王天堂 陸鈺瑩

【摘要】? ?本文以新能源為背景，首先從氫燃料電源和水氫發(fā)電機(jī)應(yīng)用在通信基站的后備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，再?gòu)脑靸r(jià)、設(shè)計(jì)等方面對(duì)比分析氫燃料電源和水氫發(fā)電機(jī)兩者的差異，最后展望通信基站融合新能源之后的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】? ? 氫燃料電源? ? 水氫發(fā)電機(jī)? ? 后備電源? ? 對(duì)比

一、引言

各大運(yùn)營(yíng)商積極推崇創(chuàng)新、綠色、共享的發(fā)展理念，如何更好的在通信基站建設(shè)中踐行相關(guān)發(fā)展理念成為當(dāng)下所要思考的問(wèn)題。氫燃料電源和水氫發(fā)電機(jī)作為頗受人們看好的新能源，具有無(wú)污染、無(wú)噪聲以及高效率的特點(diǎn)，這對(duì)解決通信基站中后備電源的問(wèn)題具有重要的參考意義。

二、氫燃料電源應(yīng)用在通信基站中的后備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括儲(chǔ)氫單元、燃料電池模塊、監(jiān)控單元、超級(jí)電容模塊等，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。儲(chǔ)氫單元主要指儲(chǔ)氫罐組，可和膜過(guò)濾器、水氣分離器等構(gòu)成儲(chǔ)氫系統(tǒng)，氫氣通過(guò)膜過(guò)濾器和水氣分離器等器件分離出干燥的氫氣，最終輸入儲(chǔ)氫罐備用。

燃料電池模塊可以通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。監(jiān)控單元作用于儲(chǔ)氫單元、燃料電池模塊和超級(jí)電容模塊，監(jiān)控儲(chǔ)氫單元是否到達(dá)空瓶極限、燃料電池的工作狀態(tài)。超級(jí)電容模塊具有瞬時(shí)大電流放電能力，支持邊充電邊放電。

當(dāng)外市電輸入正常時(shí)，一般待整流穩(wěn)壓之后供電給負(fù)載，同時(shí)會(huì)給超級(jí)電容模塊充電。當(dāng)外市電因故障等原因中斷供電的時(shí)候，總線(xiàn)電壓降到52VDC以下，從而觸發(fā)燃料電池完全啟動(dòng)，穩(wěn)定輸入為負(fù)載供電，同時(shí)也會(huì)給超級(jí)電容模塊充電。

在外市電總線(xiàn)電壓下降的這一過(guò)程，燃料電池由于無(wú)法完成完全啟動(dòng)，需要由超級(jí)電容模塊為負(fù)載供電直至完全啟動(dòng)燃料電池，完全啟動(dòng)時(shí)間一般小于10s，這一無(wú)縫銜接使得負(fù)載能保證正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

三、水氫發(fā)電機(jī)應(yīng)用在通信基站中的后備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括動(dòng)氫模塊、燃料電池模塊、直流配電單元等，系統(tǒng)原理圖如圖2所示。動(dòng)氫模塊主要由氣化系統(tǒng)、重整室等構(gòu)成，由甲醇和水按1：1的比例通過(guò)氣化系統(tǒng)氣化、重整室催化重整和純化膜過(guò)濾的操作，產(chǎn)出高純度氫氣。直流配電單元的作用是將水氫發(fā)電機(jī)所供的直流電分配給負(fù)載供電。

當(dāng)外市電引入困難時(shí)，可采用水氫發(fā)電機(jī)供電的方式解決。由甲醇、水等組成的燃料箱為水氫發(fā)電機(jī)提供燃料，濾出的高純度氫氣經(jīng)過(guò)多重操作轉(zhuǎn)化為電能，保證水氫發(fā)電機(jī)可持續(xù)不間斷供電，所供的電力通過(guò)直流配電單元分配給負(fù)載。與氫燃料電源一樣，監(jiān)控模塊將實(shí)時(shí)監(jiān)控水氫發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)、負(fù)載工作情況，并且可根據(jù)實(shí)際用電量，適當(dāng)增加發(fā)電量，保證負(fù)載的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

