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1、萧山区科技计划项目风光互补通信基站完成技术报告一、前言通信的快速发展要求有更广的网络覆盖，同时也要求提供可靠、稳定电力供应。但一些偏远地区无法提供市电，通信设备无法正常运行，我国地域辽阔、地形复杂，海岛、高山、草原占有量大；海岛距离大陆遥远，电力传输和燃料能源供给需要很大的运力，这些环境下的通信和能源都需要投入大量的人力物力；高山多岭，网络覆盖需要大量的基站建设，同时更需相应的能源配套，高山因应地形复杂，供应电力设施困难，运送燃料能源同样存在大量的人力和物力因素；草原辽阔，无法大面积的提供电力布线和能源运输，另外还存台风、暴雨等恶劣天气下出现的大事故大面积停电事件，一旦发生断电事故，救灾抢险通
2、信不畅造成二次灾害损失。种种情况造成通信设备无法正常运行，为解决上述问题，给基站提供能够自给自足的稳定能源，特开发风光互补通信基站项目。二、项目简介风光互补通信基站项目是集风力发电机支架、太阳能板支架、通信功能于一体的风光互补型绿色基站，旨在充分利用各种清洁能源，实现自给自足，在无市电情况下满足基站的无间断工作，满足一些偏远地区通信设施正常工作的需要，且节能环保。基站选用 10kw 级的风机并安装在 30 米以上高度的内爬通信塔顶端，设计时要使塔架的自振周期避开正常工作下的风机自振频率，减小风机旋转对塔架的影响；通信塔采用特制爬笼结构对风机及塔体进行维护，特别是对风机的叶片。爬笼在采用引曳轮驱
3、动，驱动轮采用的 alpha 布置，提高产品防坠和起重性能；将太阳能板固定在塔身上，有效实现防盗以及获取较优的光能资源；风机与塔身连接节点螺栓采取了多重防松动预紧措施；在塔体连接部位加装应力感应片，通过无线数据传输业务实现各接点远程实时监控；系统则采用 PLC 控制技术，实现风电、太阳能电池交流电以及柴电的平稳融合及无缝隙切换，提高系统整体发电效率，保障电流电压的稳定性。三、项目开发完成内容（1）通信塔与风力发电塔合二为一：自主研发了通信基站单管内爬锥筒式结构、10Kw 级风力发电机组的 50 米高通信塔架；结构采用截面为圆形、受力各向相同的悬臂式单管塔 ，结构局部稳定通过径厚比控制，使单管塔
4、在风荷载和风机动力荷载双重作用下能够随遇平衡和稳定耦合（实用新型专利：风力发电通信塔 ZL200920215945.X；实用新型专利：风光电互补通信基站 ZL201120014814.2；） 。现有技术中，为保证网络覆盖率，运营商主要通过建设通信塔，在塔上安装通信传输设备来实现，而风力通信塔要求有足够高的塔筒将风力发电机组支撑到一定点高度方可运行。另外在边远山区无市电柴电接入点情况，需要专门建设通信基站，不仅成本过高，还要为其解决动力源问题而投入大量资金建设基础设施。目前两种设备各自独立安装，不仅导致资源浪费严重，还需更多土地资源来支撑这个通信塔的建设。国内目前常规的建设模式是风力塔和通信塔分
5、离，即单独立杆。在通信行业内应用的都是 2kw 以下的小风机，且大多数为单独立杆,单独立杆有以下几个缺点：1、除了通信塔这个混凝土基础之外，每安装一台风机就必须增加一个混凝土基础，浪费有限的土地资源，更者在山区、海岛这样的边远地区的物资运输十分困难，施工难度大。2 、若满足设备供电，一般都要求安装三四台小风机，为了避免相互干扰，必须相隔很大一段距离，这样铺开占地面积极大，同时人员在下面工作也是个非常不安全的。3、风具有高度属性，一般来说风能资源总是越是高处越是丰富，而现有的新增小风机支撑杆体高度一般都在 30 米及以下，不能最大程度上利用有限的风机资源。风力发电是在塔上面动态的构筑物，在风电设
