永暑礁基站新能源混合供电系统

魏运锋，李伟，刘庆东

（中国联合网络通信大庆市分公司，大庆 163318）

永暑礁基站新能源混合供电系统

魏运锋，李伟，刘庆东

（中国联合网络通信大庆市分公司，大庆 163318）

本文首先介绍了永暑礁充足日照、风力、制氢资源，为风光氢混合供电提供前提；其次，根据系统的组成及配置方法，提出具体的供电方案；然后在系统投资、维护成本、总体经济效益方面与其他供电方式进行了比较分析，得出风光氢混合供电系统是一种很好的供电方式，并有明显的节能减排效果，在风光充足的偏远地区有广阔的应用前景。

混合供电；节能减排；经济效益

1 概述

2016年1月永暑礁正式通航，越来越多的游客到祖国最南端感受祖国的唯美山河，该岛地处偏僻，对游客及驻扎军队想与外界通信是一个难题。6月份伴随中国移动永暑礁4G基站项目的竣工实现祖国各地全方位通信，中国移动通信达到一个新的高度。但是永暑礁地理位置复杂远离祖国大陆，给基站的供电带来一定的困难，三沙市政府也意识到这个问题的存在，随着新能源的发展，太阳能、风能及氢能逐渐成为新型供电方式，并且永暑礁日照充分，风能资源丰富给新能源发电提供一个有力支持。

太阳能资源：永暑礁一年中受到太阳直射的次数为两次，且辐射总能量大可以达到140千卡/cm2。由于地处维度较低太阳的辐射角度大，每年辐射资源储量十分丰富，达到6 000 MJ/m2。总体统计分析，除12月辐射总量低于380 MJ/m2外，其余的月份均在380 MJ/m2以上，特别在阳光充足的5月份，能量总量可以达到650 MJ/m2左右。通过天气数据显示，永暑礁全年日照时长可达2 900 h左右，除日照时间较短的11-12月份外，其余月份的日照时长均在200 h以上，5月份的日照时长均值在300 h以上，所以永暑礁拥有巨大的太阳能资源，具体日照如图1(A)所示[1]。

风能资源：永暑礁地处海域，属于海洋季风气候，风力资源相比内陆地区要丰富的多，根据气象数据显示，永暑礁的年平均风速在6 m/s左右，在风力盛的5-9月份，有时风速可以达到10 m/s，即便在冬季风速都可以达到6 m/s，永暑礁储存着巨大的风力资源。具体风速统计如图1(B)所示[2]。

图1显示，永暑礁存储丰富的太阳能、风能资源，海水资源更是丰富，为氢能的制取提供有力原料。在冬季太阳照射较弱的时间段真是风能分布丰富的季节，相反在风速较弱的夏季里真是太阳照射最强的时间段，太阳能和风能在全年相互补充，太阳能、风能都不理想的情况下可以利用储备的氢能进行发电，使供电系统实现稳定、可靠、安全的运行。所以基于此原因本文设计太阳能、风能和氢能相互结合方式为基站供电是符合逻辑，并且具有一定的可实施性。

其他供电方式：（1）核电——小型核聚变装置，电力绝对十足，代价昂贵，辐射力强还是战争打击的对象。（2）潮汐发电，能够满足岛上用电及基站供电，但是需要建设封闭的大坝，而且占地面积较大，有可能影响到过往的船只通行。（3）沼气垃圾发电，单体容量小，无法为电源持续稳定的供电。（4） 柴油机组发电，噪声大，尾气污染环境，后期维护成本高。（5）海底电缆供电，距离太远，建设成本太高，长距离供电无法保证电压的稳定传输。综上所述，太阳能、风能和氢能混合供电是最佳方案。

2 基站混合供电系统

基站混合供电系统总体分为智能控制节点和智能控制中心两部分。智能控制节点由光伏发电子系统、氢燃料电源子系统、制氢储氢子系统、蓄电池控制管理子系统组成。本地控制中心负责监管基站电源总体状态，实时监测太阳能、风能及氢能电源供电互补情况，同时不断采集供电能源的运行参数及变化参数，CAN总线和CAN总线服务器连接到控制中心，传输数据参数指令和指标要求，根据参数值适时调整混合供电系统的运行效果，使整个供电系统的各个环节发挥最大作用，达到基站最佳的供电效果。图2为具体混合供电系统示意图。

