能源收集推动偏远地区的移动电话技术

能量收集可用于在电信网络的许多元件中提供电力，从而节省可观的电力供应成本并提供低维护监控。利用风能或太阳能为移动电话基站供电，使电信网络能够超越电网的限制。在收获时，内部热能可以为系统周围的传感器供电。能量收集也被用于使用太阳能甚至自行车的动能为手机充电。

GSMA移动电话行业贸易机构估计今天有6亿移动用户住在离网区域，主要分布在南亚和撒哈拉以南非洲两个地区，那里的农村人口比例居高不下。在与亲人联系，在有人生病时给医生打电话以及为农民提供手机银行，天气和价格信息等许多其他服务时，无法获得电力是居住在电网之外的用户的主要障碍。这些服务对于减少贫困和缩小农村地区最严重的“数字鸿沟”至关重要，使用能源收集被视为以最低资本和运营成本提供数字信息基础设施的关键途径。

为了创造动力并促进围绕太阳能电话和离网手机充电器的创新，GSMA目前正在与运营商合作解决这些离网充电问题。除了其他目标之外，该项目旨在建立一个所有运营商都可以访问的知识共享平台，并为他们提供有关如何解决离网收费问题的咨询服务。

动能充电在发展中国家被广泛使用，作为手机充电的廉价便捷解决方案。在自行车数量较多的东非，很容易设置发电系统来为小型电池充电。平均而言，以大约10公里/小时的速度骑行10分钟将提供足够的动力来为低端手机产生大约28分钟的通话时间。自行车通常连接到更大的电池（汽车电池或更小的电池），以便随后可以将电力同时分配到多个电话。

为基站供电

基站是首批引起能量收集注意的地方之一。在全球范围内，太阳能和风能越来越多地被用于为基站及其回程链路供电，从而消除了通常为铜缆挖掘的电力和电信布线的需求。

设备制造商过去几年一直致力于降低基站的功耗，主要是为了降低用电成本，因为这占运营网络成本的85％。这里的任何节省都可以为运营商每年节省数百万美元。然而，这也降低了整体功率需求，并且意味着现有的能量收集解决方案变得更加可行。太阳能与风力发电机技术相比具有战略优势，与风能相比，其部署能力较低，技术性预可行性分析要求较低。

NASA等来源提供的现有太阳图精确到足以预测太阳能资源，以确保场地经济可行，印度等国家获得良好的太阳辐射（4-7 kWh/m2），使技术具有成本效益。随着太阳能电池效率的提高，使用能量收集为电信基础设施供电的经济性变得更加积极。

图1：印度尼西亚的太阳能基站（资料来源：欧空局）。

瓦努阿图

电信运营商Digicel使用能量收集和柴油发电机组合推出了一个移动电话网络，该网络覆盖了南太平洋82个瓦努阿图岛屿上85％的人口。

网络的核心是三个远程骨干网站，可承载60％的网络流量。在这些站点上，传输设备的收入通常比由RF设备服务的小区产生的收入多300倍，因为基站位于小型农村社区内，同时通过传输链路连接主要城市区域。一个关键要求是在恶劣天气条件下动态优先考虑传输设备而不是射频设备，以便最大限度地提高收入。

该网络包括24个远程站点，这些站点通过光伏（PV）阵列，风力涡轮机，电池和专用电源控制器以及远程监控软件包的组合，使用能量收集为基站供电。每个站点都不同，因此有不同的功率要求，范围从576 W到近1400 W.

典型的基站看到的负载为1400 W，风力涡轮机使用3 KW，太阳能电池板为7.35 kW，生成来自42个阵列，每个阵列产生175 W.这是由4000 Ah可充电电池和11 kVA发电机支持，所有这些都由专门设计的电信级控制器控制。这使用集成的风力涡轮机功率控制器，提供更高的效率，1 + 1功率和控制系统冗余，以实现高可用性，并优化电池调节算法。此外，它还提供两个独立控制的电源，允许现场RF和传输系统之间的自治。举例来说，这可能允许骨干站点在传输子系统上具有一周的电池自主权，但是对于RF系统仅具有二十四小时的电池自治（因为RF系统具有显着更少的风险收益）。

由于几个因素，使用可再生能源为基站供电的机会正在增加。印度等市场快速扩张的关键原因是进入低利润的农村市场作为增加用户的一种方式，因为过去几年每个用户的平均收入在更成熟的市场中逐渐减少。与此同时，印度政府制定的太阳能上网电价正在提高人们对可再生能源解决方案电力需求的认识，提高人们对太阳能电池能量收集的认识。

与其他离网移动电信市场相比，印度市场的另一个重要差异是塔基站的电源互通。这使得基础设施可以由多个运营商共享，因此塔式公司可以安装负载在5-6 kW范围内的太阳能站点，并且仍然使系统对客户来说是经济的。

印度

印度电信塔所需电力的60％以上由柴油发电机提供。印度新能源和可再生能源部每年消耗超过20亿升柴油，已要求电信公司考虑更清洁，更有效的替代方案以及减少对传统燃料依赖的方法，这也推动了太阳能采集的进程。

