一、背景
距不完全統(tǒng)計，我國目前尚有7,656萬無電人口，16個無電縣，828個無電鄉(xiāng)和29,783個無電村。由于這些縣城、村鎮(zhèn)及散居牧戶地處邊遠，遠離電網，用電負荷小而且分散，近20年之內不可能通過延伸電網實現供電。我國風能、太陽能資源豐富?？衫玫娘L能資源約2.5億千瓦，主要分布在沿海和內蒙古—甘肅—新疆一線的兩大風帶，有效風能密度在200瓦/平方米以上；我國2/3以上地區(qū)的年日照大于2000小時，年均輻射量約為5900 兆焦耳/平方米，青藏高原、內蒙古、寧夏、甘肅北部、陜西、河北西北部、新疆南部、東北以及陜甘寧部分地區(qū)的光照尤為突出。而我國大多數無電人口恰好主要分布在這些地區(qū)。
中國移動以“責任”與“卓越”作為追求目標，以“創(chuàng)新”來實現跨越，先后在中西部地區(qū)開始了“村通”工程建設，并為此投入了巨大的人力、物力，取得了一定的效果。但在邊遠的地區(qū)如山區(qū)、沙漠、高原、海島、湖泊等地方，市電無法到達或市電施工成本太高，如何高效、快捷、便利地做好基站供電工作，是當前“村通工程”面臨的重要問題。筆者經過多年大量資料的搜集與研究，提出一種新型的供電方案，此方案可以全天候供電，且安裝時間較短、維護簡單，一次性投資，常年收益。
二、系統(tǒng)方案
對于一般的邊遠地區(qū)移動基站，視本地的地理位置和環(huán)境情況，配以不同功率的太陽能電池板和風力發(fā)電機，通過充電控制來對蓄電池進行充電，對于系統(tǒng)多余的能量，可以通過卸荷系統(tǒng)來調節(jié)室內的溫度，BTS和傳輸通過直流配電屏直接供電，基站內的日光燈等，建議也選用直流電源的LED燈具，對于維護、檢修用的交流電源，可以通過便攜式逆變電源來供給。通過這樣的配置，可以節(jié)省了空調設備，可以很大的簡化供電系統(tǒng)。下面將相關涉及的材料，進行簡單的介紹。
三、風力發(fā)電機
風力發(fā)電機組正常分為高速風型和低風速型，考慮到絕大多數地區(qū)的年平均風能的具體情況以及系統(tǒng)造價，一般采用低風速型設計方案，具有適應地區(qū)廣、發(fā)電效率高、結構簡單、性能可靠、維護方便的特點，穩(wěn)速機構采用側偏尾翼方式，整機設計合理、運行平穩(wěn)、對不同風況適應能力強。風力發(fā)電機組一般包含以下幾個組件：發(fā)電機、葉片、導流罩、尾翼、回轉體、支撐桿、底座、拉線等。風力發(fā)電機正常使用應注意以下事項：
風機應安裝在使風能充分利用的地方，且無高大障礙物，使風機四面臨風，或者立于小山包之上，或雖處凹地，但形如走廊，總有疾風勁吹而得天獨厚。
A 如需在障礙物附近安裝風機，在條件許可的情況下應機 盡可能地遠離障礙物，以充分利用風能，離障礙物的極距離要求。（見圖）
B 如在障礙物之上架設風機，風機的安裝高度應使風輪的下緣至少高出障礙物的最高點 2 米 。（見圖）
四、太陽能電池板
太陽能電池板采用高晶硅材料制成，并用高強度、透光性能強的太陽能專用鋼化玻璃以及高性能、耐紫外線輻射的專用密封材料層壓而成的太陽能電池板，能抗冰雪地帶。在溫度劇變的惡劣環(huán)境下能正常使用，在使用過程中，把太陽能轉換成電能；所以，只要有陽光就可以發(fā)電，是一種先進、無污染的環(huán)保的高科技產品。
太陽能安裝應注意以下事項：
