绿色能源在青海高原地区通信基站建设中的应用

韩 瑞

（中通服咨询设计研究院有限公司，青海 西宁 810000）

0 引 言

在无电力设施或者电力供电设施较远的区域建设通信基站，远距离的引接会造成市电引入费用的提升，如果出现市电停电情况，无法及时恢复通信网络，而无电力设施的区域则会造成通信网络无法使用[1]。为了更好地解决这一问题，实现长期稳定的供电，可以采用太阳能、风能互补的供电方式。通常情况下，偏远地区的通信基站建设在山顶或较为空旷的区域，周围不会存在高大建筑物遮挡等情况，这种地理条件有利于增加在某一时段内获取风能和太阳能等资源的概率[2]。

1 风光互补在通信建设中的意义

在前期通信网络建设时，运营商在考虑企业自身收益时选择性地对一些偏远区域进行了战略性放弃。为了消除数字鸿沟，国家针对网络未覆盖的乡村和偏远地区实施电信普遍服务，保障人们的基本通信需要，促进地区经济与社会均衡发展。实际建设中，良好的建设方式可以在保证通信网络覆盖质量的前提下节约建设成本。如果一个基站在运行期间节约用电1 kW·h，则意味着节约标准煤0.4 kg，减少污染排放约0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫、0.015 kg氮氧化物。通过综合计算，整个网络所节约的各项能耗相当可观。太阳能与风能属于可再生资源与清洁能源，通过两者之间的互补不仅能够充分体现国家绿色环保基站建设理念，而且还能使运营商较好地解决偏远地区通信基站持续性供电需求问题[3]。

2 风光互补系统组成分析

风光互补供电系统由多个部分构成，例如风力发电机组、太阳能列阵、控制器、蓄电池以及基站交直流负载等。该系统将风能、太阳能作为主要的能量来源，利用不同设备构成供电系统来进行智能化控制，从而实现对交流电压、直流电压的稳定输出，满足基站中各类设备的供电需求。风光互补供电系统结构如图1所示。

图1 风光互补供电系统结构

风机通过大叶片转动的方式带动内部多个大齿轮和小齿轮转动，最小的齿轮往往会通过最快的速度实现对磁力线的切割，从而获得交流电能，接着控制器通过电压变换和工作状态的调整输出稳定的电流，为通信基站的负载提供稳定的电能。太阳能电池板通过光伏效应可以持续将太阳能转化为直流电能[4]。逆变器的应用会将-48 V直流电转化为220 V交流电，这对于通信基站内交流负载设备的安全稳定运行具有重要意义。如果通信基站中只有直流负载，那么供电系统不需要设置逆变器。

控制系统要实现对供电系统的智能化调节，需要综合考虑具体日照强度、风力大小以及负载耗电情况等。通过智能化调节，不仅可以实现对稳定电能的输送，将电能输送到基站负载，而且还可以将多余电能浮充到蓄电池中进行存储。在发电量较低且达到一定限值时，控制器会对蓄电池中存储的电能进行自动释放，为负载提供充足电能[5]。

相较于单独的风电系统或者光电系统而言，风光互补供电系统能够实现双能源互补，实际建设成本较低，而且能够输出更多的电能，提高系统可靠性。

3 绿色能源多系统在通信基站建设中的运用方案

3.1 基础条件

太阳能有效发电时长是指在标准条件下太阳能组件所发出电能满足系统最大持续供电时间和补充蓄电池的最大充电时间，假设以每天4.5 h作为太阳能的有效日照时长，当地有效日照时间在每天10:30—15:00，则意味着太阳能设施每天可以提供的发电量满足负荷正常工作4.5 h。气象意义上的日照时数并不是太阳能供电设计中所考虑的太阳能板接受光照的时间，而是在某一时间和某一地点测试太阳直射光线照射地面的时间。对于所选区域，保证在每天09:00—15:00，太阳能电池板不会因阻挡而产生阴影。如果产生阴影的因素无法完全消除，则可以尝试去增加容量或者移动太阳能电池阵列，以此来弥补阴影造成的损失。太阳能电池阵列的最佳朝向为北半球正南方向，如果能使方形阵列朝向为正南或0°方位角，则每天日照是最佳的。此外，还应对当地的气候特征的影响进行充分考虑和仔细评估。例如，如果早上站点周围有雾或者站点东部有部分阴影，则需要调整太阳能电池阵列的方向，为了在滞后时间内获得更有效的太阳辐射，可以通过向西南方向的微偏来解决。

