氫氣燃料電池在離網(wǎng)供能系統(tǒng)中的應(yīng)用

余翼，劉金華，王凡，王歡，譚丁

（1.電子科技大學(xué)中山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528402；）

（2.中國電建湖北省電力建設(shè)第二工程公司，湖北 武漢430000；）

3.中國電建集團(tuán)湖北工程有限公司，湖北 武漢 430000

氫氣燃料電池在離網(wǎng)供能系統(tǒng)中的應(yīng)用

余翼1，劉金華1，王凡1，王歡2，譚丁3

（1.電子科技大學(xué)中山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 中山 528402；）

（2.中國電建湖北省電力建設(shè)第二工程公司，湖北 武漢430000；）

3.中國電建集團(tuán)湖北工程有限公司，湖北 武漢 430000

面對傳統(tǒng)能源危機(jī)及其使用過程中產(chǎn)生的環(huán)境污染的問題，世界各國都在積極研究與開發(fā)綠色可再生能源的利用。而研究和應(yīng)用最多的就是太陽能和風(fēng)能,應(yīng)用項目也多是大型發(fā)電站。新能源發(fā)電形式對于類似于移動通訊基站等場所的應(yīng)用情況目前還不夠環(huán)保和完美，希望通過對德國通訊公司E-Plus和諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)公司加入了氫氣燃料電池的新型離網(wǎng)系統(tǒng)的介紹，提供一個新的能源解決方案的方向。

氫氣燃料電池；離網(wǎng)系統(tǒng)；移動通信基站

我國新能源發(fā)電站中大多數(shù)是以下幾種類型，太陽能發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電站、風(fēng)光互補(bǔ)型發(fā)電站。單一能源形式的發(fā)電站供電質(zhì)量不高，可靠性不高，比如太陽能發(fā)電站在白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，但是在晚上就不能生產(chǎn)電能了，而風(fēng)力發(fā)電站當(dāng)周圍短時間無風(fēng)的時候也不能提供持續(xù)電能，因此就需要在發(fā)電站加入蓄電池組，將發(fā)電站生產(chǎn)的電能儲存在蓄電池組，通過蓄電池組進(jìn)行電能輸出。除此之外，還要求當(dāng)發(fā)電站的裝機(jī)容量夠大，這樣才能儲存足夠多的電能來保證系統(tǒng)在不發(fā)電的時候也能夠持續(xù)輸出，因此太陽能發(fā)電站、風(fēng)力發(fā)電站選址一般是太陽能或風(fēng)能非常豐富的地區(qū)，比如我國西部地區(qū)，特別是西藏高原或者沿海地區(qū)等風(fēng)力資源比較多的地方。最后還要求有足夠多的蓄電池組，能夠儲存大量的電能。這種形式的發(fā)電站對選址、設(shè)備容量、周圍環(huán)境、項目成本的要求都比較高。

風(fēng)光互補(bǔ)型發(fā)電站脫離了單一能源形式，在白天太陽能充足的時候，以太陽能為主，風(fēng)力發(fā)電為輔的形式進(jìn)行發(fā)電，在晚上主要利用風(fēng)力發(fā)電設(shè)備來彌補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電的不足，大大提高了系統(tǒng)的供電可靠性。但是這種系統(tǒng)的應(yīng)用，主要也是在大型發(fā)電項目，并且選址地也大多是太陽能和風(fēng)能資源充足的地方。

1 特殊場合供電系統(tǒng)

在一些場合，比如野外高山的微波站、電視差轉(zhuǎn)臺站、移動通訊基站等，這些地方單個場所所需要的供電系統(tǒng)規(guī)模不用很大，但是對供電可靠性的要求都比較高。因此現(xiàn)在大多數(shù)城市的移動通信基站都是通過連接到電網(wǎng)，靠市電來為基站供電。但是對于偏遠(yuǎn)地區(qū)或者高原環(huán)境下，就不適合架設(shè)市電的供電系統(tǒng)，因為地勢太復(fù)雜，即使有供電線路，供電也是非常不穩(wěn)定的，而且如果再遇上惡劣的自然天氣，如在雷雨天氣時，這些線路是非常容易受到雷電攻擊，這樣就會損害基站，給基站的安全性帶來危害。這種情況下給移動通信基站建造一個離網(wǎng)式新能源發(fā)電系統(tǒng)就可以解決其供能問題。除此之外，其實這類場所總體而言每年所消耗的電能巨大。以移動通訊站為例，根據(jù)有關(guān)部門的研究與統(tǒng)計，2009年我國通信領(lǐng)域耗電290億kW·h，其中有45%是移動通信基站的耗電。離網(wǎng)式新能源發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模進(jìn)行應(yīng)用，能夠幫助緩解我國能源負(fù)荷壓力。