太陽電池組件工作時其安裝方向應保證最大限度地接收日光照射，考慮了一天內陽光入射方向的變化和一年內冬季和夏季太陽距地平線高度的不同。建議在一般情況下組件應朝赤道方向傾斜安裝，即北半球組件受光面應朝向南方，南半球組件受光面應朝向北方。一般情況下其組件與地面的夾角應參照當地緯度±（5°~10°）。
五、充電控制器（MPPT即峰值功率跟蹤）的應用
MPPT(Maximum Power Point Tracker)即峰值功率跟蹤器，是太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件。MPPT的作用是使太陽能電池陣列工作在最大輸出功率點。它是高效率的DC／DC變換器，相當于太陽能電池輸出端的阻抗變換器。MPPT是太陽能車、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能水泵上常用的功率提升部件。MPPT能使太陽能電池陣列的輸出功率增加約15％～36％。
本文所述MPPT是通用性的功率控制器，主要針對于3000W以下的太陽能發(fā)電系統(tǒng)、風力發(fā)電機系統(tǒng)。在提高發(fā)電效率的同時，可以實現充電限流、停止充電、卸荷、輸出穩(wěn)壓等功能。MPPT根據智能的控制策略判斷最大功率點的位置，自動調整發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流，來跟蹤最大功率點電壓，由此實現MPPT的功能。因此，MPPT不僅是一個高效率的DC／DC轉換器，更是一個智能的控制系統(tǒng)。
六、空氣調節(jié)及卸荷控制原理：
根據大量的數據調研，表明邊遠基站的絕大部分時間內，戶外溫度低于機房規(guī)定的需求溫度，因此可以通過利用全熱交換的方式，利用室外的冷空氣降低室內的溫度。當室內空氣調系統(tǒng)進風和出風分別呈正交叉方式流經換熱芯體，由于平隔板兩側氣流存在著溫度差和水蒸汽壓差，兩股氣流間同時呈現傳熱傳質現象，引起全熱交換過程。這種過程是通過平隔板完成的，所以屬透過型全熱交換現象。
換熱式空氣調節(jié)示意圖如下：
當風力發(fā)電機和太陽能電池板對電池充滿后或風力太大后引起風機轉速超高，為了保護發(fā)電設備，根據國家相應的技術規(guī)范，需要對發(fā)電設備進行強制卸荷處理，即用重負載加到發(fā)電設備的兩端，以提供一個電荷泄發(fā)回路，強制降低發(fā)電端輸出電壓或降低風機的轉速。利用半導體致冷片的發(fā)熱效應，配以電壓換向裝置，利用充電滿后多余的能量，用半導體致冷片來合理調節(jié)邊遠基站的室內溫度。如果再配以智能通風系統(tǒng)，完全可以達到空調的效果，可以取代基站傳統(tǒng)的空調設備。以下是對半導體致冷片的簡介：
半導體致冷片（TE）也叫熱電致冷片，是一種熱泵，它的優(yōu)點是沒有滑動部件，應用在一些空間受到限制，可靠性要求高，無致冷劑污染的場合。
當室內溫度達到設定的溫度后，為了繼續(xù)保證卸荷功能的正常進行，微處理器通過程序來周期性的變換制冷、制熱工作狀態(tài)，人為地消耗了多余的能量。
七、便攜式逆變電源
根據日常維護需要用到的儀表、設施的交流功率，來恰當地配備好符合負載功率容量的逆變電源。但建議相關部門一定要選配純正弦波的逆變電源。
八、用電功率計算
通用的移動基站用電設備主要有：BTS、傳輸設備、電源設備、空調設備、照明系統(tǒng)等，在新型基站供電系統(tǒng)中，普通的空調設備更換為智能通風系統(tǒng)、照明系統(tǒng)更換為LED燈，整個功耗基本不變。
根據設備廠家提供的技術文件，BTS、傳輸設備的標準功率消耗量為：
