能源收集推動偏遠地區(qū)的移動電話技術

能量收集可用于在電信網(wǎng)絡的許多元件中提供電力，從而節(jié)省可觀的電力供應成本并提供低維護監(jiān)控。利用風能或太陽能為移動電話基站供電，使電信網(wǎng)絡能夠超越電網(wǎng)的限制。在收獲時，內(nèi)部熱能可以為系統(tǒng)周圍的傳感器供電。能量收集也被用于使用太陽能甚至自行車的動能為手機充電。

GSMA移動電話行業(yè)貿(mào)易機構估計今天有6億移動用戶住在離網(wǎng)區(qū)域，主要分布在南亞和撒哈拉以南非洲兩個地區(qū)，那里的農(nóng)村人口比例居高不下。在與親人聯(lián)系，在有人生病時給醫(yī)生打電話以及為農(nóng)民提供手機銀行，天氣和價格信息等許多其他服務時，無法獲得電力是居住在電網(wǎng)之外的用戶的主要障礙。這些服務對于減少貧困和縮小農(nóng)村地區(qū)最嚴重的“數(shù)字鴻溝”至關重要，使用能源收集被視為以最低資本和運營成本提供數(shù)字信息基礎設施的關鍵途徑。

為了創(chuàng)造動力并促進圍繞太陽能電話和離網(wǎng)手機充電器的創(chuàng)新，GSMA目前正在與運營商合作解決這些離網(wǎng)充電問題。除了其他目標之外，該項目旨在建立一個所有運營商都可以訪問的知識共享平臺，并為他們提供有關如何解決離網(wǎng)收費問題的咨詢服務。

動能充電在發(fā)展中國家被廣泛使用，作為手機充電的廉價便捷解決方案。在自行車數(shù)量較多的東非，很容易設置發(fā)電系統(tǒng)來為小型電池充電。平均而言，以大約10公里/小時的速度騎行10分鐘將提供足夠的動力來為低端手機產(chǎn)生大約28分鐘的通話時間。自行車通常連接到更大的電池（汽車電池或更小的電池），以便隨后可以將電力同時分配到多個電話。

為基站供電

基站是首批引起能量收集注意的地方之一。在全球范圍內(nèi)，太陽能和風能越來越多地被用于為基站及其回程鏈路供電，從而消除了通常為銅纜挖掘的電力和電信布線的需求。

設備制造商過去幾年一直致力于降低基站的功耗，主要是為了降低用電成本，因為這占運營網(wǎng)絡成本的85％。這里的任何節(jié)省都可以為運營商每年節(jié)省數(shù)百萬美元。然而，這也降低了整體功率需求，并且意味著現(xiàn)有的能量收集解決方案變得更加可行。太陽能與風力發(fā)電機技術相比具有戰(zhàn)略優(yōu)勢，與風能相比，其部署能力較低，技術性預可行性分析要求較低。

NASA等來源提供的現(xiàn)有太陽圖精確到足以預測太陽能資源，以確保場地經(jīng)濟可行，印度等國家獲得良好的太陽輻射（4-7 kWh/m2），使技術具有成本效益。隨著太陽能電池效率的提高，使用能量收集為電信基礎設施供電的經(jīng)濟性變得更加積極。

圖1：印度尼西亞的太陽能基站（資料來源：歐空局）。

瓦努阿圖

電信運營商Digicel使用能量收集和柴油發(fā)電機組合推出了一個移動電話網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡覆蓋了南太平洋82個瓦努阿圖島嶼上85％的人口。

網(wǎng)絡的核心是三個遠程骨干網(wǎng)站，可承載60％的網(wǎng)絡流量。在這些站點上，傳輸設備的收入通常比由RF設備服務的小區(qū)產(chǎn)生的收入多300倍，因為基站位于小型農(nóng)村社區(qū)內(nèi)，同時通過傳輸鏈路連接主要城市區(qū)域。一個關鍵要求是在惡劣天氣條件下動態(tài)優(yōu)先考慮傳輸設備而不是射頻設備，以便最大限度地提高收入。

該網(wǎng)絡包括24個遠程站點，這些站點通過光伏（PV）陣列，風力渦輪機，電池和專用電源控制器以及遠程監(jiān)控軟件包的組合，使用能量收集為基站供電。每個站點都不同，因此有不同的功率要求，范圍從576 W到近1400 W.

