至第四節塔段主桿最大跨距，便于在鐵塔上安裝。光伏發電陣列外形尺寸如圖4所示。

2.2.3 光伏支架設計

本文示例的通信基站鐵塔為三管桁架塔，要求光伏支架能夠抵抗12級大風。通過借鑒現有光伏上塔支架設計，本系統采用加強框架型固定傾角式支架結構，如圖5所示。

為滿足長期使用和成本要求，光伏支架主要選用304不銹鋼和表面熱鍍鋅處理的Q235-A鋼材[6]。其材料清單見表4。

2.2.4" 鐵塔載荷校驗

通信基站光伏上塔能源系統的設計重點是充分考慮和分析光伏發電陣列安裝在鐵塔上時，是否會對其自身結構造成危害。因此，依據GB 50009—2012 《建筑結構荷載規范》[7]來分析光伏發電陣列和光伏支架對鐵塔結構的影響。

1）恒定重載荷計算。恒定荷載主要是自重，單組光伏發電陣列有6 pcs光伏組件，單塊光伏組件為19 kg，光伏支架自重為288 kg，固定安裝座4 pcs，單個自重為2 kg。

3" 應用效果及運營效益分析

目前，光伏上塔能源系統已經應用在緬甸曼德勒市的通信基站，將本文研究的光伏上塔能源系統與地面油光互補能源系統、柴油發電系統的建設運營效益進行對比，結果見表5。

由表5可知，通信基站采用光伏上塔能源系統相較于采用柴油發電系統和地面油光互補能源系統，建設運營成本得到大幅下降。

4" 結論

本文對通信基站光伏上塔能源系統的設計進行了闡述，完成了基于光伏上塔結構的5.4 kW光伏能源系統的研制。選取在緬甸曼德勒市運行的光伏上塔能源系統與柴油發電系統、地面油光互補能源系統進行對比，結果表明光伏上塔能源系統5年運營周期成本僅為柴油發電系統供電成本的50.42%、地面油光互補能源系統供電成本的74.07%，運營效益明顯。

參考文獻：

[1] 周麗.移動通信基站用風能控制器研究與設計[D].曲阜：曲阜師范大學，2011.

[2] 王星.基站光伏柴油供電系統的能源調度策略設計與優化[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2019.

[3] 陳源源.通信基站用光伏控制器的研究[D].曲阜：曲阜師范大學，2013.

[4] 孫勇鋒.偏遠通信基站離網型光伏發電系統能量管理控制策略[J].通信電源技術，2018，35（5）：208-212.

[5] 王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].北京：化學工業出版社，2009.

[6] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2008.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑結構荷載規范：GB 50009—2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.