能量收集可用于在電信網(wǎng)絡(luò)的許多元件中提供電力，從而節(jié)省可觀的電力供應(yīng)成本并提供低維護(hù)監(jiān)控。利用風(fēng)能或太陽(yáng)能為移動(dòng)電話基站供電，使電信網(wǎng)絡(luò)能夠超越電網(wǎng)的限制。在收獲時(shí)，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(yáng)能甚至自行車的動(dòng)能為手機(jī)充電。

GSMA移動(dòng)電話行業(yè)貿(mào)易機(jī)構(gòu)估計(jì)今天有6億移動(dòng)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(gè)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(shí)給醫(yī)生打電話以及為農(nóng)民提供手機(jī)銀行，天氣和價(jià)格信息等許多其他服務(wù)時(shí)，無(wú)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(wù)對(duì)于減少貧困和縮小農(nóng)村地區(qū)最嚴(yán)重的“數(shù)字鴻溝”至關(guān)重要，使用能源收集被視為以最低資本和運(yùn)營(yíng)成本提供數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵途徑。

為了創(chuàng)造動(dòng)力并促進(jìn)圍繞太陽(yáng)能電話和離網(wǎng)手機(jī)充電器的創(chuàng)新，GSMA目前正在與運(yùn)營(yíng)商合作解決這些離網(wǎng)充電問(wèn)題。除了其他目標(biāo)之外，該項(xiàng)目旨在建立一個(gè)所有運(yùn)營(yíng)商都可以訪問(wèn)的知識(shí)共享平臺(tái)，并為他們提供有關(guān)如何解決離網(wǎng)收費(fèi)問(wèn)題的咨詢服務(wù)。

動(dòng)能充電在發(fā)展中國(guó)家被廣泛使用，作為手機(jī)充電的廉價(jià)便捷解決方案。在自行車數(shù)量較多的東非，很容易設(shè)置發(fā)電系統(tǒng)來(lái)為小型電池充電。平均而言，以大約10公里/小時(shí)的速度騎行10分鐘將提供足夠的動(dòng)力來(lái)為低端手機(jī)產(chǎn)生大約28分鐘的通話時(shí)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(shí)分配到多個(gè)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(yáng)能和風(fēng)能越來(lái)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(shè)備制造商過(guò)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?yàn)檫@占運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)成本的85％。這里的任何節(jié)省都可以為運(yùn)營(yíng)商每年節(jié)省數(shù)百萬(wàn)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(yáng)能與風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)相比具有戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，與風(fēng)能相比，其部署能力較低，技術(shù)性預(yù)可行性分析要求較低。

NASA等來(lái)源提供的現(xiàn)有太陽(yáng)圖精確到足以預(yù)測(cè)太陽(yáng)能資源，以確保場(chǎng)地經(jīng)濟(jì)可行，印度等國(guó)家獲得良好的太陽(yáng)輻射（4-7 kWh/m2），使技術(shù)具有成本效益。隨著太陽(yáng)能電池效率的提高，使用能量收集為電信基礎(chǔ)設(shè)施供電的經(jīng)濟(jì)性變得更加積極。

圖1：印度尼西亞的太陽(yáng)能基站（資料來(lái)源：歐空局）。

瓦努阿圖

電信運(yùn)營(yíng)商Digicel使用能量收集和柴油發(fā)電機(jī)組合推出了一個(gè)移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)覆蓋了南太平洋82個(gè)瓦努阿圖島嶼上85％的人口。

網(wǎng)絡(luò)的核心是三個(gè)遠(yuǎn)程骨干網(wǎng)站，可承載60％的網(wǎng)絡(luò)流量。在這些站點(diǎn)上，傳輸設(shè)備的收入通常比由RF設(shè)備服務(wù)的小區(qū)產(chǎn)生的收入多300倍，因?yàn)榛疚挥谛⌒娃r(nóng)村社區(qū)內(nèi)，同時(shí)通過(guò)傳輸鏈路連接主要城市區(qū)域。一個(gè)關(guān)鍵要求是在惡劣天氣條件下動(dòng)態(tài)優(yōu)先考慮傳輸設(shè)備而不是射頻設(shè)備，以便最大限度地提高收入。