典型的基站看到的負載為1400 W，風力渦輪機使用3 KW，太陽能電池板為7.35 kW，生成來自42個陣列，每個陣列產(chǎn)生175 W.這是由4000 Ah可充電電池和11 kVA發(fā)電機支持，所有這些都由專門設計的電信級控制器控制。這使用集成的風力渦輪機功率控制器，提供更高的效率，1 + 1功率和控制系統(tǒng)冗余，以實現(xiàn)高可用性，并優(yōu)化電池調(diào)節(jié)算法。此外，它還提供兩個獨立控制的電源，允許現(xiàn)場RF和傳輸系統(tǒng)之間的自治。舉例來說，這可能允許骨干站點在傳輸子系統(tǒng)上具有一周的電池自主權，但是對于RF系統(tǒng)僅具有二十四小時的電池自治（因為RF系統(tǒng)具有顯著更少的風險收益）。

由于幾個因素，使用可再生能源為基站供電的機會正在增加。印度等市場快速擴張的關鍵原因是進入低利潤的農(nóng)村市場作為增加用戶的一種方式，因為過去幾年每個用戶的平均收入在更成熟的市場中逐漸減少。與此同時，印度政府制定的太陽能上網(wǎng)電價正在提高人們對可再生能源解決方案電力需求的認識，提高人們對太陽能電池能量收集的認識。

與其他離網(wǎng)移動電信市場相比，印度市場的另一個重要差異是塔基站的電源互通。這使得基礎設施可以由多個運營商共享，因此塔式公司可以安裝負載在5-6 kW范圍內(nèi)的太陽能站點，并且仍然使系統(tǒng)對客戶來說是經(jīng)濟的。

印度

印度電信塔所需電力的60％以上由柴油發(fā)電機提供。印度新能源和可再生能源部每年消耗超過20億升柴油，已要求電信公司考慮更清潔，更有效的替代方案以及減少對傳統(tǒng)燃料依賴的方法，這也推動了太陽能采集的進程。

Indus Towers在全國范圍內(nèi)建立了2，500個太陽能供電站點，而Bharti Infratel已經(jīng)推出了1，500個太陽能站點。

美國鐵塔公司在馬哈拉施特拉邦浦那進行了試點測試，發(fā)現(xiàn)它可以將柴油發(fā)電機的每月成本降低一半。對于像運行超過38，000個塔的Viom Networks這樣的公司來說，這可以大大節(jié)省運營成本。

非洲

非洲的太陽能基站越來越多地被使用，并與衛(wèi)星技術相結合，以提供電信服務。該技術可以智能地利用衛(wèi)星帶寬，并且表明即使每個用戶的收入很低，一個棘手的商業(yè)案例也能運作。集成到單個板中的基站包括本地呼叫切換和到公共移動網(wǎng)絡中的其他節(jié)點的智能切換。

圖2：尼日爾的太陽能基站（來源：ESA）。

Parallax的34瓦太陽能電池板套件為電力系統(tǒng)提供34 W的清潔綠色電能，其中包括12個商用級125 mm（~5“），2.85瓦，18.5％效率的單晶太陽能電池。紫外線穩(wěn)定聚碳酸酯底座和蓋板提供戶外耐用性和高透光性，而不會產(chǎn)生玻璃的脆弱性或丙烯酸的脆性。

圖3：Parallax太陽能電池板套件的面板。

系統(tǒng)監(jiān)控

如果沒有電網(wǎng)供電，可以使用一系列能量收集技術為監(jiān)控設備提供電力。能夠集中監(jiān)控溫度和濕度可以在問題發(fā)生之前突出顯示問題，并允許維護團隊在故障發(fā)生之前前往基站，通常是在偏遠地區(qū)。

