能效矩阵，创造绿色通信未来

“能效矩阵”的基本概念

    无论是设备商生产设备，还是运营商构建网络进行运营，都是一个输入到输出的过程。如何判断这个过程是否绿色呢？那就是同样的输入，更多的输出。以运营商为例，覆盖同样一个区域，如果一个基站输入的电能更少，电费支出就会更少，排出的废气更少，这个基站就比其他基站更加绿色。 因此，绿色的本质是效率提升，在确保输出的前提下，减少排放，甚至零排放，降低TCO。

    我们在绿色中提到的效率是广义的效率，包括电气效率和结构效率两个方面。根据通信网络所需要的能量传递过程分析，可以把能量流分为4个主要的节点：生产、转换、传送和消耗。

    在一个能量供应系统中，由于输入能量和负载需要的能量特性不同，输入能量需要经过一次或者多次变换，才能获得需要的输出能量。这些变换的装置称为变换器或者变换节点。变转换节点在变换能量的过程中，会损失部分能量，因此每个变换器都有一个变换效率。变换效率是衡量变换器性能的关键指标。

    另一方面，系统也可能存在多种能量来源，各自经过变换器向输出供应能量。这些不同支路，多级变换的过程，构成了整个系统的“能效矩阵”（见图1）。理解了变换节点、效率参数和支路之间的矩阵关系，可以帮助我们从效率的角度理清系统中的各个环节，寻找优化系统的最优办法。

图1 “能效矩阵”的结构模型

能量流的计算

    以单支路的能量流过程为例，输入能量经过两级变换，向负载输出（见图2）。

 图2 单支路的能量流

    假设变换器1的效率是η1，变换器2的效率是η2，系统效率为两个变换器效率的乘积。为了提高系统效率，需要提高两个变换器的效率，达到最终提高系统效率的目的。

    在这个单支路能量流图中，可以看出“能效矩阵”的基本元素：输入、变换节点和输出。

    对于多支路能量流，系统效率的计算稍微复杂一些，以图3的双路能量流为例。


 图4 可再生能源系统中的能源变换节点

    A路能量流的效率为ηA=ηA1×ηA2，B路能量流的效率为ηB=ηB1×ηB2，系统的效率η=（AIN×ηA+BIN×ηB）/（AIN+BIN）。

    在多支路系统中，支路A和支路B的效率，A支路和B支路的能量分配共同影响着最终的系统效率。为了达到更高的系统效率，需从各个支路中的变换节点入手，改善各个变换节点的变换效率，从而减少在能量变换链条过程当中的损失，达到提升系统变换效率的目的。

 
“能效矩阵”在可再生能源解决方案中的应用
典型的可再生能源解决方案能量流

    假设一个太阳能、风能和柴油机混合的无市电站点能源解决方案，其典型的系统结构如图4所示：能量分别来自与太阳能、风能和燃油，分3个支路给系统供电。为了提供系统的后备时间，需要配置蓄电池，如果需要稳定的交流供电，需要配备逆变器。

图4 可再生能源系统中的能源变换节点

    了解了可再生能源系统中的能量变换节点，就可以对有目的地对这些能源变换节点进行效率优化，从而优化整个系统的效率性能。

太阳能支路的效率优化

    通常在可再生能源系统中，来自太阳能支路的能量比例超过70%以上，所以太阳能支路的效率优化效果最为明显。在太阳能支路，太阳能经光伏组件变换成直流电源，并经太阳能控制器将电能储存在蓄电池中。变换节点有光伏组件和太阳能控制器。

    太阳能光伏组件是将太阳能转化成直流电能的器件，它的效率评价指标是变换效率。通信用太阳能站点中目前广泛使用的是峰值功率180W的光伏组件（长1580mm，宽808mm），组件变换效率为14.1%。光伏组件的发展趋势就是不断提升组件的转换效率，在同样的面积上产生更大的电能。随着价格的降低，高效率的光伏组件将取代低效率光伏组件。光伏组件效率提高带来的一个直接好处就是减少组件的占地面积，降低征地和工程成本。

    太阳能支路中另一个重要的变换节点是太阳能控制器。传统的基于投切式原理的太阳能控制器，由于光伏组件输出电压受限于电池电压，输出功率受到限制，太阳能组件发出的功率无法全部转换并储存在蓄电池中。这种控制器无法将光伏组件的最大发电功率利用起来。而基于MPPT（Maximum Power Point Tracking， 最大功率点跟踪）技术的太阳能控制器，提高了太阳能的利用率，同样的功耗下，和投切式控制器相比，光伏组件的数量可以减少10%，从而有效降低了系统成本。

风能支路的效率优化

    对于风能支路，风能经过风机变换成交流电能，并经过风能控制器将交流电能变换成直流电能储存在蓄电池中。变换节点有风机和风机控制器。

    通信用的小型风机内部的发电装置技术较为成熟，变化较小。风机的扫风面积和风翼形状影响了到达额定功率的风速。比如1kW的风机，通常11m/s的风速下可以到达额定输出，但是具有较好的翼型设计的风机在9m/s的风速下就可达到额定输出功率。较低风速下达到输出功率可以有效提高低风速下风能的利用。当然，这样的风机价格也较高。风机控制器用于将风机发出的交流电变换成直流电。目前广泛使用的是简单的可控硅整流技术，当风速较低时，风机发出的电压较低，无法给蓄电池充电，当风速过高时，输出电压超出限定值，风机通过折尾来降低输出功率。因此，这样的风机控制器对风能的利用率较低。同样应用MPPT技术对风机进行改进，将风机输出电压和电池电压之间用直流-直流变换器进行隔离。这样风机输出电压就不会受限于蓄电池电压，从而提高风能的利用率。

柴油机支路的效率优化

    在柴油机支路，柴油的化石能源变换成交流电能，并经直流电源系统将交流电能变换成直流电能储存在蓄电池中。变换节点有柴油机和直流电源系统。

    柴油机的能源变换效率可以用柴油机的单位时间单位输出的耗油量来表示。我们可以利用柴油机的效率曲线特性来优化系统工作效率。由柴油机的效率曲线特性可知，柴油机在轻载情况下相对耗油量高，让柴油机工作在较高负载率下，可以有效降低燃油消耗。

    柴油机发出的是交流电，需要使用整流器将交流转化成直流。对于整流器这个变换节点，一方面，可以提高整流器的变换效率，目前商用的整流器效率已经可以达到96%。另一方面，通过优化整流器的工作状态来提高系统效率。整流器具有负载率低、效率低的特性曲线。根据这个曲线，当系统轻载的时候，让部分整流器休眠，由少数整流器承担全部输出功率。工作整流器的负载率提高，工作在更高的效率点上，从而提高了系统效率。

    未来大量通信新用户的发展、移动带宽的不断提升、通信业务的推陈出新，都会持续带来通信网络建设的需求，进一步加剧运营商节能减排和降低TCO的压力。“能效矩阵”理论可以指导我们构建更加绿色的通信网络。

[关键词] 动力