太陽(yáng)能光伏通信電源的研究和設(shè)計(jì)

康洪波，秦 景，路一平，張 曄

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北張家口 075024；2.河北北方學(xué)院，河北張家口 075000)

太陽(yáng)傳送到地球上的能量，每40 s就有相當(dāng)于210億桶石油的能量，這相當(dāng)于全球一天所消耗的能源總和；同時(shí)，開(kāi)發(fā)和利用豐富廣闊的太陽(yáng)能，可以對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少的污染；基于以上兩點(diǎn)原因，近幾年來(lái)，世界各國(guó)加強(qiáng)了技術(shù)的開(kāi)發(fā)，我國(guó)政府也提出了10條對(duì)策和措施，明確要“因地制宜地開(kāi)發(fā)和推廣太陽(yáng)能能源”，制定了《中國(guó)21世紀(jì)議程》，進(jìn)一步明確了太陽(yáng)能作為可再生能源的重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目地位。

我國(guó)是一個(gè)擁有豐富的太陽(yáng)能資源的國(guó)家。圖1為中國(guó)太陽(yáng)能資源分布圖。從圖中可知：除貴州高原部分地區(qū)外，中國(guó)的所有地域均為高太陽(yáng)能資源區(qū)域。因此，中國(guó)是一個(gè)擁有豐富的太陽(yáng)能資源的國(guó)家，而目前我國(guó)太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用量還不到可開(kāi)發(fā)量的1/1 000。

與此同時(shí)，隨著我國(guó)電信事業(yè)的迅速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大。而目前我國(guó)有些偏遠(yuǎn)地區(qū)的基站主要由農(nóng)電、小水電來(lái)支持，甚至有些地區(qū)(如某些海島、戈壁等邊遠(yuǎn)地區(qū))根本沒(méi)有電力供應(yīng)。因此對(duì)于分布面廣，維護(hù)工作量大的通信基站來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)就成為通信基站供電形式的最佳選擇。

1 通信基站光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成及工作原理分析

通信基站光伏發(fā)電系統(tǒng)由如下幾部分組成 (如圖2所示)。

1.1 太陽(yáng)能發(fā)電模塊部分

光伏陣列將太陽(yáng)能通過(guò)光生伏打效應(yīng)轉(zhuǎn)換成直流電，通過(guò)變換器為各部分負(fù)載供電。由于通信基站的通信設(shè)備大多都需要直流－48 V或－24 V的電源供電，因此通過(guò)幾塊光伏陣列板的串聯(lián)或并聯(lián)就可以為負(fù)載供電。

1.2 蓄電池組模塊部分

太陽(yáng)能通信電源系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元一般采用鉛酸密封閥控式蓄電池組成的電池組，主要作用是儲(chǔ)備由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的電能，而當(dāng)光伏發(fā)電電能不足時(shí)將電能釋放出來(lái)供負(fù)載使用。

通信基站光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池，其運(yùn)行溫度隨周圍環(huán)境的變化而變化，并且安裝地點(diǎn)不同，溫差很大，因此要選用抗高低溫特性好的蓄電池，同時(shí)選配的蓄電池組除具有儲(chǔ)能的功能外，還應(yīng)具備一定的系統(tǒng)穩(wěn)壓器的功能。

1.3 光伏控制器

為防止光伏陣列對(duì)蓄電池組過(guò)度充電和蓄電池對(duì)負(fù)載的過(guò)度放電，在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的控制器，該控制器除了以上的功能外還可以具備一些蓄電池的維護(hù)管理功能。

1.4 柴油機(jī)組供電部分

柴油機(jī)組供電部分經(jīng)變流、整流等環(huán)節(jié)，在主供電方式(太陽(yáng)能供電)無(wú)法滿足使用的情況下，為負(fù)載供電。

2 通信基站光伏發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)

2.1 光伏系統(tǒng)蓄電池組容量設(shè)計(jì)

蓄電池組的電壓及容量的確定取決于通信設(shè)備及其他負(fù)載的容量，同時(shí)容量的選擇還根據(jù)使用地區(qū)的單位面積平均日照能量，每天日照小時(shí)數(shù)，特別要考慮到光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行最不利的連續(xù)陰雨天的電力保證措施。

2.1.1 蓄電池組放電功率的設(shè)計(jì)依據(jù)

計(jì)算蓄電池組的容量時(shí)首先要根據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)所有交、直流用電設(shè)備的總額定功率 (對(duì)交流設(shè)備要根據(jù)其輸入功率因數(shù)折算出輸入視在功率)計(jì)算出用電設(shè)備所需要的總功率，這個(gè)總功率就是蓄電池組所需要的放電功率。

2.1.2 蓄電池組放電時(shí)間的設(shè)計(jì)依據(jù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)與普通的市電系統(tǒng)最大的不同之處在于供電能力隨自然條件的變化而變化。因此在設(shè)計(jì)蓄電池放電時(shí)間時(shí)要充分考慮到在太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)中蓄電池組每天白天充電夜晚放電的循環(huán)工作特性，而且對(duì)于一些因較長(zhǎng)時(shí)間(如幾十小時(shí))無(wú)日光照射條件下正常工作的電源系統(tǒng)，要求配備較大容量的蓄電池組(或采取其它供電補(bǔ)救方式，如柴油發(fā)電)，以防止蓄電池組因深度放電而對(duì)蓄電池帶來(lái)危害。

2.1.3 蓄電池組放電深度的設(shè)計(jì)依據(jù)

為避免同樣蓄電池的過(guò)放電的情況，就要為蓄電池組確定合理的充放電深度，一般在我國(guó)運(yùn)行的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可采用50%左右的放電深度。

