Базовая энергия

 В 2012-2015 гг. системный интегратор «Крок» по заказу «Мегафона» отрабатывал технологии энергообеспечения базовых станций (БС) сотовой связи, расположенных в удалённых регионах. Построены и протестированы гибридные системы с использованием фотоэлектрических панелей, ветровых и дизельных генераторов, которые не только повысили надёжность энергоснабжения, но и снизили расходы на покупную электроэнергию и привозное топливо.

В этой статье мы поделимся удачными находками и расскажем читателям о «граблях», на которые лучше не наступать.

Мурманск

На побережье Баренцева моря, близ Мурманска, в 2012 г. была построена полностью автономная БС, работающая на энергии ветра. На случай остановки ветрогенератора там смонтирована дизель-генераторная установка (ДГУ) с примерно недельным запасом топлива и контроллером, позволяющим запускать её удалённо.

Среднесуточное энергопотребление базовой станции составляет 26,4 кВт·ч, а среднегодовая скорость ветра в том районе - 6,5 м/с, причём бывают крайне сильные ветра, способные погнуть мачты ветрогенераторов. На солнце под Мурманском надежды мало: инсоляция невелика, так что солнечные панели дают всего 3 кВт·ч/м² в день.

Ветрогенератор для питания базовой станции около Мурманска

В самом начале проекта мы натолкнулись на проблему с импортным ветряком, который был очень «умным» и многофункциональным, но не выдавал заявленной мощности. Заменили его на другой ветряк (голландский), простой и надёжный, как автомат Калашникова. «Голландец» имеет примитивный флюгер с пассивной системой ориентации на ветер и обеспечивает ровно те характеристики, которые обещаны производителем. Такие ветряки используются в Африке, где они себя отлично зарекомендовали, несмотря на присутствие в воздухе абразивных частиц. Они также оптимизированы для работы в суровых климатических условиях и успешно применяются на Крайнем Севере.

Установленный сегодня на станции горизонтально-осевой ветрогенератор с диаметром ротора чуть более 5 м имеет номинальную мощность 4 кВт (при расчётной скорости ветра 12 м/с) и способен выдерживать ветер до 60 м/с. Как показали измерения, его среднесуточная выработка - 38,6 кВт·ч. Для накопления ветровой энергии были применены аккумуляторные батареи (АКБ) напряжением 48 В и ёмкостью 800 А·ч.

Самара

Под Самарой мы построили гибридную ветросолнечную систему, которая работает на ВИЭ, «подстраховываясь» обычной сетью. Установили шесть солнечных панелей зеленоградского производства мощностью по 200 Вт каждая и горизонтально-осевой ветрогенератор мощностью 4 кВт. Ветра по региону - неплохие, а базовая станция находится на холме.

Сразу отметим, что среднее потребление базовой станции получилось на уровне 19,2 кВт·ч, среднегодовая скорость ветра - 5,2 м/с, солнечные панели дают 4,5 кВт·ч энергии на квадратный метр площади в день, среднесуточная выработка электроэнергии ветряком - 12,5 кВт·ч.

Для охлаждения оборудования БС мы применили геозонд (тепловой насос), пробурив землю на глубину 25 м, где круглогодично держится температура менее 10 °C. В стандартной базовой станции телекоммуникационное оборудование потребляет мощность около 500 Вт, и примерно столько же «забирает» кондиционер для его охлаждения. Мы же применили тепловой насос, которому требуется мощность всего 35 Вт.

Оптимизация

Оборудование базовой станции питается постоянным напряжением 48 В, но в контейнер, рассчитанный на городскую электросеть, подаётся 220 В. На первой стадии проекта мы не вносили изменений в типовую схему питания БС и наша гибридная энергосистема была смонтирована в отдельном контейнере. Получалось так, что ветрогенератор вырабатывал переменное напряжение, которое преобразовывалось в постоянное 48 В для накопления энергии в аккумуляторах. Затем оно преобразовывалось в переменное напряжение 220 В, необходимое для типичного ввода в контейнер БС, после чего снова в постоянное 48 В - уже для питания связного оборудования.