混合供电系统的供电模式根据不同外在风光条件会有所变化，如在风光资源充足时，可以充分给基站负载供电，同时有多余电量剩余可以电解水制氢并加以存储，在风光资源不足时加以备用。如果在风光发电不足以同时满足基站负载和制氢时，风光发电只保证基站负载的正常运行。若风光发电进一步降为无法供应基站负载运行时，由氢能发电维持负载的供电。太阳能照射及风能实时都在变化中，当风光发电电能恢复达到一定程度时，转为风光继续发电，如此循环保证整个基站供电的稳定可靠。太阳能发电子系统的维护及运行成本较低，供电稳定性较高，但是现阶段建设成本较高。风能发电子系统维护运行成本很低，发电量最高，但是发电稳定性有待进一步提高。根据日常发电量及负载容量，采用混合供电的方式为最佳方案[3～5]。

3 系统配置

3.1 日用电量和发电量需求

负载总功率580 W，直流48 V供，24 h工作计算总耗电量约为：

图2 基站混合供电示意图

E1=20 A×48 V×24 H=23.04 kWh， 大 约 消 耗23 kWh电。混合发电系统的供电效率按照75%计算，则等效所需的系统发电量约为28.75 kWh。

3.2 氢燃料电池配置

本设计方案采用稀土系金属合金氧化物来储存氢气，这种储氢方式效果非常显著。型号为H6000储氢瓶，可以储存6 m3的氢气。如果单个基站停电2天备用48 h，需要存储约40 m3的氢气，总体需求比较大，通过简单计算需要7个储氢瓶来满足40 m3的容量。但是充分考虑基站间的能源调配问题，所以多加一个储氢瓶来存储48 m3的氢气。基站间能源调配可行性的计算48 m3这一数值可满足负载的需求。具体配置与成本如表1所示。

表1 氢燃料电池配置与成本

本设计基站负载功率在1kW内，消耗氢气在40 m3左右，成本在0.4万元。

3.3 混合供电配置设计

永暑礁站点风、光、氢能资源丰富，采用混合互补的方式供电，在风、光资源都不足的时候利用氢能源作为后备电源。混合互补对设备进行供电（风、光的配置比例通常按照风：光＝8：2或7：3 或6：4或5：5进行配置，有效降低单纯建设光伏发电系统的成本。根据永暑礁风光资源的利用率，本设计按照风：光＝6：4进行配置）。根据数据日总发电量是负载日用电量的两倍左右。由于系统有后备电源，本系统可以适当降低系统的发电量。

3.4 混合供电设备

3.4.1 风力机

本设计采用5 kW风力发电机，有效风速5 m/s，风机输出功率0.55 kW，每台日发电量为0.55×24=13.2 kWh，日发电量=15.84 kWh。

考虑不但满足负载用电，还需制氢存储供电，配置3台5 kW风力机。风力机日总发电量=15.84 kWh×3台=47.5 kWh；且风力机具有以下特点。

（1）高效率：同等风速下对比国外风机发电量高出30%以上，风机最重要的要看同等风速下的发电而不是额定功率。

（2）高品质：优质的材料，主轴和尾轴都采用不锈钢材料，防腐防锈性能好；高性能翼型：采用木芯外粘玻璃纤维，使之寿命长、阻尼性能高、动态特性好；专业的设计。

（3）多重保护：加载调速：先进的高频PWM控制，有效地减小风机的振动，延长机组的使用寿命；自动侧偏：采用风轮侧偏式调速，风速过大时风轮侧偏，以机械方式保护机组；风叶失速控制：叶片中部翼型失速角度小，大风风轮提前进入失速状态。

3.4.2 光伏组件

永暑礁安装地点的地形不平，多沙石，且光伏板造价高，光伏组件初步取1.98 kWp。计算光伏每天发电量为0.99×2 kWp×4.6 h= 9.1 kWh。在满足风光资源条件下，日总发电量=47.5 kWh+9.1Wh=56.6 kWh，根据上边计算日需电量28.75 kWh，风机和光伏输出发电量约用电量的2倍，符合设计要求，具有可实施性。

