摘  要： 通過風光互補獨立供電系統在通信基站上的應用，可以有效解決市電引入非常困難的問題，同時可以實現節能降耗的目標，為建設低碳社會做出應有的貢獻。通過對太陽能發電系統、風能發電系統、遠程監控系統的分析，詳細介紹了風光互補獨立供電系統在通信基站上的實際應用。
關鍵詞： 風光互補獨立供電系統；通信基站；最大功率點追蹤；微觀選址；遠程監控

　隨著手機的普及，對手機信號的覆蓋率也提出了很高的要求，對于幅員遼闊的草原和山區要想做到信號全面覆蓋就要建立大量的基站，這些基站大都處于國家電網沒有覆蓋的地區。如果通過引入市電來開通基站實現無線信號的覆蓋，需要花費大量投資，平均每公里需要5~15萬元，而且每年運營還要花費大量的電費。因此風光互補供電系統是解決邊遠地區通信基站供電的最好方案之一，不僅在投資方面可以與引入市電相當或者略低，而且每年可以節省大量電費開支，并減少二氧化碳的排放，為節能和環保做出貢獻。
1 風能與太陽能的配比
　風力發電的特點是功率密度大，獲取容易，成本較低。其缺點主要是供電穩定性極差。太陽能供電的特點是比較穩定，但是供電系統的成本非常高，占地面積比較大，系統功率密度和轉換效率均較低。
目前常用的太陽能電池的生產工藝是改進的西門子法，西門子工藝包括電爐熔煉生產冶金級硅（MG-Si）、氯氫化硅（硅烷）直驅與分餾提純及純硅烷氫還原等過程。存在諸多缺點和問題：
　（1）耗能大，如冶金級硅生產的耗電為1.2萬kWh/t左右；
　（2）成品率低，產生大量的副產物及三廢，環境污染嚴重；
　（3）對原料的要求較嚴格，有粒度和品位的要求；
　（4）生產成本和價格偏高。
　為了降低污染和能耗，人們開發出了冶金法生產工藝。首先將金屬硅在真空環境下加熱熔化，利用電子束去除掉P（磷）。然后在Ar（氬）氣體中熔化，用等離子焊槍（Plasma Torch）去除B（硼），凝固后提煉。應用普通金屬提煉工序可將金屬雜質的濃度降至0.1 ppmw以下。冶金法的整個生產過程無污染排放，而且耗能低。生產每單位重量的多晶硅所耗的能源僅相當于西門子法的1/5。通過鑄造法生產多晶硅可以有效提高太陽能電池的生產規模并降低成本，因此太陽能電池是非常有競爭潛力的新能源之一。
　風能與太陽能功率在供電系統中的配比選定是一個非常復雜的過程，首先要對通信基站當地的風能資源和太陽能資源進行長期考察，根據風能、太陽能資源狀況、系統可靠性要求以及投資的限額，確定風電和太陽能的比例關系。風力和太陽能配置容量比例一般為2：8～4：6，但是在特殊情況下可以不受這個比例的限制。
　圖1為某風光互補獨立供電系統的運行特性曲線。從圖中可以看出，當地每天太陽能的發電量基本穩定，而且不會有較長時間的陰雨時間；而風力發電的發電量較大，但是波動性也很大，例如在2010年6月5日左右，當時蓄電池電壓處于較低水平，蓄電池處于沒有充滿的狀態，但是較短的時間內通過風力發電就可以將蓄電池充滿，日發電量遠遠高于太陽能提高的電量。但是到了9月份進入枯風期，風力發電量非常小，甚至為零。主要供電由太陽能承擔，因此太陽能供電容量的選配必須能滿足系統的最低要求，而風力發電成本較低，因此可以選配大一點滿足快速充電的特點。

2 太陽能發電系統的特點
　太陽能電池發電的主要原理是半導體的光電效應。硅原子有4個電子，如果在純硅中摻入5個電子的原子如磷原子，就成為帶負電的N型半導體；若在純硅中摻入有3個電子的原子如硼原子，形成帶正電的P型半導體。當P型和N型結合在一起時，接觸面就會形成電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P-N結后，空穴由N極區往P極區移動，電子由P極區向N極區移動，形成電流。
　太陽能光伏電池陣列具有典型的非線性特性。太陽能電池板的輸出不僅與太陽能輻射強度有關，還與溫度有關。
　（1）太陽能電池的短路電流隨太陽輻射強度增強而變大，兩者近似為正比關系。在最大功率點之前，隨著太陽能電池板輸出電壓的增大，輸出電流減小緩慢。但是，最大功率點是個轉折點，該點后，隨著輸出電壓的增大，輸出電流急劇減小，導致輸出功率亦急劇減小。太陽能電池的開路電壓在各種光照條件下變化不大。
　（2）太陽能電池的最大輸出功率隨光照強度增強而變大，且在同一光照環境下僅有唯一的最大輸出功率。在最大功率點左側，輸出功率隨電池端電壓上升而增大，近似線性增大。最大功率點右側，輸出功率隨輸出電壓的增大而急劇下降。
　最大功率跟蹤（MPPT）的方法有很多，如開路電壓控制法OV（Open Voltage），恒定電壓控制法CV（ConstantVoltage），擾動觀測法P&O（Perturb and Observe），增量電導法IC（Incremental Conductance），模糊邏輯控制法FL（Fuzzy Logic），人工神經網絡控制法ANN（Artificial Neutral Network）以及這些方法的改進方法等[1]。在這些方法中，目前最常見的是P&O和IC，而P&O以其控制精度高、實現成本低，優勢更強。
　擾動觀察法[2-3]，是一種基于實時控制的MPPT控制算法，它通過對電路施加某一幅度的擾動，改變太陽能光伏電池的工作狀態，同時觀察并計算太陽能電池板實際輸出功率大小。得到當前時刻值后，將其與前一時間值進行比較，通過對比結果確定下次擾動方向，最終得出目標值，從而使得太陽能電池板的工作輸出最終穩定在最大功率點附近。
　但是在通信基站應用當中，太陽能電池的容量一般在1 000 W～10 000 W甚至更大。因此需要多個太陽能電池板串并聯組成太陽能電池陣列向蓄電池和負載供電。而不同的太陽能電池板的輸出特性并不一致，并且受到云層遮蔽、沙塵影響等會加劇不同太陽能電池板輸出的不平衡。如圖2所示4塊太陽能電池板所組成的陣列，由于每塊電池板的輸出特性不同使得總輸出特性曲線會出現多個極值點。因此擾動觀察法在實際應用當中，會陷入局部極值點。所以必須要有全局最優搜索算法來實現最大功率點追蹤功能。