以標準的2/2/2配置來計算直流負載，不包含3G需要48V/105A，考慮到變換效率，則需要輸入功率P=48×105/0.85=5.93KW。
九、熱工負荷計算
移動基站熱工負荷，主要來自基站設備、外部設備及機房的發(fā)熱量，大約占總熱量的80%以上，其次是照明熱、傳導熱、輻射熱等。
a.外部設備發(fā)熱量計算
Q＝860N￠(kcal／h)。式中：
N：用電量(kW)；
￠：同時使用系數(0.2～0.5)；
860：功的熱當量，即lkW電能全部轉化為熱能所產生的熱量。
b.主機發(fā)熱量計算
Q＝860P×h1×h2×h3。式中：
P：總功率(kW)；
h1：同時使用系數；
h2：利用系數；
h3：負荷工作均勻系數。
基站內各種設備的總功率，應以基站內設備的最大功耗為準，但這些功耗并未全部轉換成熱量，因此，必須用以上三種系數來修正，這些系數又與基站的系統(tǒng)結構、功能、用途、工作狀態(tài)等有關。總系數一般取0.6～0.8之間為好。
c
.照明設備熱負荷計算
機房照明設備的耗電量，一部分變成光，一部分變成熱。因基站是無人值守的，故照明發(fā)熱可以忽略不計。
d.人體發(fā)熱量
人體內的熱是通過皮膚和呼吸器官放出來的，這種熱因含有水蒸汽，其熱負荷應是顯熱和潛熱負荷之和。因基站是無人值守的，可以忽略不計。
e.圍護結構的傳導熱
通過機房屋頂、墻壁、隔斷等圍護結構進入機房的傳導熱是一個與季節(jié)、時間、地理位置和太陽的照射角度等有關的量。因此，要準確地求出這樣的量是很復雜的問題。
當室內外空氣溫度保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)時，由平面形狀墻壁傳入機房的熱量可按下式計算：
Q＝KF(t1-t2) kcal／h。式中：
K：圍護結構的導熱系數(kcal／m2h℃)；
F：圍護結構面積(m2)；
t1：機房內溫度(℃)；
t2：機房外的計算溫度(℃)。
當計算不與室外空氣直接接觸的圍護結構如隔斷等時，室內外計算溫度差應乘以修正系數，其值通常取0.4～0.7。常用材料導熱系數如下表所示：
常用材料導熱系數
f.從玻璃透入的太陽輻射熱
當玻璃受陽光照射時，一部分被反射、一部分被玻璃吸收，剩下透過玻璃射入機房轉化為熱。被玻璃吸收的熱使玻璃溫度升高，其中一部分通過對流進入機房也成為熱負荷。
透過玻璃進入室內的熱量可按下式計算：
Q＝KFq (kcal／h)。式中：
K：太陽輻射熱的透入系數；
F：玻璃窗的面積(m2)；
q：透過玻璃窗進入的太陽輻射熱強度(kcal／m2h)。
透入系數K值取決于窗戶的種類，通常取0.36～0.4?！?br />
太陽輻射熱強度q隨緯度、季節(jié)和時間而不同，又隨太陽照射角度而變化。具體數值請參考當地氣象資料。
g.換氣及室外侵入的熱負荷
為了給在機房內工作的人員不斷補充新鮮空氣，以及用換氣來維持機房的正壓，需要通過空調設備的新風口向機房送入室外的新鮮空氣，這些新鮮空氣也將成為熱負荷。通過門、窗縫隙和開關而侵入的室外空氣量，隨機房的密封程度，人的出入次數和室外的風速而改變。這種熱負荷通常都很小，如需要，可將其折算為房間的換氣量來確定熱負荷。
十、樣板工程分析
以吉林長白山山頂建設的移動基站為例，來計算系統(tǒng)配置。
1、功率計算
