氢燃料备用电源应用于通信领域的分析
时间：2024-10-12 阅读：162
摘要：从介绍氢燃料备用电源的工作原理和特点出发，从技术理论和节能减排的角度讨论了用氢燃料电源作为通信系统备用电源所带来技术上的改进和经济上的效益，提出氢燃料备用电源应用于通信基站的设想，并对通信行业引入氢燃料备用电源后的节能减排技术的研究建议了新方向。
近年来，氢燃料备用电源技术发展极为迅速，取得多项突破，并越来越多地应用到各种要求电源具备高稳定性、高可靠性、可智能监控、节能、环保的军事和普通民用工业中，例如：航天、潜艇、通信、无人操纵设备、分布式电源、智能电网、交通车辆等行业。目前，氢燃料备用电源作为通信设备的备用电源已是一项成熟的应用技术，自2008年以来，全球各地至少已经实地安装了890套氢燃料备用电源系统，且这些系统连续运行4年来，没有失败案例，应用极为成功。
本文通过介绍氢燃料备用电源的原理、结构、工作方式、工作要求、能耗及使用成本，对氢燃料电源作为通信基站的备用电源在技术、成本和节约能耗等方面做出了理论分析，并在概念上提出了通信基站氢燃料备用电源系统的解决方案。
2 氢燃料备用电源的应用及系统构成
2.2 氢燃料备用电源系统的技术层面与结构
氢燃料备用电源系统的构成可被抽象地划分为6个层面：电池电极材料、单体电池、电堆、电堆控制及电源模块、系统控制与集成、接口及应用设备，如图3所示。
图3 燃料电源系统技术结构分层
2.3.1 电极材料
氢燃料电源的电极材料有质子交换膜（电解质）、催化剂、气体扩散层、膜电极组及双极板5部分组成。
2.3.3 控制系统
在电化学技术、材料技术、工装工艺和加工技术确定后，氢燃料电源系统的核心技术为系统和环境条件的控制技术。为了使氢燃料电池内部的化学反应所输出的功率符合负载要求并确保氢燃料电源系统在各种变化条件下稳定运行，必须使用计算机对全部工作过程进行控制。从启动、动态保证各种变化条件下的最佳运转、管理、通信到停止，所有的操作全部由计算机控制，并可实现全部程序化的无人监控。控制系统将数学计算、温控、压力与传感、电子技术与器件、计算机软硬件等各种技术有机关联和集成后，实现了氢燃料电源系统智能化的工作。整体的控制系统由数个计算机处理器及数个不同的控制子系统组成，可以根据不同的系统和不同的应用需求，构成单一的控制器或几个专用控制器将全部过程控制起来。燃料电池的控制系统是氢燃料电源设备的“大脑”和“神经网络”，决定了氢燃料电池内部的变化和对外的反应及动作。
2.3.5 自检和监控系统
氢燃料电源系统带有自检和监控系统，实现故障预测、自检、切换、报警、紧急停机操作等保证系统安全运行的全部功能。
2.3.7 通信和网络系统
氢燃料电源系统的全部工作性能和操作都是由计算机控制的，因此具有数字电子设备功能，能实现四遥（遥信、遥测、遥控、遥调）功能。氢燃料电源系统具有通信模块和RS232、RS485、CAN-bus、TCP/IP等通信接口。通过网管系统能实现多个氢燃料电源系统的网络监控，由监控中心对电源网任意节点上的局部或全部电源系统进行监控。图5为利用氢燃料电源通信模块实现的监控网络示意。
3 燃料电池（电源系统）的技术标准
国际上，氢燃料电源技术的相关标准已经趋于完善，主要以国际电工委员会（IEC）关于氢燃料电池产品、制造和测试技术的全套标准（IEC62282）为主。该套标准共有7部分，涵盖了术语、材料、技术、产品、测试的全部标准和内容。其他的标准，如ANSI/CSA的北美标准、ASTM标准、UL标准、SAE标准、JIL标准都是以IEC62282标准为基础，衍生制定的。
