太陽能光伏電源系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、太陽能光伏電源系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)太陽能光伏電源系統(tǒng)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)林培桂 第二設(shè)計(jì)院導(dǎo)讀：太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為發(fā)展最為迅速的產(chǎn)業(yè)之一。目前在電網(wǎng)延伸不到或電網(wǎng)質(zhì)量不高的地方，利用太陽能光伏發(fā)電設(shè)備組成的通信電源系統(tǒng)，對(duì)解決通信系統(tǒng)的供電發(fā)揮著越來越大的作用。通信基站根據(jù)不同的建設(shè)目的，會(huì)有不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因此應(yīng)該在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，讓設(shè)計(jì)人員充分了解太陽能光伏電源系統(tǒng)的運(yùn)行方式和設(shè)計(jì)要求。本文將從太陽能光伏發(fā)電的原理入手，詳細(xì)介紹通信用太陽能光伏電源系統(tǒng)的系統(tǒng)原理和技術(shù)要求，并深入研究通信用太陽能光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要明確和關(guān)注的五個(gè)方面，即總體設(shè)計(jì)原則、太

2、陽能極板容量設(shè)計(jì)、太陽能蓄電池配置、系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)和系統(tǒng)保護(hù)及防盜安全。本課題的研究旨在讓設(shè)計(jì)人員了解通信用太陽能光伏電源系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)要求，并在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中參考本課題的一些設(shè)計(jì)原則和思路，使設(shè)計(jì)工作達(dá)到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行商的要求，并保障設(shè)計(jì)完成的太陽能光伏電源系統(tǒng)能安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。摘要 分析了太陽能光伏電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行原理，在此基礎(chǔ)上深入研究通信用太陽能光伏電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要明確和關(guān)注的五個(gè)方面，提出了設(shè)計(jì)原則和思路。關(guān)鍵詞 太陽能 光伏發(fā)電 電池方陣 蓄電池 控制單元 系統(tǒng)保護(hù)一、 引言我國是一個(gè)擁有豐富的太陽能資源的國家。圖1.1為中國太陽能資源分布圖。從圖中可知：除貴州高原部分地

3、區(qū)外，中國的所有地域均為高太陽能資源區(qū)域。而目前我國太陽能的開發(fā)利用量還不到可開發(fā)量的1/1000。與此同時(shí)，隨著我國電信事業(yè)的迅速發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大。而目前我國有些偏遠(yuǎn)地區(qū)的基站主要由農(nóng)電、小水電來支持，甚至有些地區(qū)(如某些海島、戈壁等邊遠(yuǎn)地區(qū))根本沒有電力供應(yīng)。因此對(duì)于分布面廣，維護(hù)工作量大的通信基站來說，太陽能光伏電源系統(tǒng)就成為通信基站供電形式的最佳選擇。圖1.1 中國太陽能資源分布圖二、 通信用太陽能光伏電源系統(tǒng)應(yīng)用1. 應(yīng)用前景隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展以及通信技術(shù)的進(jìn)步，無論是移動(dòng)通信、微波、廣播和電視轉(zhuǎn)發(fā)，還是衛(wèi)星通信，都各自在全國建立了一定數(shù)量的通信基站，分別形

4、成了一個(gè)覆蓋全國的通信網(wǎng)絡(luò)。通信質(zhì)量和服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)劣 ，又在很大程度上取決于其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的大小。因此，各行業(yè)為了更好地服務(wù)于大眾，提高服務(wù)質(zhì)量，都有計(jì)劃地?cái)U(kuò)大其網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、新建基站，開拓投資項(xiàng)目。電力行業(yè)采取了一系列措施，新建、改擴(kuò)建了用于電力通信的微波中繼站、換流站、光纖中繼站等基站；石油行業(yè)為了滿足進(jìn)口渠道向多元化發(fā)展 ，在新建多條石油管線的基礎(chǔ)上，興建了許多石油通信基站、陰極保護(hù)站、節(jié)點(diǎn)清管站等。通信基站的建設(shè)已從最初期的城市內(nèi)建設(shè)向城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村發(fā)展，在未來的幾年，還將更多地向不發(fā)達(dá)的西部地區(qū)、偏遠(yuǎn)山區(qū)發(fā)展。這些地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施條件差、供電質(zhì)量低，一般采用農(nóng)電、小水電供電，有些地區(qū)甚至根本

