廣播電視發(fā)射機應(yīng)用太陽能光伏發(fā)電輔助供電的方案

覃江華

（南寧廣播電視臺，廣西 南寧 530000）

0 引 言

分布于全國各地的廣播電視發(fā)射臺站數(shù)以萬計，發(fā)射功率小的幾百瓦，大的上千瓦，加上各種輔助設(shè)備的電能損耗，是一個龐大的耗電體系。大多廣播電視發(fā)射臺站都有很好的地理優(yōu)勢，占地寬廣，陽光充足，是搭建太陽能光伏發(fā)電的理想場所[1]。目前，光伏發(fā)電已經(jīng)成熟并且大規(guī)模商用，能量轉(zhuǎn)換效率高，供電穩(wěn)定可靠，真正實現(xiàn)了零污染、零排放。如果能將環(huán)保、高科技的太陽能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用到廣播電視的信號發(fā)射上，可以有效減少廣播電視發(fā)射臺站的電能損耗，為節(jié)能減排貢獻力量。

1 傳統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

太陽能發(fā)電系統(tǒng)依靠半導(dǎo)體器件界面的光生伏特效應(yīng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能，由太陽能光伏板組件、太陽能控制器、太陽能逆變器等3部分構(gòu)成，主要零部件由電子元件構(gòu)成[2]。太陽能電池通過串連后進行封裝保護可產(chǎn)生大面積的太陽能電池組件，再配合上功率控制器等零部件構(gòu)成太陽能發(fā)電設(shè)備。

傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)采用光伏發(fā)電板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過蓄電池組進行儲存后，由逆變裝置將直流電轉(zhuǎn)換成可供設(shè)備使用的交流電，工作原理如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

2 傳統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的弊端

2.1 搭建傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本較高

傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)整體由光伏發(fā)電板、蓄電池組、逆變設(shè)備3大部件組成，其購買和安裝的價格相對較高。根據(jù)市場調(diào)查得知，每搭建1 kW輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要的資金達到1.5萬元左右。以此類推，一個地市級廣播電視臺站的發(fā)射功率一般在30 kW左右，按照轉(zhuǎn)換效率為50%計算，整體消耗電能將達到60 kW左右。因此，想要搭建一個可供地市級廣播電視臺站供電用的光伏發(fā)電系統(tǒng)造價將在90萬元以上。

2.2 傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的日后維護資金較大

太陽能光伏發(fā)電板的使用壽命很長，除非外力破壞，一般都在15年以上，且搭建工作完成后幾乎不需進行任何維護工作。但傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)包含有蓄電池組，一般鉛酸蓄電池的有效使用年限都在2年以內(nèi)，一旦過了有效使用期，對于大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)的維修與維護將是一筆不小的開支。另外，大功率傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)還需要大型的逆變系統(tǒng)配合才能運行，不但增加了設(shè)備故障率，也是增加建造成本的另一因素[3]。

3 廣播電視發(fā)射機的工作原理

廣播電視發(fā)射機將音頻信號和高頻載波調(diào)制為調(diào)頻波，使高頻載波的頻率隨音頻信號發(fā)生變化，再對所產(chǎn)生的高頻信號進行放大、激勵、功放和一系列的阻抗匹配，使信號輸出到天線后發(fā)送出去。發(fā)送信號的裝置是將電能轉(zhuǎn)換為電磁能的關(guān)鍵設(shè)備，由控制面板、信號處理單元、供電電源、激勵器以及功率放大器等5部分組成[4]。視頻/音頻信號通過信號處理單元處理轉(zhuǎn)變?yōu)樯漕l信號，再經(jīng)功率放大器放大后，由發(fā)射天線以電磁輻射的方式將信號發(fā)送出去，其中的功率放大器為電能主要損耗部分，工作原理如圖2所示。

