一个太阳能电源设计实例

- 1 - 一个太阳能电源设计实例 fuzz8n 照 太阳能直放站的电源设计 Lug直放站是移动通信网络优化的重要手段之一，随着直放站的普及 ,那些地形较好、供电方便、用户量大的地方已基本覆盖，因而在网络优化过程中，那些地形复杂、供电困难的地方如果继续采用有线 供电的方式，则会存在线路架设困难、 成本高、 维护不方便及容易遭雷击等自然灾害的危害。 为了使直放站能更好地为网络优化服务，我公司提供的太阳能供电直放站系列就能够较好的解决这方面的问题。 }Ay一、 直放站的选择 E z由于太阳能供电直放站系统往往架设在位置较高的地方， 因而主要选用无线直放站。 根据当地的信号情况再决定是否采用选频方式， 考虑到地势较高及太阳能电池的容量及成本， 一般直放站的输出功率以不超过 20W 为宜。k{G2h由于太阳能直放站是以太阳能转化为电能的方式来供电的，因而直放站的耗能大小就成为直放站在恶劣天气情况下工作时间长短的关键，直放站消耗能量最大的部件是功放，为了能使功放的效率达到更高，我公司采用了- 2 - 效率更高的攻放模块来代替原来的功放管，虽然增加了许多成本，但设备的效率提高了，而且，当无人通话时，功放的工作电流仅为静态电流。 mGD1从组网的方面来考虑，由于太阳能的供能使有限的，因而，直放站的整机耗能不易过大，一般以不超过 60w为宜。 二、太阳能供电系统的配置1、电池容量 Q假设直放站的功耗为 60w，直放站每天消耗的电流为（ 24V 供电） X2.5 24 小时 60（ AH ） 6okop设电池容量能满足直放站工作 15 天，则电池容量最小为 k60 15900（ AH）虽然电池的标称容量就是其额定放电容量，但我们仅按 75的放电量来设计，以便有一定的富裕量，则设计的电池总容量为 F o900/0.751200（ AH） g, o- 3 - 至于电池的组合则有多种方式如 QK1AIw12V 120AH 20 个 724V 120AH 10 个 Q_[42V 1200AH 12 个 等等可根据机房形式、搬运难度、其它特殊要求等情况选择不同的方式。 X2、太阳能板的选择 u一块标准的太阳能板的充电电流为 4A， 我国大部分地方在有太阳的情况下， 太阳能板的最大充电电流为 3A，且以 3A 充电的时间仅有 4 小时 /每天， 其它时间的充电电流则达不到 3A。在阴天时，太阳能板的充电电流只有约0.7A/块，假设在较恶劣的天气里， 15 天内，晴天为 4 天，阴天为 6 天，雨天为 5 天（不充电）则每块太阳能板的输出电流为晴天时 3A 4 小时 3A0.7 2 4 小时 19.4AH/天 RZ19.4 4 天 77.6AH5_b阴天时 0.7A 8 小时 5.6AH/ 天 y- 4 - 5.6 633.6AH data共 计 77.633.6111.2AHD设采用输入电压为 12V/4A 的太阳能板 18 块，则 15 天内的总充电量为 Chiw18 2 111.21008AH＞ 900AH因而可满足系统供电的需要。 _验证 N5yB⑴ .假设天气为连续雨天，太阳能板不能充电，则系统连续工作时间为 kHz{900/6015 天 8G⑵ .假设天气为连续阴天（或小晴天） ，系统的工作时间为 ,_*（ 9005.6 9 T） /60TT93.75 天 in ⑶ .正常天气 T从前面计算可知， 15 天内的充电电流为 1008AH，完全可以满足需要。 a- 5 - 根据实际情况，我公司与太阳能电池生产厂家密切合作，根据我公司的要求，研制生产出转换效率提高 5的太阳能板，并能通过网管对太阳能电池的工作情况进行监测，如充电电流、充电电压、电池工作电压等 pump3、直放站功率选择 b;以上计算是按直放站的功耗为 60W 时来计算的（输出功率大于 10W） ，在组网过程中，我们可以计算出直放站的实际所需输出功率。 /.P设要求达到覆盖距离为 3Km， （基本可视）则路径衰耗为 eLS32.4420lgf20lgdM;32.4420lg100020lg3P手机在室内接收场强为 -85dBm， B[LA则 -85P1734-122Z]VtaP14dBmX0{v取 P30dBm，即可完全满足需要 有 16dB 余量） 。 .xh\kf即使采用四选频直放站，直放站的输出功率也仅需要 5W。 ;因而，可根据实际情况，在直放站能满足覆盖的情况下，尽量选择小功率的直放站，一可以节省投资，二可以延长太阳能电源的工作时间。 2I4、太阳能电源的配置 YsKq⑴、 太阳能组件 18 块（ 40W/16.5V） [DKn⑵、 角铁支架 2 台 B- 7 - 太阳能充电设计方案太阳能充电设计方案首先，数据采集仪器应采用低功能耗的。