四、氫燃料電源與水氫發(fā)電機(jī)的對(duì)比

4.1造價(jià)角度

根據(jù)目前幾個(gè)主流廠(chǎng)家的設(shè)備功耗數(shù)據(jù)來(lái)看，考慮適當(dāng)冗余，以5G單系統(tǒng)的功耗來(lái)計(jì)，需要5kw左右。

一套滿(mǎn)足5kw負(fù)載容量的氫燃料電源系統(tǒng)包含燃料電池模塊、超級(jí)電容模塊和儲(chǔ)氫單元（即三個(gè)儲(chǔ)氫罐），每套130000元。三個(gè)儲(chǔ)氫罐可持續(xù)發(fā)電約18個(gè)小時(shí)。

一臺(tái)2.5kw的水氫發(fā)電機(jī)成本為51260元，為滿(mǎn)足5kw的負(fù)載容量，所需成本為51260*2=102520元。一噸甲醇水的價(jià)格大約1800元（需以實(shí)際甲醇市場(chǎng)價(jià)格為準(zhǔn)），一千克甲醇水能產(chǎn)電1.6千瓦時(shí)，那么甲醇水每千瓦時(shí)發(fā)電的成本為1800元/t÷1000kg/t÷1.6kwh/kg=1.125元/kwh。以發(fā)電18個(gè)小時(shí)來(lái)計(jì)，需要的甲醇水成本為5kw*18h*1.125元/kwh=101.25元。最終水氫發(fā)電機(jī)總成本為102520+101.25=102621.25元。

從初始投入成本來(lái)看，選用水氫發(fā)電機(jī)發(fā)電的成本比氫燃料電源系統(tǒng)少130000-102621.25=27378.75元。就當(dāng)前數(shù)據(jù)的相比之下，采用水氫發(fā)電機(jī)的性?xún)r(jià)比更高。

4.2作業(yè)流程角度

氫燃料電源是采用儲(chǔ)氫罐直接供氫，水氫發(fā)電機(jī)是根據(jù)甲醇和水的摩爾比例反應(yīng)產(chǎn)出高純度的氫氣。氫燃料電源和水氫發(fā)電機(jī)均適用于在外市電中斷的情況下作業(yè)，但是這兩者在實(shí)際的作業(yè)流程中卻略有差異。氫燃料電源在完全啟動(dòng)的過(guò)程中需要由超級(jí)電容模塊向負(fù)載放電，而水氫發(fā)電機(jī)可直接向負(fù)載供電。

4.3設(shè)計(jì)角度

從尺寸大小來(lái)看，氫燃料電源尺寸（寬*深*高）為640×445×355mm，水氫發(fā)電機(jī)為1100×950×520mm。水氫發(fā)電機(jī)較氫燃料電源來(lái)講，尺寸足足增長(zhǎng)一倍，在設(shè)計(jì)的時(shí)候需保證足夠空間擺放。氫燃料電源系統(tǒng)需在通信基站側(cè)設(shè)計(jì)好氫能專(zhuān)用機(jī)柜、儲(chǔ)氫罐等的位置和間隔，氫能專(zhuān)用機(jī)柜的大小為800mm*600mm，室外需要做好機(jī)柜基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。水氫發(fā)電機(jī)需在通信基站側(cè)增加水箱和水氫發(fā)電機(jī)的位置，兩者需保證一定的間隔距離。除此以外，水氫發(fā)電機(jī)需要加上防盜鐵籠。

4.4落地建設(shè)角度

氫燃料電源可按照實(shí)際情況安裝在室外或室內(nèi)，但儲(chǔ)氫罐要求安裝在室外，如果將氫燃料電源安裝在室內(nèi)，則需滿(mǎn)足1平方米的最小安裝面積，散熱器采用掛墻安裝的方式，在機(jī)房的墻體上打通2個(gè)尺寸為200mm*200mm的通風(fēng)口，目的是提供空氣以滿(mǎn)足氫氧結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)。另外，該化學(xué)反應(yīng)會(huì)生出一定量的水，建設(shè)時(shí)需要埋好管道，以排掉所產(chǎn)出的水。

