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邊遠(yuǎn)地區(qū)基站供電方案的解決與研究

作者: 時(shí)間:2012-04-12 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

一、背景

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/177532.htm

距不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)目前尚有7,656萬(wàn)無(wú)電人口,16個(gè)無(wú)電縣,828個(gè)無(wú)電鄉(xiāng)和29,783個(gè)無(wú)電村。由于這些縣城、村鎮(zhèn)及散居牧戶地處,遠(yuǎn)離電網(wǎng),用電負(fù)荷小而且分散,近20年之內(nèi)不可能通過(guò)延伸電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。我國(guó)風(fēng)能、太陽(yáng)能資源豐富??衫玫娘L(fēng)能資源約2.5億千瓦,主要分布在沿海和內(nèi)蒙古—甘肅—新疆一線的兩大風(fēng)帶,有效風(fēng)能密度在200瓦/平方米以上;我國(guó)2/3以上的年日照大于2000小時(shí),年均輻射量約為5900 兆焦耳/平方米,青藏高原、內(nèi)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的光照尤為突出。而我國(guó)大多數(shù)無(wú)電人口恰好主要分布在這些。

中國(guó)移動(dòng)以“責(zé)任”與“卓越”作為追求目標(biāo),以“創(chuàng)新”來(lái)實(shí)現(xiàn)跨越,先后在中西部地區(qū)開(kāi)始了“村通”工程建設(shè),并為此投入了巨大的人力、物力,取得了一定的效果。但在的地區(qū)如山區(qū)、沙漠、高原、海島、湖泊等地方,市電無(wú)法到達(dá)或市電施工成本太高,如何高效、快捷、便利地做好工作,是當(dāng)前“村通工程”面臨的重要問(wèn)題。筆者經(jīng)過(guò)多年大量資料的搜集與,提出一種新型的,此可以全天候供電,且安裝時(shí)間較短、維護(hù)簡(jiǎn)單,一次性投資,常年收益。

二、系統(tǒng)

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對(duì)于一般的地區(qū)移動(dòng),視本地的地理位置和環(huán)境情況,配以不同功率的太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī),通過(guò)充電控制來(lái)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,對(duì)于系統(tǒng)多余的能量,可以通過(guò)卸荷系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度,BTS和傳輸通過(guò)直流配電屏直接供電,內(nèi)的日光燈等,建議也選用直流電源的LED燈具,對(duì)于維護(hù)、檢修用的交流電源,可以通過(guò)便攜式逆變電源來(lái)供給。通過(guò)這樣的配置,可以節(jié)省了空調(diào)設(shè)備,可以很大的簡(jiǎn)化供電系統(tǒng)。下面將相關(guān)涉及的材料,進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

三、風(fēng)力發(fā)電機(jī)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常分為高速風(fēng)型和低風(fēng)速型,考慮到絕大多數(shù)地區(qū)的年平均風(fēng)能的具體情況以及系統(tǒng)造價(jià),一般采用低風(fēng)速型設(shè)計(jì)方案,具有適應(yīng)地區(qū)廣、發(fā)電效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、維護(hù)方便的特點(diǎn),穩(wěn)速機(jī)構(gòu)采用側(cè)偏尾翼方式,整機(jī)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行平穩(wěn)、對(duì)不同風(fēng)況適應(yīng)能力強(qiáng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般包含以下幾個(gè)組件:發(fā)電機(jī)、葉片、導(dǎo)流罩、尾翼、回轉(zhuǎn)體、支撐桿、底座、拉線等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常使用應(yīng)注意以下事項(xiàng):

風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝在使風(fēng)能充分利用的地方,且無(wú)高大障礙物,使風(fēng)機(jī)四面臨風(fēng),或者立于小山包之上,或雖處凹地,但形如走廊,總有疾風(fēng)勁吹而得天獨(dú)厚。

A 如需在障礙物附近安裝風(fēng)機(jī),在條件許可的情況下應(yīng)機(jī) 盡可能地遠(yuǎn)離障礙物,以充分利用風(fēng)能,離障礙物的極距離要求。(見(jiàn)圖)

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B 如在障礙物之上架設(shè)風(fēng)機(jī),風(fēng)機(jī)的安裝高度應(yīng)使風(fēng)輪的下緣至少高出障礙物的最高點(diǎn) 2 米 。(見(jiàn)圖)


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四、太陽(yáng)能電池板

太陽(yáng)能電池板采用高晶硅材料制成,并用高強(qiáng)度、透光性能強(qiáng)的太陽(yáng)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(yáng)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(guò)程中,把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能;所以,只要有陽(yáng)光就可以發(fā)電,是一種先進(jìn)、無(wú)污染的環(huán)保的高科技產(chǎn)品。

太陽(yáng)能安裝應(yīng)注意以下事項(xiàng):

