簡介
通信基站分布廣泛，供電環境複雜，大多地處無法接入市電、市電不穩定或市電費用比較昂貴的地方，如海島、邊遠地區等。對於這些場合，採用光伏供電作為保障性供電成為首選。另外，可將太陽能光伏供電作為節能能源直接套用在有市電的基站機房（即光電互補系統），當日照正常時，最大程度利用太陽能給機房供電，當日照較弱時，採用市電保障供電。從 2011 年下半年以來，隨著光伏組件價格不斷下滑，對於下游廠家（如通信基站建站）投資成為很好的契機。在原有基站已有市電供電的情況下，合理配置光電互補系統，將光伏供電作為節能的方式成為可能
原理及組成
基本原理
太陽能光伏發電系統基本原理
1.1 獨立太陽能光伏發電系統
獨立太陽能光伏發電系統是太陽能發電孤島運行模式，即光伏輸出電能不併入交流電網，直接為負載供電或者直接為蓄電池充電，由蓄電池為負載供電。獨立發電系統主要由太陽能電池陣列、最大功率控制器、蓄電池、負載和其他輔助器件組成。太陽能電池陣列將太陽能轉換為電能，光伏陣列輸出的功率和其輸出的電流和電壓有關係，不同電流電壓對應的功率不相等，為了使光伏陣列輸出最大功率，需要光伏最大功率控制器，控制光伏陣列輸出最大功率。蓄電池可以將太陽能電池陣列輸出的電能儲存起來，在電力不足時，有蓄電池為負載供電。
1.2 光伏組件
光伏組件是由很多個晶體矽電池進行單體串聯、並聯，並且嚴格組裝並密封而成的，原理是利用光入射到半導體時所引起的光電效應，可以用 PN結的原理進行簡單的說明，當少子進入 PN 結時，空穴會向 P 型半導體運動，電子則向 N 型半導體方向移動，並且分別聚集在半導體的兩級的部分，即正電荷與負電荷分別聚集於其兩端，如果把這兩級用導線連線起來，就會有電荷流動就會產生電能。
基站組成
1.太陽能光伏供電系統原理及組成
通信用太陽能光伏供電系統，是由太陽能光伏電池方陣、蓄電池組、太陽能控制器、高頻開關電源、直流配電單元等設備組成。其各部分設備的作用分析如下：
（1）太陽能光伏電池方陣組
在有光照情況下，光伏電池吸收光能，電池兩端出現異號電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光生伏打效應”。在“光生伏打效應”的作用下，太陽能電池兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，它是能量轉換的器件。太陽能光伏電池一般為矽光電池，分為單晶矽太陽能光伏電池、多晶矽太陽能光伏電池和非晶矽太陽能光伏電池 3 種。
（2）蓄電池組
蓄電池組的作用是貯存太陽能光伏電池方陣受光照時發出的電能，並可隨時向負載供電。太陽能光伏電池發電對所用蓄電池組的基本要求是：自放電率低；使用壽命長；深放電能力強；充電效率高；少維護或免維護；工作溫度範圍寬；價格低廉。目前，我國與太陽能光伏發電系統配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池。配套 200Ah 以上的鉛酸蓄電池，一般選用固定式或工業密封式免維護鉛酸蓄電池，每隻蓄電池的額定電壓為 2VDC；配套 200Ah 以下的鉛酸蓄電池，一般選用小型密封免維護鉛酸蓄電池，每隻蓄電池的額定電壓為 12VDC。
（3）控制器以太陽能光伏電池方陣組件產生的直流電做為輸入，太陽能控制器轉換後輸出穩定的通信用 48 VDC 直流電。通信用太陽能控制器一般分為以下兩種：