3.2 配置方案

以青海省海西州天峻县苏里乡曲尕追村新增4G基站为例，经现场勘查测定，该地区平均海拔在3 000 m以上。基站站型配置为S111，距离国家电网电力设施23 km。查询当地气象资料可知，该地区2020年平均日照时数为2 850.6 h。以2020年全年366天计算，该地区日平均时长为7.79 h，最高温度为15.8 ℃，最低温度为-10.3 ℃，年平均风速为2.1 m/s。

3.2.1 方案一

考虑传统的电力供电方式，此方案只需向当地电力部门进行用电申请，对于引接距离超过500 m的需由电力相关部门进行建设。经过和当地电力部门沟通协调，超出500 m的输电线每千米平均造价在110 000元，如果需要开通本基站电力引接，接火费和建设费需要花费2 530 000元。根据当地电力价格及基站功耗计算，每年需花费电费为13 200元，年平均维护费用为11 200元。

3.2.2 方案二

新增4G基站采用风光互补进行供电，采用室外型基站，射频单元部分的总功耗为525 W、基带处理单元（Building Base band Unit，BBU）设备功耗为120 W、传输设备功耗为250 W，本基站合计负载功率895 W。站点负载电压为48 V、气候指数J=1、系统输出电压U=48 V、控制系统效率ρ=0.95，设备工作时间M=24 h，蓄电池供电时间T=12 h，补足蓄电池极限能耗时间N为3天，当地日平均有效日照时间H=4.29 h，单片24 V太阳能电池板峰值功率为180 W，保险系数K=1，环境温度（低温）t=-10.3 ℃，蓄电池容量系数η=0.75，风能系数F=15%，负载电流I约为18.65 A。

太阳能蓄电池配置总量为

蓄电池组容量计算公式为

通过与设备厂家之间的联系获得相关设备材料的成本，结合风光互补供电系统的具体容量进行计算，预计建设投资为220 000元，年平均维护费用为29 500元。

3.2.3 方案三

新增4G基站采用光油互补，平时柴油发电机处于不工作的状态，在太阳能充足时优先选用太阳能为基站供电，只有连续3日内该区域无太阳或者蓄电池容量低于20%时由维护人员将柴油发电机运至该基站进行供电，以保证该基站设备的正常运行。

一般情况下，重要基站及通信中继点所配备的柴油发电机为停电自启式柴油发电机组，为了保障其安全的运行，需将相关设备安装在室内。但考虑本基站为一般性非重要通信基站，建议采用流动油机的方案进行停电后电源的供给，即停电后由维护人员将发电机从维护站运至基站，人工接线后启动柴油发电机为基站供电。根据现场勘查，该基站距离相关维护站112 km。结合当地的气候、环境、日照等因素，该方案不考虑新增风力发电系统，而改用流动式油机发电系统。该基站位于山顶，车辆无法到站，维护人员需徒步到站操作。此外，该区域年平均气温为3.5 ℃，长期降雪等原因造成维护困难，维修人员运维时存在人身安全风险。综合考虑以上因素，预计建设投资为183 500元，年平均维护费用为189 800元。

3.3 方案分析

以一年为周期进行对比，结果如表1所示，其中投资金额由前期建设成本、年平均维护成本以及运营投入等构成。

表1 方案对比

通过上述3种方案对比可知，风光互补和油光互补方案在基站初期的建设投资中能节省更多的建设成本。而考虑后期维护成本，风光互补是偏远地区基站动力的最佳选择。通过后期开展的经济效益评价，对通信基站建设可行性进行全面论证，风光互补不仅具有绿色低碳的可持续发展性，而且还具有投资回收期短、供电稳定等优点。

4 结 论

综上所述，通信基站建设是当前我国社会发展的一项重点工作，通过通信基站的建设可以完善偏远地区的网络覆盖，为人们的日常通信提供更多的便利。在具体建设工作开展时，要对风光互补供电系统有正确认识，结合实际情况做好方案设计、站址勘察工作，从而推动通信基站建设的顺利进行。