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摘要：從介紹氫燃料備用電源的工作原理和特點出發(fā)，從技術(shù)理論和節(jié)能減排的角度討論了用氫燃料電源作為通信系統(tǒng)備用電源所帶來技術(shù)上的改進和經(jīng)濟上的效益，提出氫燃料備用電源應(yīng)用于通信基站的設(shè)想，并對通信行業(yè)引入氫燃料備用電源后的節(jié)能減排技術(shù)的研究建議了新方向。
近年來，氫燃料備用電源技術(shù)發(fā)展極為迅速，取得多項突破，并越來越多地應(yīng)用到各種要求電源具備高穩(wěn)定性、高可靠性、可智能監(jiān)控、節(jié)能、環(huán)保的軍事和普通民用工業(yè)中，例如：航天、潛艇、通信、無人操縱設(shè)備、分布式電源、智能電網(wǎng)、交通車輛等行業(yè)。目前，氫燃料備用電源作為通信設(shè)備的備用電源已是一項成熟的應(yīng)用技術(shù)，自2008年以來，全球各地至少已經(jīng)實地安裝了890套氫燃料備用電源系統(tǒng)，且這些系統(tǒng)連續(xù)運行4年來，沒有失敗案例，應(yīng)用極為成功。
本文通過介紹氫燃料備用電源的原理、結(jié)構(gòu)、工作方式、工作要求、能耗及使用成本，對氫燃料電源作為通信基站的備用電源在技術(shù)、成本和節(jié)約能耗等方面做出了理論分析，并在概念上提出了通信基站氫燃料備用電源系統(tǒng)的解決方案。
2 氫燃料備用電源的應(yīng)用及系統(tǒng)構(gòu)成
2.2 氫燃料備用電源系統(tǒng)的技術(shù)層面與結(jié)構(gòu)
氫燃料備用電源系統(tǒng)的構(gòu)成可被抽象地劃分為6個層面：電池電極材料、單體電池、電堆、電堆控制及電源模塊、系統(tǒng)控制與集成、接口及應(yīng)用設(shè)備，如圖3所示。
圖3 燃料電源系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)分層
2.3.1 電極材料
氫燃料電源的電極材料有質(zhì)子交換膜（電解質(zhì)）、催化劑、氣體擴散層、膜電極組及雙極板5部分組成。
2.3.3 控制系統(tǒng)
在電化學(xué)技術(shù)、材料技術(shù)、工裝工藝和加工技術(shù)確定后，氫燃料電源系統(tǒng)的核心技術(shù)為系統(tǒng)和環(huán)境條件的控制技術(shù)。為了使氫燃料電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)所輸出的功率符合負(fù)載要求并確保氫燃料電源系統(tǒng)在各種變化條件下穩(wěn)定運行，必須使用計算機對全部工作過程進行控制。從啟動、動態(tài)保證各種變化條件下的最佳運轉(zhuǎn)、管理、通信到停止，所有的操作全部由計算機控制，并可實現(xiàn)全部程序化的無人監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)將數(shù)學(xué)計算、溫控、壓力與傳感、電子技術(shù)與器件、計算機軟硬件等各種技術(shù)有機關(guān)聯(lián)和集成后，實現(xiàn)了氫燃料電源系統(tǒng)智能化的工作。整體的控制系統(tǒng)由數(shù)個計算機處理器及數(shù)個不同的控制子系統(tǒng)組成，可以根據(jù)不同的系統(tǒng)和不同的應(yīng)用需求，構(gòu)成單一的控制器或幾個專用控制器將全部過程控制起來。燃料電池的控制系統(tǒng)是氫燃料電源設(shè)備的“大腦"和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)"，決定了氫燃料電池內(nèi)部的變化和對外的反應(yīng)及動作。
2.3.5 自檢和監(jiān)控系統(tǒng)
氫燃料電源系統(tǒng)帶有自檢和監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)故障預(yù)測、自檢、切換、報警、緊急停機操作等保證系統(tǒng)安全運行的全部功能。
2.3.7 通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)
氫燃料電源系統(tǒng)的全部工作性能和操作都是由計算機控制的，因此具有數(shù)字電子設(shè)備功能，能實現(xiàn)四遙（遙信、遙測、遙控、遙調(diào)）功能。氫燃料電源系統(tǒng)具有通信模塊和RS232、RS485、CAN-bus、TCP/IP等通信接口。通過網(wǎng)管系統(tǒng)能實現(xiàn)多個氫燃料電源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，由監(jiān)控中心對電源網(wǎng)任意節(jié)點上的局部或全部電源系統(tǒng)進行監(jiān)控。圖5為利用氫燃料電源通信模塊實現(xiàn)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意。