① 投切型通過對太陽能光伏電池組的投入和切換，輸出相對穩定的直流電壓，能自動對蓄電池進行充放電管理，防止蓄電池過充電和過放電的設備。
嵌入模組和MPPT模組② MPPT 型具備 MPPT（最大功率點跟蹤）功能 的模組化太陽能控制器。因為 MPPT 型效率更高，現在的趨勢是主要採用 MPPT型太陽能控制器。
（4）高頻開關電源將交流市電轉換為通信用 48 VDC 直流電，並對蓄電池進行管理。
（5）直流配電主要作用是對各通信設備或其它用途的設備提供獨立的輸出分路，每路均裝有空開或熔絲用作過流保護和開關。根據負載的重要性，又分成重要負載和次要負載兩部分，在電池放電時，為了保證重要負載供電，當電池放到某一程度時切斷次要負載供電，使重要負載有更長的供電時間；當電池深度放電時則切斷重要負載，以防止電池過度放電而損壞。
2.通信基站的負載構成
通信基站的負載主要由通信設備和輔助設備構成，主要包括：信號發射台、接收器、機房冷卻系統、備用電源、照明系統等。根據基站負載功率大小，可以將通信基站分為以下兩種。
1）宏基站。負載功率較大，用傳統 48V 直流電源供電。
2）微基站、直放站、室內分布、拉遠站。負載功率較小，用交流 220 V 電源供電。負載大的通信基站一般在室內的基站業務量比較大，負載也大一些，一般在 70 A 到 100 A 左右。如果單用太陽能供電的話，需要太陽能電池板數量過多，占地面積過大，成本過高不夠經濟，所以不建議使用太陽能光伏發電。
3.光電互補電源系統
光電互補系統組成光電互補系統是採用市電和太陽能光伏系統對基站進行供電的系統。當日照充足時，太陽能控制器充分利用太陽能光伏電源對負載進行供電，同時對蓄電池進行充電。當日照不足時，蓄電池放電，對負載進行供電。當蓄電池容量下降到一定程度時，啟動通信電源，利用市電給負載供電，同時給蓄電池供電。一旦蓄電池充滿或日照條件恢復到可以採用太陽能給負載進行供電時，則通信電源關閉，最大限度地利用太陽能供電。同時，太陽能光伏電源系統具有過壓、欠壓和過流保護及防雷裝置，以保護通信設備和蓄電池免遭雷擊，維護系統設備的安全使用。
1.供電方式
根據基站的特點和基站的種類，採用不同電源為基站供電，供電方式分為以下幾種：
1）獨立太陽能供電。只採用太陽能光伏陣列為負載供電，主要套用在沒有電力供應的偏遠地區，如山區和海島，這種基站要求光伏陣列輸出功率較大，可以滿足各種天氣變化。
2）太陽能供電為主並配備高頻開關電源供電方式。此種方式供電安全級別較高，一般配以柴油機或者是電作為備用的電源，適用於比較重要的基站。
3）風光互補供電。主要用在風力資源和太陽能資源很好且電力供應較差的地區，由風能和太陽能同時或者分時為基站負載供電，提高供電可靠性。
4）高頻開關電源供電方式。電力供應充沛的地區，大部分基站採用這種供電方式，配套的不間斷電源可以保證基站全天不間斷運行
設計原則
