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氫燃料備用電源應(yīng)用于通信領(lǐng)域的分析

 更新時間:2024-10-12    點擊量:188

摘要:從介紹氫燃料備用電源的工作原理和特點出發(fā),從技術(shù)理論和節(jié)能減排的角度討論了用氫燃料電源作為通信系統(tǒng)備用電源所帶來技術(shù)上的改進和經(jīng)濟上的效益,提出氫燃料備用電源應(yīng)用于通信基站的設(shè)想,并對通信行業(yè)引入氫燃料備用電源后的節(jié)能減排技術(shù)的研究建議了新方向。

氫燃料備用電源應(yīng)用于通信領(lǐng)域的分析

近年來,氫燃料備用電源技術(shù)發(fā)展極為迅速,取得多項突破,并越來越多地應(yīng)用到各種要求電源具備高穩(wěn)定性、高可靠性、可智能監(jiān)控、節(jié)能、環(huán)保的軍事和普通民用工業(yè)中,例如:航天、潛艇、通信、無人操縱設(shè)備、分布式電源、智能電網(wǎng)、交通車輛等行業(yè)。目前,氫燃料備用電源作為通信設(shè)備的備用電源已是一項成熟的應(yīng)用技術(shù),自2008年以來,全球各地至少已經(jīng)實地安裝了890套氫燃料備用電源系統(tǒng),且這些系統(tǒng)連續(xù)運行4年來,沒有失敗案例,應(yīng)用極為成功。

本文通過介紹氫燃料備用電源的原理、結(jié)構(gòu)、工作方式、工作要求、能耗及使用成本,對氫燃料電源作為通信基站的備用電源在技術(shù)、成本和節(jié)約能耗等方面做出了理論分析,并在概念上提出了通信基站氫燃料備用電源系統(tǒng)的解決方案。



2 氫燃料備用電源的應(yīng)用及系統(tǒng)構(gòu)成




2.2 氫燃料備用電源系統(tǒng)的技術(shù)層面與結(jié)構(gòu)


氫燃料備用電源系統(tǒng)的構(gòu)成可被抽象地劃分為6個層面:電池電極材料、單體電池、電堆、電堆控制及電源模塊、系統(tǒng)控制與集成、接口及應(yīng)用設(shè)備,如圖3所示。

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圖3 燃料電源系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)分層





2.3.1 電極材料


氫燃料電源的電極材料有質(zhì)子交換膜(電解質(zhì))、催化劑、氣體擴散層、膜電極組及雙極板5部分組成。


2.3.3 控制系統(tǒng)


在電化學(xué)技術(shù)、材料技術(shù)、工裝工藝和加工技術(shù)確定后,氫燃料電源系統(tǒng)的核心技術(shù)為系統(tǒng)和環(huán)境條件的控制技術(shù)。為了使氫燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)所輸出的功率符合負(fù)載要求并確保氫燃料電源系統(tǒng)在各種變化條件下穩(wěn)定運行,必須使用計算機對全部工作過程進行控制。從啟動、動態(tài)保證各種變化條件下的最佳運轉(zhuǎn)、管理、通信到停止,所有的操作全部由計算機控制,并可實現(xiàn)全部程序化的無人監(jiān)控??刂葡到y(tǒng)將數(shù)學(xué)計算、溫控、壓力與傳感、電子技術(shù)與器件、計算機軟硬件等各種技術(shù)有機關(guān)聯(lián)和集成后,實現(xiàn)了氫燃料電源系統(tǒng)智能化的工作。整體的控制系統(tǒng)由數(shù)個計算機處理器及數(shù)個不同的控制子系統(tǒng)組成,可以根據(jù)不同的系統(tǒng)和不同的應(yīng)用需求,構(gòu)成單一的控制器或幾個專用控制器將全部過程控制起來。燃料電池的控制系統(tǒng)是氫燃料電源設(shè)備的“大腦"和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)",決定了氫燃料電池內(nèi)部的變化和對外的反應(yīng)及動作。



2.3.5 自檢和監(jiān)控系統(tǒng)


氫燃料電源系統(tǒng)帶有自檢和監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)故障預(yù)測、自檢、切換、報警、緊急停機操作等保證系統(tǒng)安全運行的全部功能。