5、沒有電力供應(yīng)。此外，由于通信基站分布面廣，維護(hù)工作量大，且不易到達(dá)，為滿足這種特殊需要，太陽能光伏發(fā)電就成為這些通信基站供電的最佳選擇，太陽能光伏發(fā)電在通信基站供電領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。2. 供電方式選擇通信基站的建設(shè)基本包括設(shè)備投資(通信設(shè)備和供電設(shè)備投資)、基礎(chǔ)建設(shè)投資、工程施工投資等。要保障系統(tǒng)長期可靠地運(yùn)行，必須要有良好的電源供電保障。對(duì)于不同通信基站，其太陽能供電方式大致可歸納為以下幾種。(1)獨(dú)立太陽能方式：對(duì)于完全沒有電或供電條件差的站，系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全級(jí)別要求一般，宜采用獨(dú)立太陽能供電方式。獨(dú)立太陽能供電系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.1所示。圖2.1 獨(dú)立太陽能供電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖(2)太陽能

6、主用+高頻開關(guān)電源備用的供電方式：在有市電情況下(包括農(nóng)電、小水電供電) ，或沒有市電而采用油機(jī)作為備用電源的基站，系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全級(jí)別要求較高或極高，宜采用這種供電方式。太陽能主用+高頻開關(guān)電源備用的供電系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.2和圖2.3所示。圖2.2 太陽能-市電互補(bǔ)供電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖圖2.3 太陽能-油機(jī)互補(bǔ)供電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖(3)太陽能+風(fēng)力發(fā)電并用方式：對(duì)于完全沒有電或供電條件差的站，而風(fēng)力資源比較豐富，系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全級(jí)別要求一般，宜采用這種方式。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2.4所示。圖2.4 風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng)構(gòu)成示意圖基站通信設(shè)備大多數(shù)為直流(+12v、+24v、48v或其他特殊電壓等級(jí))供

7、電設(shè)備，而太陽能光伏電源系統(tǒng)中，太陽能電池方陣板可以提供或通過串聯(lián)提供滿足這些設(shè)備電壓要求的直流電。如果設(shè)備為交流供電，則可通過增加逆變器來滿足負(fù)載要求，但需要考慮逆變引起能量損耗的影響。出于減少能源損耗以及減少系統(tǒng)部件，提高系統(tǒng)可靠性的考慮，建議在通信設(shè)備的選擇上，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)的直流供電設(shè)備。下面就對(duì)太陽能光伏電源系統(tǒng)基本組成及工作原理進(jìn)行詳細(xì)的闡述。三、 通信用太陽能光伏電源系統(tǒng)的基本組成及工作原理分析太陽能光伏發(fā)電是利用將轉(zhuǎn)換效率達(dá)18%的太陽能電池方陣通過光生伏打效應(yīng)將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能后，再由太陽能控制器控制太陽能方陣的投入和撤出產(chǎn)生所需要的電壓和電流給蓄電池充電，同時(shí)提

8、供給相應(yīng)的電路或負(fù)載用電，并將多余的電能存儲(chǔ)在蓄電池中，在夜晚或太陽能電池產(chǎn)生的電力不足時(shí)提供備用電源。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏打效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽能電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。太陽能電池發(fā)電原理如圖3.1所示。圖3.1 太陽能電池發(fā)電原理圖太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光生伏打效應(yīng)太陽能電池的工作原理。太陽能光伏電源系統(tǒng)由太陽能電池方陣（包括支架

9、）、蓄電池（組）、控制器（包括穩(wěn)壓裝置和配電單元或與其他供電系統(tǒng)的的接口）、逆變器（包括dc/dc和dc/ac兩種）等組成。以太陽能主用+高頻開關(guān)電源備用的供電方式為例，在配置柴油發(fā)電機(jī)組的情況下，通信基站光伏電源系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖3.1所示。圖3.1 通信基站光伏電源系統(tǒng)基本構(gòu)成圖1. 太陽能電池方陣部分太陽能電池方陣是由若干個(gè)太陽能電池子陣構(gòu)成的，每個(gè)電池子陣又由若干個(gè)太陽能電池組件串聯(lián)、并聯(lián)在一起構(gòu)成。每個(gè)太陽能電池組件一般由若干個(gè)單體太陽能電池互相串聯(lián)和必要的封裝材料構(gòu)成。目前常用的太陽能電池組件多為平板式組件。地面用中、小型太陽能電池方陣通常由平板式組件構(gòu)成，并且多為固定安裝、能按季

10、節(jié)作向日調(diào)整的平面型式。電池方陣將太陽能通過光生伏打效應(yīng)轉(zhuǎn)換成直流電，再通過變換器為各部分負(fù)載供電。由于通信基站的通信設(shè)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(lián)或并聯(lián)就可以為負(fù)載供電。太陽能電池方陣組成部分如圖3.2所示。圖3.2 太陽能電池方陣及組件2. 太陽能蓄電池組部分主要作用是儲(chǔ)備由太陽能轉(zhuǎn)換來的電能，而當(dāng)光伏發(fā)電電能不足時(shí)將電能釋放出來供負(fù)載使用。通信用太陽能光伏電源系統(tǒng)中的蓄電池，其運(yùn)行溫度隨周圍環(huán)境的變化而變化，并且安裝地點(diǎn)不同，溫差很大，因此要選用抗高低溫特性好的蓄電池，同時(shí)選配的蓄電池組除具有儲(chǔ)能的功能外，還應(yīng)具備一定的系統(tǒng)穩(wěn)壓器的功能。

