Energia solare per torri di telecomunicazione: una guida pratica alla progettazione e agli investimenti.

L'energia solare per le torri di telecomunicazione può ridurre il tempo di funzionamento dei generatori e migliorare l'indipendenza energetica, ma i pannelli da soli non costituiscono un sistema di alimentazione affidabile per le telecomunicazioni. La progettazione deve essere commisurata al carico misurato del sito, alla risorsa solare nella stagione peggiore, all'obiettivo di autonomia, all'intervallo di tensione CC, ai limiti delle batterie e ai requisiti di recupero. In molte località, la soluzione migliore è un sistema ibrido gestito piuttosto che un sito senza generatori.

Durante una prima valutazione del sito, separo ciò che può essere calcolato da ciò che deve ancora essere misurato. Il consumo energetico giornaliero e una stima provvisoria della dimensione del pannello fotovoltaico possono essere valutati fin da subito. La corrente della batteria, il comportamento termico, il recupero in condizioni di scarsa insolazione e la progettazione definitiva del sistema di protezione richiedono ancora dati del sito e curve caratteristiche del prodotto. Questa distinzione impedisce che una stima iniziale si trasformi automaticamente in una specifica di acquisto.

Perché il solare per le telecomunicazioni è diverso dal normale fotovoltaico commerciale.

Un impianto fotovoltaico commerciale su tetto utilizza normalmente la rete elettrica come riserva di energia. Una stazione base off-grid non gode di questa possibilità. Se il mese di riferimento per la produzione di energia solare è inferiore alle aspettative, il livello di carica della batteria diminuisce giorno dopo giorno fino a quando il carico non viene scollegato o non si attiva una fonte di alimentazione di riserva.

Anche i carichi delle telecomunicazioni hanno una loro forma specifica. Un sito radio può avere una domanda di base costante, variazioni legate al traffico, picchi di potenza di breve durata e un carico di raffreddamento che segue la temperatura ambiente. Collegamenti a microonde, luci di segnalazione ostacoli, videosorveglianza, controllo accessi e riscaldatori per armadi rack aggiungono carichi minori che è facile non notare. Le future aggiunte di apparecchiature radio possono essere più importanti di pochi punti percentuali di efficienza di conversione.

Poi c'è l'interfaccia CC. Molti sistemi di telecomunicazione operano su un bus CC nominale di -48 V. Laddove l'architettura lo consente, il fotovoltaico può caricare la batteria e alimentare i carichi CC tramite un regolatore MPPT e un sistema di alimentazione CC senza un'inutile conversione CC-CA-CC. Un inverter è comunque necessario per i carichi CA, ma non dovrebbe essere aggiunto per abitudine.

Scegliere l'architettura operativa prima di dimensionare i componenti.

La classificazione del sito è la prima cosa da fare. La qualità della rete, l'accesso al combustibile, la disponibilità di terreno, la risorsa solare e le conseguenze di un'interruzione di corrente determinano quale architettura merita una modellazione dettagliata.

Una configurazione puramente solare può sembrare attraente in un foglio di calcolo perché elimina il carburante. Tuttavia, un modesto generatore di emergenza potrebbe essere più economico rispetto all'installazione di un impianto fotovoltaico e di un sistema di accumulo in grado di far fronte a un raro evento meteorologico di più giorni. Al contrario, un generatore sovradimensionato che funziona a basso carico per lunghi periodi può sprecare carburante e incorrere in problemi di manutenzione evitabili. Non consiglierei di rimuovere l'ultima fonte di energia di riserva finché un modello orario non abbia superato i casi di scarsa insolazione e l'operatore non abbia accettato il rischio di interruzione di corrente rimanente.

Iniziate con il carico misurato e le condizioni meteorologiche del periodo di progetto.

Come minimo, raccogli le coordinate del sito, il carico orario o ogni 15 minuti, il picco di domanda, le interfacce CC e CA, lo storico delle interruzioni, i dati del generatore, la temperatura del quadro elettrico, la superficie fotovoltaica disponibile e l'espansione pianificata della rete. Tre dati sono particolarmente significativi: l'andamento del carico, le ore di funzionamento del generatore e lo storico del combustibile consegnato. Se questi dati presentano discrepanze, considera il valore di riferimento energetico come provvisorio e indaga sulle cause prima di dimensionare le apparecchiature.