3 燃料電池（電源系統(tǒng)）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
國際上，氫燃料電源技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)趨于完善，主要以國際電工委員會（IEC）關(guān)于氫燃料電池產(chǎn)品、制造和測試技術(shù)的全套標(biāo)準(zhǔn)（IEC62282）為主。該套標(biāo)準(zhǔn)共有7部分，涵蓋了術(shù)語、材料、技術(shù)、產(chǎn)品、測試的全部標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容。其他的標(biāo)準(zhǔn)，如ANSI/CSA的北美標(biāo)準(zhǔn)、ASTM標(biāo)準(zhǔn)、UL標(biāo)準(zhǔn)、SAE標(biāo)準(zhǔn)、JIL標(biāo)準(zhǔn)都是以IEC62282標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，衍生制定的。
我國目前也是以國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62282為主，直接引用IEC62282國際燃料電池標(biāo)準(zhǔn)中的10項，并根據(jù)我國行業(yè)情況自定義15項國家燃料電池標(biāo)準(zhǔn)（主要針對燃料電池車輛的標(biāo)準(zhǔn)）。針對通信行業(yè)氫燃料備用電源的生產(chǎn)和應(yīng)用，尚未形成國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會于2010年，參照美國RELION公司的氫燃料備用電源的技術(shù)手冊和參數(shù)，發(fā)布了《YDB051-2010通信用氫燃料電池供電系統(tǒng)》通信標(biāo)準(zhǔn)類技術(shù)報告。根據(jù)氫燃料備用電源在各地通信基站實際的試用和完成系統(tǒng)化的測試，進行適用于本地基站備用電源要求的系統(tǒng)可靠性、耐久性的技術(shù)研究，進一步制定和完善我國通信用氫燃料備用電源系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。
5 通信行業(yè)中氫燃料電源的應(yīng)用與節(jié)能減排
5.2 通信行業(yè)采用氫燃料電源帶來的優(yōu)勢及解決的問題
氫燃料電源系統(tǒng)在通信行業(yè)中有很多可帶來明顯效益的應(yīng)用。
·氫燃料電源系統(tǒng)具有靜默式發(fā)電、重量輕、體積小、功率高的優(yōu)勢，可作為應(yīng)急發(fā)電手段，采用更靈活的方式（如車載、空投、人力背攜）發(fā)往斷電的災(zāi)區(qū)或緊急地點就地組裝使用，解決由于電網(wǎng)癱瘓導(dǎo)致的通信中斷問題，提升應(yīng)急通信保障能力。
·氫燃料電源系統(tǒng)能夠按照應(yīng)用場景，靈活開發(fā)不同類型的產(chǎn)品，且具有能量密度高、便攜的優(yōu)勢，可作為微型發(fā)電機、充電器，為手機、微型電腦、微型電臺等便攜電子產(chǎn)品提供電源，解決沒有交流電的野外環(huán)境（沙漠、森林、海島等）通信問題。
·氫燃料電源系統(tǒng)具有備電時間長、動態(tài)響應(yīng)快、遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)勢，可作為微型無人監(jiān)控器或分布通信網(wǎng)絡(luò)的可靠電源，且遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控不但實現(xiàn)了設(shè)備運行無人值守的功能，還能及時反饋系統(tǒng)運行情況，實時上報告警信息，解決長時間無市電地區(qū)的備用電源及監(jiān)控問題。
·氫燃料電源系統(tǒng)對環(huán)境適應(yīng)性強，具有對工作環(huán)境溫度不敏感、無污染排放、總體擁有成本（total cost of ownership，TCO）低的優(yōu)勢，可作為全新的備用電源技術(shù)，解決通信機房、基站關(guān)于節(jié)約能耗和降低設(shè)備成本及減少污染排放的問題。
以下將重點分析氫燃料備用電源在通信基站節(jié)能方面帶來的成效。