11、目前太陽能光伏系統(tǒng)通常使用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能電池，鉛酸蓄電池是一種免維護(hù)蓄電池，其電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。具備耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)，使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。鉛酸蓄電池的容量與溫度的關(guān)系如圖3.3所示。圖3.3 鉛酸蓄電池的容量與溫度的關(guān)系曲線圖蓄電池標(biāo)稱容量是指在25 下的放電容量。在環(huán)境溫度低于25 時(shí)，放電容量下降，尤其是當(dāng)環(huán)境溫度低于10時(shí)，容量下降是非常明顯的。圖3.2 曲線給出了溫度對(duì)儲(chǔ)能膠體蓄電池實(shí)際容量的影響，此指標(biāo)并不是固定不變的，如果改進(jìn)蓄電池工藝，或者尋找到新品種蓄電池，能夠提高蓄電池的低溫性能。但是溫度對(duì)儲(chǔ)能蓄電池的

12、實(shí)際容量總是有影響的，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中務(wù)必考慮。3. 太陽能控制器為防止電池方陣對(duì)蓄電池組過度充電和蓄電池對(duì)負(fù)載的過度放電，在太陽能光伏電源系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的控制器。太陽能控制器是對(duì)蓄電池進(jìn)行自動(dòng)充、放電的控制裝置，當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，它將自動(dòng)切斷充電回路或?qū)⒊潆娹D(zhuǎn)換為浮充電的方式，使蓄電池不致過充電；當(dāng)蓄電池發(fā)生過放電時(shí)，它會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警提示以及相關(guān)的保護(hù)動(dòng)作，從而保證蓄電池能夠長期可靠的運(yùn)行。當(dāng)蓄電池電量恢復(fù)后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)。控制器還具有反向放電保護(hù)功能、極性反接電路保護(hù)等功能。太陽能控制器是系統(tǒng)的關(guān)鍵控制部件。同時(shí)，控制器還具有多種充電接口，便于接入風(fēng)能發(fā)電機(jī)、市電、油機(jī)，可以根據(jù)

13、基站環(huán)境提供多種供電解決方案。4. 其他組成部件1）匯流盒匯流盒的作用是將若干組太陽能電池組件產(chǎn)生的電流匯接，并根據(jù)控制方式的要求，分成容量不同的等級(jí)，配合太陽能控制器對(duì)太陽能電池方陣進(jìn)行控制。2）逆變器逆變器（dc/ac）用于將太陽能電池方陣和蓄電池提供的低壓直流電逆變成交流電，供給交流負(fù)載使用。直流供電系統(tǒng)無須逆變器。如果直流供電系統(tǒng)中有不同的直流負(fù)載，如24v負(fù)載和12v負(fù)載等，則需要考慮配置直流轉(zhuǎn)換器（dc/dc），實(shí)現(xiàn)提供負(fù)載所需直流電。3）太陽能電池方陣支架支架用于固定和安裝太陽能電池板調(diào)節(jié)傾角以使太陽能板獲得最大的太陽輻射。支架有多種形式，如高支架、中支架、低支架和掛墻型支架等，

14、如何選擇主要取決于場(chǎng)地環(huán)境以及系統(tǒng)用途。在對(duì)通信用太陽能光伏電源系統(tǒng)的組成部件及其工作原理有了一定的了解之后，下面將深入研究光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)要點(diǎn)。四、 通信用太陽能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1. 總體設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)一個(gè)完善的太陽能光伏電源系統(tǒng)，主要依據(jù)相關(guān)國際、國家標(biāo)準(zhǔn)和地理、氣象等數(shù)據(jù)，不僅需要充分了解通信設(shè)備的功耗、電壓等級(jí)、工作時(shí)間，更需要獲得基站建設(shè)地點(diǎn)的氣象資料，特別是日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、雷暴日、沙塵暴天數(shù)或臺(tái)風(fēng)等情況，根據(jù)系統(tǒng)要求的安全級(jí)別，進(jìn)行多種設(shè)計(jì)，如太陽能板陣容量設(shè)計(jì)、蓄電池容量設(shè)計(jì)、防雷接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電氣性能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)、電磁和靜電屏蔽設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)

