热带季风气候下的太阳能通信设备供电系统

罗舒曼

摘 要热带季风气候的主要贴点是全年高温，降水季节差异大，而通信设备直放站在实际工作过程中需要保证稳定电源的持续供给。由于直放站经常建在国外某些市电未覆盖地区，须采用太阳能供电系统。本文以我司在老挝万象架设的48V20W的光纤太阳能直放站为例进行分析。

【关键词】热带季风 太阳能 通信设备 直放站 供电

1 背景

我司在地處热带季风气候的老挝进行移动信号覆盖工程，当地电网不普及，因此采用的是太阳能独立供电系统，直放站选用的是20W、48V的光纤直放站。热带季风气候的主要特点是全年高温，降水季节差异很大，分旱季和雨季。雨季连绵阴雨、日照时间短、环境湿度大，而旱季阳光强度大、太阳能转化产生的即时电流大，从而给室外直放站通信设备的运行提出了较高的要求。供电系统作为直放站通信设备的心脏，是保证信号畅通、直放站无故障联系工作不掉站的前提，对移动信号覆盖起着至关重要的作用。

2 负载功耗及太阳能板配置

国内也有热带季风气候的地区，但是由于国内电网普及率高，交通便利，光伏系统一般作为市电的补充或者是与柴油发电机配合作为供电电源，太阳能并不独立供电，因此供电时间短，不易出现影响通信设备工作的故障。而老挝作为无市电，交通又不便利的地方，架设电网和远程运送发电机都难以实现，因此太阳能独立不间断工作的稳定性就变得尤为重要。对于独立光伏系统的设计，首先应保证以长期稳定的供电、而不是平均发电量满足供给即可，以保证即使在雨季日照辐射最弱的时候也能正常供电而不折损电池寿命。

负载功耗为直放站设备工作时的耗电量。20W的直放站其消耗的功率在空载和满载时不同，须经实际测量确定：在直放站输出端加上20W、5Ω假负载，将输出信号调至最大后测量，其最大功耗约为120W。

据此可得直放站每日功耗为2880Wh。

太阳能板的标称输出功率值是在标准日照强度达到1KW/m2时的值。在早、晚及阴雨天、阳光不充足时，实际的输出功率并不等于标称值。在热带季风气候地区，旱季阳光充足、日照时间长，雨季则阴雨绵绵、光强较弱，因此应采用“日平均日辐射强度（Daily solar radiation）”作为当地的日照强度参数。从NASA官网查询可知老挝万象年均日辐射强度为4.76KWh/m2/d，即1KW的太阳能板平均每天可发电4.76KWh，远低于每日8小时的日照时间。根据长期稳定供电的需求，取日辐射强度最小月均值，七月，4.13KWh/ m2/d，则太阳能板最低功率应为：

2880Wh/4.13h=698W

考虑线损及控制器的效率，引入校正因子0.7，则太阳能板最低功率应为：

698W/0.7=997W，即1KW

太阳能硅片使用量计算公式如下：

N=（I×H×1.1×1.2）/（h×i）

i=P/U

式中N为太阳能硅片数量，块；I为负载电流，A；H为使用时间，h；1.1为大气层系数；1.2为导线系数；h为日照时间，h；i为充电电流，A；P为单片硅片功率，W；U为硅片电压，V；所以，N=（I×H×1.1×1.2）/（h×i）=（5.4A×24h×1.1×1.2）/（4.13h×3.87A）≈11块，即每台20W太阳能光纤直放站需用硅片11块。

3 太阳能控制器配置

太阳能控制器生产厂家较多，在国内也有成熟运用。但同样的控制器在云南工作两年都未出现问题，在老挝工作时则出现了很高的故障率，平均寿命只有3个月，其配套电池出现失水、膨胀变形，而直放站也频繁出现夜间掉电故障，因此控制器的配置至关重要。太阳能控制器是连接太阳能板、蓄电池和直放站通信设备的纽带，而且供电系统工作状况及使用寿命是由电池决定的，因此太阳能控制器主要作用是保护蓄电池，其参数设定应配合蓄电池的充放电特性曲线。

3.1 充电程序

传统的蓄电池控制器是通过电压值进行阀值控制。然而蓄电池的充放电过程是与电流变化呈正相关的。以12V、100A铅酸电池为例，性能正常的电池充电过程分为两个阶段：第一个是直充阶段，电压从12.25V提升至14.25V，电流从-1.8A提升至15.8A后，维持稳定；第二个是浮充阶段，电压维持在13.45V，电流逐渐下降直至充满。而当电池出现过放的情况时，其充电过程电压是波动的，分为强充、吸收充和浮充三个阶段。强充阶段电压从11.3V提升至14.2V，电流维持在17.8A；吸收充阶段，电压从14.2V回落到14.05V，电流从17.6A降至4A；在浮充阶段，电压维持在13.85V，电流逐渐下降，直至充满。因此，为保证即使蓄电池出现过放后电池电量仍然可以充满，电太阳能控制器应具有强充、吸收充和浮充三种不同的充电程序，根据电池的不同状态进行充电。

