Energia solar per a torres de telecomunicacions: una guia pràctica de disseny i inversió

L'energia solar per a les torres de telecomunicacions pot reduir el temps de funcionament del generador i millorar la independència energètica, però els panells per si sols no constitueixen un sistema d'alimentació de telecomunicacions fiable. El disseny ha de coincidir amb la càrrega mesurada del lloc, el recurs solar de la pitjor temporada, l'objectiu d'autonomia, la finestra de voltatge de CC, els límits de la bateria i el requisit de recuperació. En molts llocs, la millor resposta és un híbrid gestionat en lloc d'un lloc sense generador.

En una primera revisió del lloc, separo el que es pot calcular del que encara s'ha de mesurar. L'energia diària i una mida fotovoltaica provisional es poden avaluar amb antelació. El corrent de la bateria, el comportament tèrmic, la recuperació amb poca insolació i el disseny final de la protecció encara necessiten dades del lloc i corbes del producte. Aquesta distinció evita que una estimació inicial es converteixi silenciosament en una especificació de compra.

Per què l'energia solar per a telecomunicacions és diferent de la fotovoltaica comercial ordinària

Una teulada comercial normalment utilitza la xarxa elèctrica com a amortidor d'energia. Una estació base aïllada no té aquest luxe. Si el mes solar de disseny proporciona menys energia de l'esperada, l'estat de càrrega de la bateria disminueix dia rere dia fins que es desconnecta la càrrega o s'inicia una font de reserva.

Les càrregues de telecomunicacions també tenen la seva pròpia forma. Un emplaçament de ràdio pot tenir una demanda base estable, variacions relacionades amb el trànsit, pics de potència curts i una càrrega de refrigeració que segueix la temperatura ambient. Els enllaços de microones, els llums d'obstrucció, la vigilància, el control d'accés i els calefactors d'armaris afegeixen càrregues més petites que són fàcils de passar per alt. Les futures incorporacions de ràdio poden ser més importants que uns quants punts percentuals d'eficiència de conversió.

Després hi ha la interfície de CC. Molts sistemes de telecomunicacions funcionen amb un bus de CC nominal de -48 V. Quan l'arquitectura ho permet, l'energia fotovoltaica pot carregar la bateria i alimentar càrregues de CC a través d'un controlador MPPT i un sistema d'alimentació de CC sense una conversió innecessària de CC a CA a CC. Encara es necessita un inversor per a les càrregues de CA, però no s'hauria d'afegir per costum.

Trieu l'arquitectura operativa abans de dimensionar els components

La classificació del lloc és el primer. La qualitat de la xarxa, l'accés al combustible, el terreny disponible, el recurs solar i les conseqüències de les interrupcions determinen quina arquitectura mereix una modelització detallada.

Una configuració solar pura pot semblar atractiva en un full de càlcul perquè elimina combustible. Tot i això, un generador de reserva modest pot ser més barat que instal·lar prou capacitat de fotovoltaica i bateria per cobrir un esdeveniment meteorològic poc freqüent de diversos dies. Per contra, un generador sobredimensionat que funciona lleugerament durant llargs períodes pot malgastar combustible i patir problemes de manteniment evitables. No recomanaria eliminar la font de reserva final fins que un model horari hagi sobreviscut als casos de baixa energia solar i l'operador hagi acceptat el risc de tall restant.

Comença amb la càrrega mesurada i el clima del període de disseny

Com a mínim, recopileu les coordenades del lloc, la càrrega horària o de 15 minuts, la demanda màxima, les interfícies de CC i CA, l'historial d'interrupcions, els registres del generador, la temperatura del gabinet, l'àrea fotovoltaica disponible i l'expansió planificada de la xarxa. Tres registres són particularment reveladors: el seguiment de la càrrega, les hores de funcionament del generador i l'historial de combustible subministrat. Quan expliquen històries diferents, tracteu la línia de base energètica com a provisional i esbrineu per què abans de dimensionar l'equip.