15、構(gòu)設(shè)計(jì)等，其中以太陽能板陣容量設(shè)計(jì)、蓄電池容量設(shè)計(jì)更為重要，直接影響系統(tǒng)造價(jià)。光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總原則，是在保證滿足通信設(shè)備用電需求的前提下，合理匹配太陽能電池方陣容量與蓄電池容量，以達(dá)到系統(tǒng)長期可靠運(yùn)行的目的，即同時(shí)考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 2. 太陽能電池方陣設(shè)計(jì)2.1 太陽能電池方陣容量設(shè)計(jì)太陽電池方陣的容量計(jì)算，就是根據(jù)供電系統(tǒng)中的電壓要求，太陽電池分擔(dān)的負(fù)荷電流大小和使用地點(diǎn)的日照條件等情況，計(jì)算出太陽電池方陣的總組件數(shù)，并根據(jù)每個(gè)組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的額定功率計(jì)算出方陣的總功率，以便滿足設(shè)計(jì)需要。根據(jù)我國通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范(yd/t 5040-2005)中的規(guī)定太

16、陽電池方陣總?cè)萘靠砂词?1)進(jìn)行計(jì)算： (1)式中，p：太陽電池陣總?cè)萘?w；vp：一個(gè)太陽電池組件在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下取得的工作點(diǎn)電壓,v；i：負(fù)荷電流，a；b：蓄電池充電安時(shí)效率，鉛蓄電池取b=0.84；t：當(dāng)?shù)啬耆照諘r(shí)數(shù)，h；v0：每只蓄電池浮充電壓，v。一般為2.302.35v (25)，可取值2.35v；nb：每組蓄電池只數(shù),一般取24只；vl：串入太陽電池至蓄電池供電回路中的元器件和導(dǎo)線在浮充供電時(shí)引起的壓降，v；fc：影響太陽電池發(fā)電量的綜合修正系數(shù)，一般取1.21.5；：根據(jù)當(dāng)?shù)仄骄刻烊照諘r(shí)數(shù)折合成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光照時(shí)數(shù)所取的光強(qiáng)校正系數(shù)，一般取=0.62.3；：一個(gè)太陽電池組件

17、中單體太陽電池的電壓溫度系數(shù)，為0.0020.0022 v/；t2：太陽電池組件工作溫度，；t1：太陽電池標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試溫度，；nm：一個(gè)太陽電池組件中單體太陽電池串聯(lián)只數(shù)；8760：平年每年小時(shí)數(shù)，h。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，考慮各種其他影響系統(tǒng)工作效率的因素計(jì)算在內(nèi)，電池方陣的最大輸出功率約是所有負(fù)載輸入功率總和的3倍左右。這樣就可根據(jù)式(1)來確定電池方陣的太陽能電池組件數(shù)及確定連接方式。在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，對(duì)于電池方陣中的太陽能電池功率，可參考表4.1進(jìn)行速算。表4.1 全國主要城市每瓦負(fù)載平均功耗所需的太陽能電池估算表全國主要城市每瓦負(fù)載平均功耗所需的太陽能電池估算（太陽能轉(zhuǎn)換效率=13%，填充因子

18、=0.72；安全系數(shù)=0.7；續(xù)航時(shí)間=14天）地區(qū)年太陽總輻射（mj/m2）年日照時(shí)數(shù)太陽能電池功率（w）地區(qū)年太陽總輻射（mj/m2）年日照時(shí)數(shù)太陽能電池功率（w）（小時(shí)）（小時(shí)）北京4896.262780.220.26武漢4465.32058.522.21天津4150.622724.323.9長沙4068.691677.224.38石家莊4701.842737.921.09廣州3850.92190625.76太原4936.072675.720.09南寧4385.531826.922.62呼和浩特5941.82970.516.69海口5149.232239.819.26沈陽4812.222

19、574.120.61重慶3338.38113629.71長春4816.972643.620.59成都3005.381228.333哈爾濱4941.172641.120.07貴陽4262.6131423.27上海4667.942013.921.25昆明5442.612496.618.22南京4492.31215522.08拉薩7455.613007.813.3杭州4027.891903.824.62西安4232.032038.123.44合肥4525.072163.421.92蘭州5041.642607.619.67福州4191.18184823.66西寧5607.38276217.69南昌43

20、57.921903.922.76銀川5683.9276217.45濟(jì)南4541.772737.321.84烏魯木齊5215.172733.719.02鄭州4521.82385.221.932.2 太陽能電池方陣方位角和傾角設(shè)計(jì)影響太陽能電池方陣發(fā)電量的主要因素有日照強(qiáng)度、光譜、溫度。目前，標(biāo)準(zhǔn)太陽能板轉(zhuǎn)換效率的測(cè)試條件是：大氣質(zhì)量am為1.5，標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)1000w/m2，溫度為25。其中以日照強(qiáng)度的影響更為直接和顯著。1）太陽日照強(qiáng)度對(duì)太陽能板陣容量的影響太陽能電池方陣表面所接受的太陽輻射強(qiáng)度是太陽能板陣容量設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。然而太陽能是自然能，太陽輻射強(qiáng)度是隨時(shí)間不斷變化的。因此只能通過相關(guān)的氣象部