Пилотная базовая станция под Самарой

Модифицировать начинку базовой станции нам всё-таки пришлось. Избавившись от лишних преобразователей, мы сэкономили примерно 9% потребляемой энергии. Правда, напряжение 220 В станции всё равно требуется - им питаются оборудование для мониторинга и кое-какие маломощные вспомогательные приборы. В ходе реализации проекта мы пришли к перекомпоновке всей станции - объединили всё оборудование в общем контейнере (термобоксе).

Кроме того, в определённых обстоятельствах (когда аккумуляторы полностью заряжены, а солнце светит или ветер дует) нужно было сбрасывать излишки вырабатываемой энергии. Для этого мы снаружи контейнера смонтировали ТЭНы - пусть греют окружающий воздух.

Также пришлось добавить внутренний ТЭН. Однажды температура внутри контейнера опустилась до +5 °C. Стойка с телекоммуникационным оборудованием такие условия выносит хорошо, а вот батареи (наша и встроенная в источник бесперебойного питания БС) - не очень. По нашим расчётам, лучше тратить энергию на обогрев термобокса, чем терять ёмкость аккумуляторов из-за холода. Ничем не лучше другая крайность - прогрев до температур +35 °C и выше, при которых аккумуляторы ускоренно стареют.

Под Мурманском вместо геозонда применена система фрикулинга (естественного охлаждения). Поначалу с ней возникла проблема. Сильный ветер выворачивал в обратную сторону клапан для выхода горячего воздуха, размещённый на стенке контейнера. Пришлось заменить импортный клапан на хитрый отечественный.

Накопители

«Узкое место» гибридной системы - аккумуляторная батарея. Она требует замены раз в несколько лет, а потому недёшево обходится в эксплуатации. Поначалу мы опробовали батарею повышенной ёмкости с солевым расплавом внутри - идеальную по характеристикам, но фантастически дорогую. Для серийного решения, конечно же, она не подходит. В серии лучше применять обычные кислотно-свинцовые элементы.

По нашему опыту, очень важно правильно настроить контроллер заряда аккумуляторов. Усложнив алгоритмы вычисления зарядного тока и наилучшего соотношения энергии с ветряка и АКБ в разных режимах, мы научились находить оптимальные рабочие параметры системы. Долго корректировали алгоритмы на основе собираемых данных - и теперь у нас есть очень хорошая эвристика, применимая практически для любого региона.

Ещё один момент. Оператор предложил нам на одной из БС объединить наши АКБ (800 А·ч), предусмотренные для накопления энергии в гибридной энергоустановке, с АКБ штатного источника бесперебойного питания (500 А·ч), которого хватает станции на несколько часов вещания. Батареи разных типов соединять параллельно не рекомендуется (снижается срок их эксплуатации), но оператору и нам было важно провести эксперимент и оценить общий эффект от увеличения ёмкости. Оказалось, оно того стоит. В серию мы рекомендовали системы с общим аккумуляторным банком.

Немаловажна хорошая система мониторинга, на создание которой мы потратили много времени. На всех энергоисточниках и потребителях установлены датчики - и мы видим, сколько энергии идёт с солнечных батарей, сколько вырабатывает ветрогенератор, знаем напряжения во всех участках цепи, потребление энергии. На базовых станциях имеются погодные датчики (температуры и скорости ветра), камеры наружного и внутреннего наблюдения (через последнюю удобно смотреть на стойку с аппаратурой). В Мурманске мы установили новый контактор в системе управления ДГУ, чтобы переводить ДГУ в ручной режим, запускать и останавливать. Поначалу часто меняли пороги запуска дизеля при низком напряжении аккумулятора, пока не набрали статистику по эффективности работы системы в зависимости от алгоритмов включения дизель-генератора.

* * *

По итогам исследовательского проекта родилась рекомендуемая конфигурация системы энергообеспечения, которая включает:
* ветровую установку на мачте (для регионов с суровым климатом -голландского производства с пассивной ориентацией);
* комплекс из 12 солнечных панелей;
* систему геотермального охлаждения (если позволяет грунт) или естественного охлаждения;
* накопитель энергии ёмкостью минимум 800 А·ч;
* системы распределения электроэнергии и управления;
* системы мониторинга, видеонаблюдения и диспетчеризации SCADA.