Солнечная энергия для телекоммуникационных вышек: практическое руководство по проектированию и инвестициям.

Солнечная энергия для телекоммуникационных вышек может сократить время работы генератора и повысить энергетическую независимость, но одних только панелей недостаточно для создания надежной системы электроснабжения телекоммуникационных вышек. Проект должен соответствовать измеренной нагрузке на площадке, уровню солнечной активности в худший сезон, целевому показателю автономности, диапазону напряжения постоянного тока, ограничениям батареи и требованиям к восстановлению. Во многих местах наилучшим решением является управляемая гибридная система, а не площадка без генератора.

На первом этапе осмотра объекта я разделяю то, что можно рассчитать, и то, что еще предстоит измерить. Суточную выработку энергии и предварительную оценку размера фотоэлектрической системы можно провести на ранней стадии. Для расчета тока батареи, тепловых характеристик, восстановления при низкой интенсивности солнечного излучения и окончательной конструкции защиты по-прежнему необходимы данные с объекта и характеристики продукта. Такое разграничение предотвращает незаметное превращение предварительной оценки в спецификацию на закупку.

Почему солнечные электростанции для телекоммуникаций отличаются от обычных коммерческих фотоэлектрических систем?

На крышах коммерческих зданий обычно используется электросеть в качестве резервного источника энергии. Автономная базовая станция такой возможности не имеет. Если расчетный солнечный месяц вырабатывает меньше энергии, чем ожидалось, уровень заряда батареи снижается день за днем, пока нагрузка не будет отключена или не будет запущен резервный источник.

Нагрузки телекоммуникационных систем также имеют свою собственную форму. На радиостанции может наблюдаться стабильная базовая нагрузка, колебания, связанные с трафиком, короткие пики мощности и нагрузка на систему охлаждения, зависящая от температуры окружающей среды. Микроволновые линии связи, сигнальные огни, системы видеонаблюдения, контроля доступа и обогреватели шкафов добавляют небольшие нагрузки, которые легко пропустить. Будущие дополнения к радиосети могут иметь большее значение, чем несколько процентов повышения эффективности преобразования.

Затем следует интерфейс постоянного тока. Многие телекоммуникационные системы работают на номинальной шине постоянного тока -48 В. Там, где это позволяет архитектура, фотоэлектрические системы могут заряжать батарею и обеспечивать питание нагрузок постоянного тока через контроллер MPPT и систему питания постоянного тока без ненужного преобразования постоянного тока в переменный и обратно. Инвертор по-прежнему необходим для нагрузок переменного тока, но его не следует добавлять по привычке.

Перед подбором компонентов выберите архитектуру операционной системы.

Первоочередной задачей является классификация площадки. Качество электросети, доступность топлива, наличие земли, солнечные ресурсы и последствия отключений определяют, какая архитектура заслуживает детального моделирования.

Конфигурация, полностью основанная на солнечной энергии, может выглядеть привлекательно в электронных таблицах, поскольку она позволяет экономить топливо. Однако скромный резервный генератор может оказаться дешевле, чем установка достаточного количества солнечных батарей и аккумуляторов для покрытия редких многодневных погодных явлений. И наоборот, генератор слишком большой мощности, работающий в режиме низкой мощности в течение длительных периодов, может расходовать топливо впустую и вызывать проблемы с обслуживанием, которых можно избежать. Я бы не рекомендовал удалять последний резервный источник питания до тех пор, пока модель с почасовой выработкой не выдержит условий низкой солнечной активности, и оператор не примет на себя оставшийся риск отключения электроэнергии.

Начните с измеренной нагрузки и погодных условий расчетного периода.

Как минимум, соберите данные о координатах площадки, почасовой или 15-минутной нагрузке, пиковой нагрузке, интерфейсах постоянного и переменного тока, истории отключений, данных о генераторах, температуре в шкафу, доступной площади солнечных панелей и планируемом расширении сети. Три показателя особенно информативны: график нагрузки, часы работы генераторов и история поставок топлива. Если данные противоречивы, рассматривайте базовый энергетический уровень как предварительный и выясните причины, прежде чем подбирать оборудование.