其次，选择的太阳能发电板和蓄电池应是经济、可靠性的。既要防止太阳能发电板在阴雨期容量不够，达不到测量目的，又要避免容量过大，造成浪费。一、关于硅太阳能发电板容量硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率 WP。 太阳能发电功率量值取决于负载 24h 所能消耗的电力HWH ，由负载额定电源与负载 24h 所消耗的电力，决定了负载 24h 消耗的容量 PAH ，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流 IPA 。由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压 VF V ，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压 VT v 及反充二极管 P-N 结的压降 VDV 所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压 VPV ， 由太阳电池阵列工作电源 IPA 与工作电压 VPV ， 便可决定平板式太- 8 - 阳能板发电功率 WPW ，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量 WP 与太阳能电池阵列工作电压 VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。太阳能电池阵列的具体设计步骤如下１ .计算负载 24h 消耗容量 P。PH/V V 负载额定电源2. 选定每天日照时数 TH 。3. 计算太阳能阵列工作电流。IPP1Q/T Q 按阴雨期富余系数， Q0.21 ～ 1.00 4. 确定蓄电池浮充电压 VF。镉镍 ＧＮ 和铅酸 ＣＳ 蓄电池的单体浮充电压分别为 1.4 ～ 1.6V 和 2.2V 。5. 太阳能电池温度补偿电压 VT。- 9 - VT2.1/430T-25VF 6. 计算太阳能电池阵列工作电压 VP。VPVFVDVT 其中 VD0.5 ～ 0.7 约等于 VF 7. 太阳电池阵列输出功率ＷＰ 平板式太阳能电板。WPIP UP 8. 根据 VP、 WP 在硅电池平板组合系列表格，确定标准规格的串联块数和并联组数。二、关于蓄电池的容量计算蓄电池的容量由下列因素决定1. 蓄电池单独工作天数。在特殊气候条件下，蓄电池允许放电达到蓄电池所剩容量占正常额定容量的 20 。2. 蓄电池每天放电量。对于日负载稳定且要求不高的场合，日放电周期深度可限制在蓄电池所剩容量占额定容量的 80 。- 10 - 3. 蓄电池要有足够的容量，以保证不会因过充电所造成的失水。一般在选蓄电池容量时，只要蓄电池容量大于太阳能发电板峰值电流的 25 倍，则蓄电池在充电时就不会造成失水。4. 蓄电池自身漏掉的电能。随着电池使用时间的增长及电池温度的升高，自放电率会增加。对于新的电池自放电率通常小于容量的 5 ，但对于旧的质量不好的电池，自放电率可增至每月 10 ～ 15 。在水情遥测系统中，连续阴雨天的长短决定了蓄电池的容量，由遥测设备在连续阴雨天中所消耗能量 安时数加上 20 因子，再加上 10 电池自放电能 安时数，便可计算出蓄电池的容量源。按照两种容量方案的计算，作者计算完成了太阳能电源的设计1. 测站的主要参数每隔 5min 发射一次数据，发射时间 2Sec ；发射机输入电压 DC13.8V ，输出电流 5A ；当地日照时数 7～ 8h 。2. 测站蓄电池容量经计算得出为 38AH 。3. 测站太阳能电池容量阵列输出功率 WP W 为 25 ～ 35w 。- 11 - 综合以上结果，太阳能电源设计值为蓄电池 采用铅酸蓄电池， 容量 38AH ， 采用 2 个容量 20AH 并联形式； 太阳能电池阵列 输出功率 25 ～ 35W ，采用标准块板 一块输出容量 25 ～ 38W ，一块正好。三、太阳能电源安装使用中注意的问题1. 阵列板选择安装在周围无高大建筑物、树木、电线杆等无遮挡太阳光和避风处。2. 太阳能电池阵列板配套的蓄电池在第一次使用时，要先充电到额定容量，不可过充或过放。3. 注意定期的维护工作。此电源系统经济可靠，安装方便，利于维护，在实践中取得了满意的效果。太阳能路灯 LED 工作原理与设计太阳能 LED 照明集成了太阳能与 LED 的优点。本文对一款太阳能 LED 大功率路灯做了深入探讨与详细介绍，如图 1。