Se i dati relativi agli intervalli non sono disponibili, create una pianificazione per sottosistema anziché moltiplicare ogni valore nominale per 24 ore. Indicate per ogni stima se è stata misurata, calcolata o ipotizzata. Questa piccola precauzione renderà la revisione successiva molto più semplice.

Il consumo energetico giornaliero viene utilizzato per stimare la capacità del fotovoltaico e delle batterie. La potenza di picco viene verificata separatamente perché determina le caratteristiche di regolatori, raddrizzatori, inverter, cavi, sbarre collettrici e dispositivi di protezione. Entrambi i valori sono importanti: un impianto con una bassa media giornaliera può comunque produrre una corrente elevata di breve durata.

calcolo dello screening PV

E_source è l'energia che deve essere fornita al confine del sistema selezionato. PSH_design rappresenta il valore massimo delle ore di sole per il mese di bassa insolazione in questione, non semplicemente la media annuale. K_PV tiene conto delle perdite sul lato fotovoltaico, come temperatura, sporco, disallineamento, cablaggio, prestazioni MPPT e ombreggiamento.

È fondamentale mantenere visibili i limiti delle perdite. Le perdite del raddrizzatore e della distribuzione appartengono al percorso di alimentazione a valle; la temperatura dei moduli e l'accumulo di sporco appartengono al lato fotovoltaico. Se entrambe sono nascoste all'interno di un vago "fattore di sicurezza", potrebbero essere conteggiate due volte o non essere rilevate affatto.

calcolo dello screening della batteria

E_autonomy rappresenta l'energia di carico richiesta quando le fonti selezionate non sono disponibili. DoD è consentita la profondità di scarico, η_path è l'efficienza della batteria rispetto al carico, F_EOL è la capacità residua necessaria alla fine della vita, e F_temp Rappresenta la capacità utilizzabile alla temperatura di progetto. Non applicare nuovamente un fattore se è già incluso nell'energia utilizzabile dichiarata del prodotto.

Un esempio pratico di screening

Consideriamo un ipotetico sito remoto con una potenza media di 1.5 kW. Il suo carico erogato è di 36 kWh al giorno. Ipotizziamo un'efficienza a valle dell'88% e un margine di pianificazione del 10%; l'obiettivo energetico lato sorgente è quindi di circa 45 kWh al giorno. Con 4.0 ore di sole di picco di progetto e un fattore di declassamento fotovoltaico di 0.78, l'impianto iniziale è di circa 14.4 kWp.

Supponiamo ora che la batteria debba sostenere un carico di 1.5 kW per 12 ore. Ciò corrisponde a un'erogazione di 18 kWh. Con una profondità di scarica consentita dell'80%, un'efficienza del percorso del 94% e una ritenzione a fine vita dell'80%, il fabbisogno nominale iniziale è di circa 29.9 kWh prima dell'arrotondamento del modulo e della correzione della temperatura. Un requisito di autonomia di 24 ore raddoppierebbe approssimativamente tale cifra.

Questi numeri non sono una quotazione. Descrivono una serie di ipotesi, tutte visibili nella tabella. Il progetto finale deve simulare lo stato di carica orario della batteria, giorni consecutivi di maltempo, temperatura, aumento del carico e interruzioni di corrente. Deve inoltre arrotondare ai moduli batteria compatibili e verificare la corrente alla tensione operativa minima.

La ripresa è l'assegno che la gente dimentica

Dopo un'interruzione di corrente o un evento di scarsa insolazione, il carico di telecomunicazioni continua mentre la batteria si ricarica. Nell'esempio, il ripristino di 18 kWh entro sei ore con un'efficienza del percorso di ricarica del 92% richiede circa 3.3 kW per la ricarica. Aggiungendo il carico continuo del sito di 1.5 kW, la fonte disponibile deve fornire almeno 4.8 kW, prima di considerare altre perdite e il margine di sicurezza.

Una batteria può quindi essere sufficientemente grande per garantire l'autonomia, ma abbinata a una capacità fotovoltaica o di raddrizzamento insufficiente per recuperare prima dell'evento successivo. La simulazione dello stato di carica dovrebbe mostrare sia la riserva minima sia il tempo necessario per ripristinarla.

