氢燃料电源与水氢发电机在通信基站后备电源的应用对比分析

来源:用户上传      作者:王天堂 陆钰莹

　　【摘要】   本文以新能源为背景，首先从氢燃料电源和水氢发电机应用在通信基站的后备电源系统设计进行介绍，再从造价、设计等方面对比分析氢燃料电源和水氢发电机两者的差异，最后展望通信基站融合新能源之后的发展前景。
　　【关键词】    氢燃料电源    水氢发电机    后备电源    对比
　　一、引言
　　各大运营商积极推崇创新、绿色、共享的发展理念，如何更好的在通信基站建设中践行相关发展理念成为当下所要思考的问题。氢燃料电源和水氢发电机作为颇受人们看好的新能源，具有无污染、无噪声以及高效率的特点，这对解决通信基站中后备电源的问题具有重要的参考意义。
　　二、氢燃料电源应用在通信基站中的后备电源系统设计
　　本系统包括储氢单元、燃料电池模块、监控单元、超级电容模块等，系统原理图如图1所示。储氢单元主要指储氢罐组，可和膜过滤器、水气分离器等构成储氢系统，氢气通过膜过滤器和水气分离器等器件分离出干燥的氢气，最终输入储氢罐备用。
　　燃料电池模块可以通过电化学反应产生电能。监控单元作用于储氢单元、燃料电池模块和超级电容模块，监控储氢单元是否到达空瓶极限、燃料电池的工作状態。超级电容模块具有瞬时大电流放电能力，支持边充电边放电。
　　当外市电输入正常时，一般待整流稳压之后供电给负载，同时会给超级电容模块充电。当外市电因故障等原因中断供电的时候，总线电压降到52VDC以下，从而触发燃料电池完全启动，稳定输入为负载供电，同时也会给超级电容模块充电。
　　在外市电总线电压下降的这一过程，燃料电池由于无法完成完全启动，需要由超级电容模块为负载供电直至完全启动燃料电池，完全启动时间一般小于10s，这一无缝衔接使得负载能保证正常运转。
　　三、水氢发电机应用在通信基站中的后备电源系统设计
　　本系统包括动氢模块、燃料电池模块、直流配电单元等，系统原理图如图2所示。动氢模块主要由气化系统、重整室等构成，由甲醇和水按1：1的比例通过气化系统气化、重整室催化重整和纯化膜过滤的操作，产出高纯度氢气。直流配电单元的作用是将水氢发电机所供的直流电分配给负载供电。
　　当外市电引入困难时，可采用水氢发电机供电的方式解决。由甲醇、水等组成的燃料箱为水氢发电机提供燃料，滤出的高纯度氢气经过多重操作转化为电能，保证水氢发电机可持续不间断供电，所供的电力通过直流配电单元分配给负载。与氢燃料电源一样，监控模块将实时监控水氢发电机的工作状态、负载工作情况，并且可根据实际用电量，适当增加发电量，保证负载的正常运转。
　　四、氢燃料电源与水氢发电机的对比
　　4.1造价角度
　　根据目前几个主流厂家的设备功耗数据来看，考虑适当冗余，以5G单系统的功耗来计，需要5kw左右。
　　一套满足5kw负载容量的氢燃料电源系统包含燃料电池模块、超级电容模块和储氢单元（即三个储氢罐），每套130000元。三个储氢罐可持续发电约18个小时。
　　一台2.5kw的水氢发电机成本为51260元，为满足5kw的负载容量，所需成本为51260*2=102520元。一吨甲醇水的价格大约1800元（需以实际甲醇市场价格为准），一千克甲醇水能产电1.6千瓦时，那么甲醇水每千瓦时发电的成本为1800元/t÷1000kg/t÷1.6kwh/kg=1.125元/kwh。以发电18个小时来计，需要的甲醇水成本为5kw*18h*1.125元/kwh=101.25元。最终水氢发电机总成本为102520+101.25=102621.25元。
　　从初始投入成本来看，选用水氢发电机发电的成本比氢燃料电源系统少130000-102621.25=27378.75元。就当前数据的相比之下，采用水氢发电机的性价比更高。
　　4.2作业流程角度
　　氢燃料电源是采用储氢罐直接供氢，水氢发电机是根据甲醇和水的摩尔比例反应产出高纯度的氢气。氢燃料电源和水氢发电机均适用于在外市电中断的情况下作业，但是这两者在实际的作业流程中却略有差异。氢燃料电源在完全启动的过程中需要由超级电容模块向负载放电，而水氢发电机可直接向负载供电。