Si no hi ha dades d'interval disponibles, creeu un programa per subsistema en comptes de multiplicar cada qualificació de la placa de noms per 24 hores. Marqueu cada estimació com a mesurada, calculada o assumida. Aquesta petita disciplina fa que la següent revisió sigui molt més fàcil.

L'energia diària s'utilitza per estimar la capacitat de la fotovoltaica i de la bateria. La potència màxima es comprova per separat perquè determina els valors del controlador, el rectificador, l'inversor, el cable, la barra colectora i la protecció. Ambdues coses importen: un lloc amb una mitjana diària baixa encara pot produir un corrent de curta durada elevat.

Càlcul de l'apantallament fotovoltaic

E_source és l'energia que s'ha de subministrar al límit del sistema seleccionat. PSH_design és el valor de l'hora solar màxima per al mes de baixa energia solar rellevant, no simplement la mitjana anual. K_PV té en compte les pèrdues del costat fotovoltaic com ara la temperatura, la brutícia, la desajust, el cablejat, el rendiment de l'MPPT i l'ombrejat.

Mantingueu els límits de pèrdues visibles. Les pèrdues del rectificador i de la distribució pertanyen a la ruta d'alimentació de baixada; la temperatura i la brutícia del mòdul pertanyen al costat fotovoltaic. Si ambdues estan amagades dins d'un "factor de seguretat" vague, es poden comptar dues vegades o passar per alt completament.

Càlcul de la prova de bateria

E_autonomy és l'energia de càrrega necessària mentre les fonts seleccionades no estan disponibles. DoD és la profunditat de descàrrega permesa, η_path és l'eficiència de la bateria a la càrrega, F_EOL és la capacitat retinguda necessària al final de la vida útil, i F_temp representa la capacitat utilitzable a la temperatura de disseny. No torneu a aplicar un factor si ja està inclòs a l'energia utilitzable declarada del producte.

Un exemple de cribratge treballat

Considerem un lloc remot hipotètic amb una mitjana d'1.5 kW. La seva càrrega subministrada és de 36 kWh per dia. Suposem que l'eficiència de distribució és del 88% i la marge de planificació és del 10%; l'objectiu d'energia del costat de la font és aleshores d'uns 45 kWh per dia. Amb 4.0 hores punta de sol de disseny i un factor de reducció de la potència fotovoltaica de 0.78, el conjunt inicial és d'uns 14.4 kWp.

Ara suposem que la bateria ha de suportar la càrrega d'1.5 kW durant 12 hores. Això són 18 kWh subministrats. Amb una profunditat de descàrrega admissible del 80%, una eficiència de trajectòria del 94% i una retenció al final de la vida útil del 80%, el requisit inicial de la placa de identificació és d'uns 29.9 kWh abans de l'arrodoniment del mòdul i la correcció de temperatura. Un requisit d'autonomia de 24 hores duplicaria aproximadament aquesta xifra.

Aquests números no són una cita. Descriuen un conjunt de supòsits, tots els quals són visibles a la taula. Un disseny final ha de simular l'estat de càrrega de la bateria per hora, els dies consecutius de mal temps, la temperatura, el creixement de la càrrega i les interrupcions de la font. També ha d'arrodonir a mòduls de bateria compatibles i verificar el corrent a la tensió mínima de funcionament.

La recuperació és el xec que la gent oblida

Després d'una interrupció o d'un esdeveniment de baixa intensitat solar, la càrrega de telecomunicacions continua mentre la bateria es recarrega. En l'exemple, restaurar 18 kWh en sis hores amb una eficiència de la ruta de càrrega del 92% requereix aproximadament 3.3 kW per a la càrrega. Si afegiu la càrrega contínua d'1.5 kW al lloc, la font disponible ha de subministrar almenys 4.8 kW abans d'altres pèrdues i marge.

Per tant, una bateria pot ser prou gran per a l'autonomia, però amb una capacitat fotovoltaica o rectificadora massa petita per recuperar-se abans del següent esdeveniment. La simulació de l'estat de càrrega hauria de mostrar tant la reserva més baixa com el temps necessari per restaurar-la.