Decisioni relative ai componenti che influiscono sull'affidabilità sul campo

Posizionamento e struttura dei pannelli fotovoltaici

Il montaggio dei moduli direttamente su una torre può far risparmiare spazio a terra, ma l'altezza della torre non migliora automaticamente la produzione di energia solare. Antenne, strutture in acciaio, cavi e vegetazione circostante possono proiettare ombre complesse. L'aumento della superficie esposta al vento, il carico strutturale, la difficoltà di pulizia e l'accesso per lavori in quota possono vanificare il risparmio di spazio. Se un tecnico non può pulire o sostituire un modulo in sicurezza, la sua resa teorica risulta poco utile. Gli impianti a terra sono spesso più facili da orientare, ispezionare ed espandere, a condizione che il terreno su cui sorgono sia sicuro e non ombreggiato.

Verificare le condizioni del vento, della neve, della corrosione, del terreno o delle fondamenta e la tensione di stringa a basse temperature. Il controllo della vegetazione è incluso nel piano di manutenzione; una fila di pannelli che risulta libera al momento della messa in servizio può essere ombreggiata un anno dopo.

Batteria e BMS

Il litio ferro fosfato è ampiamente considerato per l'accumulo di energia nelle telecomunicazioni grazie alla sua durata e alle sue caratteristiche termiche, ma la sua composizione chimica non garantisce un sistema ottimale. È necessario valutare l'energia utilizzabile, la corrente continua e di picco, i limiti di carica a bassa temperatura, il declassamento ad alta temperatura, la protezione del BMS, il bilanciamento delle celle o dei moduli, il fallback della comunicazione e le condizioni di garanzia.

Le batterie collegate in parallelo devono avere una strategia di ripartizione della corrente validata, un firmware compatibile e una protezione individuale per ciascun ramo. Prima del collegamento, è necessario controllare le differenze di stato di carica per evitare correnti di spunto o di circolazione.

Percorso di alimentazione CC e controller ibrido

Il controller decide quando il fotovoltaico alimenta il carico, carica la batteria, avvia il generatore o utilizza la rete. Le sue priorità dovrebbero rispecchiare la politica di servizio piuttosto che un'impostazione predefinita generica di fabbrica. Una riserva critica potrebbe dover essere protetta dai cicli di risparmio di carburante di routine. Allo stesso modo, le soglie di avvio e arresto del generatore dovrebbero impedire cicli rapidi e consentire un blocco di carica efficiente.

Verificare l'intera gamma di tensione della batteria rispetto al carico nominale di telecomunicazione di -48 V, ai punti di intervento del raddrizzatore e al dispositivo di disconnessione per bassa tensione. Per i siti con alimentazione mista CA e CC, mappare ogni stadio di conversione e la relativa efficienza.

Gabinetto e protezione ambientale

Un contenitore per esterni necessita di qualcosa di più di una semplice classificazione IP. L'irraggiamento solare, la condensa, la salsedine, la polvere, gli insetti, gli ingressi dei cavi, il drenaggio e il calore interno possono influire sull'affidabilità a lungo termine. I sensori di temperatura dovrebbero rappresentare i moduli batteria e i componenti caldi, non solo l'aria in prossimità di una presa d'aria.

Riscaldamento, ventilazione e raffreddamento consumano energia, quindi è necessario includerli nel modello di carico. Nei siti caldi, un armadio che protegge la durata della batteria potrebbe aumentare il fabbisogno energetico giornaliero. Nei siti freddi, potrebbe essere necessario un riscaldamento controllato prima di consentire la ricarica.

Monitoraggio che porta all'azione

I dati remoti utili includono l'energia di origine, il carico del sito, lo stato di carica della batteria, la distribuzione delle celle o dei moduli, la temperatura, gli avviamenti dei generatori, il livello del carburante, gli eventi di protezione e lo stato della comunicazione. Un pannello di controllo che mostra uno stato di carica del 100% non è una prova che la batteria possa erogare la sua energia nominale. Test di capacità, cronologia degli eventi e dati di tendenza sono più convincenti. Impostare la responsabilità degli allarmi e i tempi di risposta prima del passaggio di consegne e assicurarsi che il controller locale mantenga un funzionamento sicuro anche quando la connessione cloud o di backhaul non è disponibile.