Если данные по интервалам недоступны, составьте расписание по подсистемам, вместо того чтобы умножать номинальную мощность каждой паспортной таблички на 24 часа. Отметьте каждую оценку как измеренную, рассчитанную или предполагаемую. Эта небольшая дисциплина значительно упростит последующий анализ.

Суточная выработка энергии используется для оценки емкости фотоэлектрических систем и аккумуляторов. Пиковая мощность проверяется отдельно, поскольку она определяет характеристики контроллера, выпрямителя, инвертора, кабеля, шин и защиты. Важны оба параметра: даже на объекте с низкой среднесуточной мощностью может наблюдаться высокий кратковременный ток.

расчет скрининга PV

E_source Это энергия, которую необходимо подвести к границе выбранной системы. PSH_design Это значение пикового количества солнечных часов для соответствующего месяца с низкой солнечной активностью, а не просто среднегодовое значение. K_PV Учитываются потери со стороны фотоэлектрических элементов, такие как температура, загрязнение, несоответствие параметров, проводка, производительность MPPT и затенение.

Необходимо обеспечить наглядность границ потерь. Потери в выпрямителе и распределительной сети относятся к цепи передачи электроэнергии; потери, связанные с температурой модуля и загрязнением, относятся к фотоэлектрической части. Если оба фактора скрыты внутри одного расплывчатого «коэффициента безопасности», они могут быть учтены дважды или вовсе пропущены.

Расчет проверки батареи

E_autonomy — это потребляемая энергия нагрузки в период недоступности выбранных источников. DoD допустимая глубина сброса, η_path эффективность батареи по отношению к нагрузке, F_EOL — это требуемая остаточная работоспособность на конец жизни, и F_temp указывает полезную мощность при расчетной температуре. Не применяйте коэффициент повторно, если он уже включен в заявленную полезную энергию изделия.

Пример отсортированного скрининга

Рассмотрим гипотетическую удаленную площадку со средней мощностью 1.5 кВт. Ее потребляемая мощность составляет 36 кВт·ч в сутки. Предположим, что КПД на выходе составляет 88%, а допустимая норма выработки — 10%; тогда целевой показатель выработки энергии со стороны источника составляет около 45 кВт·ч в сутки. При 4.0 расчетных часах пиковой солнечной активности и коэффициенте снижения мощности фотоэлектрической системы 0.78, начальная мощность массива составляет около 14.4 кВт·ч.

Теперь предположим, что батарея должна выдерживать нагрузку в 1.5 кВт в течение 12 часов. Это означает подачу 18 кВт⋅ч. При допустимой глубине разряда 80%, КПД 94% и сохранении емкости до конца срока службы 80%, начальная номинальная потребность составляет около 29.9 кВт⋅ч до округления модуля и температурной коррекции. Требование к автономной работе в течение 24 часов примерно удвоит эту цифру.

Эти цифры не являются цитатой. Они описывают один набор предположений, все из которых видны в таблице. Окончательный проект должен имитировать почасовое состояние заряда батареи, последовательные дни с плохой погодой, температуру, рост нагрузки и отключения источников питания. Он также должен быть округлен до совместимых модулей батареи и проверять ток при минимальном рабочем напряжении.

Восстановление — это проверка, о которой люди забывают.

После отключения электроэнергии или низкого уровня солнечной активности телекоммуникационная нагрузка продолжается, пока заряжается батарея. В приведенном примере для восстановления 18 кВт⋅ч в течение шести часов при КПД зарядного пути 92% требуется примерно 3.3 кВт для зарядки. Добавьте к этому продолжающуюся нагрузку на объекте в 1.5 кВт, и доступный источник должен обеспечить не менее 4.8 кВт без учета других потерь и запаса мощности.

Таким образом, батарея может быть достаточно большой для автономной работы, но при этом иметь слишком малую мощность фотоэлектрических элементов или выпрямителя, чтобы восстановиться до следующего события. Моделирование состояния заряда должно показывать как минимальный резерв, так и время, необходимое для его восстановления.