Decisions sobre components que afecten la fiabilitat del camp

Col·locació i estructura fotovoltaica

Muntar mòduls directament en una torre pot estalviar espai a terra, però l'alçada de la torre no millora automàticament la producció solar. Les antenes, l'estructura d'acer, els cables i la vegetació propera poden projectar ombres complexes. L'àrea de vent afegida, la càrrega estructural, la neteja difícil i l'accés per treballar en alçada poden superar l'estalvi d'espai. Si un tècnic no pot netejar o substituir un mòdul de manera segura, el seu rendiment teòric no és gaire útil. Els panells muntats a terra sovint són més fàcils d'orientar, inspeccionar i ampliar, sempre que el recinte tingui un terreny segur i sense ombra.

Comproveu les condicions del vent, la neu, la corrosió, el sòl o els fonaments i la tensió de la cadena a baixa temperatura. El control de la vegetació forma part del pla de manteniment; una filera de panells que estigui neta en el moment de la posada en marxa es pot ombrejar un any després.

Bateria i BMS

El fosfat de liti i ferro es considera àmpliament per a l'emmagatzematge de telecomunicacions a causa de la seva vida útil i les seves característiques tèrmiques, però la química no garanteix un bon sistema. Reviseu l'energia utilitzable, el corrent continu i màxim, els límits de càrrega a baixa temperatura, la reducció de la potència a alta temperatura, la protecció BMS, l'equilibri de cel·les o mòduls, la comunicació alternativa i les condicions de garantia.

Les bateries paral·leles han de tenir una estratègia de compartició de corrent validada, un firmware compatible i una protecció individual de les branques. Abans de la connexió, cal controlar les diferències d'estat de càrrega per evitar pujades de corrent o corrent circulant.

Camí d'alimentació de CC i controlador híbrid

El controlador decideix quan l'energia fotovoltaica serveix a la càrrega, carrega la bateria, engega el generador o utilitza la xarxa. Les seves prioritats haurien de reflectir la política de servei en lloc d'un valor predeterminat de fàbrica genèric. Pot ser necessari protegir una reserva crítica dels cicles rutinaris d'estalvi de combustible. De la mateixa manera, els llindars d'arrencada i aturada del generador haurien d'evitar cicles ràpids i permetre un bloqueig de càrrega eficient.

Confirmeu el rang complet de voltatge de la bateria en relació amb la càrrega nominal de telecomunicacions de -48 V, els punts de consigna del rectificador i la desconnexió de baixa tensió. Per a llocs mixtos de CA i CC, mapeu cada etapa de conversió i la seva eficiència.

Gabinet i protecció del medi ambient

Una carcassa exterior necessita més que una classificació IP general. El guany solar, la condensació, la sal, la pols, els insectes, les entrades de cables, el drenatge i la calor interna poden afectar la fiabilitat a llarg termini. Els sensors de temperatura han de representar els mòduls de bateria i els components calents, no només l'aire proper a una entrada.

La calefacció, la ventilació i la refrigeració consumeixen energia, per tant, incloeu-les en el model de càrrega. En llocs calorosos, un armari que protegeixi la durada de la bateria també pot augmentar la demanda d'energia diària. En llocs freds, pot ser necessari un escalfament controlat abans de permetre la càrrega.

Monitorització que condueix a l'acció

Les dades remotes útils inclouen l'energia de la font, la càrrega del lloc, l'estat de càrrega de la bateria, la dispersió de cel·les o mòduls, la temperatura, els inicis del generador, el nivell de combustible, els esdeveniments de protecció i l'estat de la comunicació. Un quadre de comandament que mostri un estat de càrrega del 100% no és una prova que la bateria pugui subministrar la seva energia nominal. Les proves de capacitat, l'historial d'esdeveniments i les dades de tendències són més persuasives. Establiu la propietat de l'alarma i els temps de resposta abans del traspàs i assegureu-vos que el controlador local mantingui un funcionament segur quan la connexió al núvol o de backhaul no estigui disponible.