21、門獲取數(shù)據(jù)。但通常氣象部門提供的數(shù)據(jù)不能直接應(yīng)用于系統(tǒng)容量計(jì)算，需要經(jīng)過換算。如一般氣象部門提供的日照強(qiáng)度大多為水平面上測(cè)得的數(shù)據(jù)，而在絕大多數(shù)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(shù)值換算成傾斜面上的日照強(qiáng)度。又如，太陽能電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常常會(huì)用到一個(gè)為“日照小時(shí)數(shù)”的術(shù)語，這個(gè)術(shù)語的含義是：日照強(qiáng)度為1000w/m2時(shí)的日照時(shí)間(也稱為峰值日照時(shí)數(shù))。這與氣象臺(tái)提供的日照時(shí)數(shù)不是同一個(gè)概念。2）太陽能電池方陣方位角和傾角的選擇在太陽能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，光伏電池方陣的放置形式和放置角度對(duì)光伏電源系統(tǒng)接收到的太陽輻射有很大的影響，從而影響到光伏電源系統(tǒng)的發(fā)電能力。因此在

22、設(shè)計(jì)中要合理地確定出兩個(gè)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(shí)，太陽電池組件的發(fā)電量是最大的。確定太陽能板陣最佳傾角，不能簡單地根據(jù)建設(shè)地所在的緯度加上一定度數(shù)來確定。確定最佳傾角應(yīng)通過分別計(jì)算太陽能板陣處于不同傾角時(shí)的發(fā)電量并對(duì)其進(jìn)行比較，最終使各月接收到的日照強(qiáng)度盡量均勻，以適合系統(tǒng)常年運(yùn)行的需要。一般來說，我國境內(nèi)大部分地區(qū)最佳傾角要大于本地區(qū)緯度。在進(jìn)行傾角設(shè)計(jì)時(shí)，可以參考表4.2進(jìn)行對(duì)照選擇。表4.2 我國部分主要城市的斜面最佳輻射傾角城市緯度/（）最佳角度

23、/（）城市緯度/（）最佳角度 /（）哈爾濱45.68+3杭州30.23+3沈陽43.90+1南昌28.67+2長春41.77+1福州26.08+4北京39.80+4濟(jì)南36.68+6天津39.10+5鄭州34.72+7呼和浩特40.78+3武漢30.63+7太原37.78+5長沙28.20+6烏魯木齊43.78+12廣州23.13-7西寧36.75+1?？?0.03+12蘭州36.05+8南寧22.82+5銀川38.48+2成都30.67+2西安34.30+14貴陽26.58+8上海31.17+3昆明25.02-8南京32.00+5拉薩29.70-8合肥31.85+9-3. 太陽能蓄電池組容量

24、設(shè)計(jì)太陽能蓄電池組的電壓及容量的確定取決于通信設(shè)備及其他負(fù)載的容量，同時(shí)容量的選擇還根據(jù)使用地區(qū)的單位面積平均日照能量，每天日照小時(shí)數(shù)，特別要考慮到光伏電源系統(tǒng)運(yùn)行最不利的連續(xù)陰雨天情況下的電力保證措施。3.1 蓄電池組容量的設(shè)計(jì)依據(jù)1）蓄電池組放電功率的設(shè)計(jì)依據(jù)計(jì)算蓄電池組的容量時(shí)首先要根據(jù)機(jī)房內(nèi)所有交、直流用電設(shè)備的總額定功率(對(duì)交流設(shè)備要根據(jù)其輸入功率因數(shù)折算出輸入視在功率)計(jì)算出用電設(shè)備所需要的總功率，這個(gè)總功率就是蓄電池組所需要的放電功率。2）蓄電池組放電時(shí)間的設(shè)計(jì)依據(jù)光伏電源系統(tǒng)與普通的市電系統(tǒng)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(shè)計(jì)蓄電池放電時(shí)間時(shí)要充分考慮到

25、在太陽能光伏電源系統(tǒng)中蓄電池組每天白天充電夜晚放電的循環(huán)工作特性，而且對(duì)于一些因較長時(shí)間(如幾十小時(shí))無日光照射條件下（連續(xù)陰雨天氣情況下）正常工作的電源系統(tǒng)，要求配備較大容量的蓄電池組(或采取其它供電補(bǔ)救方式，如柴油發(fā)電)，以防止蓄電池組因深度放電而對(duì)蓄電池帶來危害。3）蓄電池組放電深度的設(shè)計(jì)依據(jù)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(yùn)行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)可采用50%左右的放電深度。3.2 蓄電池組容量的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法蓄電池作為太陽能光伏電源系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)特別加以對(duì)待。由于太陽能的安裝地點(diǎn)偏僻，運(yùn)行條件惡劣，太陽能蓄電池每日充放電，應(yīng)選擇充放電特性

