高效建设太阳能供电系统

在通信行业，双油机供电方案高昂的运维费用使站点的OPEX居高不下，偏远站点的供电问题一直困扰着运营商。随着太阳能的应用逐渐普及，绿色能源概念深入人心，太阳能供电系统逐渐被各运营商所接受。在太阳能系统中，供电效率、蓄电池寿命、站点的工程交付成为运营商关注的最主要问题。本文正是基于对这3方面的深入研究，简单介绍了3个创新性技术应用。

太阳能控制器MPPT技术

    太阳能供电系统主要由太阳能组件、太阳能控制器、蓄电池三部分组成。它的核心在于逻辑控制环节，即太阳能控制器。太阳能控制器不仅担负对整个系统的状态控制，还必须确保系统的安全运行，同时提供所需的人机交互接口。太阳能控制器对蓄电池的充放电控制决定了蓄电池的寿命以及系统的供电效率。因此，离网型太阳能供电系统的发展主要集中在控制器研发和应用。

    传统的太阳能控制器基本应用投切式或PWM（脉宽调制）技术，相当于太阳能组件直接与蓄电池和负载相连，由于蓄电池电压对太阳能组件特性有影响，太阳能组件没有工作在最佳的效率，存在能源的浪费。

    MPPT技术的全称“最大功率点跟踪”（Maximum Power Point Tracking），即指控制器能够追踪太阳能组件最高电压电流值，使系统以最高的效率对蓄电池充电。MPPT控制器会根据太阳能电池特性、太阳的光照情况、各地不同的气候条件，跟踪太阳能电池板的最大功率点，使模块获得太阳能电池板的最大功率输出，发挥出太阳能板的最大功效，提高太阳能电池板发电能力的利用率。

    MPPT控制器的效率由MPPT太阳能追踪效率和DC-DC效率决定， MPPT追踪效率约为95%，DC-DC效率跟负载率有关，在负载率大于50%时为93%，低于50%时效率较低，约为80%多。鉴于负载率低的时候，系统的供电压力不大，对MPPT控制器效率没有较高要求，因此MPPT控制器的总体效率可以达到88%。而对于投切式太阳能控制器，PV阵列输出电压由蓄电池电压决定，标称蓄电池电压48V，环境温度25℃的情况下，投切式太阳能控制器的总体效率约为68%。因此理论上MPPT控制器能提高效率20%以上。

    考虑温度对太阳能组件特性的影响以及其他方面的影响，相对于标准条件25℃，温度每升高1℃太阳能组件降低标准功率的0.5%。而太阳能组件的温度由环境温度和太阳辐照度共同决定，因此对于温度较高地区，或太阳辐照度较大的时段，随着投切式太阳能控制器效率的提升，MPPT控制器的效率优势将会减少，一般为10%~15%。即便如此，对于离网太阳能系统而言，降低10%以上的太阳能组件的配置，也是非常可观的。因此MPPT技术成为太阳能控制器的主要应用技术。
 
地埋蓄电池技术

    铅酸蓄电池寿命受温度的影响极大，行业经验一般认为环境温度相对于25℃每升高10℃，蓄电池寿命减少一半。当蓄电池工作环境温度在-5℃~25℃之间时，低温对蓄电池寿命没有影响，但是会影响蓄电池有效容量，当低于-10℃时要求配置加热板，否则电池会有被冻裂失效的风险。因此，在高温和高寒地区，给蓄电池提供一个较为理想的工作环境是尤为重要的。

    研究发现，地表下面一定深度处，由于地热的存在，温度受外部气温的变化影响较小，且在外界高温的时候地表下温度低于外界温度，当外界温度较低时，地表下的温度高于外界温度。以深圳2010年3月份实测的数据为例，分别就室外、土下0.3m、土下1.6m的温度进行统计，做成一个温度变化曲线如图1所示。

图1 不同深度土层下温度变化情况

    可见，在土下1.6m，温度变化较小，温差基本保持在2℃之内，是一个良好的恒温层。考虑到蓄电池充放电释放的热量，基本可达到25℃左右，因此在这个深度放置电池可保持在最佳工作环境。

    在高温或者寒冷地区，普通户外柜需要加配相应的蓄电池降温或加热设备，这一方面会增加配置成本，造成站点能耗增加较多，同时对于某些较大容量蓄电池站点，方案控制逻辑实现难度较大。地埋电池柜正是利用地表下一定深度温度较为恒定的特点，在不增加站点能耗的基础上给在高温及寒冷地区使用的电池提供较为理想的工作环境。

    ZX-UC B01是针对高温或者寒冷地区开发的地埋电池柜，它能解决蓄电池在高温以及严寒地区的应用问题，虽然投资成本较高，但全成本较低，第5年之后地埋方式具备全成本优势。

    当然，地埋柜方式有天生弊端：由于长期埋置，泥土压力致使柜体变形，无法做到良好的防水，在热带应用必须防止被水浸泡，在寒带应用必须在冻土层以下；柜体需整体运输，现场施工量较大且施工过程复杂；后续蓄电池维护以及更换复杂。针对具体的应用场景，可以选用成本较高的地窖方案或更具优势的电池直埋技术。

    电池直埋顾名思义，就是蓄电池直接埋入地下，极柱以及端子接线部位经过密封处理，达到完全防水、防腐蚀；同时端子盖经过集中排气处理，通过导气管把电池排出气体排出到地表。电池直埋技术的应用将极大改善目前电池寿命受温度影响较大的局面，在不增加任何温控设备的情况下改善电池的工作环境，将是一次颠覆性的创新技术。目前中兴通讯正在积极投入研发力量，开发这一划时代的创新技术产品。

直落式太阳能支架技术

    太阳能支架在太阳能供电系统的推广过程中扮演着重要的角色，它是太阳能组件的支撑要件，是太阳能系统的重要组成部分。如何设计便于运输和安装，结构紧凑灵活，布局合理，成本低廉的太阳能支架成为衡量离网式太阳能供电系统是否有竞争力的重要依据。

    一般来说，离网式太阳能供电系统都应用于人迹罕至的偏远地区，交通不便，运输存在较大困难。同时，占工程施工周期很大比重的是太阳能支架的水泥基础的养护，一般情况下太阳能支架的水泥基础养护至少需要2~3周，站点的交付周期一般都需要至少4~6周，极大地延长了海外项目的交付周期，并且耗费人力及工程成本。

    直落式太阳能支架是一种无需水泥基础的太阳能支架，只需将一些常规杆件搭建一个底部钢构，并事先在本地加工好相应的水泥配送块，将水泥配送块压在底部钢构上面，而太阳能支架安装在底部钢构上，就实现了太阳能支架的安装（如图2），无需水泥基础，整个安装时间只需1~3天。这种太阳能支架的结构形式彻底摆脱了水泥基础养护时间对物流交付的束缚，缩短了太阳能支架的物流周期。

图2  直落式太阳能支架结构示意

    2010年底，尼泊尔MTO运营商Ncell计划在未来大力发展绿色节能站点，并邀请中兴通讯建设两个试验站点。中兴通讯采用了直落式太阳能支架，大大缩短了站点开通的时间，获得Ncell的高度评价。

    同时，直落式太阳能支架技术，还解决了工程现场因各种原因无法施工，无法建造水泥基础的问题。2010年，尼泊尔SNPL要在海拔5180m的珠峰上开通2G和3G基站。由于工程实施的时间紧，现场没有水源以及其他工程需要的资源，建站难度极大。正是直落式太阳能支架技术很好地解决了这个难题，在中兴通讯的协助下，SNPL成功开通了全球海拔最高的绿色能源基站。

[关键词] 动力