我国目前也是以国际标准IEC62282为主，直接引用IEC62282国际燃料电池标准中的10项，并根据我国行业情况自定义15项国家燃料电池标准（主要针对燃料电池车辆的标准）。针对通信行业氢燃料备用电源的生产和应用，尚未形成国家或行业标准。中国通信标准化协会于2010年，参照美国RELION公司的氢燃料备用电源的技术手册和参数，发布了《YDB051-2010通信用氢燃料电池供电系统》通信标准类技术报告。根据氢燃料备用电源在各地通信基站实际的试用和完成系统化的测试，进行适用于本地基站备用电源要求的系统可靠性、耐久性的技术研究，进一步制定和完善我国通信用氢燃料备用电源系统的工业标准势在必行。
5 通信行业中氢燃料电源的应用与节能减排
5.2 通信行业采用氢燃料电源带来的优势及解决的问题
氢燃料电源系统在通信行业中有很多可带来明显效益的应用。
·氢燃料电源系统具有静默式发电、重量轻、体积小、功率高的优势，可作为应急发电手段，采用更灵活的方式（如车载、空投、人力背携）发往断电的灾区或紧急地点就地组装使用，解决由于电网瘫痪导致的通信中断问题，提升应急通信保障能力。
·氢燃料电源系统能够按照应用场景，灵活开发不同类型的产品，且具有能量密度高、便携的优势，可作为微型发电机、充电器，为手机、微型电脑、微型电台等便携电子产品提供电源，解决没有交流电的野外环境（沙漠、森林、海岛等）通信问题。
·氢燃料电源系统具有备电时间长、动态响应快、远程监控的优势，可作为微型无人监控器或分布通信网络的可靠电源，且远程网络监控不但实现了设备运行无人值守的功能，还能及时反馈系统运行情况，实时上报告警信息，解决长时间无市电地区的备用电源及监控问题。
·氢燃料电源系统对环境适应性强，具有对工作环境温度不敏感、无污染排放、总体拥有成本（total cost of ownership，TCO）低的优势，可作为全新的备用电源技术，解决通信机房、基站关于节约能耗和降低设备成本及减少污染排放的问题。
以下将重点分析氢燃料备用电源在通信基站节能方面带来的成效。
5.3.1 典型通信基站的能耗和节能措施的分类
传统的通信基站一般设立在封闭的机房内（数据中心机房、基站、接入局点）。由于机房内各类通信设备运行时不断产生热量，使室内环境温度升高，尤其在高温的夏天，机房内温度可升至很高，甚至会因温度过高导致通信设备不能继续正常工作。为确保设备连续正常地工作在最佳环境温度，必须把机房或基站内设备工作时所产生的热量排到室外去，因此机房或基站均使用温控空调来调节机房温度。一般基站内的用电设备有无线主设备、传输设备、电源设备（开关电源和蓄电池）、监控设备和空调。典型配置的数据为：无线主设备功耗2kW，传输设备功耗100W，开关电源功耗50W，监控设备10W，2台3P空调功耗2.5kW，总功率<5kW，空调耗电约占基站总功耗的50%，几乎等于甚至大于基站内无线设备功耗。使用空调控温的初衷是保证无线设备能正常工作，但其能耗却大于主设备的能耗，这种传统的控温方案导致了运营成本不合理。
因此通信行业的科技和管理人员积极地寻求各种节能的措施和方案，力求提高能源使用效率、降低支撑条件的能耗。包括通过不断缩小机房体积空间而减少空调制冷量、户外一体化基站、户外微型机柜、机房改造、空调自适应技术、空调添加剂技术改进、空调远程监控、水冷空调、智能通风、智能换热、地板下送风、定向送风、新风一体化空调、分离式热管技术、蓄电池恒温技术、保温及热反射建筑材料、室外机雾化喷淋、通信机柜点对点冷却等至少几十种方案，其根本均是针对基站空调系统用电的节能。根据中国移动基站空调系统节能总体指导意见（简称指导意见），这些节能措施被划分为3类：管理措施类、节能改造类和应用节能设备类。而笔者更愿意用另外一种思路将这些措施划分为两类：节能技术开源类和节能节约挖潜类，在逻辑上对每一种节能方案可能带来的绩效做了一个定性的预测。技术开源类的节能空间可以说是无限的，是主动性的节能措施，仍有很大的空间可开拓，应该予以特殊的重视和支持；节约挖潜类是有限的，是被动性的措施，其作用是把原来富余和不该消耗的能量节约下来，受原来富余量多少的制约。