大多數(shù)移動通信基站的現(xiàn)場并不像許多新能源發(fā)電站那樣擁有充足的太陽能或者風(fēng)能資源，相反，現(xiàn)場的風(fēng)能與光能都具有很大的隨機(jī)性，影響電力系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性與可靠性，單一的太陽能發(fā)電站或者風(fēng)力發(fā)電站，甚至風(fēng)光互補(bǔ)型發(fā)電站并不能滿足這類供電系統(tǒng)的需求，這類系統(tǒng)就需要備用能源來保持系統(tǒng)運(yùn)行，我國一般采用柴油或汽油發(fā)電機(jī)組作為備用電源來給基站供電。但是這類備用電源運(yùn)行時噪音大，而且會對周圍環(huán)境造成影響。德國第三大移動通信供應(yīng)商E-Plus同樣也想通過新能源來改變其基站的傳統(tǒng)能源解決方案模式，于是聯(lián)手諾基亞西門子網(wǎng)絡(luò)公司（NSN）建立了一個新型自給式移動通信基站，并且在德國一個城市Versmold西北部的郊區(qū)進(jìn)行了這個系統(tǒng)的試點。該供能系統(tǒng)里加入了氫氣質(zhì)子交換膜燃料電池作為備用能源，來保障移動通訊基站的持續(xù)可靠的運(yùn)行。

燃料電池是一種將儲存的燃料（氫氣）和氧化劑（空氣或純氧）中的化學(xué)能，通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。其最大的優(yōu)點在于反應(yīng)過程不涉及燃燒，沒有熱機(jī)作功，不受卡諾循環(huán)限制，沒有噪音污染，能量轉(zhuǎn)換率可達(dá)到60%以上，實際使用效率可達(dá)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的兩倍左右，且產(chǎn)物只有水，對環(huán)境污染小。接下來以Versmold的新型自給式移動通信基站的供能系統(tǒng)為例，來介紹氫氣燃料電池在離網(wǎng)供電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 德國新型自給式移動通信基站供能系統(tǒng)描述

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型自給式移動通信基站的供能系統(tǒng)主要包括光伏發(fā)電設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、蓄電池組、能源控制中心和氫氣燃料電池發(fā)電設(shè)備以及相應(yīng)的整流器、逆變器等。

2.2 系統(tǒng)主要部分介紹

該供電系統(tǒng)要能對移動通訊基站提供持續(xù)的最低1.7kW的電能。其中采用10kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、9kW的光伏發(fā)電設(shè)備以及2個2kW額定功率的氫氣燃料電池發(fā)電設(shè)備，具體介紹如下：

（1）風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，通過桅桿頂部的垂直軸風(fēng)力渦輪機(jī)來獲取風(fēng)能。當(dāng)周圍風(fēng)速達(dá)到12m/s及以上時的額定輸出功率為10kW，額定電壓是400V。其特點是切入風(fēng)速非常低，只有2.5m/s，除此之外通過特殊的風(fēng)葉設(shè)計，其運(yùn)行時的噪音很小，20m范圍內(nèi)的噪音只有60分貝。

（2）光伏發(fā)電設(shè)備，采用45塊Suntech公司生產(chǎn)的STP195的光伏板，MPPT控制模塊以及兩軸太陽跟蹤系統(tǒng)形成動態(tài)光伏發(fā)電系統(tǒng)，比傳統(tǒng)的靜態(tài)系統(tǒng)相比效率更高。

（3）蓄電池組，采用NSN生產(chǎn)的站式蓄電池箱，其中是4組OPzV蓄電池輸出電壓是44～57.6V，平均輸出功率為11W。在蓄電池電力充足的情況下，能夠使基站持續(xù)運(yùn)行60小時。

（4）能源控制中心，這個部分控制著整個系統(tǒng)的控制策略，對蓄電池的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，通過RS485與燃料電池控制器通訊，對其進(jìn)行控制，控制這各個部分的運(yùn)行情況并且將應(yīng)數(shù)據(jù)收集傳輸?shù)焦ぷ髡具M(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

