CN106050571B - 一种基于风光互补的通信基站综合能源供给系统及方法 - Google Patents

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Abstract

针对边远牧区、山区、农村或海岛等边远地区通信基站的冷电联供问题，本发明公开了一种基于风光互补的通信基站综合能源供给系统及方法。该综合能源供给系统由风能转换系统、太阳能光伏系统、微型压缩空气储能系统和制冷系统等组成。该系统利用风能与太阳能的互补特性，采用微型压缩空气储能系统平抑可再生能源的波动性，实现边远地区通信基站的电能、冷能的多元化协调供应。对于发展边远地区通信网络、改善能源消费结构、减少环境污染、促进边远地区经济发展等方面具有重要现实意义。

Description

一种基于风光互补的通信基站综合能源供给系统及方法
【技术领域】
本发明属于可再生能源利用领域，涉及一种风光互补的通信基站综合能源供给系统及方法。
【背景技术】
基站作为通信运营商重要的通信建筑，是实现现代通信网络的重要基础设施。随着社会经济和科学技术的不断发展，通信网络覆盖范围扩大和网络容量增大，通信基站及其设备数量巨大，其电能消耗占到整个通信网络总能耗的70％。因此，通信基站节能减排是通信运营商面临的重要课题。但由于网络规模的迅速扩大和耗能设备的节能极限限制，传统的节能方法已不能单独胜任，寻求新的有效节能方法势在必行。
通信基站内设备发热量大且比较集中，使得基站空调系统占据整个基站耗电量的40％左右，所以降低制冷能耗或研发新的冷电联供系统是通信基站节能降耗的关键。
传统的通信基站主要是采用互联大电网的市电为其供能。我国拥有辽阔的陆地面积和海洋面积，但各地经济发展极不均衡，对远离经济发达地区的西部贫困牧区、山区和边远农村，以及远离海岸线的诸多海岛而言，要形成统一强大的供配电网络需要巨大的投资和漫长的建设周期，电能供应问题严重制约了这些地区的通信产业的发展。根据我国风能、太阳能等的资源分布情况，这些边远的牧区、山区、农村及海岛具有丰富的太阳能与风能资源，且存在时间分布上的天然互补性，组成风光互补系统具有最佳的匹配性能。
因此，利用风光互补能源系统来实现这些地区偏远无市电或市电造价过高地区的通信基站能源供应是一种有效解决边远地区通信网络覆盖问题的方案。但可再生能源受天气条件制约，具有随机性和波动性，因此也必须引入储能装置，来保证能量输出的连续性与稳定性。
现阶段，基于风光互补的通信基站供能系统的主要配置形式为“风力机组-光伏-蓄电池组”，该配置型式利用风能与太阳能的互补特性，为通信基站提供电能，并通过空调系统将电能转换为冷能，同时多余的电能存储于蓄电池组之内，以在风光系统输出功率不足时释放电能。这种类型的能量系统对于通信基站来说存在以下主要问题：
首先，该配置系统中通信基站所需的冷能由电能转换而来，存在高品位电能到低品位冷能的能量转化过程，不符合能源梯级利用原则，造成能源浪费。其次，该配置系统采用蓄电池组作为储能系统，因蓄电池组具有寿命短、能量密度低及环境污染的问题，不宜在生态脆弱的边远地区使用。
【发明内容】
本发明提供了一种基于风光互补的通信基站综合能源供给系统及方法，实现边远地区通信基站的冷电联供而发明的，可有效提高可再生能源的利用效率，对于减少边远地区环境污染、保护生态环境、促进经济发展等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于风光互补的边远地区通信基站综合能源供给系统，该系统采用可再生能源为输入，采用微型压缩空气储能系统为蓄能装置；在可再生能源充裕时，直接利用可再生能源输出电能为通信基站及其空调系统提供能量；在可再生能源不足时，利用微型压缩空气储能系统释能发电，并利用释能阶段的透平低温乏气为系统提供冷能，实现了冷电联供功能。
进一步包括智能控制调度系统，所述可再生能源连接该智能控制调度系统的输入，该智能控制调度系统的输出根据可再生能源的总发电功率与通信基站的能量需求，选择将电能分配到通信基站负载、制冷系统及微型压缩空气储能系统。
进一步，所述制冷系统包括引风机和空调系统。