Per obtenir material addicional de planificació de projectes centrat específicament en llocs de telecomunicacions, els compradors i els equips d'enginyeria poden consultar aquests recursos del sistema d'energia solar de telecomunicacions com a referència secundària a l'hora de preparar les preguntes del seu lloc web.

Compareu el cost total del cicle de vida, no només els panells amb el dièsel

La llum solar no té factura de combustible, però un sistema de telecomunicacions solars encara té costos de capital, servei i reposició. Per a comparacions de dièsel, utilitzeu el preu del combustible lliurat a la torre, no el preu nacional de la gasolinera. L'estat de la carretera, la distància, la seguretat i la mida de cada lliurament poden canviar substancialment la xifra. La comparació justa és el cost descomptat de lliurar la disponibilitat requerida durant el període del projecte.

Executeu almenys tres casos: el model operatiu actual, un disseny híbrid solar i un disseny amb un alt contingut d'energia renovable. Proveu el preu del combustible, l'any de substitució de la bateria, el creixement del trànsit, el rendiment solar i les hipòtesis de finançament. Prefereixo mostrar les hipòtesis al costat del resultat; una única xifra de retorn de la inversió amaga massa.

Consideracions sobre operacions, seguretat i comunitat

La monitorització remota redueix els viatges innecessaris, però no elimina el manteniment físic. La posada en marxa ha de verificar la polaritat, la protecció, el parell, el mapatge d'alarmes, els estats del controlador, l'arrencada del generador, la recuperació de la bateria i el flux d'energia real. Posteriorment, cal fer un seguiment de les dades en lloc d'esperar una alarma de baixa tensió. Val la pena vigilar de prop les primeres setmanes perquè exposen punts de consigna incorrectes, ombres inesperades i càrregues que no eren presents a l'estudi.

El robatori i la manipulació mereixen atenció al disseny. Els panells, les bateries, el combustible i el coure poden atreure el robatori. Cal tenir en compte conjuntament les tanques, la detecció de manipulacions, els elements de fixació ocults, el marcatge d'actius, l'accés controlat i la col·locació sensata dels equips. Les mesures de seguretat han de permetre un manteniment segur i un aïllament d'emergència.

Un projecte d'energia per a telecomunicacions també ocupa terrenys i canvia els patrons de treball locals. Una discussió primerenca amb els propietaris i les comunitats pot resoldre els problemes d'accés, vegetació, enlluernament, soroll i seguretat. Sempre que sigui pràctic, formeu tècnics locals i definiu el suport local de peces de recanvi. Un projecte que redueix els lliuraments de dièsel però no deixa enrere cap sistema que es pugui mantenir només ha resolt la meitat del problema.

Quan un sistema de telecomunicacions solars pot no ser el primer pas correcte

L'energia solar no és automàticament la millor inversió per a totes les torres. Reconsidereu l'arquitectura quan el lloc tingui ombres importants durant tot l'any, no hi hagi espai segur, un contracte d'arrendament curt, un creixement de la càrrega incert o una xarxa de baix cost altament fiable amb poca exposició a interrupcions. Les temporades de baixa energia solar extrema també poden fer que un generador, una extensió de la xarxa o un híbrid eòlic-solar sigui més racional que unes reserves molt grans de fotovoltaica i bateries.

De vegades, la primera inversió hauria de ser l'eficiència: reparar els controls de refrigeració, eliminar equips obsolets, corregir les pèrdues de CC o consolidar les càrregues. Cada 100 W continus eliminats estalvien 2.4 kWh al dia i redueixen les necessitats tant de fotovoltaica com de bateries.

