太陽能光伏通信電源的研究和設計

康洪波，秦 景，路一平，張 曄

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

太陽傳送到地球上的能量，每40 s就有相當于210億桶石油的能量，這相當于全球一天所消耗的能源總和；同時，開發和利用豐富廣闊的太陽能，可以對環境不產生或產生很少的污染；基于以上兩點原因，近幾年來，世界各國加強了技術的開發，我國政府也提出了10條對策和措施，明確要“因地制宜地開發和推廣太陽能能源”，制定了《中國21世紀議程》，進一步明確了太陽能作為可再生能源的重點發展項目地位。

我國是一個擁有豐富的太陽能資源的國家。圖1為中國太陽能資源分布圖。從圖中可知：除貴州高原部分地區外，中國的所有地域均為高太陽能資源區域。因此，中國是一個擁有豐富的太陽能資源的國家，而目前我國太陽能的開發利用量還不到可開發量的1/1 000。

與此同時，隨著我國電信事業的迅速發展，通信網絡的規模在不斷擴大。而目前我國有些偏遠地區的基站主要由農電、小水電來支持，甚至有些地區(如某些海島、戈壁等邊遠地區)根本沒有電力供應。因此對于分布面廣，維護工作量大的通信基站來說，太陽能光伏發電系統就成為通信基站供電形式的最佳選擇。

1 通信基站光伏發電系統的基本組成及工作原理分析

通信基站光伏發電系統由如下幾部分組成 (如圖2所示)。

1.1 太陽能發電模塊部分

光伏陣列將太陽能通過光生伏打效應轉換成直流電，通過變換器為各部分負載供電。由于通信基站的通信設備大多都需要直流－48 V或－24 V的電源供電，因此通過幾塊光伏陣列板的串聯或并聯就可以為負載供電。

1.2 蓄電池組模塊部分

太陽能通信電源系統的儲能單元一般采用鉛酸密封閥控式蓄電池組成的電池組，主要作用是儲備由太陽能轉換來的電能，而當光伏發電電能不足時將電能釋放出來供負載使用。

通信基站光伏發電系統中的蓄電池，其運行溫度隨周圍環境的變化而變化，并且安裝地點不同，溫差很大，因此要選用抗高低溫特性好的蓄電池，同時選配的蓄電池組除具有儲能的功能外，還應具備一定的系統穩壓器的功能。

1.3 光伏控制器

為防止光伏陣列對蓄電池組過度充電和蓄電池對負載的過度放電，在太陽能發電系統中應設置相應的控制器，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管理功能。

1.4 柴油機組供電部分

柴油機組供電部分經變流、整流等環節，在主供電方式(太陽能供電)無法滿足使用的情況下，為負載供電。

2 通信基站光伏發電系統容量設計

2.1 光伏系統蓄電池組容量設計

蓄電池組的電壓及容量的確定取決于通信設備及其他負載的容量，同時容量的選擇還根據使用地區的單位面積平均日照能量，每天日照小時數，特別要考慮到光伏發電系統運行最不利的連續陰雨天的電力保證措施。

2.1.1 蓄電池組放電功率的設計依據

計算蓄電池組的容量時首先要根據機房內所有交、直流用電設備的總額定功率 (對交流設備要根據其輸入功率因數折算出輸入視在功率)計算出用電設備所需要的總功率，這個總功率就是蓄電池組所需要的放電功率。

2.1.2 蓄電池組放電時間的設計依據

光伏發電系統與普通的市電系統最大的不同之處在于供電能力隨自然條件的變化而變化。因此在設計蓄電池放電時間時要充分考慮到在太陽能光伏電源系統中蓄電池組每天白天充電夜晚放電的循環工作特性，而且對于一些因較長時間(如幾十小時)無日光照射條件下正常工作的電源系統，要求配備較大容量的蓄電池組(或采取其它供電補救方式，如柴油發電)，以防止蓄電池組因深度放電而對蓄電池帶來危害。

