太阳能供电系统在边远地区通信基站的应用

太阳能供电系统在边远地区通信基站的应用武士越（中兴通讯）目前在全世界66亿人口中，有超过20亿的人口没有得到足够的电力供应，大约占总人口的1/3。图1显示了世界上有电和没有电的区域。没有足够电力供应的地区主要分布在非洲、南美洲、亚洲和东南亚地区。如菲律宾和印度尼西亚，拥有众多的岛屿，在这些狭小的岛屿地区无法统一建设大面积的电网。而在有些地区建设和维护大面积电网的费用太高，比如中国的西北偏远地区，地广人稀，将电网引入到每一个牧民家庭从经济角度考虑是不合理的。在一些建立了主要的高压输电网的地方，供电经常不稳定，而升级和改造需要庞大的财政预算。幸运的是许多发展中国家拥有丰富的太阳能或者风力等可再生能源，在边远地区大规模使用这些可再生能源的供电系统，比使用大面积的高压输电网更划算。边远地区供电系统可以应用在那些已经存在电网，但是单独的供电比扩容高压输电网更划算的场合，如在高速公路沿线使用独立的供电系统用于信号指示、通信和照明，可以避免铺设和维护地下电缆的昂贵工程。全球太阳能资源丰富的区域包括非洲、南亚、东南亚、澳洲、中美洲和我国的青藏高原等地区，在这些地区使用太阳能供电系统供电是经济的选择。一、边远地区通信基站供电系统选择边远地区供电系统一般包括发电设备、储能设备、能量变换和管理设备。发电设备有柴油发电机、光伏阵列、风力发电机或者水力发电机。储能设备一般有蓄电池组或者储能水池。能量变换和管理设备有直流变换器、逆变器等设备。柴油发电机是许多边远地区供电系统的能量来源，为了获得最大燃料效率和减小维护，需要负载率保持在发电机额定负载容量的60％～70％。风力发电机的输出功率可以达到250W~500kW，但是需要选取适当的风场，具备稳定的风速。水轮发电机虽然发电成本相对较低，但是需要选取建设在适度和稳定的河流上，水轮发电机的发电成本相对较低，但是发电机的成本较高。通信网络要求基站等设备提供7×24小时稳定运行，基站设备除分布在市区外，还大量分布在沙漠、海岛、山顶等各种环境中，覆盖面积宽广，一般无人值守，对电源可靠性和寿命具有高要求。太阳能供电系统的光伏电池将太阳能直接转化为电能，通过光伏组件的串并联方式提供基站需要的-48V电压，实现能量的静止变换，与具备机械转动部件的发电机相比较，维护工作量很少。对小于2kW的基站负载，是合适的边远地区供电系统方案，尤其在全球原油价格高企的发展趋势下，光伏发电系统的成本优势日益明显。二、通信基站光伏供电系统通信基站太阳能供电系统由光伏组件、阵列支架、汇线盒、充放电控制器、蓄电池组、逆变器等组成，如图2所示。组件一般采用单晶硅或多晶硅电池，每个电池输出电压大约为0.5V，一般组件采用72个太阳电池串联，所以为了得到43.2~56.4V电压范围，需要两块组件串联使用。功率等级尽量选取产量较大的规格，如165W、170W和175W等几种规格。太小的组件规格导致支架设计成本增加和占地面积增加，而过大的组件规格使用的太阳电池成品率较低，电池成本相对较高。根据负载容量和当地太阳能资源情况选取组件并联数。多个光伏组件并联构成阵列，采用镀锌钢材支架支撑组件，使组件具备一定的倾斜角度，同时固定组件，抵抗风吹。对于独立光伏系统，为了降低蓄电池用量和系统成本，需要在冬季获得最大的太阳能辐照，这样就需要将组件的倾角设置成比当地纬度大10°~20°。当阴雨天气或者夜间，无太阳光或者辐照变弱，无法提供负载需要的能量时，蓄电池组继续为负载提供所需能量。蓄电池组的容量根据负载容量、连续阴雨天时的自给天数、放电深度确定。过去富液式铅酸蓄电池（OPzS）是光伏供电系统常用的选择，这是由于OPzS蓄电池采用管状正极，可以防止活性物质（activematerial）脱落，厚的负极极板，延长了使用寿命。然而，近年来愈来愈多的光伏系统转向管状正极板的胶体阀控式密封铅酸蓄电池（OPzV），这种转变的主要原因是阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）技术需要更少的维护。