Per ulteriore materiale di pianificazione del progetto incentrato specificamente sui siti di telecomunicazione, acquirenti e team di ingegneri possono consultare queste risorse sui sistemi di alimentazione solare per telecomunicazioni come riferimento secondario durante la preparazione delle domande relative al sito.

Confronta il costo totale del ciclo di vita, non solo quello dei pannelli rispetto al diesel.

Sunlight non ha bollette del carburante, ma un sistema di telecomunicazioni solare ha comunque costi di capitale, manutenzione e sostituzione. Per i confronti con il diesel, si dovrebbe usare il prezzo del carburante consegnato alla torre, non il prezzo alla pompa nazionale. Le condizioni stradali, la distanza, la sicurezza e la quantità di ogni consegna possono modificare sostanzialmente il numero. Il confronto equo è il costo attualizzato per garantire la disponibilità richiesta per tutta la durata del progetto.

Eseguire almeno tre simulazioni: il modello operativo attuale, un progetto ibrido solare e un progetto con una maggiore quota di energie rinnovabili. Verificare il prezzo del carburante, l'anno di sostituzione delle batterie, la crescita del traffico, la resa dell'energia solare e le ipotesi di finanziamento. Preferisco mostrare le ipotesi accanto al risultato; un singolo valore di ammortamento nasconde troppi dettagli.

Considerazioni operative, di sicurezza e relative alla comunità

Il monitoraggio remoto riduce gli spostamenti non necessari, ma non elimina la manutenzione fisica. La messa in servizio dovrebbe verificare la polarità, la protezione, la coppia, la mappatura degli allarmi, lo stato del controllore, l'avvio del generatore, il recupero della batteria e il flusso di energia effettivo. Successivamente, è opportuno analizzare l'andamento dei dati anziché attendere un allarme di bassa tensione. Le prime settimane sono particolarmente importanti perché permettono di individuare setpoint errati, ombreggiamenti imprevisti e carichi non rilevati durante l'indagine.

Furti e manomissioni richiedono particolare attenzione in fase di progettazione. Pannelli, batterie, carburante e rame possono essere tutti elementi che attirano i ladri. Recinzioni, sistemi di rilevamento delle manomissioni, elementi di fissaggio a scomparsa, marcatura dei beni, controllo degli accessi e posizionamento razionale delle apparecchiature devono essere considerati congiuntamente. Le misure di sicurezza devono comunque consentire interventi di manutenzione e isolamento di emergenza in tutta sicurezza.

Un progetto energetico per le telecomunicazioni occupa anche terreni e modifica le abitudini lavorative locali. Un dialogo tempestivo con i proprietari terrieri e le comunità può risolvere i problemi relativi ad accesso, vegetazione, abbagliamento, rumore e sicurezza. Ove possibile, è opportuno formare tecnici locali e definire un sistema di supporto locale per i pezzi di ricambio. Un progetto che riduce le consegne di gasolio ma non lascia dietro di sé un sistema di manutenzione ha risolto solo metà del problema.

Quando un sistema di telecomunicazioni solare potrebbe non essere la scelta giusta come primo passo

L'energia solare non è automaticamente il miglior investimento per ogni torre. È opportuno riconsiderare l'architettura quando il sito presenta un forte ombreggiamento durante tutto l'anno, non dispone di uno spazio sicuro, ha un contratto di locazione residuo breve, una crescita incerta della domanda o dispone di una rete elettrica a basso costo e altamente affidabile con un basso rischio di interruzioni. Anche i periodi di scarsa insolazione possono rendere più razionale un generatore, un'estensione della rete o un sistema ibrido eolico-solare rispetto a grandi impianti fotovoltaici e riserve di accumulo.

A volte il primo investimento dovrebbe essere incentrato sull'efficienza: riparare i sistemi di controllo del raffreddamento, rimuovere le apparecchiature obsolete, correggere le perdite in corrente continua o consolidare i carichi. Ogni 100 W risparmiati in modo continuativo consentono un risparmio di 2.4 kWh al giorno e riducono sia il fabbisogno di energia fotovoltaica che quello di accumulo a batteria.