5.3.3 氢燃料备用电源带来的成本降低
在IT（information technology）和ICT（information & communication technology）行业中，核算总体拥有成本（TCO）能更贴切地反映一个进行中的项目或器件或设备的投资成本。总体拥有成本是一个设备在有价值周期内所有的投入成本之和，包括最初的购置成本（acquisition cost）和使用周期内不断投入的成本（operation cost）。
以下笔者以电源系统的支撑能力均为2400~3000W的电信负载、年累计断电100h，取氢燃料电源使用寿命16年为周期，用图表的形式对氢燃料电源和柴油机+蓄电池这两种备用电源系统的TCO成本做详细的比较。各设备的使用寿命如表3所列，蓄电池组的购置成本如表4所列。
表5为“蓄电池+柴油发电机”和氢燃料备用电源的初次购置成本对比，其中空调购置成本是按照目前基站5P空调配置的购置成本计算的。
结论：备用燃料电源系统初次购置成本比“蓄电池+柴油发电机”初次购置成本高，其比例约为12/7。
表6是两种备用电源系统每年使用/维护的附加成本对比，其中氢气发电成本5元/kWh（15MPa、40L的氢气瓶，储氢485g，成本30元），燃料电池耗氢量约80g/kWh，则3kW、年累发电100h的附加成本为：
3kW×100h×5元/kWh=1500元（1）
蓄电池发电成本：蓄电池的充放电效率为1.5h，则放电成本约：1.5元/kWh（因蓄电池浮充所消耗的电能暂忽略），则年累发电100h的附加成本为：
3kW×100h×1.5元/kWh=450元（2）
柴油发电机的发电成本约：2.5元/kWh。若其中柴油发电机发电50h，则年累断电100h的附加成本为：
3kW×50h×2.5元/kWh=375元（3）
可见，备用燃料电源系统每年的附加成本为铅酸电池组备电系统附加成本的1/3。
结论：备用燃料电源系统的整体拥有成本（TCO）不足铅酸电池组备电系统整体拥有成本的1/2，比例约为0.43%，平均每个系统每年节约设备资金成本17250.00元。若全国10万个这样的通信基站采用氢燃料备用电源取代备电的铅酸蓄电池，每年可节约国家设备投入资金17.25亿元。
6 氢燃料备用电源带来节能技术研究的新课题
6.2 通信基站中温度点的分布与测试方法
如果对移动基站的户外机柜进行实际的测试或热成像监测，就可看到机房（基站、机柜）的热场中的温度分布非常不均匀，在最重要的设备点温度最高，柜内高低温温差的梯度达20°C左右，此时空调的自动温控标准会有相当大的误差。尽管基站内或机柜内的平均温度可能只有38°C，但在电信设备附近某个高温点达到55°C时，设备也有损坏和出现故障的危险，所以通信机柜要引入点对点冷却概念和技术。开发点对点冷却技术的前提就是要求标准化的温度场测试，这就需要标准化的硬件（温度传感器、测温仪）和标准化的软件。
7 结论
氢燃料电源技术是处于科技前沿的先进能源技术，在各种能源需求领域中迅速发展。各类燃料电源系统的应用不仅能够带来节能减排的不菲成效，更能大幅度地减少投资成本。因此，氢燃料电源和氢能源的应用是社会和能源技术发展的必然和希望。我国具有氢燃料电源应用的最佳契机和最好条件，是全球发展燃料电池的前途所在，发展氢燃料电池技术是社会和工业界的契机、责任和义务。