張雨默，金哲洙，李 偉，劉 冰，金 婷

（1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)吉林有限公司網(wǎng)絡(luò)管理中心，吉林 長春 130000；2.中國移動(dòng)通信集團(tuán)吉林有限公司延邊分公司，吉林 長春 130000；3.吉林省電力有限公司 梨樹縣供電公司，吉林 四平 136500）

0 引 言

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，隨之而來的能耗問題也愈發(fā)突出，通信基站耗電量直線上升。經(jīng)初步測算，到2023年，5G基站耗電量將占全社會(huì)總電量的1.3%；到2026年，5G基站耗電量占全社會(huì)總電量的2.1%[1]。通信網(wǎng)絡(luò)的高耗電問題亟需解決，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)是關(guān)乎國家戰(zhàn)略與人類命運(yùn)共同體的重要問題，如何建設(shè)更加綠色、高效、可持續(xù)發(fā)展的通信網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)重要課題。采用太陽能光伏發(fā)電與市電同時(shí)為通信局站設(shè)備負(fù)載供電的疊光技術(shù)，在保障局站設(shè)備正常運(yùn)行的前提下，有效減少市電應(yīng)用，同時(shí)能夠有效解決偏遠(yuǎn)地區(qū)、山區(qū)、高速公路等場景下的電費(fèi)高、斷電頻繁以及油機(jī)發(fā)電成本高等問題[2]。

1 基站疊光

1.1 光伏發(fā)電

我國于1958年開始研究太陽電池，1971年首次成功應(yīng)用于我國發(fā)射的東方紅二號(hào)衛(wèi)星上。從20世紀(jì)80年代末開始制定光伏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過多年的探索、完善已經(jīng)形成一整套規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)、設(shè)備、施工和運(yùn)維等方面均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)的光伏技術(shù)較為成熟，在技術(shù)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)制定、產(chǎn)業(yè)規(guī)模以及市場份額上均處于國際領(lǐng)先地位[3]。

光伏發(fā)電主要利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，即一個(gè)光子照射到光伏組件上，其能量被某個(gè)電子全部吸收，當(dāng)電子吸收的能量足夠大時(shí)就會(huì)離開原子表面逃逸出來成為光電子，很多電子聚集產(chǎn)生電勢差（即電壓），電路導(dǎo)通后開始為負(fù)載供電。光電效應(yīng)原理如圖1所示。

圖1 光電效應(yīng)原理

1.2 光伏技術(shù)的主要應(yīng)用場景

隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用場景不斷延伸，主要應(yīng)用場景有以下4種。

（1）專用光伏發(fā)電站。西部地區(qū)土地廣袤、人煙稀少、太陽能資源豐富，非常適合建設(shè)大型光伏專用發(fā)電站。

（2）屋頂式光伏發(fā)電站。此類場景主要包括樓宇光伏電站、工業(yè)廠房屋頂光伏電站以及居民屋頂光伏電站等。

（3）漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電站。漁光互補(bǔ)即“上可發(fā)電、下可養(yǎng)魚”的發(fā)電新模式，具有減少水分蒸發(fā)、提高魚蝦產(chǎn)量、抑制藻類繁殖以及提升水質(zhì)質(zhì)量等優(yōu)勢，是新型漁業(yè)的發(fā)展方向。

（4）農(nóng)光互補(bǔ)光伏發(fā)電站。與漁光互補(bǔ)類似，在充分利用太陽能的同時(shí)還能產(chǎn)生額外發(fā)電收益。

根據(jù)相關(guān)資料，目前應(yīng)用比較廣泛的是屋頂式光伏發(fā)電站。

1.3 通信局站疊光技術(shù)原理

局站疊光指在局站電源基礎(chǔ)上疊加太陽能，安裝滿足通信負(fù)載功率需求的太陽能電池板，由太陽能光伏發(fā)電與市電共同為負(fù)載供電[4]。當(dāng)光伏輸出電壓略高于市電電壓時(shí)，優(yōu)先使用太陽能供電的方案。疊加太陽能可以降低局站電費(fèi)，減少碳排放，綠色環(huán)保。疊光原理如圖2所示。

圖2 疊光原理

2 疊光技術(shù)在東北通信局站的應(yīng)用分析

2.1 東北地區(qū)太陽能分布情況

吉林省位于中緯度歐亞大陸的東側(cè)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季。吉林省2021年年平均日照時(shí)數(shù)約為2 292 h，年有效利用光照時(shí)長約為1 350 h，屬于光伏發(fā)電二類資源區(qū)，適合進(jìn)行光伏發(fā)電。吉林省各地市光照情況如表1所示。

表1 吉林省各地市光照情況

2.2 疊光應(yīng)用情況分析

根據(jù)吉林省光照實(shí)際情況，選取某地市匯聚機(jī)房進(jìn)行疊光應(yīng)用。該局站年用電量約為30 000 kW·h，可供光伏發(fā)電設(shè)備使用的屋頂面積約為200 m2。根據(jù)光伏發(fā)電設(shè)備功率推算，完全由光伏供電無法保障局站正常工作，因此選用光伏疊加市電進(jìn)行供電，最終安裝36片545 W光伏組件，光伏發(fā)電裝機(jī)容量為19.62 kW。