3 風力發系統的特點
　風力發電系統具有成本低、容量大等特點。但與太陽能電池相比，風力發電機的結構復雜，可靠性和安全性需要重點考慮。特別是在風能資源比較好的地區和海島地區，陣風和極端天氣的影響不容忽視。針對通信基站的應用，還要考慮運輸和安裝等方面的問題。
　由于很多通信基站安裝在比較高的山頂或者交通非常不便的地方，很多大型的運輸和安裝工具無法到達施工現場，因此風力發電機的安裝主要通過人工來完成，所以風力發電機的單臺功率應該選用1 kW~5 kW之間。利用先進的塔架結構可以通過有限的手工工具就可以實現風機的安裝，因此比較適合于邊遠地區、山頂、海島等通信基站應用場合。
　在通信基站的應用中，風機的選址一般都要安裝在基站的附近，因此風機的微觀選址可以對風機的發電效率和安全性帶來至關重要的影響[4]。這是因為氣流通過障礙物，在下游會形成擾動區，在擾動區風速可能會降低，也可能有強的湍流對風力發電機組運行十分不利，甚至短時因湍流引起的陣風會造成風機機械損害。
要做好風機的微觀選址，就要盡量得到風電機組輪轂高度處代表年平均風速、平均風功率密度、風機位置全年風向、風能玫瑰圖，各月風向、風切變系數、湍流強度及粗糙度等[5-6]。還要考慮地形因素對風機的影響，山地對風速影響的水平距離，一般在向風面為山高的5～10倍，背風面為15倍。且山脊越高，坡度越緩，在背風面影響的距離越遠。
　為了提高風機發電效率，在風機選址時，首先要了解當地風速和風向資源狀況，圖3為某通信基站的風向玫瑰圖，可以看出在基站的270°～300°方向的風頻較高。因此沒有特殊狀況的條件下，需要將風機的選址定于圖中280°方向的位置。

　風機的微觀選址除了對風向的考慮，還要注意風機選址周圍的地勢盡量比較平緩，不能有較大的地形起伏，也不能有其他過高的障礙物，以免產生的湍流在極端氣候條件下損害風機和槳葉。
4 遠程監控技術
　風光互補供電的通信基站一般位于比較偏遠的地區，因此遠程監控技術非常重要。遠程監控主要包括：
　（1）遙測。負載總電流、太陽能電池方陣輸出電壓、太陽能電池方陣輸出電流、蓄電池充電/放電電流、蓄電池母排電壓、蓄電池運行狀態（浮充、均充），風力發電機組輸出電壓、風力發電機組輸出電流。
　（2）遙信。直流輸出過流告警，熔斷器/斷路器故障告警，太陽能電池方陣工作狀態（投入/撤出）、太陽能組件方陣故障告警、蓄電池電壓告警，風力發電機組工作狀態（投入/撤出）、風力發電機組控制器故障、輸出過壓告警、輸出欠壓告警、負載下電告警、風機故障告警。
　（3）遙控。遠程遙控風機制動、解除制動。風機控制器與太陽能控制器起動、停機，參數設定等。
通過遠程監控系統可以實時獲取風光互補發電系統以及蓄電池的工作狀態。該系統不僅需要檢測各種工作狀態和數據，還需要對風光互補發電系統進行參數設置和控制操作。利用參數設置功能可以實現遠程系統優化控制。利用控制指令還可以控制系統的起動、停車等操作，這個功能在極端天氣例如風暴來襲之前可以人工方式將風機制動，更加安全地保護系統的正常運行。利用遠程監控系統可以大大降低系統的維護成本，提高系統的效率，見圖4。

　通過風光互補獨立供電系統在通信基站上的應用，可以有效解決市電引入非常困難或者根本無法引入的問題，同時在基站建設中引入太陽能和風能等可再生能源實現節能降耗目標，為建設低碳社會做出應有的貢獻。風光互補獨立供電系統是一個非常復雜的系統，在實際應用中需要對整個系統綜合考慮以便使系統的應用效果最佳。
參考文獻
[1] 劉卓，劉克富，趙海洋，等．智能太陽能最大功率跟蹤系統[J].光源與照明，2010，6（2）：34-38.
[2] 劉卓．太陽能LED照明系統[D]．上海：復旦大學，2010.
[3] HOUGH P． Trends in solar energy research[M]． New York： Nova Science Publishers， 2006.
[4] 連捷．風電場風能資源評估及微觀選址[J].電力勘察設計，2007，4（2）：71-73.
[5] 董宏，張飄．通信用光伏與風力發電系統[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[6] 都志杰，馬麗娜．風力發電[M].北京：化學工業出版社， 2009.