1、系统介绍- 12 - 1.1 系统基本组成简介如图 2，系统由太阳能电池组件部分（包括支架） 、 LED 灯头、控制箱 （内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到 127Wp/m2 ，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以 1W 白光 LED 和1W 黄光 LED 集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为 “ 免维护电池 ” ，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。1.2 工作原理介绍系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至 10lux 左右、太阳能电池板开路电压 4.5V 左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电 8.5 小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。2、系统设计思想- 13 - 太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。下面将以香港真明丽集团有限公司的这款太阳能 LED 大功率路灯为例，分几个方面做分析。2.1 太阳能电池组件选型设计要求广州地区，负载输入电压 24V 功耗 34.5W ，每天工作时数 8.5h，保证连续阴雨天数 7 天。⑴ 广州地区近二十年年均辐射量 107.7Kcal/cm2 ，经简单计算广州地区峰值日照时数约为 3.424h ；⑵ 负载日耗电量 12.2AH ⑶ 所需太阳能组件的总充电电流 1.05 12.2 （ 3.424 0.85） 5.9A 在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为 20 天， 1.05 为太阳能电池组件系统综合损失系数， 0.85 为蓄电池充电效率。⑷ 太阳能组件的最少总功率数 17.2 5.9 102W 选用峰值输出功率 110Wp 、单块 55Wp 的标准电池组件，应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。2.2 蓄电池选型- 14 - 蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。根据上面的计算知道，负载日耗电量 12.2AH 。在蓄电池充满情况下，可以连续工作 7 个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量12.2 （ 71 ） 97.6 （ AH） ，选用 2 台 12V100AH 的蓄电池就可以满足要求了。2.3 太阳能电池组件支架2.3.1 倾角设计为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多， 我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为广州地区，依据本次设计参考相关文献中的资料 [1]，选定太阳能电池组件支架倾角为 16o。2.3.2 抗风设计在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。⑴ 太阳能电池组件支架的抗风设计- 15 - 依据电池组件厂家的技术参数资料， 太阳能电池组件可以承受的迎风压强为 2700Pa 。 若抗风系数选定为 27m/s（相当于十级台风） ， 根据非粘性流体力学， 电池组件承受的风压只有 365Pa 。 所以， 组件本身是完全可以承受 27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。⑵ 路灯灯杆的抗风设计路灯的参数如下电池板倾角 A 16o 灯杆高度 5m 设计选取灯杆底部焊缝宽度 δ 4mm 灯杆底部外径 168mm 如图 3，焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩 W 的计算点 P 到灯杆受到的电池板作用荷载 F 作用线的距离为 PQ [5000 （ 1686 ） /tan16o] Sin16o 1545mm 1.545m 。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩 M F 1.545 。- 16 - 根据 27m/s 的设计最大允许风速， 2 30W 的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为 730N 。