2.3.7 通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)


氫燃料電源系統(tǒng)的全部工作性能和操作都是由計算機控制的,因此具有數(shù)字電子設(shè)備功能,能實現(xiàn)四遙(遙信、遙測、遙控、遙調(diào))功能。氫燃料電源系統(tǒng)具有通信模塊和RS232、RS485、CAN-bus、TCP/IP等通信接口。通過網(wǎng)管系統(tǒng)能實現(xiàn)多個氫燃料電源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控,由監(jiān)控中心對電源網(wǎng)任意節(jié)點上的局部或全部電源系統(tǒng)進行監(jiān)控。圖5為利用氫燃料電源通信模塊實現(xiàn)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意。


氫燃料備用電源應(yīng)用于通信領(lǐng)域的分析

圖5 氫燃料電源系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意



3 燃料電池(電源系統(tǒng))的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)


國際上,氫燃料電源技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)趨于完善,主要以國際電工委員會(IEC)關(guān)于氫燃料電池產(chǎn)品、制造和測試技術(shù)的全套標(biāo)準(zhǔn)(IEC62282)為主。該套標(biāo)準(zhǔn)共有7部分,涵蓋了術(shù)語、材料、技術(shù)、產(chǎn)品、測試的全部標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容。其他的標(biāo)準(zhǔn),如ANSI/CSA的北美標(biāo)準(zhǔn)、ASTM標(biāo)準(zhǔn)、UL標(biāo)準(zhǔn)、SAE標(biāo)準(zhǔn)、JIL標(biāo)準(zhǔn)都是以IEC62282標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),衍生制定的。

我國目前也是以國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62282為主,直接引用IEC62282國際燃料電池標(biāo)準(zhǔn)中的10項,并根據(jù)我國行業(yè)情況自定義15項國家燃料電池標(biāo)準(zhǔn)(主要針對燃料電池車輛的標(biāo)準(zhǔn))。針對通信行業(yè)氫燃料備用電源的生產(chǎn)和應(yīng)用,尚未形成國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會于2010年,參照美國RELION公司的氫燃料備用電源的技術(shù)手冊和參數(shù),發(fā)布了《YDB051-2010通信用氫燃料電池供電系統(tǒng)》通信標(biāo)準(zhǔn)類技術(shù)報告。根據(jù)氫燃料備用電源在各地通信基站實際的試用和完成系統(tǒng)化的測試,進行適用于本地基站備用電源要求的系統(tǒng)可靠性、耐久性的技術(shù)研究,進一步制定和完善我國通信用氫燃料備用電源系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。



5 通信行業(yè)中氫燃料電源的應(yīng)用與節(jié)能減排



5.2 通信行業(yè)采用氫燃料電源帶來的優(yōu)勢及解決的問題


氫燃料電源系統(tǒng)在通信行業(yè)中有很多可帶來明顯效益的應(yīng)用。

·氫燃料電源系統(tǒng)具有靜默式發(fā)電、重量輕、體積小、功率高的優(yōu)勢,可作為應(yīng)急發(fā)電手段,采用更靈活的方式(如車載、空投、人力背攜)發(fā)往斷電的災(zāi)區(qū)或緊急地點就地組裝使用,解決由于電網(wǎng)癱瘓導(dǎo)致的通信中斷問題,提升應(yīng)急通信保障能力。

·氫燃料電源系統(tǒng)能夠按照應(yīng)用場景,靈活開發(fā)不同類型的產(chǎn)品,且具有能量密度高、便攜的優(yōu)勢,可作為微型發(fā)電機、充電器,為手機、微型電腦、微型電臺等便攜電子產(chǎn)品提供電源,解決沒有交流電的野外環(huán)境(沙漠、森林、海島等)通信問題。

·氫燃料電源系統(tǒng)具有備電時間長、動態(tài)響應(yīng)快、遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)勢,可作為微型無人監(jiān)控器或分布通信網(wǎng)絡(luò)的可靠電源,且遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控不但實現(xiàn)了設(shè)備運行無人值守的功能,還能及時反饋系統(tǒng)運行情況,實時上報告警信息,解決長時間無市電地區(qū)的備用電源及監(jiān)控問題。