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太陽(yáng)電池組件工作時(shí)其安裝方向應(yīng)保證最大限度地接收日光照射,考慮了一天內(nèi)陽(yáng)光入射方向的變化和一年內(nèi)冬季和夏季太陽(yáng)距地平線高度的不同。建議在一般情況下組件應(yīng)朝赤道方向傾斜安裝,即北半球組件受光面應(yīng)朝向南方,南半球組件受光面應(yīng)朝向北方。一般情況下其組件與地面的夾角應(yīng)參照當(dāng)?shù)鼐暥?plusmn;(5°~10°)。

五、充電控制器(MPPT即峰值功率跟蹤)的應(yīng)用

MPPT(Maximum Power Point Tracker)即峰值功率跟蹤器,是太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件。MPPT的作用是使太陽(yáng)能電池陣列工作在最大輸出功率點(diǎn)。它是高效率的DC/DC變換器,相當(dāng)于太陽(yáng)能電池輸出端的阻抗變換器。MPPT是太陽(yáng)能車、太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能水泵上常用的功率提升部件。MPPT能使太陽(yáng)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(duì)于3000W以下的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。在提高發(fā)電效率的同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)充電限流、停止充電、卸荷、輸出穩(wěn)壓等功能。MPPT根據(jù)智能的控制策略判斷最大功率點(diǎn)的位置,自動(dòng)調(diào)整發(fā)電系統(tǒng)的輸出電流,來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)電壓,由此實(shí)現(xiàn)MPPT的功能。因此,MPPT不僅是一個(gè)高效率的DC/DC轉(zhuǎn)換器,更是一個(gè)智能的控制系統(tǒng)。

六、空氣調(diào)節(jié)及卸荷控制原理:

根據(jù)大量的數(shù)據(jù)調(diào)研,表明邊遠(yuǎn)基站的絕大部分時(shí)間內(nèi),戶外溫度低于機(jī)房規(guī)定的需求溫度,因此可以通過(guò)利用全熱交換的方式,利用室外的冷空氣降低室內(nèi)的溫度。當(dāng)室內(nèi)空氣調(diào)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)分別呈正交叉方式流經(jīng)換熱芯體,由于平隔板兩側(cè)氣流存在著溫度差和水蒸汽壓差,兩股氣流間同時(shí)呈現(xiàn)傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象,引起全熱交換過(guò)程。這種過(guò)程是通過(guò)平隔板完成的,所以屬透過(guò)型全熱交換現(xiàn)象。

換熱式空氣調(diào)節(jié)示意圖如下:

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當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池板對(duì)電池充滿后或風(fēng)力太大后引起風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速超高,為了保護(hù)發(fā)電設(shè)備,根據(jù)國(guó)家相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范,需要對(duì)發(fā)電設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)制卸荷處理,即用重負(fù)載加到發(fā)電設(shè)備的兩端,以提供一個(gè)電荷泄發(fā)回路,強(qiáng)制降低發(fā)電端輸出電壓或降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用半導(dǎo)體致冷片的發(fā)熱效應(yīng),配以電壓換向裝置,利用充電滿后多余的能量,用半導(dǎo)體致冷片來(lái)合理調(diào)節(jié)邊遠(yuǎn)基站的室內(nèi)溫度。如果再配以智能通風(fēng)系統(tǒng),完全可以達(dá)到空調(diào)的效果,可以取代基站傳統(tǒng)的空調(diào)設(shè)備。以下是對(duì)半導(dǎo)體致冷片的簡(jiǎn)介:

半導(dǎo)體致冷片(TE)也叫熱電致冷片,是一種熱泵,它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有滑動(dòng)部件,應(yīng)用在一些空間受到限制,可靠性要求高,無(wú)致冷劑污染的場(chǎng)合。

當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度后,為了繼續(xù)保證卸荷功能的正常進(jìn)行,微處理器通過(guò)程序來(lái)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(jù)日常維護(hù)需要用到的儀表、設(shè)施的交流功率,來(lái)恰當(dāng)?shù)嘏鋫浜梅县?fù)載功率容量的逆變電源。但建議相關(guān)部門一定要選配純正弦波的逆變電源。

八、用電功率計(jì)算

通用的移動(dòng)基站用電設(shè)備主要有:BTS、傳輸設(shè)備、電源設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、照明系統(tǒng)等,在新型基站供電系統(tǒng)中,普通的空調(diào)設(shè)備更換為智能通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)更換為L(zhǎng)ED燈,整個(gè)功耗基本不變。

根據(jù)設(shè)備廠家提供的技術(shù)文件,BTS、傳輸設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)功率消耗量為:

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以標(biāo)準(zhǔn)的2/2/2配置來(lái)計(jì)算直流負(fù)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(fù)荷計(jì)算