將光伏設(shè)備加裝于屋頂時(shí)，需要考慮屋頂結(jié)構(gòu)荷載。光伏電站加配重約為30 kg/m2，該局站屋頂載荷設(shè)計(jì)為200 kg/m2且屋頂無其他設(shè)施，滿足光伏設(shè)備載荷要求。36片光伏組件共計(jì)1 011.6 kg，整體設(shè)計(jì)配重為2 600 kg，滿足配重要求。由于光伏組件成25°角朝南，而該地區(qū)冬季多偏西風(fēng)、夏季多偏東風(fēng)，光伏組件不會(huì)遇到風(fēng)向直吹的情況，因此實(shí)際抗風(fēng)等級(jí)要高于9級(jí)[5]。

室外光伏組件安裝防雷接地裝置，與局站防雷接地網(wǎng)相連接。交流電纜選用鎧裝防腐耐火的25 mm2銅質(zhì)線纜，直流線纜選用4 mm2光伏專業(yè)直流線纜，均滿足安全要求及行業(yè)規(guī)范?，F(xiàn)場安裝實(shí)例如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場安裝實(shí)例

2.3 疊光應(yīng)用策略

通過光伏逆變器實(shí)時(shí)追蹤電網(wǎng)的電能質(zhì)量，追蹤參數(shù)包括頻率、相位、電壓。當(dāng)電網(wǎng)電能質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，光伏逆變器通過反饋裝置與市電同步調(diào)整，同時(shí)通過濾波裝置消除諧波，避免對(duì)局站造成傷害。經(jīng)過現(xiàn)場測試，光伏發(fā)電質(zhì)量與公共電網(wǎng)供電質(zhì)量基本一致，滿足并網(wǎng)供電要求。在實(shí)際應(yīng)用中，通過電壓調(diào)節(jié)控制光伏與市電的供電優(yōu)先級(jí)。當(dāng)光伏發(fā)電功率小于負(fù)載功率時(shí)，光伏輸出電壓會(huì)下降，電網(wǎng)會(huì)向負(fù)載補(bǔ)充供電，形成疊光應(yīng)用。

2.4 效益分析

從2021年12月1日至12月30日，經(jīng)過對(duì)局站一個(gè)月的用電量統(tǒng)計(jì)，每日平均發(fā)電量約為80 kW·h，預(yù)計(jì)全年發(fā)電量約為29 200 kW·h。在正常維護(hù)條件下，光伏組件的平均使用壽命為25～30年?；鹆Πl(fā)電每產(chǎn)生1 kW·h電便排放0.997 kg二氧化碳，而局站光伏發(fā)電每年減少二氧化碳排放約29.11 t，吉林省內(nèi)具備光伏發(fā)電條件的局站約為500個(gè)，全部采用光伏發(fā)電每年可減少二氧化碳排放量14 555 t。

根據(jù)相關(guān)文件，吉林省一般工商業(yè)電價(jià)全面推行峰谷平分時(shí)電價(jià)，進(jìn)一步提高電費(fèi)峰谷差價(jià)，如表2所示。

表2 峰谷平分時(shí)電價(jià)

結(jié)合吉林省全年日出日落時(shí)間，能夠有效分析出光伏發(fā)電的削峰填谷功效。2021年吉林省日出、日中、日落時(shí)間如表3所示。

表3 2021年吉林省日出、日中、日落時(shí)間

光伏發(fā)電系統(tǒng)在有太陽光照時(shí)開始運(yùn)行，在正午時(shí)分發(fā)電效率達(dá)到最高，隨后逐漸下降。一般情況下，約40%的光伏電能在用電高峰時(shí)段消耗，局站每年可節(jié)約的電費(fèi)約為3 500元。

2.5 推廣存在的問題

光伏發(fā)電對(duì)場地要求比較苛刻，而大量通信基站無法提供如此大面積的場地。東北地區(qū)冬季漫長，下雪會(huì)覆蓋光伏設(shè)備；春季和秋季風(fēng)沙較大，風(fēng)沙同樣會(huì)覆蓋光伏設(shè)備。以上因素均會(huì)導(dǎo)致發(fā)電效率大幅降低，對(duì)光伏電站的維護(hù)提出了較高的要求。維護(hù)人員需要加強(qiáng)對(duì)光伏組件的維護(hù)，及時(shí)清理積雪、沙塵，一定程度上增加了維護(hù)成本。

3 結(jié) 論

隨著國家“碳達(dá)峰”“碳中和”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，光伏技術(shù)作為重要實(shí)現(xiàn)手段必定會(huì)得到大力發(fā)展。我國深耕光伏領(lǐng)域多年，技術(shù)水平及產(chǎn)業(yè)規(guī)模均處于世界領(lǐng)先地位，未來光伏發(fā)電功率等技術(shù)性問題將被有效解決。隨著光伏發(fā)電技術(shù)與通信行業(yè)的深入融合，綠色基站、零碳基站將得到廣泛應(yīng)用。