2.1.3 蓄電池組放電深度的設計依據

為避免同樣蓄電池的過放電的情況，就要為蓄電池組確定合理的充放電深度，一般在我國運行的太陽能發電系統可采用50%左右的放電深度。

2.1.4 蓄電池組容量的設計公式

有了以上的三個數據，我們就可以來計算蓄電池容量了，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及實際使用情況來確定。

2.2 光伏系統太陽電池容量設計

太陽電池方陣的容量計算，就是根據供電系統中的電壓要求，太陽電池分擔的負荷電流大小和使用地點的日照條件等情況，計算出太陽電池方陣的總組件數，并根據每個組件在標準測試條件下的額定功率計算出方陣的總功率，以便滿足設計需要。根據我國通信行業標準《通信電源設備安裝工程設計規范》(YD/T 5040—2005)中的規定太陽電池方陣總容量可按式(1)進行計算：

式中：P——太陽電池陣總容量，W；

Vp——一個太陽電池組件在標準測試條件下取得的工作點電壓，V；

I——負荷電流，A；

ηb——蓄電池充電安時效率，鉛蓄電池取ηb=0.84；

T——當地年日照時數，h；

V0——每只蓄電池浮充電壓，V；

Nb——每組蓄電池只數；

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

Fc——影響太陽電池發電量的綜合修正系數，一般取1.2～1.5；

η——根據當地平均每天日照時數折合成標準測試條件下光照時數所取的光強校正系數，一般取η=0.6～2.3；

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

t2——太陽電池組件工作溫度，℃；

t1——太陽電池標準測試溫度，℃；

Nm——一個太陽電池組件中單體太陽電池串聯只數；

8760 ——平年每年小時數，h。

根據實際經驗，考慮各種其他影響系統工作效率的因素計算在內，光伏陣列的最大輸出功率約是所有負載輸入功率總和的3倍左右。這樣就可根據式(1)來確定光伏陣列的太陽電池組件數及確定連接方式。

3 通信基站光伏發電系統太陽電池組方位角及傾角的設計

在光伏供電系統的設計中，光伏組件方陣的放置形式和放置角度對光伏系統接收到的太陽輻射有很大的影響，從而影響到光伏供電系統的發電能力。因此在設計中要合理地確定出兩個角度參量：太陽電池組件傾角，太陽電池組件方位角。

太陽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，太陽電池組朝正南(即方陣垂直面與正南的夾角為0°)時，太陽電池組件的發電量是最大的。

要想合理地設計出太陽電池組件的傾角，就要計算斜面上的太陽輻射，具體方法請讀者參閱參考文獻[2]進行計算。除此之外，還可以利用上海電力學院太陽能研究所開發的“中國太陽輻射資料庫”軟件來進行計算或根據表1進行對照選擇。

4 通信基站光伏發電系統的硬件設計

系統設備是構成系統的基本要素，設備的選擇要綜合考慮系統所在地的實際情況、系統的規模、客觀的要求等因素來合理的選擇系統所需要的太陽電池組件、蓄電池、逆變器、控制器、電纜、匯流盒、組件支架、柴油機等。同時，太陽能光伏電站作為三級防雷建筑物還應進行防雷和接地設計 (可參考GB50057-97《建筑防雷設計規范》)。

5 結束語

通信基站根據建設目的的不同，會有不同的系統設計要求。在設計中切實考察實際需要，確定了合理的供電方式和功能參數，在充分體現系統可靠和綠色節能的前提下，減小通信系統的投資。

同時，如果通信基站是建設在太陽能和風能具有互補性的地區，可以選擇太陽能風能互補發電系統，可彌補單獨風力和太陽能發電供電可靠性低和造價高等缺點，其應用領域更為廣泛。

[1]中國氣象局風能太陽能資源評估中心．中國太陽能資源分布圖[EB/OL].[2010-03-02].http://cwera.cma.gov.cn/cn/.

[2]沈輝，曾祖勤．太陽能光伏發電技術[M]．北京：化學工業出版社，2005：85-100.

[3]李崇建．通信電源技術、標準及測量[M]．北京:北京郵電大學出版社，2008：88-90.