3.2 过放保护

蓄电池在充电过程中会分解形成H2和O2，当电池内气压过高时，气体溢出安全阀，形成析气。实验测得，电池在过放后充电，其析气量为1650ml，而未发生过放时，析气量为950ml。一般来说，电池失水达到溶液15%时，电池的寿命就终止了。因此，太阳能控制器应具有过放保护功能。保护电压设定为11.4V，此时电池大致还有15%的容量，电池负极不易形成硫酸铅，造成不可逆转的电池容量缩小和寿命损耗。

3.3 PWM技术

老挝地处热带，光强变化大，太阳能板要在短暂的日照时间内完成负载昼夜不停的用电储备，其产生的即时电流很大、经测试约为16A。大电流的充电下，电池的电压虚高，短时间就会因高压保护而停止充电，但实际上电池并未充入多少电量。而在带载时，电量很快消耗，导致需要蓄电池需要频繁的充电，充放电循环周期大幅缩短，太阳能控制器频繁动作。普通控制器在老挝每天需要进行33次动作，一个雨季后就会达到3000多次，因此太阳能控制器使用寿命在经过一个雨季后就终止。而电池的使用寿命也在三千次循环和过放后提前终止。因此，太阳能控制器应根据电池特性曲线和老挝太阳能板充电电流曲线，引入PWM（脉宽调制）技术，调节PWM占空比，限流并平滑充电电流曲线，最大程度的保护电池和控制器。

3.4 温度补偿

蓄电池在充电到容量80%左右时正极板析出O2，负极板与O2发生氧复活反应，产生热量。随后，氧气发生速度加快，负极板的氧复活速度跟不上，开始产生H2。气体产通过安全阀溢出，电池失水。随着电池循环次数的增加，作为电池最大热容介质的水分减少，电池的热容随之减少，加速升温。而失水后电池隔板收缩，与正负极板间的附着力变差，内阻增大，放热量加大，温度上升，析气点电位降低，加剧温度快速上升，恶性循环，形成“热失控”。当电池温度超过80℃时，外壳出现鼓胀、开裂，金属接头熔化。此外，老挝气候湿热，平均温度较高而电池为了防盗及降温都埋于地下。地下温度低于地表温度，但散热性较差，更增加了热失控几率。因此太阳能控制器须具有温度补偿功能，在电池温度上升时降低充电电流，防止电池过热。

4 系统实施应注意的问题

4.1 蓄电池补电和配组

蓄电池在使用前应进行补电和配组。新电池的容量一般为总容量的50%，会随着存放时间的延长而减少，因此电池在储存一段时间后应进行补电，在使用之前也要进行补电。每个电池充满后的容量存在差异，在不同使用状况后的容量会有不同程度的缩小，内阻也会有不同程度的增大。若一组电池中有一块电池容量和内阻值比其他电池差，在恒压充电条件下，该电池的电压不上升或者上升很慢，其余电池会因充电电压相对过高而发热，产生热失控问题，因此电池组在使用前应进行配组，不能新、旧电池混用，且同組电池的容量和电阻应一致。

4.2 太阳能板安装环境

热带地区雨林茂密，树冠及直放站设备的围栏投射在太阳能板上的阴影，空中掉落的鸟粪以及太阳能板上厚薄不均的灰尘，都会导致太阳能板被遮蔽部分出现热斑效应。热斑效应不仅会消耗太阳能板产生的能量，而且会使太阳能板温度上升甚至烧毁。因此太阳能板应安装在无任何阴影遮蔽的空旷处，并定期清理。

5 结论

该太阳能通信系统在老挝万象开通后实际运行3个月，热带雨林气候环境所产生的问题基本得到解决，电池及控制器工作正常，未出现直放站设备掉站现象。随着东南亚等热带亚热带带地区经济的发展，人们对通信的需求越来越多。太阳能直放站供电系统供电可靠，一次建成后后期维护成本低，在没有市电的欠发达国家和地区是一种很好的解决方案。随着光伏技术的不断成熟，系统对环境适应性的不断增强，未来，太阳能通信设备供电系统将覆盖到更多不同气候特点的地区，为促进当地经济、科学和文化的发展做出巨大的贡献。

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