　　4.3设计角度
　　从尺寸大小来看，氢燃料电源尺寸（宽*深*高）为640×445×355mm，水氢发电机为1100×950×520mm。水氢发电机较氢燃料电源来讲，尺寸足足增长一倍，在设计的时候需保证足够空间摆放。氢燃料电源系统需在通信基站侧设计好氢能专用机柜、储氢罐等的位置和间隔，氢能专用机柜的大小为800mm*600mm，室外需要做好机柜基础的设计。水氢发电机需在通信基站侧增加水箱和水氢发电机的位置，两者需保证一定的间隔距离。除此以外，水氢发电机需要加上防盗铁笼。
　　4.4落地建设角度
　　氢燃料电源可按照实际情况安装在室外或室内，但储氢罐要求安装在室外，如果将氢燃料电源安装在室内，则需满足1平方米的最小安装面积，散热器采用挂墙安装的方式，在机房的墙体上打通2个尺寸为200mm*200mm的通风口，目的是提供空气以满足氢氧结合的化学反应。另外，该化学反应会生出一定量的水，建设时需要埋好管道，以排掉所产出的水。
　　水氢发电机和水箱均要求安装在室外，防盗铁笼的顶部可采用彩钢板封顶，并保证开门方向需要有1.2米的无障碍地面。
　　一般来说，水箱的建设方式可分为地上式、半地下式或地下式，如果选用地上式，则要同水氢发电机一样，在外部设置防盗铁笼，除此以外需要加上呼吸阀;如果选用半地下式和地下式，则需要设置相应的盖板并做好通风管和安全措施。
　　4.5储存难易角度
　　在本文所提及的两种利用新能源供电方式中主要涉及储氢和储能两种储存类别。氢燃料电源储氢难，储存能量比较低，而水氢发电机可直接省略氢气的储存过程。若以一个70MPa的储氢罐或者水箱作为例子，氢燃料电池的储能密度为0.64Wh/kg，水氢发电机的储能密度为0.77kWh/kg。综上所知，从储氢难易来看，水氢发电机更具推广的意义，从储能密度来看，氢燃料电源更具优势。
　　通过对比分析氢燃料电源和水氢发电机的各项数据，应用于通信基站中的两种新能源的差异综合如下：
　　（1）氢燃料电源和水氢发电机在制氢环节中所采用的方式不同，氢燃料电源直接采用储氢罐，价格较为固定，储能密度更高;水氢发电机采用甲醇和水反应产出氢气，市场上的甲醇价格较为波动，可能会影响初始投入成本，但省略了储氢环节，整体更为安全。
　　（2）从供电流程简易来看，水氢发电机可直接给负载供电，氢燃料电源需要通过外市电总线降到规定电压才能完全启动给负载供电，期间增加了和超级电容模块的衔接过程。
　　（3）两者从设计到落地建设的过程中，在设计规范和施工操作方面有些许差异，具体应视现场情况和选定的物资而定。
　　五、结束语
　　将氢燃料电源和水氢发电机应用于通信基站作为后备电源系统，在不同角度上的选择必然存在一定的差异。目前广东省部分地市已开展相关新能源应用项目试点，其中，某地市将水氢发电机应用于多个通信基站，已累计发电88632KWh，累计保障基站超过1000天。相信在当下社会所倡导的创新、绿色和共享理念中，推动新能源发展是刻不容缓的，未来或许还会研发出地热能发电、细菌发电等利用新能源发电的方式，根据实际需求情况，将通信基站与新能源融合在一起，实现降本增效。
　　参  考  文  献
　　[1]许鹏.氢燃料电池一体化后备电源系统[J].中国有线电视，2019（01）：38-41.
　　[2]周竞科.新能源水氢发电机组在通信孤岛基站供电中的应用实践[J].通讯世界， 2018（01）：32-34.
　　[3]王哲，罗东，廖湘等.一种水氢发电机基站：中国，1621283690 .7[P]，2017-07-14.
　　[4]谭洪利， 谭洪利， 高金波. 节能新技术在通信基站领域内的应用研究[J]. 电信工程技术与标准化， 2015（11）：73-77.
　　[5]席建林. 基于醇氢燃料电池备用电源系统的应用研究[D].河北科技大学，2018.
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