26、強(qiáng)的蓄電池產(chǎn)品。目前在通信領(lǐng)域中使用最多的是閥控式免維護(hù)鉛酸蓄電池。閥控式密封蓄電池有2種：采用超細(xì)玻璃纖維隔膜的閥控式密封蓄電池(agm);采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應(yīng)用。1)太陽能系統(tǒng)與普通通信機(jī)房蓄電池容量配置的區(qū)別通信機(jī)房用蓄電池的事故放電時(shí)間一般為10h，光伏電站用蓄電池的事故放電時(shí)間一般都在72h以上。由于二者對(duì)放電時(shí)間要求不同，因此應(yīng)根據(jù)負(fù)載大小以及放電時(shí)間分別選用不同類型的蓄電池。普通通信機(jī)房蓄電池運(yùn)行在一個(gè)恒溫2025的環(huán)境中，且大部分時(shí)間處于浮充狀態(tài)；而太陽能系統(tǒng)中的蓄電池，其運(yùn)行溫度隨周圍環(huán)境溫度的變化而變化，并且根據(jù)通信基站安裝地

27、點(diǎn)的不同，溫差范圍很大，因此要求太陽能系統(tǒng)中的蓄電池應(yīng)選用抗高低溫特性好的蓄電池。蓄電池在光伏電源系統(tǒng)中除了具有儲(chǔ)能的功能外，還具有一定的系統(tǒng)穩(wěn)壓器功能，普通通信機(jī)房蓄電池沒有穩(wěn)壓器的功能。2）蓄電池組容量的計(jì)算公式對(duì)于不同類型、不同廠商的蓄電池來說，蓄電池容量的計(jì)算方法不盡相同，但都可以總結(jié)為：根據(jù)通信負(fù)載功率的大小、通信負(fù)荷的電壓以及所要求的蓄電池自主放電周期來計(jì)算容量大小，在此基礎(chǔ)上根據(jù)選配蓄電池的性能和蓄電池運(yùn)行的環(huán)境條件，通過設(shè)置修正系數(shù)，最終計(jì)算出蓄電池容量，并折算成所選配的標(biāo)稱容量。有了以上的數(shù)據(jù)，我們就可以來計(jì)算蓄電池容量了，基本公式如式（1）所示： (1)式中，q：蓄電池容量

28、，ah；p：功率，w；t：放電時(shí)間，即連續(xù)陰雨天氣下的蓄電池連續(xù)供電時(shí)長，為連續(xù)陰雨天數(shù)工作時(shí)長，工作時(shí)長一般取24h；fv：溫度折算系數(shù)；fc：容量補(bǔ)償系數(shù)；fl：壽命折算系數(shù)(老化系數(shù))；fe：放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75；fm：極板活化系數(shù)，要求的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為-2745，fm取1.2；un：太陽能蓄電池個(gè)數(shù)，一般配置24個(gè)。其中fv、fc、fl、fe、fm這些修正系數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)工作中選配的電池廠家所提供的數(shù)據(jù)來進(jìn)行計(jì)算。下面簡單的以德國hoppecke公司提供的opzv 膠體蓄電池容量計(jì)算公式為例，進(jìn)行蓄電池容量計(jì)算。例如，負(fù)載為100w的48v系統(tǒng)，考慮連續(xù)陰雨天數(shù)4天(9

29、6h)。設(shè)計(jì)環(huán)境條件的要求是-2745，且系統(tǒng)設(shè)計(jì)中蓄電池容量在正常運(yùn)行10年后仍可以滿足自放電率4天的要求。蓄電池容量計(jì)算結(jié)果為式中，溫度對(duì)蓄電池容量影響比較大，溫度為-2745 時(shí)，溫度折算系數(shù)fv取1.3；容量補(bǔ)償系數(shù)fc取1.2；壽命折算系數(shù)fl取1.2；放電深度fe取0.8；極板活化系數(shù)fm在設(shè)計(jì)環(huán)境溫度為-2745情況下取1.2。因此，通過計(jì)算可以得到結(jié)論：可若選配電池為德國hoppecke公司的opzv系列膠體電池，則需配置容量為800ah的蓄電池。4. 太陽能系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì)原則太陽能系統(tǒng)控制器是太陽能系統(tǒng)中的核心部件，管理著整個(gè)供電系統(tǒng)的運(yùn)行。它的性能和可靠性直接影響太陽能系