移動(dòng)基站熱工負(fù)荷,主要來(lái)自基站設(shè)備、外部設(shè)備及機(jī)房的發(fā)熱量,大約占總熱量的80%以上,其次是照明熱、傳導(dǎo)熱、輻射熱等。

a.外部設(shè)備發(fā)熱量計(jì)算

Q=860N¢(kcal/h)。式中:
N:用電量(kW); 
¢:同時(shí)使用系數(shù)(0.2~0.5); 
860:功的熱當(dāng)量,即lkW電能全部轉(zhuǎn)化為熱能所產(chǎn)生的熱量。
b.主機(jī)發(fā)熱量計(jì)算 
Q=860P×h1×h2×h3。式中:
P:總功率(kW);
h1:同時(shí)使用系數(shù);
h2:利用系數(shù); 
h3:負(fù)荷工作均勻系數(shù)。
  
基站內(nèi)各種設(shè)備的總功率,應(yīng)以基站內(nèi)設(shè)備的最大功耗為準(zhǔn),但這些功耗并未全部轉(zhuǎn)換成熱量,因此,必須用以上三種系數(shù)來(lái)修正,這些系數(shù)又與基站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、用途、工作狀態(tài)等有關(guān)??傁禂?shù)一般取0.6~0.8之間為好。
c
.照明設(shè)備熱負(fù)荷計(jì)算 
  
機(jī)房照明設(shè)備的耗電量,一部分變成光,一部分變成熱。因基站是無(wú)人值守的,故照明發(fā)熱可以忽略不計(jì)。

d.人體發(fā)熱量
  
人體內(nèi)的熱是通過(guò)皮膚和呼吸器官放出來(lái)的,這種熱因含有水蒸汽,其熱負(fù)荷應(yīng)是顯熱和潛熱負(fù)荷之和。因基站是無(wú)人值守的,可以忽略不計(jì)。

e.圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)熱
  
通過(guò)機(jī)房屋頂、墻壁、隔斷等圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入機(jī)房的傳導(dǎo)熱是一個(gè)與季節(jié)、時(shí)間、地理位置和太陽(yáng)的照射角度等有關(guān)的量。因此,要準(zhǔn)確地求出這樣的量是很復(fù)雜的問(wèn)題。
  
當(dāng)室內(nèi)外空氣溫度保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),由平面形狀墻壁傳入機(jī)房的熱量可按下式計(jì)算:

Q=KF(t1-t2) kcal/h。式中:
K:圍護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)(kcal/m2h℃);
F:圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積(m2); 
t1:機(jī)房?jī)?nèi)溫度(℃);
t2:機(jī)房外的計(jì)算溫度(℃)。

當(dāng)計(jì)算不與室外空氣直接接觸的圍護(hù)結(jié)構(gòu)如隔斷等時(shí),室內(nèi)外計(jì)算溫度差應(yīng)乘以修正系數(shù),其值通常取0.4~0.7。常用材料導(dǎo)熱系數(shù)如下表所示:

常用材料導(dǎo)熱系數(shù)

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f.從玻璃透入的太陽(yáng)輻射熱 
  
當(dāng)玻璃受陽(yáng)光照射時(shí),一部分被反射、一部分被玻璃吸收,剩下透過(guò)玻璃射入機(jī)房轉(zhuǎn)化為熱。被玻璃吸收的熱使玻璃溫度升高,其中一部分通過(guò)對(duì)流進(jìn)入機(jī)房也成為熱負(fù)荷。
  
透過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)的熱量可按下式計(jì)算:

Q=KFq (kcal/h)。式中:
K:太陽(yáng)輻射熱的透入系數(shù);
F:玻璃窗的面積(m2); 
q:透過(guò)玻璃窗進(jìn)入的太陽(yáng)輻射熱強(qiáng)度(kcal/m2h)。

透入系數(shù)K值取決于窗戶的種類,通常取0.36~0.4?!?br />  
太陽(yáng)輻射熱強(qiáng)度q隨緯度、季節(jié)和時(shí)間而不同,又隨太陽(yáng)照射角度而變化。具體數(shù)值請(qǐng)參考當(dāng)?shù)貧庀筚Y料。

g.換氣及室外侵入的熱負(fù)荷 
  
為了給在機(jī)房?jī)?nèi)工作的人員不斷補(bǔ)充新鮮空氣,以及用換氣來(lái)維持機(jī)房的正壓,需要通過(guò)空調(diào)設(shè)備的新風(fēng)口向機(jī)房送入室外的新鮮空氣,這些新鮮空氣也將成為熱負(fù)荷。通過(guò)門、窗縫隙和開(kāi)關(guān)而侵入的室外空氣量,隨機(jī)房的密封程度,人的出入次數(shù)和室外的風(fēng)速而改變。這種熱負(fù)荷通常都很小,如需要,可將其折算為房間的換氣量來(lái)確定熱負(fù)荷。

