熱帶季風氣候下的太陽能通信設備供電系統(tǒng)

羅舒曼

摘 要熱帶季風氣候的主要貼點是全年高溫，降水季節(jié)差異大，而通信設備直放站在實際工作過程中需要保證穩(wěn)定電源的持續(xù)供給。由于直放站經(jīng)常建在國外某些市電未覆蓋地區(qū)，須采用太陽能供電系統(tǒng)。本文以我司在老撾萬象架設的48V20W的光纖太陽能直放站為例進行分析。

【關鍵詞】熱帶季風 太陽能 通信設備 直放站 供電

1 背景

我司在地處熱帶季風氣候的老撾進行移動信號覆蓋工程，當?shù)仉娋W(wǎng)不普及，因此采用的是太陽能獨立供電系統(tǒng)，直放站選用的是20W、48V的光纖直放站。熱帶季風氣候的主要特點是全年高溫，降水季節(jié)差異很大，分旱季和雨季。雨季連綿陰雨、日照時間短、環(huán)境濕度大，而旱季陽光強度大、太陽能轉化產生的即時電流大，從而給室外直放站通信設備的運行提出了較高的要求。供電系統(tǒng)作為直放站通信設備的心臟，是保證信號暢通、直放站無故障聯(lián)系工作不掉站的前提，對移動信號覆蓋起著至關重要的作用。

2 負載功耗及太陽能板配置

國內也有熱帶季風氣候的地區(qū)，但是由于國內電網(wǎng)普及率高，交通便利，光伏系統(tǒng)一般作為市電的補充或者是與柴油發(fā)電機配合作為供電電源，太陽能并不獨立供電，因此供電時間短，不易出現(xiàn)影響通信設備工作的故障。而老撾作為無市電，交通又不便利的地方，架設電網(wǎng)和遠程運送發(fā)電機都難以實現(xiàn)，因此太陽能獨立不間斷工作的穩(wěn)定性就變得尤為重要。對于獨立光伏系統(tǒng)的設計，首先應保證以長期穩(wěn)定的供電、而不是平均發(fā)電量滿足供給即可，以保證即使在雨季日照輻射最弱的時候也能正常供電而不折損電池壽命。

負載功耗為直放站設備工作時的耗電量。20W的直放站其消耗的功率在空載和滿載時不同，須經(jīng)實際測量確定：在直放站輸出端加上20W、5Ω假負載，將輸出信號調至最大后測量，其最大功耗約為120W。

據(jù)此可得直放站每日功耗為2880Wh。

太陽能板的標稱輸出功率值是在標準日照強度達到1KW/m2時的值。在早、晚及陰雨天、陽光不充足時，實際的輸出功率并不等于標稱值。在熱帶季風氣候地區(qū)，旱季陽光充足、日照時間長，雨季則陰雨綿綿、光強較弱，因此應采用“日平均日輻射強度（Daily solar radiation）”作為當?shù)氐娜照諒姸葏?shù)。從NASA官網(wǎng)查詢可知老撾萬象年均日輻射強度為4.76KWh/m2/d，即1KW的太陽能板平均每天可發(fā)電4.76KWh，遠低于每日8小時的日照時間。根據(jù)長期穩(wěn)定供電的需求，取日輻射強度最小月均值，七月，4.13KWh/ m2/d，則太陽能板最低功率應為：

2880Wh/4.13h=698W

考慮線損及控制器的效率，引入校正因子0.7，則太陽能板最低功率應為：

698W/0.7=997W，即1KW

太陽能硅片使用量計算公式如下：

N=（I×H×1.1×1.2）/（h×i）

i=P/U

式中N為太陽能硅片數(shù)量，塊；I為負載電流，A；H為使用時間，h；1.1為大氣層系數(shù)；1.2為導線系數(shù)；h為日照時間，h；i為充電電流，A；P為單片硅片功率，W；U為硅片電壓，V；所以，N=（I×H×1.1×1.2）/（h×i）=（5.4A×24h×1.1×1.2）/（4.13h×3.87A）≈11塊，即每臺20W太陽能光纖直放站需用硅片11塊。

3 太陽能控制器配置

太陽能控制器生產廠家較多，在國內也有成熟運用。但同樣的控制器在云南工作兩年都未出現(xiàn)問題，在老撾工作時則出現(xiàn)了很高的故障率，平均壽命只有3個月，其配套電池出現(xiàn)失水、膨脹變形，而直放站也頻繁出現(xiàn)夜間掉電故障，因此控制器的配置至關重要。太陽能控制器是連接太陽能板、蓄電池和直放站通信設備的紐帶，而且供電系統(tǒng)工作狀況及使用壽命是由電池決定的，因此太陽能控制器主要作用是保護蓄電池，其參數(shù)設定應配合蓄電池的充放電特性曲線。