30、統(tǒng)的性能和使用壽命。質(zhì)量優(yōu)異、功能完善的太陽能控制器不僅能夠高效率地轉(zhuǎn)換太陽能，而且能夠最大限度地保證蓄電池組正常運(yùn)行，延長使用期限。太陽能系統(tǒng)控制器按控制原理可分為脈寬調(diào)制式控制和投/切方式控制。脈寬調(diào)制式控制(pwm控制)是按一定的頻率，周期性地控制功率元件導(dǎo)通和關(guān)斷。這種控制方式是在功率元件導(dǎo)通時(shí)將太陽能板陣全部投入系統(tǒng)供電，而在功率元件斷開時(shí)，將太陽能板陣全部撤出供電系統(tǒng)。由于開關(guān)頻率很快，一般為ms級(jí)，太陽能系統(tǒng)的電壓和電流得到較好的控制，使負(fù)載端的電壓保持穩(wěn)定。脈寬調(diào)制式控制器關(guān)鍵部件采用的是功率場(chǎng)效應(yīng)管，屬于半導(dǎo)體器件。投/切方式控制器則采用分組并聯(lián)的方式，按系統(tǒng)電壓的大小，有次

31、序地逐級(jí)投入/撤出太陽能子陣，當(dāng)電壓高時(shí)，切斷其中的1路或幾路太陽能電池板，電壓低時(shí)，再接通1路或幾路太陽能電池同負(fù)載(阻性、容性、感性) 的需求，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。太陽能控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本功能：1)監(jiān)視功能，對(duì)系統(tǒng)太陽能子陣、蓄電池、系統(tǒng)電壓、有關(guān)保險(xiǎn)絲、電路斷路器的狀況進(jìn)行監(jiān)視；2）保護(hù)功能（1）反向放電保護(hù) 控制器應(yīng)有防止蓄電池通過太陽能電池組件反向放電的保護(hù)功能。 （2）極性反接保護(hù) 能夠承受負(fù)載、太陽能電池組件或蓄電池極性反接的電路保護(hù)。 （3）耐沖擊電壓 當(dāng)蓄電池從電路中去掉時(shí)，控制器在1h內(nèi)必須能夠承受高于太陽能電池組件標(biāo)稱開路電壓1.2倍的沖擊。 （4）耐沖擊電流 控制器

32、必須能夠承受1h高于太陽能電池組件標(biāo)稱短路電流1.25倍的沖擊。開關(guān)型控制器的開關(guān)元器件必須能夠切換此電流而自身不損壞。 （5）過、欠電壓保護(hù) 控制器應(yīng)具備蓄電池過、欠電壓保護(hù)功能： 當(dāng)控制器的蓄電池電壓值達(dá)到過電壓設(shè)定值時(shí)，應(yīng)自動(dòng)告警并關(guān)閉太陽電池方陣及交流輸入，電壓下降到設(shè)定值后，應(yīng)能自動(dòng)或人工恢復(fù)工作； 當(dāng)控制器的蓄電池電壓值達(dá)到欠電壓設(shè)定值時(shí)，應(yīng)自動(dòng)告警,必要時(shí)關(guān)閉負(fù)載，電壓上升到設(shè)定值后，應(yīng)能自動(dòng)恢復(fù)。 控制器輸出電壓的過、欠電壓值可由制造廠根據(jù)用戶要求設(shè)定。 （6）過流及短路保護(hù) 系統(tǒng)應(yīng)有過流與短路的自動(dòng)保護(hù)功能，過流或短路故障排除后應(yīng)能自動(dòng)或人工恢復(fù)正常工作狀態(tài)。 （7）蓄電池欠

33、壓保護(hù) （8）熔斷器(或斷路器)保護(hù) 系統(tǒng)的交流輸入分路應(yīng)具有斷路器保護(hù)裝置；系統(tǒng)直流輸出分路應(yīng)具有熔斷器(或斷路器)保護(hù)裝置。3)報(bào)警功能，一旦電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常，電池狀態(tài)改變，通過led可在本地顯示報(bào)警；通過rs-232及繼電器無源觸點(diǎn)輸出到遠(yuǎn)方報(bào)警；4)測(cè)量功能，對(duì)系統(tǒng)的電壓、電流和蓄電池電壓、電流進(jìn)行測(cè)量；通過溫度傳感器測(cè)定環(huán)境和蓄電池溫度，并在液晶屏上顯示上述數(shù)據(jù)；5)具備遙測(cè)、遙信、遙控和遙調(diào)功能，將rs-232接口作為通信規(guī)約的入口通道，完成本地或遠(yuǎn)端集中監(jiān)控。通信協(xié)議應(yīng)符合yd/t1363.3的要求。 （1）遙測(cè)：蓄電池電壓、蓄電池充放電電流、蓄電池溫度、負(fù)載電流、太陽電池方陣輸

