边远基站供电解决方案文档格式.docx

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供电解决方案

中国移动为了实现“双领先”战略，尤其在网络方面要领先对手，需要不断地进行网络优化、补建基站。

但在边远的地区如山区、湖泊等地方，市电无法到达或市电施工成本太高时，使用传统的供电方案就无法解决基站的供电了。

此时可考虑采用本课题的供电方案来对基站供电，无需市电供电，并且此方案可以全天候供电，且安装时间较短、投资较少。

传统的供电方案如下：

此方案的优势为：

方案比较成熟，配套设备供应商较多，设备可选择性较强，系统比较稳定。

此方案的缺点为：

市电能正常送达是关键，受供电部门、环境条件制约。

在市电无法正常送达情况下，可考虑采用以下的供电解决方案：

整流器

在传统交流电路无法送到的场所，此方案可以较好地解决了电能输入问题，各分系统的性能在单独章页另行详述。

风能资源是清洁的可再生能源，不消耗任何燃料，也不产生二氧化碳，不污染环境。

风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

中国风能资源居世界第三，已探明理论储量为亿千瓦，可利用开发为亿千瓦，加上近海的风能资源，全国可开发资源在10亿千瓦以上，但已开发的只有千分之二。

过去，由于风能的含能密度低，风向变换不定，风力大小无常，给风能大规模开发带来困难。

现在的新型风轮已能够随着风向的变换和大小随意轻快地转动，风速大小都能正常工作，技术已经相当成熟。

风力发电机组的额定设计风速，考虑到绝大多数地区的年平均风能的具体情况，一般采用低风速型设计方案，具有适应地区广、发电效率高、结构简单、性能可靠、维护方便的特点，稳速机构采用侧偏尾翼方式，整机设计合理、运行平稳、对不同风况适应能力强。

风力发电机组一般包含以下几个组件：

发电机、叶片、导流罩、尾翼、回转体、上立杆、中立杆、下立杆、底座、拉线等。

风力发电机正常使用应注意以下事项：

1、地点选择：

风机应安装在使风能充分利用的地方，且无高大障碍物，使风机四面临风，或者立于小山包之上，或虽处凹地，但形如走廊，总有疾风劲吹而得天独厚。

A 

如需在障碍物附近安装风机，在条件许可的情况下应机尽可能地远离障碍物，以充分利用风能，离障碍物的极距离要求。

（见图）

B 

如在障碍物之上架设风机，风机的安装高度应使风轮的下缘至少高出障碍物的最高点2米。

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。

（如下图）

当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。

然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。

（如下面的两个图所示）

太阳电池组件可组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。

太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。

太阳能电池板的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。

　2.太阳能电池板的种类　

（1）单晶硅太阳能电池　

　目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。

由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

（2）多晶硅太阳能电池　

　多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12％左右（2004年7月1日日本夏普上市效率为%的世界最高效率多晶硅太阳能电池）。

从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。

从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。

　（3）非晶硅太阳能电池　

　非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。

但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

　（4）多元化合物太阳电池　

　多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。

现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：

a）硫化镉太阳能电池

b）砷化镓太阳能电池

c）铜铟硒太阳能电池（新型多元带隙梯度Cu（In,Ga）Se2薄膜太阳能电池）　　　　　　　　　　　　　　

　3.太阳能电池板的使用　

　太阳能电池板采用高晶硅材料制成，并用高强度、透光性能强的太阳能专用钢化玻璃以及高性能、耐紫外线辐射的专用密封材料层压而成的太阳能电池板，能抗冰雪地带。

在温度剧变的恶劣环境下能正常使用，在使用过程中，把太阳能转换成电能；

所以，只要有阳光就可以发电，是一种先进、无污染的环保的高科技产品。

　太阳能安装应注意以下事项：

太阳电池组件工作时其安装方向应保证最大限度地接收日光照射，考虑了一天内阳光入射方向的变化和一年内冬季和夏季太阳距地平线高度的不同。

建议在一般情况下组件应朝赤道方向倾斜安装，即北半球组件受光面应朝向南方，南半球组件受光面应朝向北方。

一般情况下其组件与地面的夹角应参照当地纬度±

（5°

~10°

）。

MPPT（MaximumPowerPointTracker）即峰值功率跟踪器，是太阳能电池发电系统、风力发电系统中的重要部件。

MPPT的作用是使太阳能电池阵列工作在最大输出功率点。

它是高效率的DC／DC变换器，相当于太阳能电池输出端的阻抗变换器。

MPPT是太阳能车、太阳能发电系统、太阳能水泵上常用的功率提升部件。

MPPT能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15％～36％[2]。

众所周知，在确定的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池阵列、风力发电机输出的功率也会变化，但是存在一个最大功率点Pm以及与最大功率点相对应的电压UMp和电流IMD。

