氫燃料電源與水氫發(fā)電機(jī)在通信基站后備電源的應(yīng)用對比分析

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，再從造價(jià)、設(shè)計(jì)等方面對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? ? 對比

一、引言

各大運(yùn)營商積極推崇創(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，具有無污染、無噪聲以及高效率的特點(diǎn)，這對解決通信基站中后備電源的問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)包括儲氫單元、燃料電池模塊、監(jiān)控單元、超級電容模塊等，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。儲氫單元主要指儲氫罐組，可和膜過濾器、水氣分離器等構(gòu)成儲氫系統(tǒng)，氫氣通過膜過濾器和水氣分離器等器件分離出干燥的氫氣，最終輸入儲氫罐備用。

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

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

在外市電總線電壓下降的這一過程，燃料電池由于無法完成完全啟動，需要由超級電容模塊為負(fù)載供電直至完全啟動燃料電池，完全啟動時間一般小于10s，這一無縫銜接使得負(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的比例通過氣化系統(tǒng)氣化、重整室催化重整和純化膜過濾的操作，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，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)的對比

4.1造價(jià)角度

根據(jù)目前幾個主流廠家的設(shè)備功耗數(shù)據(jù)來看，考慮適當(dāng)冗余，以5G單系統(tǒng)的功耗來計(jì)，需要5kw左右。

一套滿足5kw負(fù)載容量的氫燃料電源系統(tǒng)包含燃料電池模塊、超級電容模塊和儲氫單元（即三個儲氫罐），每套130000元。三個儲氫罐可持續(xù)發(fā)電約18個小時。

一臺2.5kw的水氫發(fā)電機(jī)成本為51260元，為滿足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)際甲醇市場價(jià)格為準(zhǔn)），一千克甲醇水能產(chǎn)電1.6千瓦時，那么甲醇水每千瓦時發(fā)電的成本為1800元/t÷1000kg/t÷1.6kwh/kg=1.125元/kwh。以發(fā)電18個小時來計(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)的性價(jià)比更高。

4.2作業(yè)流程角度

氫燃料電源是采用儲氫罐直接供氫，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的過程中需要由超級電容模塊向負(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)較氫燃料電源來講，尺寸足足增長一倍，在設(shè)計(jì)的時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)好氫能專用機(jī)柜、儲氫罐等的位置和間隔，氫能專用機(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個尺寸為200mm*200mm的通風(fēng)口，目的是提供空氣以滿足氫氧結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)。另外，該化學(xué)反應(yīng)會生出一定量的水，建設(shè)時需要埋好管道，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，并保證開門方向需要有1.2米的無障礙地面。

一般來說，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氫和儲能兩種儲存類別。氫燃料電源儲氫難，儲存能量比較低，而水氫發(fā)電機(jī)可直接省略氫氣的儲存過程。若以一個70MPa的儲氫罐或者水箱作為例子，氫燃料電池的儲能密度為0.64Wh/kg，水氫發(fā)電機(jī)的儲能密度為0.77kWh/kg。綜上所知，從儲氫難易來看，水氫發(fā)電機(jī)更具推廣的意義，從儲能密度來看，氫燃料電源更具優(yōu)勢。

通過對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氫罐，價(jià)格較為固定，儲能密度更高;水氫發(fā)電機(jī)采用甲醇和水反應(yīng)產(chǎn)出氫氣，市場上的甲醇價(jià)格較為波動，可能會影響初始投入成本，但省略了儲氫環(huán)節(jié)，整體更為安全。

（2）從供電流程簡易來看，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外市電總線降到規(guī)定電壓才能完全啟動給負(fù)載供電，期間增加了和超級電容模塊的銜接過程。

（3）兩者從設(shè)計(jì)到落地建設(shè)的過程中，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)場情況和選定的物資而定。

五、結(jié)束語

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)用于多個通信基站，已累計(jì)發(fā)電88632KWh，累計(jì)保障基站超過1000天。相信在當(dāng)下社會所倡導(dǎo)的創(chuàng)新、綠色和共享理念中，推動新能源發(fā)展是刻不容緩的，未來或許還會研發(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)

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