富液电池需要定期加水维护，如果得不到及时维护，蓄电池的使用寿命将会缩短，而将去离子蒸馏水运输到边远地区的基站需要更高的成本。VRLA电池在通常工作条件下，仅析出微量的硫酸和氢气，极大减少了维护工作量，也不需要专门建设机房和安装专用通风装置。电解液分层现象是造成许多富液电池失效的原因，一般采用过充电来消除，通常需要附加过充电高达15％。胶体电池在工作期间经历微不足道的电解液分层，因而不会遭受与分层相关的失效。欠充电是边远地区供电系统中工作的VRLA失效的常见原因，这是由于光伏能量来源在雨季不稳定时导致电池活性物质中硫酸铅晶体的积累和生长，研究表明，胶体电池使用的微孔隔板不容易发生枝晶穿透，在这方面有更好的特性。与富液电池充电恢复能力为110％~115％相比，胶体电池的充电恢复仅为103%~105%，充电效率的提高，有利于节约光伏能源。充放电控制采用多路控制器，太阳能组件阵列分为多个支路通过汇线盒接入控制器。当蓄电池充满时，控制器将组件阵列逐路断开；负载由蓄电池和剩余光伏组件联合供电，当蓄电池电压回落到设定值时，控制器再将组件阵列逐路接通，实现对蓄电池组充电电压和电流的调节。这种增量控制方式可以近似达到脉宽调制（PWM）控制器的效果，路数愈多，增幅愈小，愈接近线性调节。三、应用实例图3是中兴通讯在布基纳法索农村地区提供的一个光伏供电系统实例。当地纬度是北纬11°59′，连续阴雨天自给天数为5天，基站负载类型是BTS和微波，负载功率为550W。根据这些信息，系统配置如下：光伏组件：monocrystalline165W30块组件；蓄电池组：2V1000AhOPzV胶体蓄电池2组；充放电控制器：-48V150A控制器。该项目配置了22个太阳能供电的BTS站点，这些站点的负载功耗范围400～900W，容量相对较小。如果使用柴油发电机供电，配置油机的容量较小，油机转换效率降低，导致经济性较差，同时供电可靠性也较低。采用太阳能电池和胶体密封蓄电池供电方案，不需要定期为油箱加油，也不需要维护柴油发电机和富液蓄电池。节约了柴油购买费用，也减少了维护工作量，有效降低了运营商的运营成本。自2003年以来，中兴通讯帮助全球20多个国家的超过40个运营商在市电缺乏地区建立了太阳能供电的无线通信基站系统，满足当地居民的通信需求，改善当地人民的生活水平。呵呵，看了楼上各位大侠的讨论，忍不住要把自己到动力社区的处女贴奉献给楼主啦！一般而言，电池的主要失效模式有四种：正极板删腐蚀、失水、热失控、硫酸盐化。当然，如果说到寿命损失，温度也是一大杀手。对于基站，就目前中国复杂的地理、气候环境及电网环境，导致蓄电池提早退出运行的原因肯定是不尽相同的。我接触比较多的情况有以下几种：1、硫酸盐化电池放电后，极板上主要成分为硫酸铅，如果不及时充电，硫酸铅在电解液中会持续溶解和再结晶，形成较大颗粒，这种硫酸铅结晶缺乏电化学活性，较难恢复，造成电池容量不足。电池硫酸盐化的主要表现为放电容量逐次减少，深放电后充不满，实际寿命比理论寿命严重缩短。导致硫酸盐化的主要原因：近两年国内多个省份出现电力供应紧张的情况，而出现电池硫酸盐化的基站多为偏远地区。一是电力紧张时这些地区往往被拉闸限电，属于首先被牺牲的区域，导致电池频繁放电；二是因山高路远，维护人员难以及时到达，不能保障及时回充电；三是油机过小，或充电时间不够，导致电池未充满就要面临下一次放电；同样，即使电网来电，两次停电间隔时间过短，电池仍可能未能充满即再次放电。可能的解决方案：1）从电网本身解决，如更改供电线路，选择相对有保障的线路供电；或与电力部门交涉，要求缩短基站所在线路的年（月）平均停电时间。2）增加充电能力，如电池的充电系数。在正常使用环境下，电池厂家推荐的充电系数为0.05-0.20C10之间，一般设置为0.15C10，各省维护规程对此系数大多有比较明确的规定。个人认为，可根据不同站点的情况进行分析，充电电流过大会导致电池寿命缩短，同样充电不足也会导致电池寿命损失，两害相权取其轻。