当工作环境变化时，特别是日光照度和环境温度变化时，太阳能电池阵列的输出特性曲线也随之变化，与之相对应的最大功率点也随之改变，如图2所示。

通常来讲，太阳能电池输出特性曲线的变化与日光照度的变化是成比例的[1]。

但在实际应用中，日光照度的变化再加上工作温度的变化，使得太阳能电池输出特性的变化很复杂。

同样，当风速发生变化时，风力发电机的转速也发生了变化，风力发电机的最大功率点也随之改变。

上述理论，通俗易懂的可解释为：

发电系统等效为一个有内阻的电压源，内阻受外部因素（如温度、太阳照度、风速等）及内部因素影响而一直变化着，而负载端则为受电源供电电压和外接用户负载影响的可变负载。

简单原理图如下：

如果要想保证负载端一直能得到最大的功率供给，则始终要保证R1=R2。

因此，如何使太阳能、风力发电系统保持在最大功率点，如何合理的对蓄能设备进行充电管理，是本文研究的目的。

在发电系统和蓄能装置之间增加控制器后的系统图如下：

本文所述MPPT是通用性的功率控制器，主要针对于1000W以下的太阳能发电系统、风力发电机系统。

在提高发电效率的同时，可以实现充电限流、停止充电、卸荷、输出稳压等功能。

MPPT根据智能的控制策略判断最大功率点的位置，自动调整发电系统的输出电流，来跟踪最大功率点电压，由此实现MPPT的功能。

因此，MPPT不仅是一个高效率的DC／DC转换器，更是一个智能的控制系统。

2、MPPT的硬件设计

MPPT的硬件结构如图3所示。

MPPT的电压转换器采用BuckDC／DC转换器，以场效应管作为电子开关器件；

采用PWM控制方式，工作频率为20kHz。

在场效应管开关的一个周期内，电感的电流是连续的，则BuckDC／DC转换器的降压比等于PWM控制信号的占空比。

所以MPPT的控制策略是通过调整PWM的占空比D来调整BuckDC／DC转换器的降压比，以达到调整发电设备工作电压为最大功率点（MPP）电压的目的。

电路原理分析：

U2为PIC16C716，自带PWM功能，在20M的主频下，可以产生20KHZ的调制脉冲，并具有A/D功能；

U1为IR2110，是国际整流公司的半桥驱动器件，用来悬浮驱动MOS管；

U3为双运算放大器。

MPPT采用三个单相桥B1、B2、B3来对发电设备的输出交流电进行整流（如不考虑成本，可以选用三相整流桥），经C5滤波变成直流电压，当系统检测正常后，主回路RL1继电器吸合，单片机的9脚产生的PWM脉冲驱动由Q4、D4、L1、C6、C7组成的BuckDC/DC转换器，进行降压处理。

MPPT在检测到电池充电完成后，由U2的8脚输出一个高电平，来驱动Q3，让设备处于卸荷状态，防止“飞车”等情况出现。

当发电设备的输出电压太高或电瓶严重亏电时，可能会出现大电流充电现象。

如使用MPPT后，电池充电电流经R7取样、R13、R14、R15和LM358组成的信号放大器放大后，送至U2的18脚，经A/D转换后，经过逻辑处理可以调小PWM的脉冲宽度，从而达到限流的目的。

为了防止用户在未关闭MPPT情况下，强行拆发电设备的输入线，在Q4全导通情况下再强行接入发电设备的输出线，引起烧毁Q4情况的发生，设计了由R17、R18、R19、R20、LM358组成的比较器电路，如上述情况发生，则强制关闭主回路，从而保护了Q4。