Решения по компонентам, влияющие на надежность в полевых условиях.

Размещение и конструкция фотоэлектрических элементов

Установка модулей непосредственно на башне может сэкономить место на земле, но высота башни не гарантирует автоматического повышения выработки солнечной энергии. Антенны, стальные конструкции, кабели и близлежащая растительность могут отбрасывать сложные тени. Дополнительная площадь ветровой нагрузки, несущая нагрузка, сложность очистки и работа на высоте могут перевесить экономию места. Если техник не может безопасно очистить или заменить модуль, его теоретическая производительность будет малополезна. Наземные массивы часто проще ориентировать, осматривать и расширять, при условии, что на территории есть безопасная, незатененная площадка.

Проверьте ветроустойчивость, снеговую нагрузку, коррозию, состояние грунта или фундамента, а также напряжение в цепи панелей при низких температурах. Контроль растительности должен быть включен в план технического обслуживания; ряд панелей, который был свободен от растительности при вводе в эксплуатацию, можно затенить через год.

Аккумулятор и BMS

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы широко рассматриваются для хранения энергии в телекоммуникациях благодаря своему ресурсу и тепловым характеристикам, однако химический состав не гарантирует хорошей работы системы. Рассмотрите полезную энергию, непрерывный и пиковый ток, ограничения заряда при низких температурах, снижение номинальной мощности при высоких температурах, защиту BMS, балансировку ячеек или модулей, резервное соединение и условия гарантии.

Параллельно подключенные батареи должны иметь проверенную стратегию распределения тока, совместимое программное обеспечение и защиту каждой ветви. Перед подключением необходимо контролировать разницу уровней заряда, чтобы избежать пускового или циркулирующего тока.

цепь питания постоянного тока и гибридный контроллер

Контроллер определяет, когда фотоэлектрическая система обеспечивает нагрузку, заряжает аккумулятор, запускает генератор или использует сеть. Его приоритеты должны отражать политику обслуживания, а не стандартные заводские настройки. Критический резерв может нуждаться в защите от рутинных циклов экономии топлива. Аналогично, пороговые значения запуска и остановки генератора должны предотвращать быстрые циклы и обеспечивать эффективный зарядный блок.

Проверьте полный диапазон напряжения батареи на соответствие номинальной телекоммуникационной нагрузке -48 В, заданным значениям выпрямителя и отключению при низком напряжении. Для объектов со смешанным переменным и постоянным током составьте карту каждого этапа преобразования и его эффективности.

Кабинет министров и защита окружающей среды

Для наружного корпуса недостаточно простого указания степени защиты IP. Солнечное излучение, конденсат, соль, пыль, насекомые, кабельные вводы, дренаж и внутренний нагрев — всё это может повлиять на долговременную надежность. Датчики температуры должны отображать температуру аккумуляторных модулей и нагревающихся компонентов, а не только воздуха вблизи входного отверстия.

Отопление, вентиляция и охлаждение потребляют энергию, поэтому учитывайте их в модели нагрузки. В местах с высокой температурой установка шкафа для защиты батареи от разряда может также увеличить суточную потребность в энергии. В местах с низкой температурой может потребоваться контролируемый обогрев, прежде чем будет разрешена зарядка.

Мониторинг, ведущий к действиям

Полезные удаленные данные включают в себя информацию об источнике энергии, нагрузке на площадке, состоянии заряда батареи, распределении элементов или модулей, температуре, запусках генератора, уровне топлива, событиях защиты и состоянии связи. Панель мониторинга, показывающая 100% заряда, не является доказательством того, что батарея может выдавать номинальную энергию. Более убедительными являются результаты тестов емкости, история событий и данные о тенденциях. Установите время срабатывания и время реагирования на сигналы тревоги перед переключением и убедитесь, что локальный контроллер сохраняет безопасную работу, когда облачное или магистральное соединение недоступно.

