浅谈光伏发电系统在通信基站建设中的研究和应用
作者：张军
来源：《中国新通信》 2018年第11期
    引言：为了促进社会经济的快速发展，大量的通信基站完成了规划建设。但是在偏远地区进行通信基站建设，首先还要解决电力的稳定供应问题，避免基站运营维护成本过高。应用光伏发电系统，则能将太阳能转化为电能为通信基站供电，从而在保证基站稳定运行的同时，节省大量的能源和资源，降低基站的运行维护费用。因此，加强光伏发电系统在通信基站建设中的应用研究尤为必要。
    一、光伏发电系统研究
    1.1 系统工作原理
    光伏发电系统主要依靠“光生伏打效应”实现能量转换。系统使用的光伏材料为半导体材料，分为P 型半导体和N 型半导体，前者多数载流子为空穴，后者多数为电子。利用特殊的工艺将两种半导体结合在一起，可以构成PN 结。PN 结拥有特殊的薄层结构，在接收到太阳时能够发挥内建电场的作用，将结内的电子和空穴进行运动转化，使空穴由N 区向P 区运动，电子向相反方向运动，以形成电位差，继而产
生电流。而每个光伏电池PN 结受太阳照射的角度、时间等不同，将拥有不同输出功率。因此想要实现稳定的光伏输出，还要将太阳能电池串并连接，以构成光伏发电系统。
    1.2 系统结构分析
    从系统结构组成上来看，其由太阳能光伏方阵、蓄电池、控制器、逆变器和其他附属设备构成。在系统中，光伏板为核心部件，负责进行太阳能资源的收集，并转化为持续稳定的电能。蓄电池负责进行系统产生电能的存储，由于系统处于无人维护状态，需要蓄电池拥有较强的放电能力和充电效率，多配置阀控密封铅酸蓄电池，可以免于维护。逆变器是将直流电转换成交流电的设备，当太阳电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。控制器负责进行蓄电池和光伏板的控制，确保系统能够获得较大功率，其能够实现蓄电池充放电控制，并为系统提供短路保护和温度补偿等功能。系统附属设备较多，如配电设备、避雷设备等等[1]。现阶段，按照运行方式，光伏发电系统可以划分为独立型和并网型两种。就目前来看，得到广泛使用的为带蓄电池的直流光伏发电系统，如图1 所示，由光伏组件、直流负载、控制器和蓄电池构成，能够在太阳照射下利用控制器和光伏组件向蓄电池充电，并使蓄电池在控制器的控制下向负载供电。如果无阳光照射，蓄电池也能在控制器控制下直接向负载供电。
    二、光伏发电系统在通信基站建设中的应用
    2.1 系统应用需求
    随着通信网络规模的不断扩大，越来越多的通信基站得到了建设。而一些基站需要在偏远区域建设，需要获得较高的动力保障，以达到可持续和免维护的基站建设目标。目前在基站电力引入方面，多采用村级变压接入、主干电力接入等方式，电力中断时常发生，电压波动频繁。因此在基站电源系统设计上，还要确保基站能够在电力系统发生故障的条件下持续运行，以保证通信设备正常运行。而光电互补电源系统是利用光伏发电系统和市电对基站进行供电的系统，在日照充足的条件下可以利用光伏电源进行负载供电，并完成蓄电池充电[2]。在日照不足的情况下，可以启动通信电源进行负载供电。在市电停电时，可以利用蓄电池和光伏发电系统供电。
    2.2 系统设计方案
    某基站为试点通信基站，站内拥有2782W 通信设备负载，并完成了2 组蓄电池的配置，蓄电池的型号为500AH。基站所处地区年平均日照小时数能够达到2586-2920 小时，年平均日照辐射量可以达到4800MJ/ ㎡，拥有丰富的太阳能资源，可以引入光伏发电系统为基站供电。考虑到原有基站接入了市电系统进行供电，在不影响原本设备的基础上，可以在基站屋顶进行1680W 光伏发电系统安装，以节省基站对市电的消耗，并确保基站在停电时依然能够正常工作。结合这一要求，需要在原纯电系统中进行光伏发电系统接入，将电模块与光模块直接并接，利用控制器进行管理，使市电与光伏组件一同
为基站通信负载供电，并将光伏发电当成是首选供电。而光伏发电组件可以直接通过控制将由太阳能转化的直流电能输送至通信负载设备，不足部分利用市电作为补偿。市电停电时，光伏发电可为通信负载供电，蓄电池可进行不足部分补偿。通信基站负载除了通信设备，还包含直流应急照明系统、机房冷却系统等辅助设备，可以利用48V 直流电源供电。
    2.3 系统建设分析