D1、D2、R1、C1组成电源供电回路，经Q1稳压后变成直流12V电源，供给继电器和U1使用；

Q2对12V电源进行降压，变成5V电源，供给U2、U3使用。

3、软件工作原理

MPPT微处理器的工作步骤是：

首先采集MPPT主回路的电压及电流信号，然后根据最大功率点跟踪策略判断最大功率点的位置，确定PWM信号占空比D的值，最后输出PWM信号给驱动电路。

MPPT的软件采用模块化结构，包括初始化、采样、穷举法跟踪、成功失败法跟踪、PWM输出、等模块。

系统程序流程图如图4所示。

4、MPPT最大功率点跟踪策略

因自发电系统随着外界环境的变化，如温度、太阳照度、风速等，发电的最大功率点也一直在变化着，因此控制系统需要一个快速地跟踪、反应算法。

本文中的MPPT跟踪策略为：

首先，在系统启动或重起时，将占空比设定为D=1，采用逐次逼近法尽快找到最大功率点附近的临近点，逐次逼近法的原理为：

以一个固定步长，在固定时间内递减D，若第K+1次调整后的发电系统输出的功率比第K次小，则第K次的Dk值为最大功率点附近的临近点，然后采用遗传法则来快速地稳定到最大功率点。

遗传法则的基本思想是：

每一次调整都根据功率变化率来改变D及△D，若第k次调整中沿某变化趋势调整成功，系统输出功率增大，那么第k+1次则仍沿此方向调整，并根据功率变化率来调整D及△D；

若第k次调整失败，则第k+1次应沿反方向调整。

当风力发电机和太阳能电池板对电池充满后或风力太大后引起风机转速超高，为了保护发电设备，根据国家相应的技术规范，需要对发电设备进行强制卸荷处理，即用重负载加到发电设备的两端，以提供一个电荷泄发回路，强制降底发电端输出电压或降低风机的转速。

如何处理卸荷回路，一直是风力发电、光伏发电的难题，目前通用的处理方法为：

加电阻丝或强制短路，效果均不理想，主要是发热严重或短路电流太大而损坏控制器件。

本课题提出一个新的思路，利用半导体致冷片的发热效应，配以电压换向装置，利用充电满后多余的能量，用半导体致冷片来合理调节边远基站的室内温度，如果设计合理的话，完全可以达到空调的效果。

以下是对半导体致冷片的简介：

半导体致冷片（TE）也叫热电致冷片，是一种热泵，它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无致冷剂污染的场合。

　　半导体致冷片的工作运转是用直流电流，它既可致冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一致冷片上实现致冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理，以下的图就是一个单片的致冷片，它由两片陶瓷片组成，其中间有N型和P型的半导体材料（碲化铋），这个半导体元件在电路上是用串联形式连结组成

　　半导体致冷片的工作原理是：

当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。

吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。

致冷片的性能

在应用致冷片前，要进一步的了解它的性能，实际上致冷片的冷端从周围吸收的热Qπ外，还有两个，一个是焦耳热QJ；

另一个是传导热QK。

电流从元件内部通过就产生焦耳热，焦耳热的一半传到冷端，另一半传到热端，传导热从热端传到冷端。

　　产冷量QC=Qπ-QJ-QK=（2P-2n）.2j2R-K（Th-Tc）

　　式中，R表示一对电偶的总电阻，K是总热导。

　　热端散掉的热Qh=Qπ+Qj-Qk=（2p-2n）.+1/2I2R-K（Th-Tc）

　　从上面两公式中可以看出，输入的电功率恰好就是热端散掉的热与冷端吸收的热之差，这就是“热泵”的一种：

Qh-Qc=I2R=P

　　由上式得出一个电偶在热端放出的热量Qh等于输入电功率与冷端产冷量之和，相反得出冷端产冷量Qc等于热端放出的热量与输入电功率之差。

　　Qh=P+QcQc=Qh-P

致冷片的选择过程

　　半导体致冷应用产品的心脏部分是半导体致冷片，根据半导体温差电堆的特点，弱点及应用范围，选用电堆时首先应确定以下几个问题：

　　1、确定电堆的工作状态。

根据工作电流的方向和大小，就可以决定电堆的致冷，加热和恒温性能，尽管最常用的是致冷方式，但也不应忽视它的致热和恒温性能。

　　2、确定致冷时热端实际温度。

因为电堆是温差片件，要达到最佳的致冷效果，电堆必须安装在一个良好的散热片上，根据散热条件的好坏，决定致冷时电堆热端的实际温度，要注意，由于温度梯度的影响，电堆热端实际温度总是要比散热片表面温度高，通常少则零点几度，多则高几度、十几度。

