GSM baz istasyonlarında enerji verimliliği amaçlı ısıl modelleme ve deneysel analiz

Abstract

Bu tez çalışmasında GSM baz istasyonlarında enerji verimliliğini arttırmak amacıyla istasyonun ısıl modellemesinin yapılması, deneysel olarak modelin doğrulanması ve deneysel olarak doğrulanmış model yardımıyla enerji verimliliğinde farklı çözüm önerilerinin sınanması gerçekleştirilmiştir. Turkcell ile yapılan görüşme ve saha ziyareti sonucu teknik bilgiler elde edilmiştir. Özel boya ve yalıtım malzemeleri araştırılmış ve güneş spektrumu, ışınımı ve ısı transferi ile ilgili temel bilgiler edinilmiştir. Baz istasyonunun yer koordinatları, tarih ve saat bilgilerinden hareketle güneş konum açılarından yararlanılarak güneş ışınlarının istasyonun farklı yüzeyleriyle yaptığı açılar ve konteyner yüzeyine gelen güneş ışınımı hesaplanmıştır. Konteyner duvar malzeme ve yapısı, konteyner geometrik ölçüleri, yüzey yutma katsayısına bağlı gelen güneş ışınımı, konteyner iç hava ve atmosferik dış hava sıcaklığı bilgileri yardımıyla konteyner yüzeyindeki ısı transferi hesaplanmıştır. Konteyner dış yüzeyinden içe olan ısıl girdi ve RF ekipmanlarının yaydığı ısıl girdi toplanarak klimanın soğutma yükü hesaplanmıştır. Klimaların farklı iç ve dış hava sıcaklığı ve soğutma yükü koşullarına bağlı değişken COP ve sabit COP değerine göre klima elektrik tüketim değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen tüm bu hesaplar birleştirilerek baz istasyonunun, konum ve zamana bağlı ısıl modellemesi oluşturulmuştur. Deneysel uygulama aşamasında Turkcell, İTÜ Enerji Enstitüsü'nde iki konteynerini yapılan plana uygun konumlandırmıştır. Bu eş konteynerlerin biri karşılaştırma yapmak için güneşin kızılötesi ışınlarını yansıtma özelliğine sahip bir boya ile boyanmıştır. Konteynerlerin dış ve iç yüzeylerine Pt100'ler yerleştirilip datalogger ile yüzey sıcaklıkları kaydedilmiştir. Konteynerlerin gerçeğe yakın modellenmesi amacıyla RF ekipmanlarının yaydığı ısıyı simüle etmesi için ısıtıcılar içeri yerleştirilip zaman ayarlı prizle çalıştırılmış, ısı kapasitörü olarak da aküler kullanılmıştır. Klimaların elektrik tüketimi, sayaç haberleşmesi için yazılım geliştirilip sayaçlarla ölçülmüştür. 4 farklı durum için testler gerçekleştirilmiştir. Ölçülen yüzey sıcaklık değerlerine göre ısı transfer hesapları yapılıp iki konteyner karşılaştırılmıştır. Aküler için aşırı sıcaklık maruziyeti kavramı geliştirilmiştir. Deneysel uygulama ile ısıl modelin karşılaştırılması yapılmıştır. Enerji tüketiminin ve işletme giderlerinin azaltılması için olası yaklaşımlar ile çözüm önerileri getirilmiştir.

In this thesis, building up the thermal model of base station, verifying thermal model with experimental analysis and testing the different solutions for energy efficiency with the help of the experimentally corrected model have been realized to improve the energy efficiency of GSM base stations. Technical information have been gathered by the interviews and the field work done with Turkcell. Special paints and insulation materials have been studied and fundamental information is gathered on solar spectrum, solar radiation and heat transfer. With the knowledge of the coordinates, date and time of the base station and the position of the sun, the angles between the solar rays and the different surfaces of the station and the solar radiation coming on the surface of the container are theoretically calculated. With the help of material and structure of the container wall, geometrical measurements of the container, the incoming solar radiation depending on the absorption coefficient of the surface, inside temperature of the container and atmospherical outside temperature information, heat transfer on the container surface have been theoretically calculated. Cooling load of the air conditioner with the sum of the heating input from the outside surface to inside of the container and radio frequency equipments have been calculated. Electric power consumption of the air conditioner values have been calculated due to variable COP depending on different inside and outside air temperatures and cooling load conditions of the air conditioner and constant COP. By assembling all these theoretical calculations, the thermal modelling of the base station have been developed depending on the time and the location of the station. In the experimental part of the research, Turkcell established two containers according to the layout in the ITU Institute of Energy. One of the matching containers was painted with a special paint that reflects the infrared radiation. Pt100?s were placed inside and outside surfaces of the containers and their surface temperatures were recorded by the datalogger. Heaters are placed inside the containers to simulate heat dissipation of radio frequency equipments. Clock requlated power sockets have been used to switch on the heaters. Lead-acid batteries have been used as heat capacitors. These arrangements have been organized to reach a realistic model of the containers. Electric power consumption of air conditioners are measured by electric power meters. With RS485 connection, computer and electric power meters communicate with each other to obtain data by software that has been developed at the Institute of Energy. For four different situations tests have been made. These tests are S1: air conditioners off ? heaters off, S2: air conditioners off ? heaters on, S3: air conditioners on ? heaters on, S4: air conditioners blackout ? heaters on. According to measured temperature values of the surfaces of the containers, heat transfer calculations have been done to compare the containers. Excess temperature exposure concept has been created for the batteries. Experimental implementation and thermal model have been compared. To reduce energy consumption and operating cost, possible approaches and solution proposals have been provided. In the discussion part, one of the most important parameter is the air conditioner due to its operating cost and energy efficiency. Heat dissipation of radio frequency equipments is theoretically and experimentally verified as the greatest source in the cooling loads. Against excess temperature exposure of batteries at air conditioner blackouts, to obtain low inside air temperature of container is the emphasized solution proposal. With the help of the experimentally verified model, containers that placed besides Istanbul in different cities from Turkey and other countries can be analyzed for both summer and winter conditions. In this work up to date, theoretical model, experimental design and application have been done. In future to reduce operating costs, optimization and feasibility studies are more significant to gain energy efficient solutions.