    按照系统设计方案，在实际进行系统建设时，结合站房结构，可以在上空进行光伏太阳能板的搭设，以4×2 阵列进行光伏板排列，各光伏板尺寸为1.58×0.808mm，支架与地面夹角为45°，光伏板共8 块，支架组件对应光伏板面积为10.2 ㎡。在系统各部分配置上，光伏电池板通常采用多晶硅材料，其上覆盖有高强度钢化玻璃。系统支架采用型钢，经过热侵镀锌防腐处理，利用螺栓和螺母进行紧固连接，可以满足长期户外使用要求。系统采用的光伏控制器可以利用MCU 电脑实现对整个充电过程的控制，并对光伏电池板和蓄电池的电压进行实时监控，同时利用功率开关管进行PWM驱动信号的发送，以实现对开关管的控制，加强系统反接保护和温度补偿等[3]。控制器为多路控制器，可以同时控制多个支路，在光伏发电电压无法达到预设值时将市电支路打开，在无市电的情况下将蓄电池支路打开。
    2.4 基站负荷及系统容量
    在通信基站光伏发电系统建设的过程中，还要对基站的负荷和系统容量展开分析。从基站直流负荷值上来看，通信设备负荷为2782W，包含传输设备、监控设备等设备在内。而基站原本完成了2 组蓄电池的配置，蓄电池的型号为500AH，电压为48V。因此在光伏发电系统安装时，系统容量达到1680W 基本能够满足停电时通信基站的工作需求。
    在市电正常的情况下，光伏发电系统供电60%，市电供电40%。在蓄电池充电上，可以按照光伏发电系统电池20%-80% 的容量进行核算，为避免系统容量配置过大，可以按6天将蓄电池充满进行蓄电池补充电容量的核算。在电池容量不足的情况下，需要使市电和光伏发电系统同时进入充电模式。在蓄电池放电至容量过低的情况下，则要使系统发出停机警告信号，将不必要的用电设备切断，以免电源受到损害。直至蓄电池恢复，系统监测到光伏系统有电量输出，才能恢复全部设备的供电。
    2.5 基站监控分析
    在将光伏发电系统引入通信基站建设中时，还要配置相应的动力环境集中监控系统以加强对光伏发电系统的监控维护[4]。因为在新增光伏发电系统的情况下，基站的维护难度较大。结合基站特点，实现对发电系统控制器的监控，同时对光伏、气候进行检测，实现相关信息的积累，则能更好的了解系统的运行情况。在机房内外进行视频监控设备的安装，也能实现对系统设备的图像监控。监控中心在获得系统实时监控数据后，可以实现对通信基站的远程控制，确认蓄电池的电压、剩余容量等数据，
并对光伏发电模块的运行状态、输出电流、发电功率等信息进行确认。结合这些数据，可以合理进行通信基站发电系统定期检修和维护，继而使基站始终保持平稳运行。
    2.6 系统应用效果
    在通信基站建设中引入光伏发电系统后，经过26 天的运行，结合当地天气情况展开分析可以发现，在15 天为晴天，4 天为晴转多云，7 天为阴雨天气的情况下，光伏发电系统总发电量达到了139.7KWh，平均每天发电5.3KWh。在晴天，系统可以发电8.22KWh。受为期一周阴雨天气影响，系统发电量较小。按照日照8 小时进行分析，光伏板环境因素设为0.9，日发电量应当达到12.1KWh。在日照有效时常为6.9 小时的条件下，年均发电10.4KWh，可以节约3800KWh 的电量，约节约3400 元的电费。从通信基站维护成本上来看，在市电停电时，利用光伏发电系统供电，可以减少系统应急发电次数，使基站的掉站率得到降低，同时使系统维护成本得到有效控制。
    在蓄电池以50% 容量进行深度放电的情况下，可以在停电时持续供电9.4 小时。光伏发电系统日均发电10.4KW，可使发电时间延长3.7 小时，不仅可以使部分车辆交通和人员费用得到节省，也能使电池放电次数和深度得到减少，继而使蓄电池的寿命得到延长。此外，每节约1 度市电，也能节约0.4Kg 的煤炭，同时减少二氧化碳、粉尘等污染物的排放量，使一定量的水资源得到节约，因此也能为通信事业的发展带来可观的社会效益。
    三、结论
    通过研究可以发现，在通信基站建设中，应用光伏发电系统可以实现光电互补，在市电停电的情况下利用光伏发电和蓄电池进行供电，使基站通信的掉站率得到有效降低，同时节省大量的电能、煤炭资源和水资源，降低基站的维护成本，所以能够为通信基站的建设带来一定经济效益和社会效益，满足国家对通信事业发展的节能环保要求。

更多推荐

系统,基站,发电,进行,蓄电池