进一步，所述微型压缩空气储能系统主要由空气压缩机、透平、蓄热系统、压缩空气储存管道以及电动机或发电机；当可再生能源的总输出功率高于通信基站的能量需求时，电能首先将供给通信基站的耗电设备及制冷设备，多余的电能驱动空气压缩机将空气从大气压压缩至较高压力等级，并储存进压缩空气储存管道中，压缩过程的热储存至蓄热系统；当可再生能源的总输出功率不足以满足通信基站的能量需求时，压缩空气储存管道中的压缩空气在蓄热系统吸热后进入透平膨胀做功，驱动发电机来发电以弥补系统电能缺口，同时，高压空气经透平膨胀后，其温度降低，作为通信基站的冷能来源。
进一步，所述蓄热系统采用固体物体为蓄热材料，并利用显热储存方式存储热能。
进一步，所述电动机或发电机的输出分别通过第一离合器和第二离合器与空气压缩机和透平连接，用于驱动空气压缩机和使透平膨胀做功。
一种风光互补的边远地区通信基站综合能源供给方法，当可再生能源的总发电功率高于通信基站的能量需求时，智能调度系统将电能分配到通信基站负载、制冷系统及微型压缩空气储能系统中；第一部分电能供给到通信基站的负载；第二部分电能供给到制冷系统，为通信基站设备降温，第三部分电能将供给到微型压缩空气储能系统进行电能存储；当可再生能源的总发电功率不足以满足通信基站的能量需求时，由智能控制调度系统进行统筹调度，可再生能源的电能首先全部供给通信基站，不足部分由微型压缩空气储能系统来补充；
当可再生能源的总发电功率为零时，通信基站所需的能源均由微型压缩空气储能系统供给。
进一步，当需要微型压缩空气储能系统来提供电能时，电动机/发电机以发电机模式运行，存储在压缩空气储存管道中的压缩空气经第四阀门流出后进入蓄热系统中吸热，以提升其温度，接着流经第三阀门后进入透平中膨胀做功，以驱动电动机/发电机运行，所输出电能弥补通信基站电能缺口，同时高压压缩空气在透平中膨胀做功的乏气直接通入通信基站作为冷却介质使用。
进一步，当微型压缩空气储能系统对通信基站提供电能时，优选使用透平的膨胀乏气作为冷能，不足部分由制冷系统补充。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：该系统采用风能、太阳能等可再生能源为输入，采用微型压缩空气储能系统为蓄能装置。在风能与太阳能充裕时，直接利用其输出电能为基站及其空调系统提供能量；在风能与太阳能不足时，利用微型压缩空气储能系统释能发电，并利用释能阶段的透平低温乏气为系统提供冷能，实现了冷电联供功能。
【附图说明】
图1为本发明创造的基于风光互补的边远地区通信基站综合能源供给系统示意图。
1 风能转换系统 10 第2离合器
2 太阳能光伏系统 11 第1阀门
3 智能控制调度系统 12 第2阀门
4 引风机 13 第2阀门
5 空调系统 14 第4阀门
6 通信基站 15 固体蓄热系统
7 空气压缩机 16 压缩空气储存管道
8 第1离合器 17 透平
9 电动机/发电机
【具体实施方式】
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种基于风光互补的边远地区通信基站综合能源供给系统，来实现边远地区通信基站的电能、冷能高效稳定供应。该系统采用风能、太阳能等可再生能源为输入，采用微型压缩空气储能系统为蓄能装置。在风能与太阳能充裕时，直接利用其输出电能为基站及其空调系统提供能量；在风能与太阳能不足时，利用微型压缩空气储能系统释能发电，并利用释能阶段的透平低温乏气为系统提供冷能，实现了冷电联供功能。
本发明将风能转换系统1、太阳能光伏系统2、微型压缩空气储能系统及制冷系统等进行有机集成，构建以风能、太阳能等可再生能源为输入，电能、冷能为输出的多能输入-多能输出的综合能源供给系统。微型压缩空气储能系统为该系统的核心部件，实现波动性可再生能源的功率平抑，微型压缩空气储能系统主要由空气压缩机7、透平17、固体蓄热系统15和压缩空气储存管道16等组成。微型压缩空气储能系统所需储气容积较小，采用小型的耐压管道进行压缩空气储存。蓄热系统采用固态材料为蓄热介质，并利用显热储存方式存储热能。