十、樣板工程分析

以吉林長(zhǎng)白山山頂建設(shè)的移動(dòng)基站為例,來(lái)計(jì)算系統(tǒng)配置。

1、功率計(jì)算

以2/2/2的基站配置來(lái)計(jì)算,理論上需要的電功率為:51A, 但經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量,實(shí)際平均負(fù)載容量為48V、21A,考慮到浮充因數(shù),計(jì)為1.1KW??紤]到連續(xù)5天無(wú)太陽(yáng)和風(fēng)力特殊情況,蓄電池放電深度按0.8計(jì),則蓄電池容量應(yīng)為:5X24X21A/0.8=3150Ah,取最近的值,則選用2V1000Ah的蓄電池72節(jié),并聯(lián)成48V2000Ah的蓄電池組3組。

2、系統(tǒng)要求及氣象數(shù)據(jù)

針對(duì)以上負(fù)載功耗和相關(guān)要求,在吉林長(zhǎng)白地區(qū)的太陽(yáng)能配置如下:

基本要求:最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天3天,兩個(gè)陰雨天之間的間隔最短30天;

氣象數(shù)據(jù):緯度41.50,經(jīng)度128.20 ,每日有效光輻射時(shí)間為4.86小時(shí)。

長(zhǎng)白山天池一帶,為特大風(fēng)區(qū),年平均風(fēng)速為11.7米/秒,有效風(fēng)能密度最大為1100瓦/米2

7.jpg

注:以上數(shù)據(jù)來(lái)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(fēng)力發(fā)電機(jī):

按照平均風(fēng)速發(fā)電,在24小時(shí)內(nèi)能將電池充滿,風(fēng)機(jī)選用低速風(fēng)機(jī),平均風(fēng)速發(fā)電能力按照80%計(jì)算,則需要配備的風(fēng)力發(fā)電機(jī)容量應(yīng)為:

54V×3000A/(24×80%)=8438W,建議由8臺(tái)110V1KW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)并聯(lián)組成;

風(fēng)力發(fā)電隔離充電控制器:48V、50A模塊4個(gè)

蓄電池:

48V、3000Ah,由72塊2V、1000Ah蓄電池24只3組并聯(lián);

風(fēng)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(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng):

為了保證機(jī)房的溫度能保持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi),建議對(duì)機(jī)房進(jìn)行密封、二次保溫處理,處理過(guò)后,機(jī)房本身電氣設(shè)備產(chǎn)生的熱量為:1.1KWX0.6=0.66KW,Q1=0.66X860=567.6 kcal/h;

外圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱為:

夏季,以5X5基站的5個(gè)接觸面合計(jì)面積為85平方,溫差10度,圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)0.4來(lái)計(jì)算,Q2=85X10X0.4=+340kcal/h

冬季,以5X5基站的6個(gè)接觸面合計(jì)面積110平方(考慮到地坪的傳熱效果),溫差25度來(lái)計(jì)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(jù)上,考慮到卸荷需要用到的負(fù)載,則選用制冷量為1K大卡,卸荷電阻為8KW的智能空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

結(jié)論:

本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有以下功能:

•使用了MPPT(峰值功率跟蹤)技術(shù),可提高充電效率30%;在低風(fēng)速、低光照情況下也可進(jìn)行充電。

•卓越的充電管理技術(shù):充電時(shí)最大功率跟蹤,充滿后自動(dòng)轉(zhuǎn)為浮動(dòng)充電,強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)光時(shí)進(jìn)行充電限流,有效保護(hù)電池和負(fù)載;

•通過(guò)智能處理,在強(qiáng)風(fēng)和強(qiáng)光時(shí)或電池電充滿后,利用半導(dǎo)體制冷(熱)來(lái)作為卸荷裝置,既將富余能量釋放掉、保護(hù)了發(fā)電設(shè)備又調(diào)節(jié)了基站的室內(nèi)溫度,節(jié)省了空調(diào)設(shè)備的投資,節(jié)省了基站的室內(nèi)面積。

•節(jié)省了大量的供電費(fèi)用,并降低了維護(hù)成本

采用本文的供電方案,在邊遠(yuǎn)基站的建設(shè)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(shè)工期、降低工程總體成本。因采用風(fēng)、光互補(bǔ)發(fā)電方式,可以24小時(shí)不間斷發(fā)電,無(wú)須另配發(fā)電機(jī),發(fā)電維護(hù)量較少。

綜上所述,本文的方案在國(guó)內(nèi)具有領(lǐng)先水平,方案經(jīng)濟(jì)合理,可操作性強(qiáng),具有極高的推廣價(jià)值。

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