設計一個完善的獨立光伏發電系統 ,主要依據相關國際、國家標準和地理、氣象等數據 ,不僅需要充分了解通信設備的功耗 、電壓等級、工作時間,更需要獲得基站建設地點的氣象資料 ,特別是日照強度、環境溫度、濕度、風速 、雷暴日、沙塵暴天數或颱風等情況, 根據系統要求的安全級別, 進行多種設計,如太陽能板陣容量設計、蓄電池容量設計 、防雷接地系統的設計 、電氣性能設計、系統安全性設計 、電磁和靜電禁止設計 、機械結構設計等, 其中以太陽能板陣容量設計 、蓄電池容量設計更為重要 ,直接影響系統造價 。光伏發電系統的設計總原則, 是在保證滿足通信設備用電需求的前提下 ,合理匹配太陽能板陣容量與蓄電池容量, 以達到系統長期可靠運行的目的,即同時考慮可靠性和經濟性。
(1)影響太陽能板陣容量設計的因素及設計
太陽能電池板是太陽能系統中重要的發電部分,直接將太陽光能轉換為電能, 即使在環境極端惡劣條件下, 依然可以穩定、可靠地發電。這種從光到電的轉換過程是無噪聲、無化學能源損耗 、不存在自身損耗的發電 ,也不產生有害物質 , 對環境沒有任何污染和改變 。影響太陽能板陣發電量的主要因素有日照強度 、光譜 、溫度 。 目前 , 標準太陽能板轉換效率的測試條件是 :大氣質量 AM為 1.5, 標準光強 1 000 W/m2,溫度為 25 ℃。其中以日照強度的影響更為直接和顯著 。
1)太陽日照強度對太陽能板陣容量的影響
太陽能板陣表面所接受的太陽輻射強度是太陽能板陣容量設計的基礎 。然而太陽能是一個自然能 ,太陽輻射強度是隨時間不斷變化的 。因此只能通過相關的氣象部門獲取數據。但通常氣象部門提供的數據不能直接套用於系統容量計算 ,需要經過換算。如一般氣象部門提供的日照強度大多為水平面上測得的數據 , 而在絕大多數情況下, 太陽能板陣都是以一定傾角放置的 。因此要將水平面上的數值換算成傾斜面上的日照強度。 又如,太陽能系統設計中, 常常會用到一個為“日照小時數 ”的術語, 這個術語的含義是 :日照強度為 1 000 W/m2時的日照時間 (也稱為峰值日照時數)。這與氣象台提供的日照時數不是同一個概念。
2)太陽能板陣傾角的選擇
確定太陽能板陣最佳傾角 ,不能簡單地根據建設地所在的緯度加上一定度數來確定。確定最佳傾角應通過分別計算太陽能板陣處於不同傾角時的發電量並對其進行比較 ,最終使各月接收到的日照強度儘量均勻 ,以適合系統常年運行的需要 。一般來說,我國境內大部分地區最佳傾角要大於本地區緯度 。
(2)專用設計軟體
一般太陽能方陣的設計是採用專業設計軟體來完成的,軟體資料庫中包含了氣象參考站點 10年的氣象數據。軟體根據建站地點以及當地氣象部門提供的本地氣象數據, 比對、選擇資料庫中的參考點 ,結合負荷及供電要求進行計算。系統設計軟體的可靠性和實用性是太陽能系統設計的關鍵。在設計過程中,應充分考慮以下因素 。
1)根據客戶不同要求進行系統設計
一般採用最佳化的經濟可靠的系統設計 ,即太陽能板陣發電量不僅能夠滿足負載的需要, 同時能夠為蓄電池充電,且保證蓄電池容量總是 100%。
2)根據通信套用領域進行專業化系統設計
通信領域包括:電信基站、導航基站、陰保站、電力傳輸通信站、衛星地面中心站以及 VSAT站等。
3)根據建站當地的地理 、氣象等方面的因素設計
其中包括當地的月太陽輻射強度總量 、當地的月最高氣溫 、最低氣溫 、地面反射係數 、大氣潔淨程度等因素。
4)了解負載電壓等級, 進行具體設計
如系統中另外包含其他直流電壓等級負載 ,可以採用 DC/DC變換器。如系統中有交流負載 ,可以增加 DC/AC逆變器。但是對於這些變換設備,都需要考慮能量變換損失 。
5)系統損耗的設計
