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.docx

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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

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（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﹣48V或﹣24V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，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.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）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/T5040-2005）中的规定太阳电池方阵总容量可按式

（1）进行计算：

（1）

式中，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。

一般为2.30～2.35V（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1.2～1.5；

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～－0.0022V/℃；

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，电池方阵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）来确定电池方阵的太阳能电池组件数及确定连接方式。

在实际的设计工作中，对于电池方阵中的太阳能电池功率，可参考表4.1进行速算。

表4.1全国主要城市每瓦负载平均功耗所需的太阳能电池估算表

全国主要城市每瓦负载平均功耗所需的太阳能电池估算

（太阳能转换效率=13%，填充因子=0.72；安全系数=0.7；续航时间=14天）

地区

年太阳总辐射（MJ/m2）

年日照时数

太阳能电池功率（W）

地区

年太阳总辐射（MJ/m2）

年日照时数

太阳能电池功率（W）

（小时）

（小时）

北京

4896.26

2780.2

20.26

武汉

4465.3

2058.5

22.21

天津

4150.62

2724.3

23.9

长沙

4068.69

1677.2

24.38

石家庄

4701.84

2737.9

21.09

广州

3850.92

1906

25.76

太原

4936.07

2675.7

20.09

南宁

4385.53

1826.9

22.62

呼和浩特

5941.8

2970.5

16.69

海口

5149.23

2239.8

19.26

沈阳

4812.22

2574.1

20.61

重庆

3338.38

1136

29.71

长春

4816.97

2643.6

20.59

成都

3005.38

1228.3

33

哈尔滨

4941.17

2641.1

20.07

贵阳

4262.6

1314

23.27

上海

4667.94

2013.9

21.25

昆明

5442.61

2496.6

18.22

南京

4492.31

2155

22.08

拉萨

7455.61

3007.8

13.3

杭州

4027.89

1903.8

24.62

西安

4232.03

2038.1

23.44

合肥

4525.07

2163.4

21.92

兰州

5041.64

2607.6

19.67

福州

4191.18

1848

23.66

西宁

5607.38

2762

17.69

南昌

4357.92

1903.9

22.76

银川

5683.9

2762

17.45

济南

4541.77

2737.3

21.84

乌鲁木齐

5215.17

2733.7

19.02

郑州

4521.8

2385.2

21.93

2.2太阳能电池方阵方位角和倾角设计

影响太阳能电池方阵发电量的主要因素有日照强度、光谱、温度。

目前，标准太阳能板转换效率的测试条件是：

大气质量AM为1.5，标准光强1000W/m2，温度为25℃。

其中以日照强度的影响更为直接和显著。

1）太阳日照强度对太阳能板阵容量的影响

太阳能电池方阵表面所接受的太阳辐射强度是太阳能板阵容量设计的基础。

然而太阳能是自然能，太阳辐射强度是随时间不断变化的。

因此只能通过相关的气象部门获取数据。

但通常气象部门提供的数据不能直接应用于系统容量计算，需要经过换算。

如一般气象部门提供的日照强度大多为水平面上测得的数据，而在绝大多数情况下，太阳能板阵都是以一定倾角放置的。

因此要将水平面上的数值换算成倾斜面上的日照强度。

又如，太阳能电源系统设计中，常常会用到一个为“日照小时数”的术语，这个术语的含义是：

日照强度为1000W/m2时的日照时间（也称为峰值日照时数）。

这与气象台提供的日照时数不是同一个概念。

2）太阳能电池方阵方位角和倾角的选择

在太阳能光伏电源系统的设计中，光伏电池方阵的放置形式和放置角度对光伏电源系统接收到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏电源系统的发电能力。

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。

确定太阳能板阵最佳倾角，不能简单地根据建设地所在的纬度加上一定度数来确定。

确定最佳倾角应通过分别计算太阳能板阵处于不同倾角时的发电量并对其进行比较，最终使各月接收到的日照强度尽量均匀，以适合系统常年运行的需要。

一般来说，我国境内大部分地区最佳倾角要大于本地区纬度。

在进行倾角设计时，可以参考表4.2进行对照选择。

表4.2我国部分主要城市的斜面最佳辐射倾角

城市

纬度Ф/（°）

最佳角度β/（°）

城市

纬度Ф/（°）

最佳角度β/（°）

哈尔滨

45.68

Ф+3

杭州

30.23

Ф+3

沈阳

43.90

Ф+1

南昌

28.67

Ф+2

长春

41.77

Ф+1

福州

26.08

Ф+4

北京

39.80

Ф+4

济南

36.68

Ф+6

天津

39.10

Ф+5

郑州

34.72

Ф+7

呼和浩特

40.78

Ф+3

武汉

30.63

Ф+7

太原

37.78

Ф+5

长沙

28.20

Ф+6

乌鲁木齐

43.78

Ф+12

广州

23.13

Ф-7

西宁

36.75

Ф+1

海口

20.03

Ф+12

兰州

36.05

Ф+8

南宁

22.82

Ф+5

银川

38.48

Ф+2

成都

30.67

Ф+2

西安

34.30

Ф+14

贵阳

26.58

Ф+8

上海

31.17

Ф+3

昆明

25.02

Ф-8

南京

32.00

Ф+5

拉萨

29.70

Ф-8

合肥

31.85

Ф+9

--

--

3.太阳能蓄电池组容量设计

太阳能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，特别要考虑到光伏电源系统运行最不利的连续阴雨天情况下的电力保证措施。