圖2 廣播電視發(fā)射機的工作原理

4 太陽能光伏發(fā)電輔助供電發(fā)射機工作原理

傳統(tǒng)的大功率太陽能發(fā)電系統(tǒng)除了光伏發(fā)電板以外，還包含有龐大規(guī)模的逆變與儲存設(shè)備才能運行。這樣，將太陽能供電技術(shù)應(yīng)用到廣播電視發(fā)射方面顯得有些不切實際，因為大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)的搭建和之后的日常維護將是一筆不小的經(jīng)濟負擔(dān)，所以只有拋開傳統(tǒng)太陽能的供電方式，去除掉太陽能供電的逆變與儲存過程，才能大大降低建設(shè)成本和維護成本。采取直接供電和關(guān)鍵點供電的方式，只要給發(fā)射機添加一個太陽能光伏輔助供電的接入口，就可以將光伏發(fā)電產(chǎn)生的低壓大電流直流電根據(jù)需要進行處理，不需逆變，直接輔助性地供給發(fā)射機耗電最大的關(guān)鍵部分，也就是發(fā)射機的末級功放模塊，從而有效減少發(fā)射機的整體損耗。設(shè)備運行過程中，自動優(yōu)先使用光伏發(fā)出的電。當(dāng)陽光不足時，市電自動增加電流流量，保證設(shè)備供電電壓穩(wěn)定從而達到省電的效果。這種混合供電方式也可根據(jù)所搭建光伏電池板的多少來體現(xiàn)效能的大小。

太陽能光伏發(fā)電輔助供電的廣播電視發(fā)射機是以消耗光能所轉(zhuǎn)換的電能為主。當(dāng)夜間或光能不足的時候，平衡供電系統(tǒng)會自動提升市電電流以補充用電缺口，工作原理如圖3所示。關(guān)鍵核心技術(shù)為自動平衡供電系統(tǒng)，優(yōu)先采用光伏電能對設(shè)備供電。當(dāng)光伏電能減弱時，系統(tǒng)自動提高直流電源模塊的電流給予補充[5]。直流電源處理單元中包含過壓/欠壓保護電路、濾波穩(wěn)壓電路以及避雷裝置等輔助電路。

圖3 太陽能光伏發(fā)電輔助供電發(fā)射機的工作原理

5 太陽能光伏發(fā)電輔助供電發(fā)射機的特點

一方面，依靠自動平衡供電系統(tǒng)優(yōu)先采用光伏發(fā)電供電，實現(xiàn)發(fā)多少電就用多少電的最佳省電（市電）效果。另一方面，相對于傳統(tǒng)的光伏供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)省去了蓄電池組和直流/交流逆變器，不但大大降低了建造和維護成本，也降低了路徑的損耗，進一步提升了供電效率。

6 升級版太陽能光伏發(fā)電輔助供電發(fā)射機的工作原理

廣播電視停播率以秒為單位來計算。在直播過程中一旦遇上停電，等待發(fā)電系統(tǒng)切換供電的過程不可避免地造成中斷，直接影響停播率和收視效果。然而，升級版的太陽能光伏發(fā)電輔助供電發(fā)射機在原先基礎(chǔ)上增加了補償蓄電池組和小功率的220 V逆變器，工作原理如圖4所示。該升級裝置可在外電停電時，持續(xù)給耗電較小的信號處理單元和激勵器供電。補償蓄電池的容量可根據(jù)負載損耗情況來設(shè)計，只要能滿足發(fā)電機啟動所需的電能即可，而發(fā)電機啟動只有幾十秒的時間。這樣的設(shè)計基本不增加建設(shè)成本，但能夠完美實現(xiàn)發(fā)射機在供電電源系統(tǒng)切換過程中不停播的效果。一些省/市級的大功率廣播電視發(fā)射臺站里，大多因為發(fā)射功率太大而無法安裝不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）應(yīng)急供電系統(tǒng)來避免切換電源時造成的停播，而升級版的太陽能光伏發(fā)電輔助供電發(fā)射機能在短時間停電的間隙過程依然正常運行。

圖4 升級版太陽能光伏發(fā)電輔助供電發(fā)射機的工作原理

7 實 驗

實驗對象為300 W調(diào)頻廣播發(fā)射機，實驗器材為500 W光伏發(fā)電板、48 V/20 Ah蓄電池組、自制電器板、各種儀表等。對于數(shù)據(jù)記錄，制定全天候時段記錄參數(shù)表，記錄結(jié)果如表1所示。

表1 全天候分時段記錄參數(shù)表

從表1可以看出，07:00開始市電電流逐步減低，07:00—17:00明顯較低，甚至為0 A，說明該時段已經(jīng)不再損耗市電的電能；發(fā)電電流在07:00—17:00明顯增加，說明該時段的用電都是光伏發(fā)電的電能。一天內(nèi)07:00—19:00時段所消耗的電能與其他時間段所消耗的電能基本持平，即一天中消耗的電能一半為市電，一半為太陽能發(fā)電，有效節(jié)能約50%。

8 結(jié) 論

通過實驗證明，廣播電視發(fā)射機添加太陽能光伏發(fā)電輔助供電接入口，并利用光伏發(fā)電來降低市電損耗的方案是可行的。省電率與光伏板的輸出功率成正比，理論上當(dāng)發(fā)電量等于發(fā)射機末級功放損耗的電量時，省電率將達到90%以上。