Для получения дополнительных материалов по планированию проектов, специально предназначенных для телекоммуникационных объектов, покупатели и инженерные группы могут обратиться к следующим источникам: ресурсы солнечной телекоммуникационной энергетической системы в качестве дополнительного источника информации при подготовке вопросов для обсуждения на сайте.

Сравнивайте общую стоимость жизненного цикла, а не только стоимость панелей и дизельного топлива.

Компания Sunlight не предоставляет счетов за топливо, но солнечная телекоммуникационная система все равно имеет капитальные затраты, затраты на обслуживание и замену. Для сравнения цен на дизельное топливо используйте цену топлива с доставкой на вышку, а не общенациональную цену на заправке. Состояние дорог, расстояние, безопасность и объем каждой поставки могут существенно изменить цифры. Справедливым сравнением является дисконтированная стоимость обеспечения необходимой доступности в течение всего периода реализации проекта.

Проведите как минимум три моделирования: текущую операционную модель, гибридную солнечную электростанцию ​​и модель с большей долей возобновляемых источников энергии. Проверьте цены на топливо, год замены батарей, рост трафика, выработку солнечной энергии и предположения о финансировании. Я предпочитаю показывать предположения рядом с результатом; один показатель окупаемости скрывает слишком много информации.

Оперативные аспекты, вопросы безопасности и взаимодействия с местным сообществом.

Дистанционный мониторинг сокращает количество ненужных поездок, но не исключает физического обслуживания. При вводе в эксплуатацию необходимо проверить полярность, защиту, крутящий момент, схему аварийных сигналов, состояния контроллера, запуск генератора, восстановление заряда батареи и фактический поток энергии. После этого следует отслеживать динамику данных, а не ждать сигнала тревоги о низком напряжении. Первые несколько недель следует внимательно наблюдать, поскольку они позволяют выявить неправильные заданные значения, неожиданное затенение и нагрузки, которые отсутствовали при обследовании.

Кража и несанкционированное вмешательство заслуживают особого внимания при проектировании. Панели, батареи, топливо и медь — все это может стать объектом кражи. Следует комплексно учитывать ограждения, системы обнаружения несанкционированного доступа, скрытые крепежные элементы, маркировку активов, контролируемый доступ и разумное размещение оборудования. Меры безопасности должны по-прежнему обеспечивать безопасное техническое обслуживание и аварийную изоляцию.

Проект по развитию телекоммуникационной энергетики также занимает землю и меняет местные модели работы. Заблаговременное обсуждение с землевладельцами и местными сообществами может решить проблемы доступа, растительности, бликов, шума и безопасности. По возможности следует обучить местных специалистов и определить местную поддержку по поставке запасных частей. Проект, который сокращает поставки дизельного топлива, но не оставляет после себя обслуживаемой системы, решает лишь половину проблемы.

Когда установка телекоммуникационной системы на солнечных батареях может оказаться не самым правильным первым шагом.

Солнечная энергия не всегда является лучшим вложением средств для каждой вышки. Необходимо пересмотреть архитектуру, если на участке наблюдается сильное затенение в течение всего года, отсутствует безопасное место, короткий срок аренды, неопределенный рост нагрузки или имеется высоконадежная и недорогая сеть с минимальным риском отключений. В периоды крайне низкой солнечной активности также может быть целесообразнее использовать генератор, расширить сеть или установить гибридную ветро-солнечную электростанцию, чем устанавливать очень большие фотоэлектрические системы и аккумуляторные батареи.

Иногда первоочередной инвестицией должно стать повышение эффективности: ремонт систем охлаждения, демонтаж устаревшего оборудования, устранение потерь постоянного тока или консолидация нагрузок. Каждые 100 Вт, сэкономленные за счет непрерывной работы, позволяют сэкономить 2.4 кВт⋅ч в день и снизить потребность как в солнечных батареях, так и в аккумуляторах.

Вопросы, которые следует включить в запрос предложений по проекту солнечной телекоммуникации.