Domande da inserire in una richiesta di proposta per un'azienda di telecomunicazioni solare

• Quali profili di carico misurati, valori di potenza di picco e scenari di crescita futura sono stati utilizzati?
• Quali dati solari, mese di progettazione e anni meteorologici supportano la dimensione del pannello fotovoltaico?
• Quali perdite e margini sono inclusi e dove sono i loro limiti?
• Quanta energia della batteria raggiunge il carico all'inizio e alla fine del suo ciclo di vita?
• Cosa succede durante i giorni consecutivi di scarsa insolazione?
• Quanto tempo occorre per il ripristino mentre il carico attivo continua a funzionare?
• Quali carichi rimangono in corrente continua e dove è necessaria la conversione in corrente alternata?
• Come vengono gestite le fasi di avvio, arresto, carico e guasto del generatore?
• Quali sono i limiti di temperatura e di corrente della batteria?
• Come vengono affrontati i problemi legati all'ombreggiamento, al vento, alla corrosione, alla polvere, alla condensa e ai furti?
• Quali allarmi sono disponibili in locale e da remoto e chi interviene?
• Quali test di accettazione in fabbrica e in loco dimostrano ciascuna modalità operativa?
• Quali ricambi, supporto firmware e servizi di assistenza sul campo sono disponibili?
• A chi è affidata la sostituzione, il trasporto e lo smaltimento delle batterie a fine vita?

Come Huijue affronta l'energia dei siti di telecomunicazione

Huijue sviluppa soluzioni integrate per l'alimentazione delle telecomunicazioni che combinano fornitura, distribuzione, backup, protezione e monitoraggio in base alle esigenze operative del sito. A seconda del progetto, l'architettura può includere generazione fotovoltaica, controllo MPPT, accumulo con batterie al litio, alimentazione nominale a -48 V CC, ingresso dalla rete o da generatore, controllo ambientale e gestione energetica remota.

La proposta dovrebbe partire da dati concreti, non da una dimensione predefinita dell'armadio elettrico. Dati utili includono le coordinate geografiche, il profilo di carico, l'obiettivo di autonomia, l'intervallo di tensione, lo storico della rete e dei generatori, i limiti climatici, la superficie solare disponibile, il protocollo di comunicazione e l'espansione prevista. A partire da questi dati, il team di ingegneri può confrontare le architetture e identificare quali ipotesi necessitano di conferma sul campo.

Domande frequenti

Una torre di telecomunicazioni può funzionare interamente ad energia solare?

Sì, laddove la risorsa solare, l'area non ombreggiata, la capacità di accumulo e il carico siano compatibili. Un modello a serie temporali dovrebbe comunque testare la stagione a bassa insolazione e il recupero necessario. I siti critici possono mantenere un generatore o un'altra fonte di riserva per eventi rari.

Di quanti pannelli solari ha bisogno una torre per telefonia mobile?

Non esiste una risposta affidabile basata solo sul tipo di torre. Il numero di pannelli dipende dal carico giornaliero, dalla potenza nominale dei pannelli, dall'irraggiamento solare del mese di progetto, dalla temperatura, dall'ombreggiamento, dalle perdite del sistema, dall'orientamento e dal margine di crescita. È meglio partire dai kWh al giorno, non da una regola generica che preveda un numero di pannelli per torre.

Un sito di telecomunicazioni alimentato a energia solare necessita sempre di un inverter?

No. Molti carichi per telecomunicazioni utilizzano una tensione nominale di -48 V CC e possono essere alimentati tramite un'architettura CC adeguata. Per i carichi CA è necessario un inverter. Eliminare le fasi di conversione non necessarie può ridurre le perdite e semplificare il percorso di alimentazione.

Qual è il livello di autonomia della batteria adeguato?

L'operatore dovrebbe definire l'autonomia in base all'obiettivo del servizio, alle condizioni meteorologiche, all'affidabilità della fonte e al tempo di risposta. Un sito collegato alla rete potrebbe richiedere ore, mentre un sito remoto non collegato alla rete potrebbe richiederne molto di più. Una maggiore autonomia aumenta i costi, l'impatto ambientale e la necessità di interventi di ripristino.

È possibile installare pannelli solari su una torre di telecomunicazioni?

In alcune configurazioni ingegnerizzate è possibile, ma è necessario valutare la struttura, il carico del vento, l'ombreggiamento, il percorso dei cavi, l'ambiente RF e l'accesso per la manutenzione. Il montaggio a terra è spesso più semplice quando è disponibile un terreno sicuro.