6、备建设过程中对塔的要求特别高，这种发电机的风叶半径长，而且晃动大，对轴的安全使用有更大的要求，一旦结构不稳定，风力过强，直接给人带来生命和财产的双重损失，所以建造一个结构稳定安全的风力发电通信塔尤为重要。本公司利用自有专利技术，充分考虑利用风能及基站能源要求，选用 10Kw 级的风机并安装到我司首创的内爬通信塔顶端，实现基站在无市电柴电情况下实现通信电源独立成体系供应，实现通信塔与风力发电塔两塔真正结合。塔架满足通信塔与风力发电塔两个标准，同时将天线置于风机风叶扫风下端合理位置，免了基站天线受风叶旋转的影响。图 1 风光电互补通信基站结构示意图在通信塔上面能够安装的微型风力发电机大概是 200
7、 瓦左右，200 瓦左右的投入和产出我们做了一个计算，要几十年才能收回成本。现在我们是在塔顶上安装的 10 千瓦到 15 千瓦的风力发电机，这种发电机风叶的半径长晃动大，对轴的安全使用有更大的要求。通过设计了单管内爬锥筒式结构，采用风力发电和太阳能发电互补，解决了风力发电和通信塔合二为一，在运行状态下不受影响，结构稳定牢固耐用，同时采用风力发电和太阳能发电互补( 风光互补) 技术后，可以有效解决电力供应不稳定的现象。（2 ） TSD（调频弹簧阻尼振动控制装置）控制顶部位移技术：自主研发通信基站的 TSD 阻尼减振系统，通过改进塔头，加装独立研发的由弹簧、阻尼器并联、吊绳和灌铅球铰（质量块）组成
8、；将TSD 阻尼减振装置安装在钢管圆锥通信塔靠近顶端的内部，使塔架的自振周期避开正常工作下的风机自振频率，避免在风向骤变时尾舵迅速变相发出较大的噪音，克服单管塔细长杆体漩涡脱落产生的横向共振的技术难题。随着移动通信的快速发展，对移动通信塔的需求量也随之增大，优于环保意识的增强和人们审美观念的概念，老式的桁架通信塔已被淘汰，取而代之的是一种外形美观、成本低廉的单管通信塔。而钢管圆锥通信塔因其自身结构的限制，在高度增加后，若要满足GBJ50135-2006高耸结构设计规范所规定的刚度指标，就要大幅增加塔体的直径和厚壁，铁塔的重量会大幅度增加，成本也会成倍增加，当高度超过 55 米后，单管圆锥通信塔
9、的成本就超出了移动公司的承受范围而只能使用老式非常粗苯的桁架通信塔。针对这些缺陷而开发的 TSD（调频弹簧阻尼减振器）的通信塔解决了钢管圆锥通信塔的刚度要求，扩大了钢管圆锥通信塔的使用范围，受到了移动公司的好评。TSD 阻尼减振器主要由阻尼弹簧、阻尼器并联、吊绳和灌铅球铰（质量块）组成；将 TSD 阻尼减振装置安装在钢管圆锥通信塔靠近顶端的内部，使塔架的自振周期避开正常工作下的风机自振频率，避免在风向骤变时尾舵迅速变相发出较大的噪音，克服单管塔细长杆体漩涡脱落产生的横向共振的技术难题。图 2 装有 TSD 的塔段示意图 图 3 TSD 沿 Z 轴正向投影根据高耸结构设计规范，对单管塔 TSD
10、风振机理进行研究，采用有限元进行了动静力分析，分析控制参数对控制效果的影响，确定了 TSD 的基本设计参数。表 4 单管塔各节段参数单管塔圆锥节 1 2 3 4 5 6 7 8节段上表面标高 h（m) 65 60 55 45 35 25 15 7筒壁厚度 t（mm） 8 8 8 10 12 14 14 16表 5 TSD 设计参数TSD 序号 mdi(kg) kdi(kg/m) cdi(kgt/m) 标高（m)1 80 2000 60 64.22 80 2000 60 64.23 80 2000 60 64.6测试目标:实测该通信塔的自振频率；记录负阶跃激励下的时域波形；求得 TSD 的位移减
11、振系数；求得各状态阻尼比。试验原理及仪器:对通信塔在各状态下的时域波形进行频率分析得到其自振频率；通过数据采集和分析仪对负阶跃激励后的位移时间过程进行记录；定义位移减振系数:1max 1min 为塔顶未装 TSD 时最大、最小位移值； 2max 2min 为塔顶已装 TSD 时最大、最小位移值。理论上，借助通用的结构有限元分析软件 ANSYS 进行计算，位移减振系数为 25.08%。 阻尼比计算公式为： 为振动对数衰减率；D 为阻尼比；Ak为第 K 个振幅值。测试过程：激励方案示意图及测点位置示意图见下图: 图 4 激励方案示意 图 5 测点位置示意如上图，速度/位移传感器安装在塔顶，力传感器