风能转换系统1与太阳能光伏系统2为系统提供能源，微型压缩空气储能系统用于平抑可再生能源系统的功率波动。当风能转换系统1和太阳能光伏系统2的总输出功率高于通信基站的能量需求时，电能首先将供给通信基站6的耗电设备及制冷设备，多余的电能将驱动空气压缩机7将空气从大气压压缩至较高压力等级，并储存进压缩空气储存管道16中，并将压缩过程热储存至固体蓄热系统15。当风能转换系统1和太阳能光伏系统2的总输出功率不足以满足通信基站6的能量需求时，压缩空气储存管道16中的压缩空气将在固体蓄热系统吸热后进入透平17膨胀做功，驱动发电机来发电以弥补系统电能缺口，同时由于高压空气经透平膨胀后其温度降低，可作为通信基站6的冷能来源。当风能转换系统1和太阳能光伏系统2的总输出功率为零的极限情况时，系统所有的电能及冷能供应均由微型压缩空气储能系统来供应。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
参照图1，一种基于风光互补的边远地区通信基站综合能源供给系统，该系统由风能转换系统1、太阳能光伏系统2、智能控制调度系统3、微型压缩空气储能系统、制冷系统及通信基站6等组成。
制冷系统包含引风机4和空调系统5。微型压缩空气储能系统由空气压缩机7、透平17、固体蓄热系统15、压缩空气储存管道16、电动机/发电机9及阀门等组成。该微型压缩空气储能系统所需储气容积较小，采用小型的耐压管道进行压缩空气储存。蓄热系统采用固态物体为蓄热材料，并利用显热储存方式存储热能。
主要工作原理描述如下：
风能转换系统1和太阳能光伏系统2是通信基站6所需电能与冷能的来源。根据风能转换系统1和太阳能光伏系统2的总发电功率与通信基站能量需求的关系，该综合能源利用系统可运行于3种工况。
当风能转换系统1和太阳能光伏系统2的总发电功率高于通信基站6的能量需求时，智能调度系统3根据预定算法将电能分配到通信基站负载、制冷系统及微型压缩空气储能系统中。第一部分电能供给到通信基站6的负载；第二部分电能供给到制冷系统，为通信基站设备降温。制冷系统会根据通信基站6机房内温度和环境温度的差异选择引风机4或空调系统5来为通信基站6提供冷能，具体为：当外部环境温度低于通信基站机房内温度时(如冬季)，制冷系统采用引风机4，将外部环境空气引入机房为设备降温；当外部环境温度较高时，制冷系统采用空调系统5为设备降温。第三部分电能将供给到微型压缩空气储能系统进行电能存储。此时，第1离合器8啮合，第2离合器10断开，第1阀门11和第2阀门12打开，第3阀门13和第4阀门14关闭，电动机/发电机9以电动机模式运行，驱动空气压缩机7将空气从环境压力压缩到较高压力等级，从空气压缩机7排出的高压空气进入固体蓄热系统15将压缩过程热交换至固体储热介质，以提高其温度，降温后的高压空气存储进压缩空气储存管道16。
当风能转换系统1和太阳能光伏系统2的总发电功率不足以满足通信基站的能量需求时，由智能控制调度系统3进行统筹调度，风光互补系统输出的电能首先全部供给通信基站6，不足部分由微型压缩空气储能系统来补充。此时，第1离合器8断开，第2离合器10啮合，第1阀门11和第2阀门12关闭，第3阀门13和第4阀门14打开，电动机/发电机9以发电机模式运行。存储在压缩空气储存管道16中的压缩空气经第4阀门14流出后进入固体蓄热系统15中吸热，以提升其温度，接着流经第3阀门13后进入透平17中膨胀做功驱动电动机/发电机9运行，所输出电能弥补通信基站电能缺口，同时高压压缩空气在透平17中膨胀做功的乏气因其温度较低，可直接通入通信基站系统作为冷却介质使用。该模式下通信基站的总的冷能供应由智能控制调度系统3智能分配，优先使用透平17的膨胀乏气，不足部分由引风机4或空调系统5供应。
当风能转换系统1和太阳能光伏系统2的总发电功率为零时，该情况在风光互补系统中比较少见，属于极限情况。该模式下通信基站6所需的能源均由微型压缩空气储能系统供给。此时，第1离合器8断开，第2离合器10啮合，第1阀门11和第2阀门12关闭，第3阀门13和第4阀门14打开，电动机/发电机9以发电机模式运行。存储在压缩空气储存管道16中的压缩空气经第4阀门14流出后进入固体蓄热系统15中吸热，以提升其温度，接着流经第3阀门13后进入透平17中膨胀做功驱动电动机/发电机9发电以供应电能，同时高压空气经透平17膨胀后的低温乏气用来供应冷能。