·氫燃料電源系統(tǒng)對環(huán)境適應(yīng)性強,具有對工作環(huán)境溫度不敏感、無污染排放、總體擁有成本(total cost of ownership,TCO)低的優(yōu)勢,可作為全新的備用電源技術(shù),解決通信機房、基站關(guān)于節(jié)約能耗和降低設(shè)備成本及減少污染排放的問題。

以下將重點分析氫燃料備用電源在通信基站節(jié)能方面帶來的成效。



5.3.1 典型通信基站的能耗和節(jié)能措施的分類


傳統(tǒng)的通信基站一般設(shè)立在封閉的機房內(nèi)(數(shù)據(jù)中心機房、基站、接入局點)。由于機房內(nèi)各類通信設(shè)備運行時不斷產(chǎn)生熱量,使室內(nèi)環(huán)境溫度升高,尤其在高溫的夏天,機房內(nèi)溫度可升至很高,甚至?xí)驕囟冗^高導(dǎo)致通信設(shè)備不能繼續(xù)正常工作。為確保設(shè)備連續(xù)正常地工作在最佳環(huán)境溫度,必須把機房或基站內(nèi)設(shè)備工作時所產(chǎn)生的熱量排到室外去,因此機房或基站均使用溫控空調(diào)來調(diào)節(jié)機房溫度。一般基站內(nèi)的用電設(shè)備有無線主設(shè)備、傳輸設(shè)備、電源設(shè)備(開關(guān)電源和蓄電池)、監(jiān)控設(shè)備和空調(diào)。典型配置的數(shù)據(jù)為:無線主設(shè)備功耗2kW,傳輸設(shè)備功耗100W,開關(guān)電源功耗50W,監(jiān)控設(shè)備10W,2臺3P空調(diào)功耗2.5kW,總功率<5kW,空調(diào)耗電約占基站總功耗的50%,幾乎等于甚至大于基站內(nèi)無線設(shè)備功耗。使用空調(diào)控溫的初衷是保證無線設(shè)備能正常工作,但其能耗卻大于主設(shè)備的能耗,這種傳統(tǒng)的控溫方案導(dǎo)致了運營成本不合理。

因此通信行業(yè)的科技和管理人員積極地尋求各種節(jié)能的措施和方案,力求提高能源使用效率、降低支撐條件的能耗。包括通過不斷縮小機房體積空間而減少空調(diào)制冷量、戶外一體化基站、戶外微型機柜、機房改造、空調(diào)自適應(yīng)技術(shù)、空調(diào)添加劑技術(shù)改進、空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控、水冷空調(diào)、智能通風(fēng)、智能換熱、地板下送風(fēng)、定向送風(fēng)、新風(fēng)一體化空調(diào)、分離式熱管技術(shù)、蓄電池恒溫技術(shù)、保溫及熱反射建筑材料、室外機霧化噴淋、通信機柜點對點冷卻等至少幾十種方案,其根本均是針對基站空調(diào)系統(tǒng)用電的節(jié)能。根據(jù)中國移動基站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能總體指導(dǎo)意見(簡稱指導(dǎo)意見),這些節(jié)能措施被劃分為3類:管理措施類、節(jié)能改造類和應(yīng)用節(jié)能設(shè)備類。而筆者更愿意用另外一種思路將這些措施劃分為兩類:節(jié)能技術(shù)開源類和節(jié)能節(jié)約挖潛類,在邏輯上對每一種節(jié)能方案可能帶來的績效做了一個定性的預(yù)測。技術(shù)開源類的節(jié)能空間可以說是無限的,是主動性的節(jié)能措施,仍有很大的空間可開拓,應(yīng)該予以特殊的重視和支持;節(jié)約挖潛類是有限的,是被動性的措施,其作用是把原來富余和不該消耗的能量節(jié)約下來,受原來富余量多少的制約。



5.3.3 氫燃料備用電源帶來的成本降低


在IT(information technology)和ICT(information & communication technology)行業(yè)中,核算總體擁有成本(TCO)能更貼切地反映一個進行中的項目或器件或設(shè)備的投資成本??傮w擁有成本是一個設(shè)備在有價值周期內(nèi)所有的投入成本之和,包括最初的購置成本(acquisition cost)和使用周期內(nèi)不斷投入的成本(operation cost)。