2.1.4 蓄電池組容量的設(shè)計(jì)公式

有了以上的三個(gè)數(shù)據(jù)，我們就可以來(lái)計(jì)算蓄電池容量了，基本公式為：

由此確定蓄電池的容量。其中衰減率及放電終止電壓要參照蓄電池組具體選型參數(shù)及實(shí)際使用情況來(lái)確定。

2.2 光伏系統(tǒng)太陽(yáng)電池容量設(shè)計(jì)

太陽(yáng)電池方陣的容量計(jì)算，就是根據(jù)供電系統(tǒng)中的電壓要求，太陽(yáng)電池分擔(dān)的負(fù)荷電流大小和使用地點(diǎn)的日照條件等情況，計(jì)算出太陽(yáng)電池方陣的總組件數(shù)，并根據(jù)每個(gè)組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的額定功率計(jì)算出方陣的總功率，以便滿足設(shè)計(jì)需要。根據(jù)我國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(YD/T 5040—2005)中的規(guī)定太陽(yáng)電池方陣總?cè)萘靠砂词?1)進(jìn)行計(jì)算：

式中：P——太陽(yáng)電池陣總?cè)萘?，W；

Vp——一個(gè)太陽(yáng)電池組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下取得的工作點(diǎn)電壓，V；

I——負(fù)荷電流，A；

ηb——蓄電池充電安時(shí)效率，鉛蓄電池取ηb=0.84；

T——當(dāng)?shù)啬耆照諘r(shí)數(shù)，h；

V0——每只蓄電池浮充電壓，V；

Nb——每組蓄電池只數(shù)；

Vl——串入太陽(yáng)電池至蓄電池供電回路中的元器件和導(dǎo)線在浮充供電時(shí)引起的壓降，V；

Fc——影響太陽(yáng)電池發(fā)電量的綜合修正系數(shù)，一般取1.2～1.5；

η——根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄刻烊照諘r(shí)數(shù)折合成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光照時(shí)數(shù)所取的光強(qiáng)校正系數(shù)，一般取η=0.6～2.3；

α——一個(gè)太陽(yáng)電池組件中單體太陽(yáng)電池的電壓溫度系數(shù)，為－0.002～－0.002 2 V/℃；

t2——太陽(yáng)電池組件工作溫度，℃；

t1——太陽(yáng)電池標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度，℃；

Nm——一個(gè)太陽(yáng)電池組件中單體太陽(yáng)電池串聯(lián)只數(shù)；

8760 ——平年每年小時(shí)數(shù)，h。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮各種其他影響系統(tǒng)工作效率的因素計(jì)算在內(nèi)，光伏陣列的最大輸出功率約是所有負(fù)載輸入功率總和的3倍左右。這樣就可根據(jù)式(1)來(lái)確定光伏陣列的太陽(yáng)電池組件數(shù)及確定連接方式。

3 通信基站光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)電池組方位角及傾角的設(shè)計(jì)

在光伏供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，光伏組件方陣的放置形式和放置角度對(duì)光伏系統(tǒng)接收到的太陽(yáng)輻射有很大的影響，從而影響到光伏供電系統(tǒng)的發(fā)電能力。因此在設(shè)計(jì)中要合理地確定出兩個(gè)角度參量：太陽(yáng)電池組件傾角，太陽(yáng)電池組件方位角。

太陽(yáng)電池組件方位角是指方陣的垂直面與正南方向的夾角。一般在北半球，太陽(yáng)電池組朝正南(即方陣垂直面與正南的夾角為0°)時(shí)，太陽(yáng)電池組件的發(fā)電量是最大的。

要想合理地設(shè)計(jì)出太陽(yáng)電池組件的傾角，就要計(jì)算斜面上的太陽(yáng)輻射，具體方法請(qǐng)讀者參閱參考文獻(xiàn)[2]進(jìn)行計(jì)算。除此之外，還可以利用上海電力學(xué)院太陽(yáng)能研究所開(kāi)發(fā)的“中國(guó)太陽(yáng)輻射資料庫(kù)”軟件來(lái)進(jìn)行計(jì)算或根據(jù)表1進(jìn)行對(duì)照選擇。

4 通信基站光伏發(fā)電系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)備是構(gòu)成系統(tǒng)的基本要素，設(shè)備的選擇要綜合考慮系統(tǒng)所在地的實(shí)際情況、系統(tǒng)的規(guī)模、客觀的要求等因素來(lái)合理的選擇系統(tǒng)所需要的太陽(yáng)電池組件、蓄電池、逆變器、控制器、電纜、匯流盒、組件支架、柴油機(jī)等。同時(shí)，太陽(yáng)能光伏電站作為三級(jí)防雷建筑物還應(yīng)進(jìn)行防雷和接地設(shè)計(jì) (可參考GB50057-97《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通信基站根據(jù)建設(shè)目的的不同，會(huì)有不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。在設(shè)計(jì)中切實(shí)考察實(shí)際需要，確定了合理的供電方式和功能參數(shù)，在充分體現(xiàn)系統(tǒng)可靠和綠色節(jié)能的前提下，減小通信系統(tǒng)的投資。

同時(shí)，如果通信基站是建設(shè)在太陽(yáng)能和風(fēng)能具有互補(bǔ)性的地區(qū)，可以選擇太陽(yáng)能風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，可彌補(bǔ)單獨(dú)風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電供電可靠性低和造價(jià)高等缺點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。

[1]中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源評(píng)估中心．中國(guó)太陽(yáng)能資源分布圖[EB/OL].[2010-03-02].http://cwera.cma.gov.cn/cn/.

[2]沈輝，曾祖勤．太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：85-100.

[3]李崇建．通信電源技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)量[M]．北京:北京郵電大學(xué)出版社，2008：88-90.