熱能

為了轉換基站產(chǎn)生的熱能，EnOcean的EDK312開發(fā)套件包含一個低功率射頻發(fā)射器模塊和一個珀耳帖效應傳感器，用于捕獲熱能。這在使用太陽能的區(qū)域尤其有效，因為陰影區(qū)域和非陰影區(qū)域之間的溫差可能很大。

STM 312射頻模塊的工作頻率為868 MHz，支持各種溫度和濕度的無線和熱電傳感器，這兩種傳感器在離網(wǎng)安裝中都很重要。 ECT310采用低成本標準Peltier元件，從2開爾文溫差提供20 mV電壓。 Peltier元件的兩個極板之間的溫差產(chǎn)生電能，并且需要超低壓DC/DC轉換器以將小輸出電壓升高到標準電子電路所需的》 3V的電壓。

能量產(chǎn)生的效率取決于Peltier元件的熱側和冷側之間的熱傳遞阻力，因此必須確保兩個陶瓷晶片的良好隔熱，例如通過使用合適的塑料或泡沫聚苯乙烯。

該套件具有用于能量管理，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)念A定義功能集，并且可以通過EnOcean的API編程接口基于Dolphin應用程序編程接口實現(xiàn)用戶特定應用程序。

圖4：EnOcean EC300熱能收集套件。

振動能量

收獲振動能量非常適合在離網(wǎng)電信應用中提供監(jiān)控風力系統(tǒng)的能力。盡管旋轉速度可以變化，但是渦輪機的設計規(guī)格提供了可以匹配的頻率范圍，以向傳感器和無線鏈路提供功率。

MidéVoltureV21振動能量收集器傳感器產(chǎn)生45 Hz至155 Hz頻率的功率，以適應使用風力渦輪機通過系統(tǒng)產(chǎn)生的振動。通過專有的制造工藝，Volture將壓電材料封裝在具有預先連接的電引線的保護性外殼中，從而產(chǎn)生沒有焊接線的堅固元件。保護性皮膚還提供電絕緣和防御基站環(huán)境中可見的濕度和苛刻污染物。

圖5：MidéVoltureV21壓電振動能量收集傳感器。

通過在懸臂傳感器上增加小重量，可以將收割機調(diào)整到特定設備的共振頻率，從而提供最佳的功率輸出。通常很難利用低壓能量清除源，例如低振動幅度的壓電能量采集器，因為大多數(shù)RF芯片需要1.8V或更高的最小電壓才能工作。

使用這些電源需要一個升壓轉換器，它具有最小的啟動電壓，低啟動電流要求，以及對欠壓和緩慢輸入電壓上升時間的優(yōu)雅處理，這可以通過提供的電荷泵芯片提供從輸入電壓低至約380 mV開始，大約2.4 VDC的功率突發(fā)。這提供了使用小型片上開關電容器的升壓，而不是電感升壓轉換。這意味著與典型的升壓轉換器相比，初始輸入電流要求降低，只需要一個小的電源旁路電容即可可靠啟動。這對于直接為可以執(zhí)行其功能的小型傳感器供電是理想的，例如在已知的時間內(nèi)記錄和傳輸測量以及用于監(jiān)視基站設備的功率。

結論

縮小數(shù)字鴻溝并為全球數(shù)百萬人提供移動通信是許多政府的關鍵目標。使用諸如太陽能和風能的能量收集技術允許基站安裝在無法接入電網(wǎng)的偏遠地區(qū)。隨著語音提供更廣泛的服務，越來越多的人希望在世界更多地區(qū)使用移動電話技術。能量收集也被用于為手機充電，從簡單的太陽能充電器到由不同人共用并由自行車驅動的堅固的動能發(fā)電機。

由于設備制造商大幅降低了基站電子設備的功耗，因此這些能量收集技術變得可行。利用基站內(nèi)部的熱和振動等其他技術來收集能量可以提供低成本技術，以提供問題的早期預警，并為維護團隊提供在故障發(fā)生之前到達安裝所需的時間，從而提供更高水平的服務。

能源收集可以廣泛的方式用于為世界各地不斷擴展的電信基礎設施供電，并為數(shù)百萬人帶來新的機遇。