太阳能光伏通信电源的研究和设计

2010-05-31康洪波路一平

电源技术 2010年7期

康洪波，秦景，路一平，张晔

(1.河北建筑工程学院，河北张家口 075024；2.河北北方学院，河北张家口 075000)

太阳传送到地球上的能量，每40 s就有相当于210亿桶石油的能量，这相当于全球一天所消耗的能源总和；同时，开发和利用丰富广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少的污染；基于以上两点原因，近几年来，世界各国加强了技术的开发，我国政府也提出了10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能能源”，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能作为可再生能源的重点发展项目地位。

我国是一个拥有丰富的太阳能资源的国家。图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。因此，中国是一个拥有丰富的太阳能资源的国家，而目前我国太阳能的开发利用量还不到可开发量的1/1 000。

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，太阳能光伏发电系统就成为通信基站供电形式的最佳选择。

1 通信基站光伏发电系统的基本组成及工作原理分析

通信基站光伏发电系统由如下几部分组成 (如图2所示)。

1.1 太阳能发电模块部分

光伏阵列将太阳能通过光生伏打效应转换成直流电，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。

1.2 蓄电池组模块部分

太阳能通信电源系统的储能单元一般采用铅酸密封阀控式蓄电池组成的电池组，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。

通信基站光伏发电系统中的蓄电池，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。

1.3 光伏控制器

为防止光伏阵列对蓄电池组过度充电和蓄电池对负载的过度放电，在太阳能发电系统中应设置相应的控制器，该控制器除了以上的功能外还可以具备一些蓄电池的维护管理功能。

1.4 柴油机组供电部分

柴油机组供电部分经变流、整流等环节，在主供电方式(太阳能供电)无法满足使用的情况下，为负载供电。

2 通信基站光伏发电系统容量设计

2.1 光伏系统蓄电池组容量设计

蓄电池组的电压及容量的确定取决于通信设备及其他负载的容量，同时容量的选择还根据使用地区的单位面积平均日照能量，每天日照小时数，特别要考虑到光伏发电系统运行最不利的连续阴雨天的电力保证措施。

2.1.1 蓄电池组放电功率的设计依据

计算蓄电池组的容量时首先要根据机房内所有交、直流用电设备的总额定功率 (对交流设备要根据其输入功率因数折算出输入视在功率)计算出用电设备所需要的总功率，这个总功率就是蓄电池组所需要的放电功率。

2.1.2 蓄电池组放电时间的设计依据

光伏发电系统与普通的市电系统最大的不同之处在于供电能力随自然条件的变化而变化。因此在设计蓄电池放电时间时要充分考虑到在太阳能光伏电源系统中蓄电池组每天白天充电夜晚放电的循环工作特性，而且对于一些因较长时间(如几十小时)无日光照射条件下正常工作的电源系统，要求配备较大容量的蓄电池组(或采取其它供电补救方式，如柴油发电)，以防止蓄电池组因深度放电而对蓄电池带来危害。

2.1.3 蓄电池组放电深度的设计依据

为避免同样蓄电池的过放电的情况，就要为蓄电池组确定合理的充放电深度，一般在我国运行的太阳能发电系统可采用50%左右的放电深度。

2.1.4 蓄电池组容量的设计公式

有了以上的三个数据，我们就可以来计算蓄电池容量了，基本公式为：

由此确定蓄电池的容量。其中衰减率及放电终止电压要参照蓄电池组具体选型参数及实际使用情况来确定。

2.2 光伏系统太阳电池容量设计

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：

式中：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；

ηb——蓄电池充电安时效率，铅蓄电池取ηb=0.84；

T——当地年日照时数，h；

V0——每只蓄电池浮充电压，V；

Nb——每组蓄电池只数；

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1.2～1.5；

η——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η=0.6～2.3；

α——一个太阳电池组件中单体太阳电池的电压温度系数，为－0.002～－0.002 2 V/℃；

t2——太阳电池组件工作温度，℃；

t1——太阳电池标准测试温度，℃；

Nm——一个太阳电池组件中单体太阳电池串联只数；

8760 ——平年每年小时数，h。

根据实际经验，考虑各种其他影响系统工作效率的因素计算在内，光伏阵列的最大输出功率约是所有负载输入功率总和的3倍左右。这样就可根据式(1)来确定光伏阵列的太阳电池组件数及确定连接方式。

3 通信基站光伏发电系统太阳电池组方位角及倾角的设计

在光伏供电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接收到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。因此在设计中要合理地确定出两个角度参量：太阳电池组件倾角，太阳电池组件方位角。

太阳电池组件方位角是指方阵的垂直面与正南方向的夹角。一般在北半球，太阳电池组朝正南(即方阵垂直面与正南的夹角为0°)时，太阳电池组件的发电量是最大的。

要想合理地设计出太阳电池组件的倾角，就要计算斜面上的太阳辐射，具体方法请读者参阅参考文献[2]进行计算。除此之外，还可以利用上海电力学院太阳能研究所开发的“中国太阳辐射资料库”软件来进行计算或根据表1进行对照选择。

4 通信基站光伏发电系统的硬件设计

系统设备是构成系统的基本要素，设备的选择要综合考虑系统所在地的实际情况、系统的规模、客观的要求等因素来合理的选择系统所需要的太阳电池组件、蓄电池、逆变器、控制器、电缆、汇流盒、组件支架、柴油机等。同时，太阳能光伏电站作为三级防雷建筑物还应进行防雷和接地设计 (可参考GB50057-97《建筑防雷设计规范》)。