目前在全世界66億人口中,有超過20億的人口沒有得到足夠的電力供應(yīng),大約占總?cè)丝诘?/3。圖1顯示了世界上有電和沒有電的區(qū)域。
沒有足夠電力供應(yīng)的地區(qū)主要分布在非洲、南美洲、亞洲和東南亞地區(qū)。如菲律賓和印度尼西亞,擁有眾多的島嶼,在這些狹小的島嶼地區(qū)無法統(tǒng)一建設(shè)大面積的電網(wǎng)。而在有些地區(qū)建設(shè)和維護大面積電網(wǎng)的費用太高,比如中國的西北偏遠(yuǎn)地區(qū),地廣人稀,將電網(wǎng)引入到每一個牧民家庭從經(jīng)濟角度考慮是不合理的。
在一些建立了主要的高壓輸電網(wǎng)的地方,供電經(jīng)常不穩(wěn)定,而升級和改造需要龐大的財政預(yù)算。幸運的是許多發(fā)展中國家擁有豐富的太陽能或者風(fēng)力等可再生能源,在邊遠(yuǎn)地區(qū)大規(guī)模使用這些可再生能源的供電系統(tǒng),比使用大面積的高壓輸電網(wǎng)更劃算。邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)可以應(yīng)用在那些已經(jīng)存在電網(wǎng),但是單獨的供電比擴容高壓輸電網(wǎng)更劃算的場合,如在高速公路沿線使用獨立的供電系統(tǒng)用于信號指示、通信和照明,可以避免鋪設(shè)和維護地下電纜的昂貴工程。全球太陽能資源豐富的區(qū)域包括非洲、南亞、東南亞、澳洲、中美洲和我國的青藏高原等地區(qū),在這些地區(qū)使用太陽能供電系統(tǒng)供電是經(jīng)濟的選擇。
邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)一般包括發(fā)電設(shè)備、儲能設(shè)備、能量變換和管理設(shè)備。發(fā)電設(shè)備有柴油發(fā)電機、光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機或者水力發(fā)電機。儲能設(shè)備一般有蓄電池組或者儲能水池。能量變換和管理設(shè)備有直流變換器、逆變器等設(shè)備。
柴油發(fā)電機是許多邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)的能量來源,為了獲得最大燃料效率和減小維護,需要負(fù)載率保持在發(fā)電機額定負(fù)載容量的60%~70%。風(fēng)力發(fā)電機的輸出功率可以達(dá)到250W~500kW,但是需要選取適當(dāng)?shù)娘L(fēng)場,具備穩(wěn)定的風(fēng)速。水輪發(fā)電機雖然發(fā)電成本相對較低,但是需要選取建設(shè)在適度和穩(wěn)定的河流上,水輪發(fā)電機的發(fā)電成本相對較低,但是發(fā)電機的成本較高。
通信網(wǎng)絡(luò)要求基站等設(shè)備提供7×24小時穩(wěn)定運行,基站設(shè)備除分布在市區(qū)外,還大量分布在沙漠、海島、山頂?shù)雀鞣N環(huán)境中,覆蓋面積寬廣,一般無人值守,對電源可靠性和壽命具有高要求。太陽能供電系統(tǒng)的光伏電池將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能,通過光伏組件的串并聯(lián)方式提供基站需要的-48V 電壓,實現(xiàn)能量的靜止變換,與具備機械轉(zhuǎn)動部件的發(fā)電機相比較,維護工作量很少。對小于2kW的基站負(fù)載,是合適的邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)方案,尤其在全球原油價格高企的發(fā)展趨勢下,光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本優(yōu)勢日益明顯。
通信基站太陽能供電系統(tǒng)由光伏組件、陣列支架、匯線盒、充放電控制器、蓄電池組、逆變器等組成,如圖2所示。
