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1、太阳能光伏电源系统在通信系统中的应用分析及设计要点林培桂 第二设计院导读：太阳能光伏发电已经成为发展最为迅速的产业之一。目前在电网延伸不到或电网质量不高的地方，利用太阳能光伏发电设备组成的通信电源系统，对解决通信系统的供电发挥着越来越大的作用。通信基站根据不同的建设目的，会有不同的系统设计要求，因此应该在系统设计初期，让设计人员充分了解太阳能光伏电源系统的运行方式和设计要求。本文将从太阳能光伏发电的原理入手，详细介绍通信用太阳能光伏电源系统的系统原理和技术要求，并深入研究通信用太阳能光伏电源系统设计中需要明确和关注的五个方面，即总体设计原则、太阳能极板容量设计、太阳能蓄电池配置、系统控制单元设
2、计和系统保护及防盗安全。本课题的研究旨在让设计人员了解通信用太阳能光伏电源系统的原理和设计要求，并在实际设计工作中参考本课题的一些设计原则和思路，使设计工作达到网络运行商的要求，并保障设计完成的太阳能光伏电源系统能安全、稳定的运行。摘要 分析了太阳能光伏电源系统的结构特点和运行原理，在此基础上深入研究通信用太阳能光伏电源系统设计中需要明确和关注的五个方面，提出了设计原则和思路。关键词 太阳能 光伏发电 电池方阵 蓄电池 控制单元 系统保护一、 引言我国是一个拥有丰富的太阳能资源的国家。图1.1为中国太阳能资源分布图。从图中可知：除贵州高原部分地区外，中国的所有地域均为高太阳能资源区域。而目前我
3、国太阳能的开发利用量还不到可开发量的1/1000。与此同时，随着我国电信事业的迅速发展，通信网络的规模在不断扩大。而目前我国有些偏远地区的基站主要由农电、小水电来支持，甚至有些地区(如某些海岛、戈壁等边远地区)根本没有电力供应。因此对于分布面广，维护工作量大的通信基站来说，太阳能光伏电源系统就成为通信基站供电形式的最佳选择。图1.1 中国太阳能资源分布图二、 通信用太阳能光伏电源系统应用1. 应用前景随着我国经济建设的持续稳定发展以及通信技术的进步，无论是移动通信、微波、广播和电视转发，还是卫星通信，都各自在全国建立了一定数量的通信基站，分别形成了一个覆盖全国的通信网络。通信质量和服务质量的优
4、劣 ，又在很大程度上取决于其网络覆盖范围的大小。因此，各行业为了更好地服务于大众，提高服务质量，都有计划地扩大其网络的覆盖范围、新建基站，开拓投资项目。电力行业采取了一系列措施，新建、改扩建了用于电力通信的微波中继站、换流站、光纤中继站等基站；石油行业为了满足进口渠道向多元化发展 ，在新建多条石油管线的基础上，兴建了许多石油通信基站、阴极保护站、节点清管站等。通信基站的建设已从最初期的城市内建设向城镇乡村发展，在未来的几年，还将更多地向不发达的西部地区、偏远山区发展。这些地区基础设施条件差、供电质量低，一般采用农电、小水电供电，有些地区甚至根本没有电力供应。此外，由于通信基站分布面广，维护工作
5、量大，且不易到达，为满足这种特殊需要，太阳能光伏发电就成为这些通信基站供电的最佳选择，太阳能光伏发电在通信基站供电领域有着广泛的应用前景。2. 供电方式选择通信基站的建设基本包括设备投资(通信设备和供电设备投资)、基础建设投资、工程施工投资等。要保障系统长期可靠地运行，必须要有良好的电源供电保障。对于不同通信基站，其太阳能供电方式大致可归纳为以下几种。(1)独立太阳能方式：对于完全没有电或供电条件差的站，系统设计安全级别要求一般，宜采用独立太阳能供电方式。独立太阳能供电系统的构成如图2.1所示。图2.1 独立太阳能供电系统构成示意图(2)太阳能主用+高频开关电源备用的供电方式：在有市电情况下(
