通信基站用光伏上塔能源系統(tǒng)設(shè)計及運(yùn)營效益分析

摘" 要：該文設(shè)計一種通信基站用光伏上塔能源系統(tǒng)，重點對光伏發(fā)電陣列的布局和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和校核，并深入分析其運(yùn)營效益。分析結(jié)果顯示，該系統(tǒng)設(shè)計的光伏發(fā)電陣列在12級風(fēng)速條件下不會對鐵塔結(jié)構(gòu)安全造成損害；光伏上塔能源系統(tǒng)的5年平均平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）為3.6元/kWh，僅為采用柴油發(fā)電系統(tǒng)的50.42%、采用地面油光互補(bǔ)能源系統(tǒng)的74.07%；與地面油光互補(bǔ)能源系統(tǒng)相比，5年可節(jié)約土地租賃成本6.39萬元。

關(guān)鍵詞：通信基站；光伏上塔；能源系統(tǒng)；運(yùn)營效益；光伏發(fā)電陣列

中圖分類號：TM615" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）08-0017-04

Abstract： This paper designs a photovoltaic tower energy system for communication base stations， focusing on the design and verification of the layout and structure of the photovoltaic power generation array， and in-depth analysis of its operational benefits. The analysis results show that the photovoltaic power generation array designed by the system will not cause damage to the structural safety of the tower under the condition of wind speed of 12 levels; the five-year Levelized Cost of Energy （LCOE） of the photovoltaic tower energy system is 3.6 yuan/kWh， which is only 50.42% of that when using the diesel power generation system and 74.07% of that when using the ground oil-light complementary energy system; compared with the ground oil-light complementary energy system， the land lease cost can be saved by 63，900 yuan in 5 years.

Keywords： communication base station; photovoltaic tower; energy system; operational efficiency; photovoltaic power generation array

近幾年來，隨著東南亞地區(qū)緬甸、越南、柬埔寨等“一帶一路”國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，移動通信業(yè)務(wù)也得到迅猛發(fā)展，促使通信基站數(shù)量呈現(xiàn)幾何數(shù)量增長，以滿足運(yùn)營商對移動信號高覆蓋率的要求[1]。而東南亞國家普遍存在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、基礎(chǔ)設(shè)施差、電力供應(yīng)不足，偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)大部分都是缺乏電力或無電力的區(qū)域[2]。但可喜的是這些地區(qū)的太陽能資源十分豐富，因此利用太陽能發(fā)電給通信基站供電是理想的選擇[3]。以東南亞國家緬甸為例，其郊區(qū)及偏遠(yuǎn)地區(qū)通信基站的電力供應(yīng)基本由柴油發(fā)電機(jī)供應(yīng)，導(dǎo)致運(yùn)營維護(hù)成本非常高，逐步有偏遠(yuǎn)通信基站在地面安裝光伏組件給通信基站負(fù)載供電[4]。但地面安裝光伏組件占地面積較大，導(dǎo)致部分通信基站征地困難且成本較高。

基于此，本文通過對光伏上塔能源系統(tǒng)進(jìn)行研究，重點對光伏發(fā)電陣列的布局和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和校核，并深入分析其運(yùn)營效益。

1" 光伏上塔能源系統(tǒng)簡介

通信基站用光伏上塔能源系統(tǒng)一般由光伏發(fā)電陣列、光伏控制器、蓄電池、柴油發(fā)電系統(tǒng)以及通信模塊等組成。其中，光伏發(fā)電陣列包含光伏組件和光伏支架；柴油發(fā)電系統(tǒng)包含柴油發(fā)電機(jī)和整流器。光伏上塔能源系統(tǒng)組成如圖1所示。

光伏組件用于將太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換為直流電能；光伏控制器是控制多路光伏組件對蓄電池充電以及控制蓄電池給負(fù)載供電。蓄電池用于將光伏組件和柴油發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能貯存起來，在用電期間為負(fù)載供電[5]。柴油發(fā)電系統(tǒng)則作為備用電源，在光伏組件發(fā)電不足的情況下，給蓄電池充電，給負(fù)載供電。