• Какой измеренный профиль нагрузки, пиковая мощность и сценарий будущего роста были использованы?
• Какие данные о солнечной энергии, расчетный месяц и погодные условия в разные годы позволяют определить необходимый размер фотоэлектрической установки?
• Какие убытки и маржа включены в расчет, и каковы их границы?
• Какое количество энергии батареи достигает нагрузки в начале и в конце срока службы?
• Что происходит в течение нескольких дней подряд с малым количеством солнца?
• Сколько времени занимает восстановление, пока рабочая нагрузка продолжает функционировать?
• Какие нагрузки остаются подключенными к постоянному току, и где требуется преобразование в переменный ток?
• Как осуществляется запуск, остановка, нагрузка и обработка отказов генератора?
• Каковы температурные и токовые ограничения батареи?
• Как решаются проблемы, связанные с затенением, ветром, коррозией, пылью, конденсатом и кражей?
• Какие системы оповещения доступны локально и удаленно, и кто на них реагирует?
• Какие заводские и полевые приемочные испытания демонстрируют каждый режим работы?
• Какие запасные части, поддержка программного обеспечения и выездное обслуживание доступны?
• Кому принадлежат услуги по замене, транспортировке и утилизации аккумуляторов по окончании срока их службы?

Как компания Huijue подходит к вопросам энергоснабжения телекоммуникационных объектов

Компания Huijue разрабатывает интегрированные решения для электроснабжения телекоммуникационных объектов, объединяющие подачу электроэнергии, распределение, резервное питание, защиту и мониторинг в соответствии с эксплуатационными требованиями объекта. В зависимости от проекта, архитектура может включать в себя фотоэлектрическую генерацию, управление MPPT, литий-ионные батареи, номинальное напряжение постоянного тока -48 В, подключение к сети или генератору, контроль окружающей среды и дистанционное управление энергопотреблением.

Предложение должно начинаться с фактических данных, а не с заранее определенного размера шкафа. Полезными исходными данными являются координаты, профиль нагрузки, целевой показатель автономности, диапазон напряжения, история сети и генераторов, климатические ограничения, доступная площадь солнечных электростанций, протокол связи и ожидаемое расширение. На основе этих данных инженерная группа сможет сравнить различные архитектуры и определить, какие предположения требуют подтверждения на практике.

Часто задаваемые вопросы

Может ли телекоммуникационная вышка работать полностью на солнечной энергии?

Да, там, где солнечный ресурс, незатененная площадь, емкость хранилища и нагрузка совместимы. Модель временных рядов все равно должна проверять сезон низкой солнечной активности и необходимое восстановление. На критически важных объектах может оставаться генератор или другой резервный источник на случай редких событий.

Сколько солнечных панелей необходимо для работы вышки сотовой связи?

Одного лишь типа башни недостаточно для получения достоверного ответа. Количество панелей зависит от суточной нагрузки, мощности панели, количества солнечного света в расчетный месяц, температуры, затенения, потерь в системе, ориентации и запаса на рост. Начинайте с кВтч в день, а не с общего правила подсчета количества панелей на башню.

Всегда ли телекоммуникационному объекту, работающему на солнечной энергии, необходим инвертор?

Нет. Многие телекоммуникационные нагрузки используют номинальное напряжение постоянного тока -48 В и могут питаться от соответствующей архитектуры постоянного тока. Для нагрузок переменного тока требуется инвертор. Удаление ненужных преобразовательных каскадов может уменьшить потери и упростить цепь питания.

Какой уровень автономности батареи является оптимальным?

Оператор должен определить автономность, исходя из целевого показателя обслуживания, погодных условий, надежности источника энергии и времени отклика. Для объекта, подключенного к электросети, может потребоваться несколько часов, в то время как для удаленного объекта, не подключенного к электросети, может потребоваться гораздо больше времени. Более длительная автономность увеличивает затраты, занимаемую площадь и требования к восстановлению.

Можно ли устанавливать солнечные панели на телекоммуникационной вышке?

В некоторых инженерных решениях это возможно, но необходимо оценить конструкцию, ветровую нагрузку, затенение, прокладку кабелей, радиочастотную обстановку и доступ для обслуживания. Наземный монтаж часто проще, если имеется безопасная территория.