系統損耗包括設計自身損耗的控制, 控制器自身功耗 、線損 (匯流盒到控制器及蓄電池到控制器的線損 )、防反壓二極體的損耗等。
6)蓄電池容量設計
根據蓄電池實際運行溫度來進行蓄電池容量設計 ,以保證蓄電池可以正常運行在溫差範圍較大的最惡劣溫度環境下 ,並滿足系統對蓄電池運行壽命的要求。
7)確定最佳傾角
計算太陽能板在不同傾角的發電量 ,並最佳化最終設計,確定最佳的傾角 。
8)結果
生成 1份形象的發電量與放電量的趨勢圖表 ,供設計人員參考 ,也可用於對太陽能系統的評估。
(3)蓄電池容量設計原則
蓄電池作為太陽能電源系統的重要組成部分 ,應特別加以對待 。由於太陽能的安裝地點偏僻,運行條件惡劣 ,太陽能蓄電池每日充放電, 應選擇充放電特性強的蓄電池產品 。目前在通信領域中使用最多的是閥控式免維護鉛酸蓄電池。閥控式密封蓄電池有 2種 :採用超細玻璃纖維隔膜的閥控式密封蓄電池 (AGM);採用膠體電解液的閥控式密封蓄電池。這 2種蓄電池在不同的通信站中都有套用 。
1)太陽能系統與普通通信機房蓄電池容量配置的區別
通信機房用蓄電池的事故放電時間一般為 1 ～10 h,光伏電站用蓄電池的事故放電時間一般都在72 h以上。由於二者對放電時間要求不同, 因此應根據負載大小以及放電時間分別選用不同類型的蓄電池。普通通信機房蓄電池運行在一個恆溫 20 ～ 25 ℃的環境中, 且大部分時間處於浮充狀態;而太陽能系統中的蓄電池 ,其運行溫度隨周圍環境溫度的變化而變化, 並且根據通信基站安裝地點的不同 ,溫差範圍很大 ,因此要求太陽能系統中的蓄電池應選用抗高低溫特性好的蓄電池。蓄電池在光伏電站系統中除了具有儲能的功能外 ,還具有一定的系統穩壓器功能, 普通通信機房蓄電池沒有穩壓器的功能。
2)蓄電池容量計算
對於不同類型 、不同廠商的蓄電池來說 ,蓄電池容量的計算方法不盡相同, 但都可以總結為 :根據通信負荷的大小、通信負荷的電壓以及所要求的蓄電池自主放電周期來計算容量大小,在此基礎上根據選配蓄電池的性能和蓄電池運行的環境條件 ,通過設定修正係數 , 最終計算出蓄電池容量 , 並折算成所選配的標稱容量(如 C10)。下面以德國 HOPPECKE公司提供的 OPzV膠· 設計與開發· 楊曉宇, 等 通信基站太陽能供電系統設計 · 49·體蓄電池容量計算公式為例 ,進行蓄電池容量計算。例如,負載為 100 W的 24 V系統 ,考慮連續陰雨天數 3天(72 h)。設計環境條件的要求是 -27 ～45 ℃,且系統設計中蓄電池容量在正常運行 10年後仍可以滿足自放電率 3天的要求。蓄電池 C10容量計算原則為C10 =P×T×fV ×fC ×fL/UN /fE/fM (1)式中 C10為所選電池的容量;P為功率 ;T為放電時間;fV為溫度折算係數 , 溫度對蓄電池容量影響比較大 ,溫度為 -27 ～ 45℃時, fV取 1.3;fC為容量補償係數,取 1.2;fL為壽命折算係數(老化係數 ),取 1.2;fE為放電深度 ,取 0.8;fM為極板活化係數,要求的設計環境溫度為 -27 ～ 45 ℃, fM取 1.2。將上述所確定的係數代入 C10公式 , 即可得出相應的蓄電池 C10容量C10 =100 ×72 ×1.3 ×1.2 ×1.2 /24/0.8/1.2 =585 Ah可以得到結論:可採用德國 HOPPECKE公司OPzV系列膠體電池 600 Ah(C10 )蓄電池。