34、出電壓/電流。 （2）遙信：蓄電池過、欠壓告警，直流輸出過流告警，熔斷器/斷路器告警，太陽電池方陣工作狀態(tài)（投入/撤出）。 （3）遙控（可選）：浮充/均充轉(zhuǎn)換、太陽電池方陣（投入/撤出）5. 太陽能系統(tǒng)防雷接地、浪涌保護(hù)及防盜的設(shè)計(jì)原則5.1 系統(tǒng)防雷接地、浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)太陽能系統(tǒng)的防雷應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并在以下幾個(gè)方面采取措施：1)室外的太陽能支架本身是金屬結(jié)構(gòu)，是良好的導(dǎo)電體，每一組支架與防雷地排要有可靠的接地保護(hù)連接。2)匯流盒本身應(yīng)具備良好的防雷功能，其箱體與防雷地排也應(yīng)有可靠的接地保護(hù)連接，以確保防雷安全。3)控制器本身具備良好的防雷保護(hù)措施。匯流盒與控制器之間的連接線纜，應(yīng)采用鎧裝電纜

35、，并在室外與接地排相接。此外浪涌保護(hù)裝置、繼電器和熔斷器等防護(hù)措施必不可少。5.2 太陽能電池方陣支架設(shè)計(jì)1）支架的選擇高支架一般使用在平地上，一般用在較大的系統(tǒng)中，擴(kuò)展靈活但是造價(jià)很高；中支架通常安裝在屋頂或者較高的平臺(tái)上，大、中型系統(tǒng)都可采用；低支架一般提供給小型的太陽能系統(tǒng)，要求周圍環(huán)境較為潔凈，可以安裝在地面的水泥墩柱上；掛墻式等低支架都是供較小型的系統(tǒng)使用。2）安裝地基的要求中支架由于一般安裝在屋頂，可采用膨脹螺絲固定在屋頂水泥臺(tái)上，或者不做水泥地基，而是在支架下面加裝槽鋼 ；低支架一般需要做一個(gè)水泥平臺(tái)；若周圍有可能會(huì)被水淹或者泥沙堆積的情況，可加上一些較高的水泥支柱或者槽鋼支柱。

36、由于太陽能電池板安裝于室外，因此要求其支架應(yīng)具有較高的抗風(fēng)能力，一般要求達(dá)到抗12級(jí)風(fēng)以上。此外，支架還應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的防腐、防銹要求，特別是在一些沿?；驆u嶼地區(qū)，還有相應(yīng)的防鹽霧要求。5.3 太陽能光伏系統(tǒng)防盜設(shè)計(jì)1）太陽能電池方陣防盜沒有圍墻的基站，太陽能電池方陣可以采用水泥桿架空安裝，安裝平臺(tái)高度6米，施工結(jié)束后在電線桿上涂上黃油等潤滑劑，提高盜竊難度。太陽能電池組件被盜風(fēng)險(xiǎn)比較大的基站，可在安裝太陽能電池組件時(shí)，采用5#槽鋼和4#不等邊角鋼，對(duì)方陣的每一塊電池板進(jìn)行逐一分割包裹，然后用電焊將防盜構(gòu)件進(jìn)行焊接，將整個(gè)方陣焊成一個(gè)整體，背部焊接40mm的角鐵將安裝的螺絲進(jìn)行封堵遮蓋，其它所有的

37、外露螺絲均進(jìn)行焊接。 2）太陽能蓄電池組防盜對(duì)于具備通信機(jī)房的基站，太陽能蓄電池組一般安裝于室內(nèi)，其防盜措施可結(jié)合基站機(jī)房監(jiān)控來進(jìn)行。而對(duì)于太陽能光伏電源系統(tǒng)安裝在室外的基站，蓄電池組防盜一般有三種措施。（1）架空安裝如圖5.1所示，太陽能蓄電池安裝于h桿上方，增加盜竊難度，但該方法存在蓄電池組使用壽命短（高溫暴曬，影響蓄電池組運(yùn)行環(huán)境）和通風(fēng)散熱難度高的缺點(diǎn)。圖5.1 太陽能蓄電池組架空安裝示意圖（2）專用電池柜安裝即將蓄電池組安裝在專用的電池柜內(nèi)部，使蓄電池組具備防盜功能，但該方法同樣存在通風(fēng)散熱難度高的缺點(diǎn)。（3）室外地埋或地窖安裝這是室外基站通常使用的防盜措施，蓄電池地埋處理，具備防盜功能同時(shí)使蓄電池組的工作溫度得到有效的保障。這種防盜方式的缺點(diǎn)是應(yīng)