3.1蓄电池组容量的设计依据

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）蓄电池组放电时间的设计依据

光伏电源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（连续阴雨天气情况下）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。

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。

3.2蓄电池组容量的详细设计方法

蓄电池作为太阳能光伏电源系统的重要组成部分，应特别加以对待。

由于太阳能的安装地点偏僻，运行条件恶劣，太阳能蓄电池每日充放电，应选择充放电特性强的蓄电池产品。

目前在通信领域中使用最多的是阀控式免维护铅酸蓄电池。

阀控式密封蓄电池有2种：

采用超细玻璃纤维隔膜的阀控式密封蓄电池（AGM）;采用胶体电解液的阀控式密封蓄电池。

这2种蓄电池在不同的通信站中都有应用。

1）太阳能系统与普通通信机房蓄电池容量配置的区别

通信机房用蓄电池的事故放电时间一般为10h，光伏电站用蓄电池的事故放电时间一般都在72h以上。

由于二者对放电时间要求不同，因此应根据负载大小以及放电时间分别选用不同类型的蓄电池。

普通通信机房蓄电池运行在一个恒温20～25℃的环境中，且大部分时间处于浮充状态；而太阳能系统中的蓄电池，其运行温度随周围环境温度的变化而变化，并且根据通信基站安装地点的不同，温差范围很大，因此要求太阳能系统中的蓄电池应选用抗高低温特性好的蓄电池。

蓄电池在光伏电源系统中除了具有储能的功能外，还具有一定的系统稳压器功能，普通通信机房蓄电池没有稳压器的功能。

2）蓄电池组容量的计算公式

对于不同类型、不同厂商的蓄电池来说，蓄电池容量的计算方法不尽相同，但都可以总结为：

根据通信负载功率的大小、通信负荷的电压以及所要求的蓄电池自主放电周期来计算容量大小，在此基础上根据选配蓄电池的性能和蓄电池运行的环境条件，通过设置修正系数，最终计算出蓄电池容量，并折算成所选配的标称容量。

有了以上的数据，我们就可以来计算蓄电池容量了，基本公式如式

（1）所示：

（1）

式中，Q：

蓄电池容量，Ah；

P：

功率，W；

T：

放电时间，即连续阴雨天气下的蓄电池连续供电时长，为连续阴雨天数×工作时长，工作时长一般取24h；

fV：

温度折算系数；

fC：

容量补偿系数；

fL：

寿命折算系数（老化系数）；

fE：

放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75；

fM：

极板活化系数，要求的设计环境温度为-27～45℃，fM取1.2；

UN：

太阳能蓄电池个数，一般配置24个。

其中fV、fC、fL、fE、fM这些修正系数应根据实际设计工作中选配的电池厂家所提供的数据来进行计算。

下面简单的以德国HOPPECKE公司提供的OPzV胶体蓄电池容量计算公式为例，进行蓄电池容量计算。

例如，负载为100W的48V系统，考虑连续阴雨天数4天（96h）。

设计环境条件的要求是-27～45℃，且系统设计中蓄电池容量在正常运行10年后仍可以满足自放电率4天的要求。

蓄电池容量计算结果为

式中，温度对蓄电池容量影响比较大，温度为-27～45℃时，温度折算系数fV取1.3；容量补偿系数fC取1.2；寿命折算系数fL取1.2；放电深度fE取0.8；极板活化系数fM在设计环境温度为-27～45℃情况下取1.2。

因此，通过计算可以得到结论：

可若选配电池为德国HOPPECKE公司的OPzV系列胶体电池，则需配置容量为800Ah的蓄电池。

4.太阳能系统控制单元设计原则

太阳能系统控制器是太阳能系统中的核心部件，管理着整个供电系统的运行。

它的性能和可靠性直接影响太阳能系统的性能和使用寿命。

质量优异、功能完善的太阳能控制器不仅能够高效率地转换太阳能，而且能够最大限度地保证蓄电池组正常运行，延长使用期限。

太阳能系统控制器按控制原理可分为脉宽调制式控制和投/切方式控制。

脉宽调制式控制（PWM控制）是按一定的频率，周期性地控制功率元件导通和关断。

这种控制方式是在功率元件导通时将太阳能板阵全部投入系统供电，而在功率元件断开时，将太阳能板阵全部撤出供电系统。

由于开关频率很快，一般为ms级，太阳能系统的电压和电流得到较好的控制，使负载端的电压保持稳定。

脉宽调制式控制器关键部件采用的是功率场效应管，属于半导体器件。

投/切方式控制器则采用分组并联的方式，按系统电压的大小，有次序地逐级投入/撤出太阳能子阵，当电压高时，切断其中的1路或几路太阳能电池板，电压低时，再接通1路或几路太阳能电池同负载（阻性、容性、感性）的需求，增加了设计的灵活性。

太阳能控制系统应具有以下基本功能：

1）监视功能，对系统太阳能子阵、蓄电池、系统电压、有关保险丝、电路断路器的状况进行监视；

2）保护功能

（