(4)太陽能系統控制單元設計原則
太陽能系統控制器是太陽能系統中的核心部件 ,管理著整個供電系統的運行 。它的性能和可靠性直接影響太陽能系統的性能和使用壽命。質量優異、功能完善的太陽能控制器不僅能夠高效率地轉換太陽能 ,而且能夠最大限度地保證蓄電池組正常運行 ,延長使用期限 。太陽能系統控制器按控制原理可分為脈寬調製式控制和投 /切方式控制 。
脈寬調製式控制 (PWM控制 )是按一定的頻率 ,周期性地控制功率元件導通和關斷。這種控制方式是在功率元件導通時將太陽能板陣全部投入系統供電,而在功率元件斷開時, 將太陽能板陣全部撤出供電系統 。由於開關頻率很快 ,一般為 ms級 ,太陽能系統的電壓和電流得到較好的控制, 使負載端的電壓保持穩定 。脈寬調製式控制器關鍵部件採用的是功率場效應管,屬於半導體器件 。
投 /切方式控制器則採用分組並聯的方式, 按系統電壓的大小, 有次序地逐級投入 /撤出太陽能子陣, 當電壓高時 , 切斷其中的 1路或幾路太陽能電池板 ,電壓低時 , 再接通 1路或幾路太陽能電池板 。通過這樣的方式保證輸出到負載端的太陽能電能維持穩定。投 /切方式控制器的關鍵部件是水銀繼電器,該產品可以在極其惡劣的溫度 、灰塵和濕度條件下完成各種類型的套用。其優點是可靠性高、壽命長 、結構密封、內電阻較低, 可以滿足不同負載(阻性 、容性 、感性 )的需求, 增加了設計的靈活性,高溫環境下功率損耗低,無靜音操作 。
控制系統應具有以下基本功能 :
1)監視功能 , 對系統太陽能子陣、蓄電池、系統電壓、有關保險絲 、電路斷路器的狀況進行監視 ;
2)報警功能 ,一旦電源系統出現異常 , 電池狀態改變,通過 LED可在本地顯示報警;通過 RS-232及繼電器無源觸點輸出到遠方報警 ;
3)測量功能 ,對系統的電壓、電流和蓄電池電壓、電流進行測量;通過溫度感測器測定環境和蓄電池溫度, 並在液晶屏上顯示上述數據;
4)蓄電池日常維護和管理功能 , 對蓄電池的正常運行進行管理和維護 ;
5)遙測 、遙信、遙控和遙調功能 , 將 RS-232接口作為通信規約的入口通道 ,完成本地或遠端集中監控。
(5)系統防雷接地 、浪涌保護設計原則
太陽能系統的防雷要符合相關標準 ,並在以下幾個方面採取措施。
1)室外的太陽能支架本身是金屬結構, 是良好的導電體 ,每一組支架與防雷地排要有可靠的接地保護連線 。
2)匯流盒本身應具備良好的防雷功能, 其箱體與防雷地排也應有可靠的接地保護連線,以確保防雷安全。
3)控制器本身具備良好的防雷保護措施 。匯流盒與控制器之間的連線線纜, 應採用鎧裝電纜 ,並在室外與接地排相接。此外浪涌保護裝置 、繼電器和熔斷器等防護措施必不可少。
套用舉例
“金太陽工程”為玉樹建設 10 座太陽能通訊基站
太陽能通訊基站本報訊 （通訊員/劉鵬） 近日，來往於大阪山的人會發現，在深山峽谷地區，也能收到手機訊號；民和回族土族自治縣中川鄉朱家村朱家寺的屋頂也全被彩燈裝飾起來了，到了夜晚，流光溢彩，分外明亮……這些都得益於“國家金太陽示範工程”在我省的實施。近日，中興能源有限公司和中國通信服務青海公司在“國家金太陽示範工程”中聯合為玉樹建設 10 座太陽能通訊基站，解決部分地區通訊信號覆蓋問題。