上述仅对本发明的实施例加以说明，但并不能作为本发明的全部保护范围，范式依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或等比例缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于风光互补的通信基站综合能源供给系统，其特征在于：该系统采用可再生能源为输入，采用微型压缩空气储能系统为蓄能装置；在可再生能源充裕时，直接利用可再生能源输出电能为通信基站及其空调系统提供能量；在可再生能源不足时，利用微型压缩空气储能系统释能发电，并利用释能阶段的透平低温乏气为系统提供冷能，实现了冷电联供功能；
所述微型压缩空气储能系统主要由空气压缩机(7)、透平(17)、蓄热系统(15)、压缩空气储存管道(16)以及电动机或发电机(9)组成；当可再生能源的总输出功率高于通信基站的能量需求时，电能首先将供给通信基站(6)的耗电设备及制冷设备，多余的电能驱动空气压缩机(7)将空气从大气压压缩至较高压力等级，并储存进压缩空气储存管道(16)中，压缩过程的热储存至蓄热系统(15)；当可再生能源的总输出功率不足以满足通信基站(6)的能量需求时，压缩空气储存管道(16)中的压缩空气在蓄热系统吸热后进入透平(17)膨胀做功，驱动发电机来发电以弥补系统电能缺口，同时，高压空气经透平膨胀后，其温度降低，作为通信基站(6)的冷能来源。
2.根据权利要求1所述的一种基于风光互补的通信基站综合能源供给系统，其特征在于：进一步包括智能控制调度系统(3)，所述可再生能源连接该智能控制调度系统(3)的输入，该智能控制调度系统(3)的输出根据可再生能源的总发电功率与通信基站的能量需求，选择将电能分配到通信基站负载、制冷系统及微型压缩空气储能系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于风光互补的通信基站综合能源供给系统，其特征在于：所述制冷系统包括引风机(4)和空调系统(5)。
4.根据权利要求1所述的一种基于风光互补的通信基站综合能源供给系统，其特征在于：所述蓄热系统采用固体物体为蓄热材料，并利用显热储存方式存储热能。
5.根据权利要求1所述的一种基于风光互补的通信基站综合能源供给系统，其特征在于：所述电动机或发电机(9)的输出分别通过第一离合器(8)和第二离合器(10)与空气压缩机和透平连接，用于驱动空气压缩机和使透平膨胀做功。
6.一种基于权利要求1至5中任一项所述的风光互补的通信基站综合能源供给系统的供给方法，其特征在于：
当可再生能源的总发电功率高于通信基站(6)的能量需求时，智能调度系统(3)将电能分配到通信基站负载、制冷系统及微型压缩空气储能系统中；第一部分电能供给到通信基站(6)的负载；第二部分电能供给到制冷系统，为通信基站设备降温，第三部分电能将供给到微型压缩空气储能系统进行电能存储；
当可再生能源的总发电功率不足以满足通信基站的能量需求时，由智能控制调度系统(3)进行统筹调度，可再生能源的电能首先全部供给通信基站(6)，不足部分由微型压缩空气储能系统来补充；
当可再生能源的总发电功率为零时，通信基站(6)所需的能源均由微型压缩空气储能系统供给。
7.根据权利要求6所述的一种风光互补的通信基站综合能源供给系统的 供给方法，其特征在于：当需要微型压缩空气储能系统来提供电能时，电动机/发电机(9)以发电机模式运行，存储在压缩空气储存管道(16)中的压缩空气经第四阀门(14)流出后进入蓄热系统(15)中吸热，以提升其温度，接着流经第三阀门(13)后进入透平(17)中膨胀做功，以驱动电动机/发电机(9)运行，所输出电能弥补通信基站电能缺口，同时高压压缩空气在透平(17)中膨胀做功的低温乏气直接通入通信基站作为冷却介质使用。
8.根据权利要求7所述的一种风光互补的通信基站综合能源供给系统的 供给方法，其特征在于：当微型压缩空气储能系统对通信基站提供电能时，优选使用透平(17)的膨胀乏气作为冷能，不足部分由制冷系统补充。
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