考虑 1.3 的安全系数， F 1.3 730 949N 。所以， M F 1.545 949 1.545 1466N.m 。根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩 W π （ 3r2 δ ＋ 3r δ2 ＋ δ3 ） 。上式中， r 是圆环内径， δ 是圆环宽度。破坏面抵抗矩 W π （ 3r2 δ ＋ 3r δ2 ＋ δ3 ）π （ 3 842 4＋ 3 84 42＋ 43） 88768mm3 88.768 10－ 6 m3 风荷载在破坏面上作用矩引起的应力 M/W 1466/ （ 88.768 10－ 6） 16.5 106pa 16.5 Mpa ＜＜ 215Mpa 其中， 215 Mpa 是 Q235 钢的抗弯强度。所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。2.4 控制器- 17 - 太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。蓄电池防过充、过放保护电压一般参数如表 1，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。在选用器件上，目前有采用单片机的，也有采用比较器的，方案较多，各有特点和优点，应该根据客户群的需求特点选定相应的方案，在此不一一详述。2.5 表面处理该系列产品采用静电涂装新技术， 以 FP 专业建材涂料为主， 可以满足客户对产品表面色彩及环境协调一致的要求，同时产品自洁性高、抗蚀性强，耐老化，适用于任何气候环境。加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装，使产品性能大大提高，达到了最严格的 AAMA2605.2005 的要求，其它指标均已达到或超过 GB 的相关要求。3、结束语整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；表面处理采用了目前- 18 - 最先进的技术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。目前，太阳能 LED 照明的初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上 LED 光效在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED 的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。所以，太阳能 LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。太阳能充电设计方案太阳能充电设计方案首先，数据采集仪器应采用低功能耗的。其次，选择的太阳能发电板和蓄电池应是经济、可靠性的。既要防止太阳能发电板在阴雨期容量不够，达不到测量目的，又要避免容量过大，造成浪费。一、关于硅太阳能发电板容量- 19 - 硅太阳能发电板容量是指平板式太阳能板发电功率 WP。 太阳能发电功率量值取决于负载 24h 所能消耗的电力HWH ，由负载额定电源与负载 24h 所消耗的电力，决定了负载 24h 消耗的容量 PAH ，再考虑到平均每天日照时数及阴雨天造成的影响，计算出太阳能电池阵列工作电流 IPA 。由负载额定电源，选取蓄电池公称电压，由蓄电池公称电压来确定蓄电池串联个数及蓄电池浮充电压 VF V，再考虑到太阳能电池因温度升高而引起的温升电压 VT v及反充二极管 P-N 结的压降 VDV 所造成的影响，则可计算出太阳能电池阵列的工作电压 VPV ，由太阳电池阵列工作电源 IPA 与工作电压 VPV ，便可决定平板式太阳能板发电功率 WPW ，从而设计出太阳能板容量，由设计出的容量 WP 与太阳能电池阵列工作电压 VP，确定硅电池平板的串联块数与并联组数。太阳能电池阵列的具体设计步骤如下１ .计算负载 24h 消耗容量 P。PH/V V 负载额定电源2.选定每天日照时数 TH。- 20 - 3.计算太阳能阵列工作电流。IPP1Q/T Q 按阴雨期富余系数， Q0.21 ～ 1.00 4.确定蓄电池浮充电压 VF。镉镍 ＧＮ 和铅酸 ＣＳ 蓄电池的单体浮充电压分别为 1.4～ 1.6V 和 2.2V。5.太阳能电池温度补偿电压 VT。VT2.1/430T-25VF 6.计算太阳能电池阵列工作电压 VP。VPVFVDVT 其中 VD0.5 ～ 0.7 约等于 VF 7.太阳电池阵列输出功率ＷＰ