Indus Towers在全国范围内建立了2，500个太阳能供电站点，而Bharti Infratel已经推出了1，500个太阳能站点。

美国铁塔公司在马哈拉施特拉邦浦那进行了试点测试，发现它可以将柴油发电机的每月成本降低一半。对于像运行超过38，000个塔的Viom Networks这样的公司来说，这可以大大节省运营成本。

非洲

非洲的太阳能基站越来越多地被使用，并与卫星技术相结合，以提供电信服务。该技术可以智能地利用卫星带宽，并且表明即使每个用户的收入很低，一个棘手的商业案例也能运作。集成到单个板中的基站包括本地呼叫切换和到公共移动网络中的其他节点的智能切换。

图2：尼日尔的太阳能基站（来源：ESA）。

Parallax的34瓦太阳能电池板套件为电力系统提供34 W的清洁绿色电能，其中包括12个商用级125 mm（~5“），2.85瓦，18.5％效率的单晶太阳能电池。紫外线稳定聚碳酸酯底座和盖板提供户外耐用性和高透光性，而不会产生玻璃的脆弱性或丙烯酸的脆性。

图3：Parallax太阳能电池板套件的面板。

系统监控

如果没有电网供电，可以使用一系列能量收集技术为监控设备提供电力。能够集中监控温度和湿度可以在问题发生之前突出显示问题，并允许维护团队在故障发生之前前往基站，通常是在偏远地区。

热能

为了转换基站产生的热能，EnOcean的EDK312开发套件包含一个低功率射频发射器模块和一个珀耳帖效应传感器，用于捕获热能。这在使用太阳能的区域尤其有效，因为阴影区域和非阴影区域之间的温差可能很大。

STM 312射频模块的工作频率为868 MHz，支持各种温度和湿度的无线和热电传感器，这两种传感器在离网安装中都很重要。 ECT310采用低成本标准Peltier元件，从2开尔文温差提供20 mV电压。 Peltier元件的两个极板之间的温差产生电能，并且需要超低压DC/DC转换器以将小输出电压升高到标准电子电路所需的》 3V的电压。

能量产生的效率取决于Peltier元件的热侧和冷侧之间的热传递阻力，因此必须确保两个陶瓷晶片的良好隔热，例如通过使用合适的塑料或泡沫聚苯乙烯。

该套件具有用于能量管理，数据采集，数据处理和无线数据传输的预定义功能集，并且可以通过EnOcean的API编程接口基于Dolphin应用程序编程接口实现用户特定应用程序。

图4：EnOcean EC300热能收集套件。

振动能量

收获振动能量非常适合在离网电信应用中提供监控风力系统的能力。尽管旋转速度可以变化，但是涡轮机的设计规格提供了可以匹配的频率范围，以向传感器和无线链路提供功率。

MidéVoltureV21振动能量收集器传感器产生45 Hz至155 Hz频率的功率，以适应使用风力涡轮机通过系统产生的振动。通过专有的制造工艺，Volture将压电材料封装在具有预先连接的电引线的保护性外壳中，从而产生没有焊接线的坚固元件。保护性皮肤还提供电绝缘和防御基站环境中可见的湿度和苛刻污染物。

图5：MidéVoltureV21压电振动能量收集传感器。

通过在悬臂传感器上增加小重量，可以将收割机调整到特定设备的共振频率，从而提供最佳的功率输出。通常很难利用低压能量清除源，例如低振动幅度的压电能量采集器，因为大多数RF芯片需要1.8V或更高的最小电压才能工作。

使用这些电源需要一个升压转换器，它具有最小的启动电压，低启动电流要求，以及对欠压和缓慢输入电压上升时间的优雅处理，这可以通过提供的电荷泵芯片提供从输入电压低至约380 mV开始，大约2.4 VDC的功率突发。这提供了使用小型片上开关电容器的升压，而不是电感升压转换。这意味着与典型的升压转换器相比，初始输入电流要求降低，只需要一个小的电源旁路电容即可可靠启动。这对于直接为可以执行其功能的小型传感器供电是理想的，例如在已知的时间内记录和传输测量以及用于监视基站设备的功率。

结论

缩小数字鸿沟并为全球数百万人提供移动通信是许多政府的关键目标。使用诸如太阳能和风能的能量收集技术允许基站安装在无法接入电网的偏远地区。随着语音提供更广泛的服务，越来越多的人希望在世界更多地区使用移动电话技术。能量收集也被用于为手机充电，从简单的太阳能充电器到由不同人共用并由自行车驱动的坚固的动能发电机。

由于设备制造商大幅降低了基站电子设备的功耗，因此这些能量收集技术变得可行。利用基站内部的热和振动等其他技术来收集能量可以提供低成本技术，以提供问题的早期预警，并为维护团队提供在故障发生之前到达安装所需的时间，从而提供更高水平的服务。

能源收集可以广泛的方式用于为世界各地不断扩展的电信基础设施供电，并为数百万人带来新的机遇。