羅舒曼

摘 要熱帶季風(fēng)氣候的主要貼點(diǎn)是全年高溫，降水季節(jié)差異大，而通信設(shè)備直放站在實(shí)際工作過(guò)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(guó)外某些市電未覆蓋地區(qū)，須采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。本文以我司在老撾萬(wàn)象架設(shè)的48V20W的光纖太陽(yáng)能直放站為例進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】熱帶季風(fēng) 太陽(yáng)能 通信設(shè)備 直放站 供電

1 背景

我司在地處熱帶季風(fēng)氣候的老撾進(jìn)行移動(dòng)信號(hào)覆蓋工程，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)不普及，因此采用的是太陽(yáng)能獨(dú)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(fēng)氣候的主要特點(diǎn)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(shí)間短、環(huán)境濕度大，而旱季陽(yáng)光強(qiáng)度大、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的即時(shí)電流大，從而給室外直放站通信設(shè)備的運(yùn)行提出了較高的要求。供電系統(tǒng)作為直放站通信設(shè)備的心臟，是保證信號(hào)暢通、直放站無(wú)故障聯(lián)系工作不掉站的前提，對(duì)移動(dòng)信號(hào)覆蓋起著至關(guān)重要的作用。

2 負(fù)載功耗及太陽(yáng)能板配置

國(guó)內(nèi)也有熱帶季風(fēng)氣候的地區(qū)，但是由于國(guó)內(nèi)電網(wǎng)普及率高，交通便利，光伏系統(tǒng)一般作為市電的補(bǔ)充或者是與柴油發(fā)電機(jī)配合作為供電電源，太陽(yáng)能并不獨(dú)立供電，因此供電時(shí)間短，不易出現(xiàn)影響通信設(shè)備工作的故障。而老撾作為無(wú)市電，交通又不便利的地方，架設(shè)電網(wǎng)和遠(yuǎn)程運(yùn)送發(fā)電機(jī)都難以實(shí)現(xiàn)，因此太陽(yáng)能獨(dú)立不間斷工作的穩(wěn)定性就變得尤為重要。對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)保證以長(zhǎng)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(shí)候也能正常供電而不折損電池壽命。

負(fù)載功耗為直放站設(shè)備工作時(shí)的耗電量。20W的直放站其消耗的功率在空載和滿載時(shí)不同，須經(jīng)實(shí)際測(cè)量確定：在直放站輸出端加上20W、5Ω假負(fù)載，將輸出信號(hào)調(diào)至最大后測(cè)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(yáng)能板的標(biāo)稱輸出功率值是在標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度達(dá)到1KW/m2時(shí)的值。在早、晚及陰雨天、陽(yáng)光不充足時(shí)，實(shí)際的輸出功率并不等于標(biāo)稱值。在熱帶季風(fēng)氣候地區(qū)，旱季陽(yáng)光充足、日照時(shí)間長(zhǎng)，雨季則陰雨綿綿、光強(qiáng)較弱，因此應(yīng)采用“日平均日輻射強(qiáng)度（Daily solar radiation）”作為當(dāng)?shù)氐娜照諒?qiáng)度參數(shù)。從NASA官網(wǎng)查詢可知老撾萬(wàn)象年均日輻射強(qiáng)度為4.76KWh/m2/d，即1KW的太陽(yáng)能板平均每天可發(fā)電4.76KWh，遠(yuǎn)低于每日8小時(shí)的日照時(shí)間。根據(jù)長(zhǎng)期穩(wěn)定供電的需求，取日輻射強(qiáng)度最小月均值，七月，4.13KWh/ m2/d，則太陽(yáng)能板最低功率應(yīng)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(yáng)能板最低功率應(yīng)為：

698W/0.7=997W，即1KW

太陽(yáng)能硅片使用量計(jì)算公式如下：

N=（I×H×1.1×1.2）/（h×i）

i=P/U

式中N為太陽(yáng)能硅片數(shù)量，塊；I為負(fù)載電流，A；H為使用時(shí)間，h；1.1為大氣層系數(shù)；1.2為導(dǎo)線系數(shù)；h為日照時(shí)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(tái)20W太陽(yáng)能光纖直放站需用硅片11塊。

3 太陽(yáng)能控制器配置

太陽(yáng)能控制器生產(chǎn)廠家較多，在國(guó)內(nèi)也有成熟運(yùn)用。但同樣的控制器在云南工作兩年都未出現(xiàn)問(wèn)題，在老撾工作時(shí)則出現(xiàn)了很高的故障率，平均壽命只有3個(gè)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(guān)重要。太陽(yáng)能控制器是連接太陽(yáng)能板、蓄電池和直放站通信設(shè)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(yáng)能控制器主要作用是保護(hù)蓄電池，其參數(shù)設(shè)定應(yīng)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(guò)電壓值進(jìn)行閥值控制。然而蓄電池的充放電過(guò)程是與電流變化呈正相關(guān)的。以12V、100A鉛酸電池為例，性能正常的電池充電過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一個(gè)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(gè)是浮充階段，電壓維持在13.45V，電流逐漸下降直至充滿。而當(dāng)電池出現(xiàn)過(guò)放的情況時(shí)，其充電過(guò)程電壓是波動(dòng)的，分為強(qiáng)充、吸收充和浮充三個(gè)階段。強(qiáng)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(guò)放后電池電量仍然可以充滿，電太陽(yáng)能控制器應(yīng)具有強(qiáng)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(jìn)行充電。