6、包括农电、小水电供电) ，或没有市电而采用油机作为备用电源的基站，系统设计安全级别要求较高或极高，宜采用这种供电方式。太阳能主用+高频开关电源备用的供电系统的构成如图2.2和图2.3所示。图2.2 太阳能-市电互补供电系统构成示意图图2.3 太阳能-油机互补供电系统构成示意图(3)太阳能+风力发电并用方式：对于完全没有电或供电条件差的站，而风力资源比较丰富，系统设计安全级别要求一般，宜采用这种方式。风光互补供电系统的构成如图2.4所示。图2.4 风光互补供电系统构成示意图基站通信设备大多数为直流(+12V、+24V、48V或其他特殊电压等级)供电设备，而太阳能光伏电源系统中，太阳能电池方阵板可
7、以提供或通过串联提供满足这些设备电压要求的直流电。如果设备为交流供电，则可通过增加逆变器来满足负载要求，但需要考虑逆变引起能量损耗的影响。出于减少能源损耗以及减少系统部件，提高系统可靠性的考虑，建议在通信设备的选择上，尽可能采用标准电压等级的直流供电设备。下面就对太阳能光伏电源系统基本组成及工作原理进行详细的阐述。三、 通信用太阳能光伏电源系统的基本组成及工作原理分析太阳能光伏发电是利用将转换效率达18%的太阳能电池方阵通过光生伏打效应将太阳的光能转化为电能后，再由太阳能控制器控制太阳能方阵的投入和撤出产生所需要的电压和电流给蓄电池充电，同时提供给相应的电路或负载用电，并将多余的电能存储在蓄电
8、池中，在夜晚或太阳能电池产生的电力不足时提供备用电源。光伏发电是利用半导体界面的光生伏打效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳能电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。太阳能电池发电原理如图3.1所示。图3.1 太阳能电池发电原理图太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这就是光生伏打效应太阳能电池的工作原理。太阳能光伏电源系统由太阳能电池方阵（包括支架）、蓄电池（组）、控制器（包括稳压装置和配电单元或
9、与其他供电系统的的接口）、逆变器（包括DC/DC和DC/AC两种）等组成。以太阳能主用+高频开关电源备用的供电方式为例，在配置柴油发电机组的情况下，通信基站光伏电源系统的基本构成如图3.1所示。图3.1 通信基站光伏电源系统基本构成图1. 太阳能电池方阵部分太阳能电池方阵是由若干个太阳能电池子阵构成的，每个电池子阵又由若干个太阳能电池组件串联、并联在一起构成。每个太阳能电池组件一般由若干个单体太阳能电池互相串联和必要的封装材料构成。目前常用的太阳能电池组件多为平板式组件。地面用中、小型太阳能电池方阵通常由平板式组件构成，并且多为固定安装、能按季节作向日调整的平面型式。电池方阵将太阳能通过光生伏
10、打效应转换成直流电，再通过变换器为各部分负载供电。由于通信基站的通信设备大多都需要直流48 V 或24 V 的电源供电，因此通过几块光伏阵列板的串联或并联就可以为负载供电。太阳能电池方阵组成部分如图3.2所示。图3.2 太阳能电池方阵及组件2. 太阳能蓄电池组部分主要作用是储备由太阳能转换来的电能，而当光伏发电电能不足时将电能释放出来供负载使用。通信用太阳能光伏电源系统中的蓄电池，其运行温度随周围环境的变化而变化，并且安装地点不同，温差很大，因此要选用抗高低温特性好的蓄电池，同时选配的蓄电池组除具有储能的功能外，还应具备一定的系统稳压器的功能。目前太阳能光伏系统通常使用铅酸蓄电池作为储能电池，
11、铅酸蓄电池是一种免维护蓄电池，其电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。具备耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点，使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。铅酸蓄电池的容量与温度的关系如图3.3所示。图3.3 铅酸蓄电池的容量与温度的关系曲线图蓄电池标称容量是指在25 下的放电容量。在环境温度低于25 时，放电容量下降，尤其是当环境温度低于10时，容量下降是非常明显的。图3.2 曲线给出了温度对储能胶体蓄电池实际容量的影响，此指标并不是固定不变的，如果改进蓄电池工艺，或者寻找到新品种蓄电池，能够提高蓄电池的低温性能。但是温度对储能蓄电池的实际容量总是有影响的，在系统设计过程中务必考虑。3