3.1 充電程序

傳統(tǒng)的蓄電池控制器是通過電壓值進行閥值控制。然而蓄電池的充放電過程是與電流變化呈正相關的。以12V、100A鉛酸電池為例，性能正常的電池充電過程分為兩個階段：第一個是直充階段，電壓從12.25V提升至14.25V，電流從-1.8A提升至15.8A后，維持穩(wěn)定；第二個是浮充階段，電壓維持在13.45V，電流逐漸下降直至充滿。而當電池出現(xiàn)過放的情況時，其充電過程電壓是波動的，分為強充、吸收充和浮充三個階段。強充階段電壓從11.3V提升至14.2V，電流維持在17.8A；吸收充階段，電壓從14.2V回落到14.05V，電流從17.6A降至4A；在浮充階段，電壓維持在13.85V，電流逐漸下降，直至充滿。因此，為保證即使蓄電池出現(xiàn)過放后電池電量仍然可以充滿，電太陽能控制器應具有強充、吸收充和浮充三種不同的充電程序，根據(jù)電池的不同狀態(tài)進行充電。

3.2 過放保護

蓄電池在充電過程中會分解形成H2和O2，當電池內氣壓過高時，氣體溢出安全閥，形成析氣。實驗測得，電池在過放后充電，其析氣量為1650ml，而未發(fā)生過放時，析氣量為950ml。一般來說，電池失水達到溶液15%時，電池的壽命就終止了。因此，太陽能控制器應具有過放保護功能。保護電壓設定為11.4V，此時電池大致還有15%的容量，電池負極不易形成硫酸鉛，造成不可逆轉的電池容量縮小和壽命損耗。

3.3 PWM技術

老撾地處熱帶，光強變化大，太陽能板要在短暫的日照時間內完成負載晝夜不停的用電儲備，其產生的即時電流很大、經(jīng)測試約為16A。大電流的充電下，電池的電壓虛高，短時間就會因高壓保護而停止充電，但實際上電池并未充入多少電量。而在帶載時，電量很快消耗，導致需要蓄電池需要頻繁的充電，充放電循環(huán)周期大幅縮短，太陽能控制器頻繁動作。普通控制器在老撾每天需要進行33次動作，一個雨季后就會達到3000多次，因此太陽能控制器使用壽命在經(jīng)過一個雨季后就終止。而電池的使用壽命也在三千次循環(huán)和過放后提前終止。因此，太陽能控制器應根據(jù)電池特性曲線和老撾太陽能板充電電流曲線，引入PWM（脈寬調制）技術，調節(jié)PWM占空比，限流并平滑充電電流曲線，最大程度的保護電池和控制器。

3.4 溫度補償

蓄電池在充電到容量80%左右時正極板析出O2，負極板與O2發(fā)生氧復活反應，產生熱量。隨后，氧氣發(fā)生速度加快，負極板的氧復活速度跟不上，開始產生H2。氣體產通過安全閥溢出，電池失水。隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，作為電池最大熱容介質的水分減少，電池的熱容隨之減少，加速升溫。而失水后電池隔板收縮，與正負極板間的附著力變差，內阻增大，放熱量加大，溫度上升，析氣點電位降低，加劇溫度快速上升，惡性循環(huán)，形成“熱失控”。當電池溫度超過80℃時，外殼出現(xiàn)鼓脹、開裂，金屬接頭熔化。此外，老撾氣候濕熱，平均溫度較高而電池為了防盜及降溫都埋于地下。地下溫度低于地表溫度，但散熱性較差，更增加了熱失控幾率。因此太陽能控制器須具有溫度補償功能，在電池溫度上升時降低充電電流，防止電池過熱。

4 系統(tǒng)實施應注意的問題

4.1 蓄電池補電和配組

蓄電池在使用前應進行補電和配組。新電池的容量一般為總容量的50%，會隨著存放時間的延長而減少，因此電池在儲存一段時間后應進行補電，在使用之前也要進行補電。每個電池充滿后的容量存在差異，在不同使用狀況后的容量會有不同程度的縮小，內阻也會有不同程度的增大。若一組電池中有一塊電池容量和內阻值比其他電池差，在恒壓充電條件下，該電池的電壓不上升或者上升很慢，其余電池會因充電電壓相對過高而發(fā)熱，產生熱失控問題，因此電池組在使用前應進行配組，不能新、舊電池混用，且同組電池的容量和電阻應一致。

4.2 太陽能板安裝環(huán)境

熱帶地區(qū)雨林茂密，樹冠及直放站設備的圍欄投射在太陽能板上的陰影，空中掉落的鳥糞以及太陽能板上厚薄不均的灰塵，都會導致太陽能板被遮蔽部分出現(xiàn)熱斑效應。熱斑效應不僅會消耗太陽能板產生的能量，而且會使太陽能板溫度上升甚至燒毀。因此太陽能板應安裝在無任何陰影遮蔽的空曠處，并定期清理。

5 結論

該太陽能通信系統(tǒng)在老撾萬象開通后實際運行3個月，熱帶雨林氣候環(huán)境所產生的問題基本得到解決，電池及控制器工作正常，未出現(xiàn)直放站設備掉站現(xiàn)象。隨著東南亞等熱帶亞熱帶帶地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展，人們對通信的需求越來越多。太陽能直放站供電系統(tǒng)供電可靠，一次建成后后期維護成本低，在沒有市電的欠發(fā)達國家和地區(qū)是一種很好的解決方案。隨著光伏技術的不斷成熟，系統(tǒng)對環(huán)境適應性的不斷增強，未來，太陽能通信設備供電系統(tǒng)將覆蓋到更多不同氣候特點的地區(qū)，為促進當?shù)亟?jīng)濟、科學和文化的發(fā)展做出巨大的貢獻。

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