以2/2/2的基站配置來計算，理論上需要的電功率為：51A， 但經過實際測量，實際平均負載容量為48V、21A，考慮到浮充因數，計為1.1KW?？紤]到連續(xù)5天無太陽和風力特殊情況，蓄電池放電深度按0.8計，則蓄電池容量應為：5X24X21A/0.8=3150Ah，取最近的值，則選用2V1000Ah的蓄電池72節(jié)，并聯成48V2000Ah的蓄電池組3組。
2、系統(tǒng)要求及氣象數據
針對以上負載功耗和相關要求，在吉林長白地區(qū)的太陽能配置如下：
基本要求：最長連續(xù)陰雨天3天，兩個陰雨天之間的間隔最短30天；
氣象數據：緯度41.50，經度128.20 ，每日有效光輻射時間為4.86小時。
長白山天池一帶，為特大風區(qū)，年平均風速為11.7米／秒，有效風能密度最大為1100瓦/米2
注：以上數據來源于是NASA
3、系統(tǒng)建議配置
基站供電系統(tǒng)主要配置如下：
風力發(fā)電機：
按照平均風速發(fā)電，在24小時內能將電池充滿，風機選用低速風機，平均風速發(fā)電能力按照80%計算，則需要配備的風力發(fā)電機容量應為：
54V×3000A/（24×80%）=8438W，建議由8臺110V1KW的風力發(fā)電機并聯組成；
風力發(fā)電隔離充電控制器：48V、50A模塊4個
蓄電池：
48V、3000Ah，由72塊2V、1000Ah蓄電池24只3組并聯；
風力發(fā)電輸入配電柜：
選用10KVA10路輸入，8路輸出的發(fā)電配電柜
直流輸出配電柜：
選用400A輸出4路，100A輸出4路，63A輸出4路的直流配電柜
智能換熱式空調調節(jié)系統(tǒng)：
為了保證機房的溫度能保持在規(guī)定的溫度范圍內，建議對機房進行密封、二次保溫處理，處理過后，機房本身電氣設備產生的熱量為：1.1KWX0.6=0.66KW，Q1=0.66X860=567.6 kcal/h；
外圍圍護結構的傳熱為：
夏季，以5X5基站的5個接觸面合計面積為85平方，溫差10度，圍護結構傳熱系數0.4來計算，Q2=85X10X0.4=+340kcal/h
冬季，以5X5基站的6個接觸面合計面積110平方（考慮到地坪的傳熱效果），溫差25度來計算，Q2=110X25X0.4=-1110kcal/h。則：
夏季需要提供：Q1+Q2=907.6 kcal/h的制冷量，
冬季需要提供：Q1+Q2=542.4 kcal/h的制熱量
據上，考慮到卸荷需要用到的負載，則選用制冷量為1K大卡，卸荷電阻為8KW的智能空氣調節(jié)系統(tǒng)。
結論：
本課題設計的系統(tǒng)具有以下功能：
•使用了MPPT(峰值功率跟蹤)技術，可提高充電效率30%；在低風速、低光照情況下也可進行充電。
•卓越的充電管理技術:充電時最大功率跟蹤，充滿后自動轉為浮動充電，強風和強光時進行充電限流，有效保護電池和負載；
•通過智能處理，在強風和強光時或電池電充滿后，利用半導體制冷（熱）來作為卸荷裝置，既將富余能量釋放掉、保護了發(fā)電設備又調節(jié)了基站的室內溫度，節(jié)省了空調設備的投資，節(jié)省了基站的室內面積。
•節(jié)省了大量的供電費用，并降低了維護成本
采用本文的供電方案，在邊遠基站的建設上可以不受市電供電條件的限制。利用本文的方案，可以縮短基站建設工期、降低工程總體成本。因采用風、光互補發(fā)電方式，可以24小時不間斷發(fā)電，無須另配發(fā)電機，發(fā)電維護量較少。
綜上所述，本文的方案在國內具有領先水平，方案經濟合理，可操作性強，具有極高的推廣價值。
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