12、. 太阳能控制器为防止电池方阵对蓄电池组过度充电和蓄电池对负载的过度放电，在太阳能光伏电源系统中应设置相应的控制器。太阳能控制器是对蓄电池进行自动充、放电的控制装置，当蓄电池充满电时，它将自动切断充电回路或将充电转换为浮充电的方式，使蓄电池不致过充电；当蓄电池发生过放电时，它会及时发出报警提示以及相关的保护动作，从而保证蓄电池能够长期可靠的运行。当蓄电池电量恢复后，系统自动恢复正常状态。控制器还具有反向放电保护功能、极性反接电路保护等功能。太阳能控制器是系统的关键控制部件。同时，控制器还具有多种充电接口，便于接入风能发电机、市电、油机，可以根据基站环境提供多种供电解决方案。4. 其他组成部件1
13、）汇流盒汇流盒的作用是将若干组太阳能电池组件产生的电流汇接，并根据控制方式的要求，分成容量不同的等级，配合太阳能控制器对太阳能电池方阵进行控制。2）逆变器逆变器（DC/AC）用于将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成交流电，供给交流负载使用。直流供电系统无须逆变器。如果直流供电系统中有不同的直流负载，如24V负载和12V负载等，则需要考虑配置直流转换器（DC/DC），实现提供负载所需直流电。3）太阳能电池方阵支架支架用于固定和安装太阳能电池板调节倾角以使太阳能板获得最大的太阳辐射。支架有多种形式，如高支架、中支架、低支架和挂墙型支架等，如何选择主要取决于场地环境以及系统用途。在对通信用
14、太阳能光伏电源系统的组成部件及其工作原理有了一定的了解之后，下面将深入研究光伏电源系统的设计原则和设计要点。四、 通信用太阳能光伏电源系统的设计1. 总体设计原则设计一个完善的太阳能光伏电源系统，主要依据相关国际、国家标准和地理、气象等数据，不仅需要充分了解通信设备的功耗、电压等级、工作时间，更需要获得基站建设地点的气象资料，特别是日照强度、环境温度、湿度、风速、雷暴日、沙尘暴天数或台风等情况，根据系统要求的安全级别，进行多种设计，如太阳能板阵容量设计、蓄电池容量设计、防雷接地系统的设计、电气性能设计、系统安全性设计、电磁和静电屏蔽设计、机械结构设计等，其中以太阳能板阵容量设计、蓄电池容量设计
15、更为重要，直接影响系统造价。光伏电源系统的设计总原则，是在保证满足通信设备用电需求的前提下，合理匹配太阳能电池方阵容量与蓄电池容量，以达到系统长期可靠运行的目的，即同时考虑可靠性和经济性。 2. 太阳能电池方阵设计2.1 太阳能电池方阵容量设计太阳电池方阵的容量计算，就是根据供电系统中的电压要求，太阳电池分担的负荷电流大小和使用地点的日照条件等情况，计算出太阳电池方阵的总组件数，并根据每个组件在标准测试条件下的额定功率计算出方阵的总功率，以便满足设计需要。根据我国通信行业标准通信电源设备安装工程设计规范(YD/T 5040-2005)中的规定太阳电池方阵总容量可按式(1)进行计算： (1)式中
16、，P：太阳电池阵总容量,W；Vp：一个太阳电池组件在标准测试条件下取得的工作点电压,V；I：负荷电流，A；b：蓄电池充电安时效率，铅蓄电池取b=0.84；T：当地年日照时数，h；V0：每只蓄电池浮充电压，V。一般为2.302.35V (25)，可取值2.35V；Nb：每组蓄电池只数,一般取24只；Vl：串入太阳电池至蓄电池供电回路中的元器件和导线在浮充供电时引起的压降，V；Fc：影响太阳电池发电量的综合修正系数，一般取1.21.5；：根据当地平均每天日照时数折合成标准测试条件下光照时数所取的光强校正系数，一般取=0.62.3；：一个太阳电池组件中单体太阳电池的电压温度系数，为0.0020.0022 V/；