12、安装在尼龙绳末端。其中，速度、位移测量选择 2 点（第 1 平台上两边） ，分别安装 1 个水平速度 /位移传感器，传感器敏感方向与拉力方向一致。接线后见下图。图 6 传感器接线图 试验过程为：安装完成后，采用瞬态激振试验。先利用尼龙绳对 TSD 钢管圆锥通信塔加载，待塔体产生一定的变形后再用剪刀快速剪断尼龙绳突然释放，对塔体产生负阶跃激励，使 TSD 钢管圆锥通信塔进行自由振动，并利用传感器对其振动参数进行测试，最后通过数据分析得到基频、阻尼比、位移减振系数。为了比较安装 TSD 减振装置前后的振动情况，要求每次试验时施加的载荷都相同（2000N） ，共进行了 5 次试验。测试结果：TSD
13、位移减振系数和阻尼比计算，根据上述波形，分别测量出 max min, Ak,Ak+2。图 7 图 8 根据位移减振系数公式分无 TSD2 组和有 TSD3 组数据，共 6种组合，分别计算 ，求 均：见下表 6:位移减振系数计算结果。1 2 3 4 5 6 均0.2972 0.2120 0.2535 0.2443 0.1738 0.2173 0.23图 9 无 TSD 时域波形（ 1） 图 10 无 TSD 时域波形（2 ）图 11 无 TSD 时域波形（ 1） 图 12 无 TSD 时域波形（2 ） 图 13 无 TSD 时域波形（ 3）由阻尼比计算公式，根据(表 各测点位移值记录 )的数据计
14、算出 2 组无 TSD 和 3 组有 TSD 的阻尼比，进而可以计算出有、无 TSD 情况下，阻尼比增加的平均幅值（见表 阻尼比计算结果） 。表 7 各测点位移值记录 （有无 TSD 对比）项目类别 Vmax(mm) Vmin(mm) Ak(mm) Ak+2(mm)无 TSD(1) 97.5 -136.0 87.7 83.5无 TSD(2) 94.2 -128.5 74.3 70.8有 TSD(1) 67.0 -101.3 49.7 46.7有 TSD(2) 76.4 -107.6 60.3 56.8有 TSD(3) 66.6 -107.7 46.9 43.8表 8 阻尼比计算结果（有无 TS
15、D 对比）项目类别 Ak(mm) Ak+2(mm) DD 均 阻尼比增加 平均福值无TSD(1) 87.7 85.5 0.007810无TSD(2) 74.3 70.8 0.1176790.007745有TSD(1) 49.7 46.7 0.009909有TSD(2) 60.3 56.8 0.009516有TSD(3) 46.9 43.8 0.0108830.010135.57%通过测试，经过分析对比可得到如下结论：单管塔 TSD 减振效果理论计算与实测分析结果基本一致，表明理论计算可靠。对于单管塔这样的高柔结构，采用位移减振装置（TSD）能有效地减小结构的振动，增大结构的阻尼比，加速结构振动
16、的衰减,采用位移减振装置（TSD）前后对比，位移减少的幅度（位移减振系数）平均值为 23%，阻尼比增加的平均幅值为 35.57%,克服了单管塔细长杆体漩涡脱落产生的横向共振，提高了钢管圆锥通信塔的刚度。（3） 自主研发了运用在通信基站的风光电交直流平稳融合及无缝切换的 PLC 系统控制技术： 通过运用在通信基站的风光电交直流平稳融合及无缝切换的 PLC 系统控制技术；通过各自的AC/DC 转换器与风光电互补控制器连接，太阳能电池板通过DC/DC 转换器与风光电互补控制器连接，有效地分配和控制基站风能、光能、燃油发电能源，有效地避免 48V 直流电池长时间浮充导致寿命减短，提高了系统整体能源利用率，保障了电流电压的稳定性。图 14 基站储能系统供电图图 15 基站供电原理图四、项目效益公司的基于风光互补技术的移动通信基站项目，特有的结构使