組件一般采用單晶硅或多晶硅電池,每個電池輸出電壓大約為0.5V,一般組件采用72個太陽電池串聯(lián),所以為了得到43.2~56.4V電壓范圍,需要兩塊組件串聯(lián)使用。功率等級盡量選取產(chǎn)量較大的規(guī)格,如165W、170W和175W等幾種規(guī)格。太小的組件規(guī)格導(dǎo)致支架設(shè)計成本增加和占地面積增加,而過大的組件規(guī)格使用的太陽電池成品率較低,電池成本相對較高。根據(jù)負(fù)載容量和當(dāng)?shù)靥柲苜Y源情況選取組件并聯(lián)數(shù)。
多個光伏組件并聯(lián)構(gòu)成陣列,采用鍍鋅鋼材支架支撐組件,使組件具備一定的傾斜角度,同時固定組件,抵抗風(fēng)吹。對于獨立光伏系統(tǒng),為了降低蓄電池用量和系統(tǒng)成本,需要在冬季獲得最大的太陽能輻照,這樣就需要將組件的傾角設(shè)置成比當(dāng)?shù)鼐暥却?0°~20°。
當(dāng)陰雨天氣或者夜間,無太陽光或者輻照變?nèi)酰瑹o法提供負(fù)載需要的能量時,蓄電池組繼續(xù)為負(fù)載提供所需能量。蓄電池組的容量根據(jù)負(fù)載容量、連續(xù)陰雨天時的自給天數(shù)、放電深度確定。
過去富液式鉛酸蓄電池(OPzS)是光伏供電系統(tǒng)常用的選擇,這是由于OPzS蓄電池采用管狀正極,可以防止活性物質(zhì)(active material)脫落,厚的負(fù)極極板,延長了使用壽命。然而,近年來愈來愈多的光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)向管狀正極板的膠體閥控式密封鉛酸蓄電池(OPzV),這種轉(zhuǎn)變的主要原因是閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)技術(shù)需要更少的維護。
富液電池需要定期加水維護,如果得不到及時維護,蓄電池的使用壽命將會縮短,而將去離子蒸餾水運輸?shù)竭呥h(yuǎn)地區(qū)的基站需要更高的成本。VRLA電池在通常工作條件下,僅析出微量的硫酸和氫氣,極大減少了維護工作量,也不需要專門建設(shè)機房和安裝專用通風(fēng)裝置。電解液分層現(xiàn)象是造成許多富液電池失效的原因,一般采用過充電來消除,通常需要附加過充電高達(dá)15%。膠體電池在工作期間經(jīng)歷微不足道的電解液分層,因而不會遭受與分層相關(guān)的失效。欠充電是邊遠(yuǎn)地區(qū)供電系統(tǒng)中工作的VRLA失效的常見原因,這是由于光伏能量來源在雨季不穩(wěn)定時導(dǎo)致電池活性物質(zhì)中硫酸鉛晶體的積累和生長,研究表明,膠體電池使用的微孔隔板不容易發(fā)生枝晶穿透,在這方面有更好的特性。與富液電池充電恢復(fù)能力為110%~115%相比,膠體電池的充電恢復(fù)僅為103%~105%,充電效率的提高,有利于節(jié)約光伏能源。
充放電控制采用多路控制器,太陽能組件陣列分為多個支路通過匯線盒接入控制器。當(dāng)蓄電池充滿時,控制器將組件陣列逐路斷開;負(fù)載由蓄電池和剩余光伏組件聯(lián)合供電,當(dāng)蓄電池電壓回落到設(shè)定值時,控制器再將組件陣列逐路接通,實現(xiàn)對蓄電池組充電電壓和電流的調(diào)節(jié)。這種增量控制方式可以近似達(dá)到脈寬調(diào)制(PWM)控制器的效果,路數(shù)愈多,增幅愈小,愈接近線性調(diào)節(jié)。
圖3是美世樂在布基納法索農(nóng)村地區(qū)提供的一個光伏供電系統(tǒng)實例。
當(dāng)?shù)鼐暥仁潜本?1°59′,連續(xù)陰雨天自給天數(shù)為5天,基站負(fù)載類型是BTS和微波,負(fù)載功率為550W。根據(jù)這些信息,系統(tǒng)配置如下:
光伏組件:monocrystalline 165W 30塊組件;
蓄電池組:2V 1000Ah OPzV膠體蓄電池 2組;
充放電控制器:-48V 150A控制器。
該項目配置了22個太陽能供電的BTS站點,這些站點的負(fù)載功耗范圍400~900W,容量相對較小。如果使用柴油發(fā)電機供電,配置油機的容量較小,油機轉(zhuǎn)換效率降低,導(dǎo)致經(jīng)濟性較差,同時供電可靠性也較低。采用太陽能電池和膠體密封蓄電池供電方案,不需要定期為油箱加油,也不需要維護柴油發(fā)電機和富液蓄電池。節(jié)約了柴油購買費用,也減少了維護工作量,有效降低了運營商的運營成本。