Preguntes a fer en una sol·licitud de proposta de telecomunicacions solars

• Quin perfil de càrrega mesurat, potència màxima i cas de creixement futur es van utilitzar?
• Quin conjunt de dades solars, mes de disseny i anys meteorològics donen suport a la mida fotovoltaica?
• Quines pèrdues i marges s'inclouen i on són els seus límits?
• Quanta energia de la bateria arriba a la càrrega al principi i al final de la seva vida útil?
• Què passa durant els dies consecutius de poc sol?
• Quant de temps triga la recuperació mentre la càrrega viva continua funcionant?
• Quines càrregues romanen en corrent continu i on es requereix la conversió de corrent altern?
• Com es gestionen l'arrencada, l'aturada, la càrrega i les avaries del generador?
• Quins són els límits de temperatura i corrent de la bateria?
• Com es gestionen els problemes d'ombra, vent, corrosió, pols, condensació i robatori?
• Quines alarmes estan disponibles localment i remotament, i qui hi respon?
• Quines proves d'acceptació a fàbrica i in situ demostren cada mode de funcionament?
• Quines peces de recanvi, suport de firmware i serveis de camp estan disponibles?
• Qui és el responsable de la substitució, el transport i la manipulació de la bateria al final de la seva vida útil?

Com Huijue aborda l'energia de les instal·lacions de telecomunicacions

Huijue desenvolupa solucions integrades d'energia per a telecomunicacions que combinen subministrament, distribució, còpia de seguretat, protecció i monitorització al voltant dels requisits operatius del lloc. Depenent del projecte, l'arquitectura pot incloure generació fotovoltaica, control MPPT, emmagatzematge de bateries de liti, alimentació nominal de -48 V CC, entrada de xarxa o generador, control ambiental i gestió remota de l'energia.

La proposta hauria de començar amb proves, no amb una mida de gabinet predeterminada. Les entrades útils són les coordenades, el perfil de càrrega, l'objectiu d'autonomia, la finestra de voltatge, l'historial de la xarxa i del generador, els límits climàtics, l'àrea solar disponible, el protocol de comunicacions i l'expansió prevista. A partir d'aquí, l'equip d'enginyeria pot comparar arquitectures i identificar quines suposicions necessiten confirmació sobre el terreny.

Preguntes freqüents

Pot una torre de telecomunicacions funcionar completament amb energia solar?

Sí, on el recurs solar, la zona sense ombra, la capacitat d'emmagatzematge i la càrrega siguin compatibles. Un model de sèries temporals encara hauria de comprovar la temporada de baixa energia solar i la recuperació necessària. Els llocs crítics poden conservar un generador o una altra font de reserva per a esdeveniments excepcionals.

Quants panells solars necessita una torre de telefonia mòbil?

No hi ha una resposta fiable només a partir del tipus de torre. El nombre de panells depèn de la càrrega diària, la classificació del panell, la llum solar del mes de disseny, la temperatura, l'ombra, les pèrdues del sistema, l'orientació i el marge de creixement. Comenceu amb kWh per dia, no amb una regla genèrica de panell per torre.

Una instal·lació de telecomunicacions amb energia solar necessita sempre un inversor?

No. Moltes càrregues de telecomunicacions utilitzen una tensió nominal de -48 V CC i es poden alimentar a través d'una arquitectura de CC adequada. Es requereix un inversor per a les càrregues de CA. L'eliminació d'etapes de conversió innecessàries pot reduir les pèrdues i simplificar la ruta d'alimentació.

Quina autonomia de bateria és adequada?

L'operador hauria de definir l'autonomia respecte a l'objectiu del servei, les condicions meteorològiques, la fiabilitat de la font i el temps de resposta. Un emplaçament assistit per la xarxa pot necessitar hores, mentre que un emplaçament remot fora de la xarxa pot requerir molt més temps. Una autonomia més llarga augmenta el cost, la petjada i la demanda de recuperació.

Es poden muntar panells solars a la torre de telecomunicacions?

Poden fer-ho en algunes configuracions dissenyades, però cal avaluar l'estructura, la càrrega del vent, l'ombrejat, el cablejat, l'entorn de radiofreqüència i l'accés per al manteniment. El muntatge a terra sovint és més senzill quan es disposa d'un terreny segur.