3.2 過(guò)放保護(hù)

蓄電池在充電過(guò)程中會(huì)分解形成H2和O2，當(dāng)電池內(nèi)氣壓過(guò)高時(shí)，氣體溢出安全閥，形成析氣。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，電池在過(guò)放后充電，其析氣量為1650ml，而未發(fā)生過(guò)放時(shí)，析氣量為950ml。一般來(lái)說(shuō)，電池失水達(dá)到溶液15%時(shí)，電池的壽命就終止了。因此，太陽(yáng)能控制器應(yīng)具有過(guò)放保護(hù)功能。保護(hù)電壓設(shè)定為11.4V，此時(shí)電池大致還有15%的容量，電池負(fù)極不易形成硫酸鉛，造成不可逆轉(zhuǎn)的電池容量縮小和壽命損耗。

3.3 PWM技術(shù)

老撾地處熱帶，光強(qiáng)變化大，太陽(yáng)能板要在短暫的日照時(shí)間內(nèi)完成負(fù)載晝夜不停的用電儲(chǔ)備，其產(chǎn)生的即時(shí)電流很大、經(jīng)測(cè)試約為16A。大電流的充電下，電池的電壓虛高，短時(shí)間就會(huì)因高壓保護(hù)而停止充電，但實(shí)際上電池并未充入多少電量。而在帶載時(shí)，電量很快消耗，導(dǎo)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(yáng)能控制器頻繁動(dòng)作。普通控制器在老撾每天需要進(jìn)行33次動(dòng)作，一個(gè)雨季后就會(huì)達(dá)到3000多次，因此太陽(yáng)能控制器使用壽命在經(jīng)過(guò)一個(gè)雨季后就終止。而電池的使用壽命也在三千次循環(huán)和過(guò)放后提前終止。因此，太陽(yáng)能控制器應(yīng)根據(jù)電池特性曲線和老撾太陽(yáng)能板充電電流曲線，引入PWM（脈寬調(diào)制）技術(shù)，調(diào)節(jié)PWM占空比，限流并平滑充電電流曲線，最大程度的保護(hù)電池和控制器。

3.4 溫度補(bǔ)償

蓄電池在充電到容量80%左右時(shí)正極板析出O2，負(fù)極板與O2發(fā)生氧復(fù)活反應(yīng)，產(chǎn)生熱量。隨后，氧氣發(fā)生速度加快，負(fù)極板的氧復(fù)活速度跟不上，開(kāi)始產(chǎn)生H2。氣體產(chǎn)通過(guò)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(zhì)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(fù)極板間的附著力變差，內(nèi)阻增大，放熱量加大，溫度上升，析氣點(diǎn)電位降低，加劇溫度快速上升，惡性循環(huán)，形成“熱失控”。當(dāng)電池溫度超過(guò)80℃時(shí)，外殼出現(xiàn)鼓脹、開(kāi)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(yáng)能控制器須具有溫度補(bǔ)償功能，在電池溫度上升時(shí)降低充電電流，防止電池過(guò)熱。

4 系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)注意的問(wèn)題

4.1 蓄電池補(bǔ)電和配組

蓄電池在使用前應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)電和配組。新電池的容量一般為總?cè)萘康?0%，會(huì)隨著存放時(shí)間的延長(zhǎng)而減少，因此電池在儲(chǔ)存一段時(shí)間后應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)電，在使用之前也要進(jìn)行補(bǔ)電。每個(gè)電池充滿后的容量存在差異，在不同使用狀況后的容量會(huì)有不同程度的縮小，內(nèi)阻也會(huì)有不同程度的增大。若一組電池中有一塊電池容量和內(nèi)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(huì)因充電電壓相對(duì)過(guò)高而發(fā)熱，產(chǎn)生熱失控問(wèn)題，因此電池組在使用前應(yīng)進(jìn)行配組，不能新、舊電池混用，且同組電池的容量和電阻應(yīng)一致。

4.2 太陽(yáng)能板安裝環(huán)境

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

5 結(jié)論

該太陽(yáng)能通信系統(tǒng)在老撾萬(wàn)象開(kāi)通后實(shí)際運(yùn)行3個(gè)月，熱帶雨林氣候環(huán)境所產(chǎn)生的問(wèn)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(shè)備掉站現(xiàn)象。隨著東南亞等熱帶亞熱帶帶地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)通信的需求越來(lái)越多。太陽(yáng)能直放站供電系統(tǒng)供電可靠，一次建成后后期維護(hù)成本低，在沒(méi)有市電的欠發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)是一種很好的解決方案。隨著光伏技術(shù)的不斷成熟，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的不斷增強(qiáng)，未來(lái)，太陽(yáng)能通信設(shè)備供電系統(tǒng)將覆蓋到更多不同氣候特點(diǎn)的地區(qū)，為促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、科學(xué)和文化的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

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