以下筆者以電源系統(tǒng)的支撐能力均為2400~3000W的電信負(fù)載、年累計斷電100h,取氫燃料電源使用壽命16年為周期,用圖表的形式對氫燃料電源和柴油機+蓄電池這兩種備用電源系統(tǒng)的TCO成本做詳細(xì)的比較。各設(shè)備的使用壽命如表3所列,蓄電池組的購置成本如表4所列。


氫燃料備用電源應(yīng)用于通信領(lǐng)域的分析

表3 各設(shè)備的使用壽命


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表4 蓄電池組的購置成本


表5為“蓄電池+柴油發(fā)電機"和氫燃料備用電源的初次購置成本對比,其中空調(diào)購置成本是按照目前基站5P空調(diào)配置的購置成本計算的。


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表5 兩種備電方式的初次購置成本對比


結(jié)論:備用燃料電源系統(tǒng)初次購置成本比“蓄電池+柴油發(fā)電機"初次購置成本高,其比例約為12/7。

表6是兩種備用電源系統(tǒng)每年使用/維護的附加成本對比,其中氫氣發(fā)電成本5元/kWh(15MPa、40L的氫氣瓶,儲氫485g,成本30元),燃料電池耗氫量約80g/kWh,則3kW、年累發(fā)電100h的附加成本為:

3kW×100h×5元/kWh=1500元(1)

蓄電池發(fā)電成本:蓄電池的充放電效率為1.5h,則放電成本約:1.5元/kWh(因蓄電池浮充所消耗的電能暫忽略),則年累發(fā)電100h的附加成本為:

3kW×100h×1.5元/kWh=450元(2)

柴油發(fā)電機的發(fā)電成本約:2.5元/kWh。若其中柴油發(fā)電機發(fā)電50h,則年累斷電100h的附加成本為:

3kW×50h×2.5元/kWh=375元(3)

可見,備用燃料電源系統(tǒng)每年的附加成本為鉛酸電池組備電系統(tǒng)附加成本的1/3。


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表6 兩種備電方式每年附加成本對比


結(jié)論:備用燃料電源系統(tǒng)的整體擁有成本(TCO)不足鉛酸電池組備電系統(tǒng)整體擁有成本的1/2,比例約為0.43%,平均每個系統(tǒng)每年節(jié)約設(shè)備資金成本17250.00元。若全國10萬個這樣的通信基站采用氫燃料備用電源取代備電的鉛酸蓄電池,每年可節(jié)約國家設(shè)備投入資金17.25億元。



6 氫燃料備用電源帶來節(jié)能技術(shù)研究的新課題



6.2 通信基站中溫度點的分布與測試方法


如果對移動基站的戶外機柜進行實際的測試或熱成像監(jiān)測,就可看到機房(基站、機柜)的熱場中的溫度分布非常不均勻,在最重要的設(shè)備點溫度最高,柜內(nèi)高低溫溫差的梯度達20°C左右,此時空調(diào)的自動溫控標(biāo)準(zhǔn)會有相當(dāng)大的誤差。盡管基站內(nèi)或機柜內(nèi)的平均溫度可能只有38°C,但在電信設(shè)備附近某個高溫點達到55°C時,設(shè)備也有損壞和出現(xiàn)故障的危險,所以通信機柜要引入點對點冷卻概念和技術(shù)。開發(fā)點對點冷卻技術(shù)的前提就是要求標(biāo)準(zhǔn)化的溫度場測試,這就需要標(biāo)準(zhǔn)化的硬件(溫度傳感器、測溫儀)和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件。



7 結(jié)論


氫燃料電源技術(shù)是處于科技前沿的先進能源技術(shù),在各種能源需求領(lǐng)域中迅速發(fā)展。各類燃料電源系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠帶來節(jié)能減排的不菲成效,更能大幅度地減少投資成本。因此,氫燃料電源和氫能源的應(yīng)用是社會和能源技術(shù)發(fā)展的必然和希望。我國具有氫燃料電源應(yīng)用的最佳契機和最好條件,是全球發(fā)展燃料電池的前途所在,發(fā)展氫燃料電池技術(shù)是社會和工業(yè)界的契機、責(zé)任和義務(wù)。










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