我见过一些停点严重的地区设置为0.20C10的。但是建议不要超过0.25。均充阀值。除正常的充电周期外，开关电源会根据电池放电深度决定来电后是否要均充。一般厂家此判据为20%左右（中兴15%），此参数也是可调的。停电频繁的站点，可考虑把此参数适当调小。3）保证及时回充。放电后再充电，间隔时间越长，电池恢复容量越困难。4）有条件时，偏远站点发电，调配容量较大的油机。如果油机容量偏小，供电能力只够维持，充入蓄电池的电量很少。而且可能出现油机因负载过重导致波形畸变，整流模块输入保护的情况。在电力紧张时，一个发电组可能面临多个站点的充电任务，往往是充上三五个小时，感觉差不多了立即转移阵地，实际上均充并未执行完。一般认为，充入电量与放出电量之比高于1.2时，才能给电池充足电。逐步积累，电池容量就逐步损失，此后即使充电条件满足，也很难恢复到起始容量。5）有条件的，通过集中监控对电池单体进行监控。对落后电池的及时发现和处理可以减少同组其它电池继续损坏的可能性。2、温度有些简易站点未配备空调，导致电池寿命损失严重。配备了空调的站点，停电后空调是不工作的，油机发电往往不能保证空调运转。机房温度迅速上升。导致电池寿命缩短。可能的解决方案：1）装空调，如果资金够的话，呵呵。2）胶体电池。关于这一点，我也是听说，未亲身验证过。国内有使用的先例，楼主可通过其它途径了解。但是胶体电池的一次性投入较高，看你们领导愿不愿意啦。3）检查温度补偿接线和参数设置。在机房温度上升时，如果没有其它办法，能做的只有这点了。有很多站点，温度补偿线接法不正确，探头装错了位置，或者压根儿没接，或者电源参数设置不对。把这些做好，虽不能解决全部问题，但总是聊胜于无吧。3、过放电基站电源基本都有二次下电功能，BTS工作时，过放电的可能性比较小，除非监控箱出现问题，不能正确执行下电指令。现下主流厂家基本都配备了硬件下电板，即在监控单元出现故障时，硬件下电板仍能够控制下电。不过因为开关电源竞争激烈，价格一再下滑，有些厂家把这个部件作为选配件，不额外增加费用是不配的。具体哪个厂家我就不方便说了，你自己可以查到。呵呵。实际上出现电池放亏情况最多的，恰恰是在小电流放电的时候。下电电压的设置，各省有不同的范围。如我见过的，一次下电45V，二次下电43V，对应到2V单体，则为1.875V和1.792V。这个值是否合理？其实查一下电池放电区线就不难发现，对于不同的放电电流，其终止电压是不同的。10小时放电率的终止电压是1.8V左右（具体可查电池厂家的技术手册，我这里只是找了个数据举例），假如某站陪了1组300AH电池，一次下电BTS负载30A，二次下电传输2A，加上电源本身的监控单元，则显然可以发现，一次下电电压基本合理，二次下电电压就很难说。因为对于300AH的电池，2.XA的放电电流，要放到1.792V的电压，电池早就放得空空如也了，实际上这个二次下电几乎是不起作用的。但是确实也有这样的站点，我宁愿电池放亏，也不愿意下电。广东电信好象普遍就是这个思路。所以业界可以听到很多关于要求调高二次下电电压的声音，有些激进的电池厂家甚至提出，二次下电电压应该略高于一次下电电压。呵呵，且先不说理论和实际操作上是否可行。我的观点，根据具体情况进行适当的调整是必要的。另外还有一点，监控单元即使是在二次下电以后，仍然是工作的。不同厂家的监控单元耗电量不同，我们公司的ZXDU58/68系统，液晶点亮时实测在0.65A左右。液晶不点亮的数据我这儿没有，肯定要小一点。但是对于一组经过一次、二次下电后的电池，这个负担确实不小。所以我们希望电池下电后尽快回充电。当然，监控单元的耗电并不只中兴一家，估计业界也都差不多吧。这里只讨论技术本身，跟产品无关。基本就这么多了。以上三点，硫酸盐化，温度，过放电，是按照我脑海里对电池寿命影响的严重程度排序的。个人观点，谨供参考。当然我清楚这个专业水很深，我的认识也是非常肤浅。如有不对之处或冒犯之出，敬请还涵。欢迎各位大侠拍砖。如何提高基站电源蓄电池的寿命T