3.4.3 储氢组件

本方案采用质子交换膜氢燃料电池。此燃料电池由最基本的单电池构成，但是单电池的实际电流、电压较小无法满足实际基站供电需求，所以采取单电池串联方式组成电池堆。本设计经实际核实建议采用型号为FCPS-500氢燃料电池电源系统。氢燃料电池堆额定功率为500 W，额定电压为24 V，额定电流约为20.83 A，符合基站供电系统的需求。两个电池组串联，也满足额定电压为48 V的要求[6]。

4 混合供电系统成本及节能减排分析

在遥远的永暑礁完成基站供电是我国通信行业的一次壮举，但是也必须考虑到不同供电形式从投资、维护成本、可靠性、能耗等方面进行比较分析，通过对混合供电系统与油机供电系统和风光互补系统的投资对比。验证混合供电系统的经济性、可靠性及可实时性，为后续工程建设提供参考依据。

4.1 系统投资成本比较分析

投资方面，采用混合供电系统初期投资主要包括：光伏发电组件、风力发电组件、电解水制氢机、储氢装置、安装及其他费用等。

从目前投资来讲，风光氢混合供电系统的投资最高。风光互补系统次之，最少的为油机供电。这是因为氢能还没有在国际社会被广泛应用，造成氢能设备成本较高。

4.2 维护成本比较分析

风光氢混合供电模式，平时的维护量很少，且组件的平均寿命长，无论从平时维护成本、还是设备折旧方面都是最低的，从长期来看成本费用相对较少。表2为风光氢混合供电模式、油机供电模式、风光供电模式的维护成本费用比较。

表2 维护成本比较分析

4.3 能耗和气体排放量比较分析

风光氢混合供电模式能源供给几乎全部来自太阳能和风能，为绿色能源，不会产生任何污染和任何气体排放量，符合国家的节能减排、环保政策。

4.4 总体经济效益比较分析

永暑礁基站供电总成本随时间的增加成本正比增长，总投资包括前期一次性投资和后期维护成本，把3种供电系统的总成本函数关系表示如图3所示。

由图3可以得出，随着时间的推移总成本也是逐渐增加，虽然油机的前期投资比较低，但是油机的增长速度明显快于另外两种供电模式，在投资后的第二年总成本和风光互补发电成本相当，5年后和风、光、氢混合供电系统成本相当。而在11年后风光氢混合供的成本最低，并在寿命周期内总成本低于风光互补系统。

图3 供电总成本随时间走势图

5 结论

本文根据通信行业快速稳定的发展，对在拥有丰富自然资源的偏远的海域地区的供电方式进行论述，通过数据计算分析验证风光氢混合供电方式的正确性与可实施性。风光氢混合供电一次性投资，后续维护工作简单，长期经济效益好，符合国家节能减排政策，适合偏远海域供电。

[1] 伍辰. 基于三沙群岛环境下的离网式绿色基站供电系统研究与分析[D]. 北京：北京邮电大学， 2013.

[2] 楚显哲. 基于三沙群岛环境下移动通信基站风新能源混合供电系统的研究与分析[D]. 北京：北京邮电大学， 2012.

[3] 王鹏鹏. 空间太阳能电站高低压混合供电系统设计[J]. 航天器工程， 2014，(07)：64-70.

[4] 吴学宾. 风光互补基站供电系统设计思路与应用探讨[J]. 移动通信， 2014，(05)：71-75.

[5] 张宁.风光互补供电技术在3G基站的应用[J]. 中国新通信，2014， 3(30)：54-59.

[6] 胡坚钧. 太阳能电池在偏远基站的应用[J]. 电信工程技术与标准化， 2016，(6)：20-23.

China new energy hybrid power supply system base station

WEI Yun-feng, LI Wei, LIU Qing-dong
(China United Network Communications Daqing Branch, Daqing 163318; China)

This paper fi rst introduces the sunshine, wind and hydrogen resources Yongshu adequate, scenery hydrogen hybrid power supply to provide the premise; secondly, according to the composition and con fi guration of the system, put forward the concrete scheme of power supply, then in the model system, investment cost, maintenance and other aspects of the overall economic bene fi ts of power supply are analyzed, the scenery of hydrogen hybrid power supply the system is a very good way of power supply, and has the obvious effect of energy-saving emission reduction, and has broad application prospects in the remote areas of plenty of scenery.

hybrid power supply; conserve energy and reduce emissions; economic performance

TN86

A

1008-5599（2017）09-0068-05

2016-10-14