該網(wǎng)絡(luò)包括24個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)，這些站點(diǎn)通過(guò)光伏（PV）陣列，風(fēng)力渦輪機(jī)，電池和專用電源控制器以及遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件包的組合，使用能量收集為基站供電。每個(gè)站點(diǎn)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(fù)載為1400 W，風(fēng)力渦輪機(jī)使用3 KW，太陽(yáng)能電池板為7.35 kW，生成來(lái)自42個(gè)陣列，每個(gè)陣列產(chǎn)生175 W.這是由4000 Ah可充電電池和11 kVA發(fā)電機(jī)支持，所有這些都由專門設(shè)計(jì)的電信級(jí)控制器控制。這使用集成的風(fēng)力渦輪機(jī)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(shí)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(gè)獨(dú)立控制的電源，允許現(xiàn)場(chǎng)RF和傳輸系統(tǒng)之間的自治。舉例來(lái)說(shuō)，這可能允許骨干站點(diǎn)在傳輸子系統(tǒng)上具有一周的電池自主權(quán)，但是對(duì)于RF系統(tǒng)僅具有二十四小時(shí)的電池自治（因?yàn)镽F系統(tǒng)具有顯著更少的風(fēng)險(xiǎn)收益）。

由于幾個(gè)因素，使用可再生能源為基站供電的機(jī)會(huì)正在增加。印度等市場(chǎng)快速擴(kuò)張的關(guān)鍵原因是進(jìn)入低利潤(rùn)的農(nóng)村市場(chǎng)作為增加用戶的一種方式，因?yàn)檫^(guò)去幾年每個(gè)用戶的平均收入在更成熟的市場(chǎng)中逐漸減少。與此同時(shí)，印度政府制定的太陽(yáng)能上網(wǎng)電價(jià)正在提高人們對(duì)可再生能源解決方案電力需求的認(rèn)識(shí)，提高人們對(duì)太陽(yáng)能電池能量收集的認(rèn)識(shí)。

與其他離網(wǎng)移動(dòng)電信市場(chǎng)相比，印度市場(chǎng)的另一個(gè)重要差異是塔基站的電源互通。這使得基礎(chǔ)設(shè)施可以由多個(gè)運(yùn)營(yíng)商共享，因此塔式公司可以安裝負(fù)載在5-6 kW范圍內(nèi)的太陽(yáng)能站點(diǎn)，并且仍然使系統(tǒng)對(duì)客戶來(lái)說(shuō)是經(jīng)濟(jì)的。

印度

印度電信塔所需電力的60％以上由柴油發(fā)電機(jī)提供。印度新能源和可再生能源部每年消耗超過(guò)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(duì)傳統(tǒng)燃料依賴的方法，這也推動(dòng)了太陽(yáng)能采集的進(jìn)程。

Indus Towers在全國(guó)范圍內(nèi)建立了2，500個(gè)太陽(yáng)能供電站點(diǎn)，而Bharti Infratel已經(jīng)推出了1，500個(gè)太陽(yáng)能站點(diǎn)。

美國(guó)鐵塔公司在馬哈拉施特拉邦浦那進(jìn)行了試點(diǎn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)它可以將柴油發(fā)電機(jī)的每月成本降低一半。對(duì)于像運(yùn)行超過(guò)38，000個(gè)塔的Viom Networks這樣的公司來(lái)說(shuō)，這可以大大節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本。

非洲

非洲的太陽(yáng)能基站越來(lái)越多地被使用，并與衛(wèi)星技術(shù)相結(jié)合，以提供電信服務(wù)。該技術(shù)可以智能地利用衛(wèi)星帶寬，并且表明即使每個(gè)用戶的收入很低，一個(gè)棘手的商業(yè)案例也能運(yùn)作。集成到單個(gè)板中的基站包括本地呼叫切換和到公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)的智能切換。

圖2：尼日爾的太陽(yáng)能基站（來(lái)源：ESA）。

Parallax的34瓦太陽(yáng)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(gè)商用級(jí)125 mm（~5“），2.85瓦，18.5％效率的單晶太陽(yáng)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(huì)產(chǎn)生玻璃的脆弱性或丙烯酸的脆性。

圖3：Parallax太陽(yáng)能電池板套件的面板。

系統(tǒng)監(jiān)控

如果沒(méi)有電網(wǎng)供電，可以使用一系列能量收集技術(shù)為監(jiān)控設(shè)備提供電力。能夠集中監(jiān)控溫度和濕度可以在問(wèn)題發(fā)生之前突出顯示問(wèn)題，并允許維護(hù)團(tuán)隊(duì)在故障發(fā)生之前前往基站，通常是在偏遠(yuǎn)地區(qū)。