2" 光伏上塔能源系統(tǒng)設(shè)計

2.1" 系統(tǒng)配置

以緬甸曼德勒市的通信基站為例進(jìn)行分析。光伏上塔能源系統(tǒng)采用光伏發(fā)電陣列和柴油機(jī)共同發(fā)電、儲能電池供電的混合模式。

2.2" 光伏發(fā)電陣列設(shè)計

緬甸曼德勒市的通信基站鐵塔結(jié)構(gòu)和環(huán)境參數(shù)見表2。

2.2.1" 光伏發(fā)電陣列傾角設(shè)計

通信基站的地理坐標(biāo)為北緯19°30′、東經(jīng)94°50′，全年日平均有效日照時長為4.5 h，最大高度角為88.61°（6月份）。法定時太陽路徑如圖2所示。

由表2和表3可知，鐵塔一面朝南，光伏發(fā)電陣列朝南分層安裝且傾角為36°時，全年的總輻射量最大。由圖2和圖3可知，當(dāng)最小安裝高度為2 m，相鄰垂直高度為5.4 m時（靠近塔段連接處，且高度最低），相鄰光伏發(fā)電陣列遮擋最少，可實現(xiàn)全年最大發(fā)電量。

2.2.2" 光伏組件排布設(shè)計

由表1和圖3可知，光伏上塔能源系統(tǒng)由18塊光伏組件構(gòu)成，采用3串6并布局排列，光伏發(fā)電陣列長度為6.4 m，超過第二節(jié)至第四節(jié)塔段主桿最大跨距，便于在鐵塔上安裝。光伏發(fā)電陣列外形尺寸如圖4所示。

2.2.3 光伏支架設(shè)計

本文示例的通信基站鐵塔為三管桁架塔，要求光伏支架能夠抵抗12級大風(fēng)。通過借鑒現(xiàn)有光伏上塔支架設(shè)計，本系統(tǒng)采用加強(qiáng)框架型固定傾角式支架結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

為滿足長期使用和成本要求，光伏支架主要選用304不銹鋼和表面熱鍍鋅處理的Q235-A鋼材[6]。其材料清單見表4。

2.2.4" 鐵塔載荷校驗

通信基站光伏上塔能源系統(tǒng)的設(shè)計重點是充分考慮和分析光伏發(fā)電陣列安裝在鐵塔上時，是否會對其自身結(jié)構(gòu)造成危害。因此，依據(jù)GB 50009—2012 《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[7]來分析光伏發(fā)電陣列和光伏支架對鐵塔結(jié)構(gòu)的影響。

1）恒定重載荷計算。恒定荷載主要是自重，單組光伏發(fā)電陣列有6 pcs光伏組件，單塊光伏組件為19 kg，光伏支架自重為288 kg，固定安裝座4 pcs，單個自重為2 kg。

3" 應(yīng)用效果及運(yùn)營效益分析

目前，光伏上塔能源系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在緬甸曼德勒市的通信基站，將本文研究的光伏上塔能源系統(tǒng)與地面油光互補(bǔ)能源系統(tǒng)、柴油發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)運(yùn)營效益進(jìn)行對比，結(jié)果見表5。

由表5可知，通信基站采用光伏上塔能源系統(tǒng)相較于采用柴油發(fā)電系統(tǒng)和地面油光互補(bǔ)能源系統(tǒng)，建設(shè)運(yùn)營成本得到大幅下降。

4" 結(jié)論

本文對通信基站光伏上塔能源系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了闡述，完成了基于光伏上塔結(jié)構(gòu)的5.4 kW光伏能源系統(tǒng)的研制。選取在緬甸曼德勒市運(yùn)行的光伏上塔能源系統(tǒng)與柴油發(fā)電系統(tǒng)、地面油光互補(bǔ)能源系統(tǒng)進(jìn)行對比，結(jié)果表明光伏上塔能源系統(tǒng)5年運(yùn)營周期成本僅為柴油發(fā)電系統(tǒng)供電成本的50.42%、地面油光互補(bǔ)能源系統(tǒng)供電成本的74.07%，運(yùn)營效益明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周麗.移動通信基站用風(fēng)能控制器研究與設(shè)計[D].曲阜：曲阜師范大學(xué)，2011.

[2] 王星.基站光伏柴油供電系統(tǒng)的能源調(diào)度策略設(shè)計與優(yōu)化[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.

[3] 陳源源.通信基站用光伏控制器的研究[D].曲阜：曲阜師范大學(xué)，2013.

[4] 孫勇鋒.偏遠(yuǎn)通信基站離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略[J].通信電源技術(shù)，2018，35（5）：208-212.

[5] 王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[6] 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB 50009—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.