水氫發(fā)電機(jī)和水箱均要求安裝在室外，防盜鐵籠的頂部可采用彩鋼板封頂，并保證開(kāi)門(mén)方向需要有1.2米的無(wú)障礙地面。

一般來(lái)說(shuō)，水箱的建設(shè)方式可分為地上式、半地下式或地下式，如果選用地上式，則要同水氫發(fā)電機(jī)一樣，在外部設(shè)置防盜鐵籠，除此以外需要加上呼吸閥;如果選用半地下式和地下式，則需要設(shè)置相應(yīng)的蓋板并做好通風(fēng)管和安全措施。

4.5儲(chǔ)存難易角度

在本文所提及的兩種利用新能源供電方式中主要涉及儲(chǔ)氫和儲(chǔ)能兩種儲(chǔ)存類(lèi)別。氫燃料電源儲(chǔ)氫難，儲(chǔ)存能量比較低，而水氫發(fā)電機(jī)可直接省略氫氣的儲(chǔ)存過(guò)程。若以一個(gè)70MPa的儲(chǔ)氫罐或者水箱作為例子，氫燃料電池的儲(chǔ)能密度為0.64Wh/kg，水氫發(fā)電機(jī)的儲(chǔ)能密度為0.77kWh/kg。綜上所知，從儲(chǔ)氫難易來(lái)看，水氫發(fā)電機(jī)更具推廣的意義，從儲(chǔ)能密度來(lái)看，氫燃料電源更具優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)對(duì)比分析氫燃料電源和水氫發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用于通信基站中的兩種新能源的差異綜合如下：

（1）氫燃料電源和水氫發(fā)電機(jī)在制氫環(huán)節(jié)中所采用的方式不同，氫燃料電源直接采用儲(chǔ)氫罐，價(jià)格較為固定，儲(chǔ)能密度更高;水氫發(fā)電機(jī)采用甲醇和水反應(yīng)產(chǎn)出氫氣，市場(chǎng)上的甲醇價(jià)格較為波動(dòng)，可能會(huì)影響初始投入成本，但省略了儲(chǔ)氫環(huán)節(jié)，整體更為安全。

（2）從供電流程簡(jiǎn)易來(lái)看，水氫發(fā)電機(jī)可直接給負(fù)載供電，氫燃料電源需要通過(guò)外市電總線(xiàn)降到規(guī)定電壓才能完全啟動(dòng)給負(fù)載供電，期間增加了和超級(jí)電容模塊的銜接過(guò)程。

（3）兩者從設(shè)計(jì)到落地建設(shè)的過(guò)程中，在設(shè)計(jì)規(guī)范和施工操作方面有些許差異，具體應(yīng)視現(xiàn)場(chǎng)情況和選定的物資而定。

五、結(jié)束語(yǔ)

將氫燃料電源和水氫發(fā)電機(jī)應(yīng)用于通信基站作為后備電源系統(tǒng)，在不同角度上的選擇必然存在一定的差異。目前廣東省部分地市已開(kāi)展相關(guān)新能源應(yīng)用項(xiàng)目試點(diǎn)，其中，某地市將水氫發(fā)電機(jī)應(yīng)用于多個(gè)通信基站，已累計(jì)發(fā)電88632KWh，累計(jì)保障基站超過(guò)1000天。相信在當(dāng)下社會(huì)所倡導(dǎo)的創(chuàng)新、綠色和共享理念中，推動(dòng)新能源發(fā)展是刻不容緩的，未來(lái)或許還會(huì)研發(fā)出地?zé)崮馨l(fā)電、細(xì)菌發(fā)電等利用新能源發(fā)電的方式，根據(jù)實(shí)際需求情況，將通信基站與新能源融合在一起，實(shí)現(xiàn)降本增效。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]許鵬.氫燃料電池一體化后備電源系統(tǒng)[J].中國(guó)有線(xiàn)電視，2019（01）：38-41.

[2]周競(jìng)科.新能源水氫發(fā)電機(jī)組在通信孤島基站供電中的應(yīng)用實(shí)踐[J].通訊世界， 2018（01）：32-34.

[3]王哲，羅東，廖湘等.一種水氫發(fā)電機(jī)基站：中國(guó)，1621283690 .7[P]，2017-07-14.

[4]譚洪利， 譚洪利， 高金波. 節(jié)能新技術(shù)在通信基站領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用研究[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化， 2015（11）：73-77.

[5]席建林. 基于醇?xì)淙剂想姵貍溆秒娫聪到y(tǒng)的應(yīng)用研究[D].河北科技大學(xué)，2018.