熱能

為了轉(zhuǎn)換基站產(chǎn)生的熱能，EnOcean的EDK312開發(fā)套件包含一個(gè)低功率射頻發(fā)射器模塊和一個(gè)珀耳帖效應(yīng)傳感器，用于捕獲熱能。這在使用太陽(yáng)能的區(qū)域尤其有效，因?yàn)殛幱皡^(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(wú)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(biāo)準(zhǔn)Peltier元件，從2開爾文溫差提供20 mV電壓。 Peltier元件的兩個(gè)極板之間的溫差產(chǎn)生電能，并且需要超低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器以將小輸出電壓升高到標(biāo)準(zhǔn)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(cè)和冷側(cè)之間的熱傳遞阻力，因此必須確保兩個(gè)陶瓷晶片的良好隔熱，例如通過(guò)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)念A(yù)定義功能集，并且可以通過(guò)EnOcean的API編程接口基于Dolphin應(yīng)用程序編程接口實(shí)現(xiàn)用戶特定應(yīng)用程序。

圖4：EnOcean EC300熱能收集套件。

振動(dòng)能量

收獲振動(dòng)能量非常適合在離網(wǎng)電信應(yīng)用中提供監(jiān)控風(fēng)力系統(tǒng)的能力。盡管旋轉(zhuǎn)速度可以變化，但是渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)格提供了可以匹配的頻率范圍，以向傳感器和無(wú)線鏈路提供功率。

MidéVoltureV21振動(dòng)能量收集器傳感器產(chǎn)生45 Hz至155 Hz頻率的功率，以適應(yīng)使用風(fēng)力渦輪機(jī)通過(guò)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)。通過(guò)專有的制造工藝，Volture將壓電材料封裝在具有預(yù)先連接的電引線的保護(hù)性外殼中，從而產(chǎn)生沒(méi)有焊接線的堅(jiān)固元件。保護(hù)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(dòng)能量收集傳感器。

通過(guò)在懸臂傳感器上增加小重量，可以將收割機(jī)調(diào)整到特定設(shè)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(dòng)幅度的壓電能量采集器，因?yàn)榇蠖鄶?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(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，它具有最小的啟動(dòng)電壓，低啟動(dòng)電流要求，以及對(duì)欠壓和緩慢輸入電壓上升時(shí)間的優(yōu)雅處理，這可以通過(guò)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(guān)電容器的升壓，而不是電感升壓轉(zhuǎn)換。這意味著與典型的升壓轉(zhuǎn)換器相比，初始輸入電流要求降低，只需要一個(gè)小的電源旁路電容即可可靠啟動(dòng)。這對(duì)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(shí)間內(nèi)記錄和傳輸測(cè)量以及用于監(jiān)視基站設(shè)備的功率。

結(jié)論

縮小數(shù)字鴻溝并為全球數(shù)百萬(wàn)人提供移動(dòng)通信是許多政府的關(guān)鍵目標(biāo)。使用諸如太陽(yáng)能和風(fēng)能的能量收集技術(shù)允許基站安裝在無(wú)法接入電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)。隨著語(yǔ)音提供更廣泛的服務(wù)，越來(lái)越多的人希望在世界更多地區(qū)使用移動(dòng)電話技術(shù)。能量收集也被用于為手機(jī)充電，從簡(jiǎn)單的太陽(yáng)能充電器到由不同人共用并由自行車驅(qū)動(dòng)的堅(jiān)固的動(dòng)能發(fā)電機(jī)。

由于設(shè)備制造商大幅降低了基站電子設(shè)備的功耗，因此這些能量收集技術(shù)變得可行。利用基站內(nèi)部的熱和振動(dòng)等其他技術(shù)來(lái)收集能量可以提供低成本技術(shù)，以提供問(wèn)題的早期預(yù)警，并為維護(hù)團(tuán)隊(duì)提供在故障發(fā)生之前到達(dá)安裝所需的時(shí)間，從而提供更高水平的服務(wù)。

能源收集可以廣泛的方式用于為世界各地不斷擴(kuò)展的電信基礎(chǔ)設(shè)施供電，并為數(shù)百萬(wàn)人帶來(lái)新的機(jī)遇。