（5）氫氣燃料電池發(fā)電設(shè)備，總額定功率為40kW，采用Jupiter公司生產(chǎn)的氫氣燃料電池發(fā)電設(shè)備，由2個氫氣儲氣罐組連接燃料電池發(fā)電箱。每組有12個儲氣罐，當(dāng)燃料電池單獨(dú)供電時可以保證系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行5天以上。燃料電池發(fā)電箱里面由控制器，燃料電池模塊單元，儲能模塊，箱體組成。每個燃料電池單元輸出電壓為48V，輸出功率為2kW。控制模塊，根據(jù)各數(shù)據(jù)收集模塊收集氫氣灌壓強(qiáng)、氫氣輸入流量、空氣壓強(qiáng)、空氣輸入流量、空氣溫度、空氣濕度、廢氣排出流量等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對氫氣燃料電池整體設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，并在預(yù)測有故障時，提前進(jìn)行預(yù)警。

2.3 系統(tǒng)的運(yùn)行方式

該系統(tǒng)有以下運(yùn)行方式：

在風(fēng)/光能源充足時，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備與光伏發(fā)電設(shè)備聯(lián)合運(yùn)行，過剩的電能供給蓄電池進(jìn)行儲能。

當(dāng)風(fēng)/光能源不足時，優(yōu)先由蓄電池進(jìn)行供能。

當(dāng)連續(xù)缺少風(fēng)能和太陽能的情況下，如果蓄電池的電能也不足時，運(yùn)行燃料電池發(fā)電設(shè)備，直接對基站進(jìn)行供能，但是這個時候會斷開蓄電池，防止燃料電池給蓄電池充電，降低了電能的使用效率。

2.4 系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

通過對Versmold新型自給式移動通信基站供能系統(tǒng)的電能供應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備年供應(yīng)電能為8816kW·h，太陽能發(fā)電設(shè)備供應(yīng)電能為8756kW·h，燃料電池發(fā)電設(shè)備供應(yīng)電能為1533kW·h，其中燃料電池年發(fā)電量占系統(tǒng)總量的8%，并不是系統(tǒng)供電主要部分，但是除了風(fēng)機(jī)在一次大雪出現(xiàn)故障之外，該供電系統(tǒng)能夠保障通信基站的持續(xù)運(yùn)行，其供電可靠性相對于其他離網(wǎng)供電系統(tǒng)而言要提高很多，同時其對環(huán)境的影響非常小。

3 結(jié)語

德國E-Plus和NSN合作的這個采用氫氣燃料電池的離網(wǎng)供電系統(tǒng)試點項目的成功運(yùn)行，給移動通訊基站提供了一種新型、清潔、獨(dú)立的能源解決方案，這種解決方案對于我國西北邊遠(yuǎn)地區(qū)、邊疆海防哨所、公路鐵路信號站等傳統(tǒng)電網(wǎng)無法覆蓋的區(qū)域的供電問題也是一種新的能源解決方案方向。

[1]陳學(xué)慶，劉素芳. 離網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電在農(nóng)村、林區(qū)的推廣應(yīng)用前景分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)(新能源產(chǎn)業(yè))，2008(06):2-3.

[2]楊衛(wèi)華，孫文葉， 許志欣， 等. 風(fēng)光互補(bǔ)聯(lián)合制氫燃料電池系統(tǒng)淺析[J]. 節(jié)能，2016(05):4-6.

[3]劉芳. 基于高原環(huán)境下移動基站風(fēng)光氫能源混合供電系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)技術(shù)研究與分析[D]. 北京郵電大學(xué)，2013.

[4]郭寶圣. 車載制氫式燃料電池電動汽車混合動力系統(tǒng)設(shè)計與研究[D]. 浙江大學(xué)，2015.

TM911.4

A

1671-0711（2017）06（下）-0139-02

余翼的基金項目：電子科技大學(xué)中山學(xué)院校內(nèi)科研項目，微電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控與故障分析（416YJ08）。

劉金華的基金項目：1.中山市社會公益項目,微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)孤網(wǎng)與并網(wǎng)控制策略研究（2015B2309）。

劉金華的基金項目：2.廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才項目,分布式發(fā)電系統(tǒng)混合儲能優(yōu)化控制策略研究（2015KQNCX208）。