同样，除了热端存在散热梯度以外，被冷却的空间与电堆冷端之间也存在温度梯度。

　　3、确定电堆的工作环境和气氛。

这包括是工作在真空状况还是在普通大气，干燥氮气，静止或流动空气及周围的环境温度，由此来考虑保温（绝热）措施，并决定漏热的影响。

　　4、确定电堆工作对象及热负载的大小。

除了受热端温度影响以外，电堆所能达到的最低温度或最大温差是在空载和绝热两个条件下确定的，实际上工作的，电堆既不可能真正绝热，也必须有热负载，否则无意义。

　　5、确定致冷片的级数。

电堆级数的选定必须满足实际温差的要求，即电堆标称的温差必须高于实际要求的温差，否则达不到要求，但是级数也不能太多，因为电堆的价格随着级数的增加而大大提高。

　　6、电堆的规格。

选定电堆的级数以后，就可以选定电堆的规格，特别是电堆的工作电流。

因为同时能满足温差及产冷的电堆有好几种，但是由于工作条件不同，通常选用工作电流最小的电堆，因为这时配套电源费用较小，然而电堆的总功率是决定因素，同样的输入电功率减少工作电流就得增加电压（每对元件），因而元件对数就得增加。

　　7、确定电堆的数量。

这是根据能满足温差要求的电堆产冷总功率来决定的，它必须保证在工作温度时电堆产冷量的总和大于工作对象热负载的总功率，否则无法达到要求。

电堆的热惯性非常小，空载下不大于一分钟，但是由于负载的惯性（主要是由于负载的热容量造成的），因此实际要达到设定温度时的工作速度要远远大于一分钟，多时达几小时。

如工作速度要求愈大，电堆的数量也就愈多，热负载的总功率是由总热容量加上漏热量（温度愈低、漏热量愈大）。

　　上述七个方面是选用电堆时考虑的一般原则，根据上述原用户首先应根据需要提出要求来选择致冷片件。

半导体致冷片的散热方式

　　半导体致冷片件的散热是一门专业技术，也是半导体致冷片件能否长期运行的基础。

良好的散热才能获得最低冷端温度的先决条件。

以下就是半导体致冷的几种散热方式：

自然散热、充液散热、强迫风冷散热、真空潜热散热。

半导体致冷器的安装方法

　　致冷器的安装方法一般有三种：

焊接、粘合、螺栓压缩固定。

在生产上具体用那一种方法安装，要根据产品的要求来定，总的来说对于这三种的安装时，首先都要用无水酒精棉，将致冷器件的两端面擦洗干净，储冷板和散热板的安装表面应加工，表面平面度不大于0.03mm，并清洗干净，以下是常用的螺柱压缩固定方法：

　　螺柱压缩固定的安装方法是将致冷器件、储冷板、散热板各安装面均匀的涂上很薄的一层导热硅脂，厚度大约在0.03mm。

然后将致冷器件的热面和散热板的安装面、致冷器件的冷面和储冷板的安装面平行接触，并且轻轻的来回旋转致冷器，挤压过量的导热硅脂，一定要确保各工作面的接触良好，再用螺丝将散热板、致冷器、储冷板三者之间紧固，紧固时用力应均匀，切勿过量或太轻，重了易压坏致冷器件，轻了容易造成工作面不接触。

该安装简单、快速，维修方便，可靠性较高，是目前产品应用中最多的一种安装方法。

　　以上安装方法为了能够达到最佳的致冷效果，储冷板和散热板之间应用隔热材料填充，固定螺丝应用隔热垫圈，为减少冷热交替，储冷板和散热板的尺寸大小取决于冷却方法及冷却功率大小，根据应用情况决定。

下图是一种压缩固定安装方法供用户参考。

温差电致冷组件使用说明　　

本文并首次阐述了在国内具有领先水平的MPPT设计方案和利用剩余能量来调节室内温度的方法，为风力发电和光伏发电探索出一个新的思路。

采用本课题的供电方案，在边远基站的建设上可以不受市电供电条件的限制。

利用本文的方案，可以缩短基站建设工期、降低工程总体成本。

因采用风、光互补发电方式，可以24小时不间断发电，无须另配发电机，发电维护量较少。

如再配以数字微波等无线传送方案，可以真正实现“无线”基站。

综上所述，本文的方案在国内具有领先水平，方案经济合理，可操作性强，具有极高的推广价值。

参考文献：

无