5.3.1 典型通信基站的能耗和節(jié)能措施的分類
傳統(tǒng)的通信基站一般設(shè)立在封閉的機房內(nèi)（數(shù)據(jù)中心機房、基站、接入局點）。由于機房內(nèi)各類通信設(shè)備運行時不斷產(chǎn)生熱量，使室內(nèi)環(huán)境溫度升高，尤其在高溫的夏天，機房內(nèi)溫度可升至很高，甚至?xí)驕囟冗^高導(dǎo)致通信設(shè)備不能繼續(xù)正常工作。為確保設(shè)備連續(xù)正常地工作在最佳環(huán)境溫度，必須把機房或基站內(nèi)設(shè)備工作時所產(chǎn)生的熱量排到室外去，因此機房或基站均使用溫控空調(diào)來調(diào)節(jié)機房溫度。一般基站內(nèi)的用電設(shè)備有無線主設(shè)備、傳輸設(shè)備、電源設(shè)備（開關(guān)電源和蓄電池）、監(jiān)控設(shè)備和空調(diào)。典型配置的數(shù)據(jù)為：無線主設(shè)備功耗2kW，傳輸設(shè)備功耗100W，開關(guān)電源功耗50W，監(jiān)控設(shè)備10W，2臺3P空調(diào)功耗2.5kW，總功率<5kW，空調(diào)耗電約占基站總功耗的50%，幾乎等于甚至大于基站內(nèi)無線設(shè)備功耗。使用空調(diào)控溫的初衷是保證無線設(shè)備能正常工作，但其能耗卻大于主設(shè)備的能耗，這種傳統(tǒng)的控溫方案導(dǎo)致了運營成本不合理。
因此通信行業(yè)的科技和管理人員積極地尋求各種節(jié)能的措施和方案，力求提高能源使用效率、降低支撐條件的能耗。包括通過不斷縮小機房體積空間而減少空調(diào)制冷量、戶外一體化基站、戶外微型機柜、機房改造、空調(diào)自適應(yīng)技術(shù)、空調(diào)添加劑技術(shù)改進、空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控、水冷空調(diào)、智能通風(fēng)、智能換熱、地板下送風(fēng)、定向送風(fēng)、新風(fēng)一體化空調(diào)、分離式熱管技術(shù)、蓄電池恒溫技術(shù)、保溫及熱反射建筑材料、室外機霧化噴淋、通信機柜點對點冷卻等至少幾十種方案，其根本均是針對基站空調(diào)系統(tǒng)用電的節(jié)能。根據(jù)中國移動基站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能總體指導(dǎo)意見（簡稱指導(dǎo)意見），這些節(jié)能措施被劃分為3類：管理措施類、節(jié)能改造類和應(yīng)用節(jié)能設(shè)備類。而筆者更愿意用另外一種思路將這些措施劃分為兩類：節(jié)能技術(shù)開源類和節(jié)能節(jié)約挖潛類，在邏輯上對每一種節(jié)能方案可能帶來的績效做了一個定性的預(yù)測。技術(shù)開源類的節(jié)能空間可以說是無限的，是主動性的節(jié)能措施，仍有很大的空間可開拓，應(yīng)該予以特殊的重視和支持；節(jié)約挖潛類是有限的，是被動性的措施，其作用是把原來富余和不該消耗的能量節(jié)約下來，受原來富余量多少的制約。
5.3.3 氫燃料備用電源帶來的成本降低
在IT（information technology）和ICT（information & communication technology）行業(yè)中，核算總體擁有成本（TCO）能更貼切地反映一個進行中的項目或器件或設(shè)備的投資成本?？傮w擁有成本是一個設(shè)備在有價值周期內(nèi)所有的投入成本之和，包括最初的購置成本（acquisition cost）和使用周期內(nèi)不斷投入的成本（operation cost）。
以下筆者以電源系統(tǒng)的支撐能力均為2400~3000W的電信負(fù)載、年累計斷電100h，取氫燃料電源使用壽命16年為周期，用圖表的形式對氫燃料電源和柴油機+蓄電池這兩種備用電源系統(tǒng)的TCO成本做詳細(xì)的比較。各設(shè)備的使用壽命如表3所列，蓄電池組的購置成本如表4所列。
表5為“蓄電池+柴油發(fā)電機"和氫燃料備用電源的初次購置成本對比，其中空調(diào)購置成本是按照目前基站5P空調(diào)配置的購置成本計算的。
結(jié)論：備用燃料電源系統(tǒng)初次購置成本比“蓄電池+柴油發(fā)電機"初次購置成本高，其比例約為12/7。
表6是兩種備用電源系統(tǒng)每年使用/維護的附加成本對比，其中氫氣發(fā)電成本5元/kWh（15MPa、40L的氫氣瓶，儲氫485g，成本30元），燃料電池耗氫量約80g/kWh，則3kW、年累發(fā)電100h的附加成本為：
3kW×100h×5元/kWh=1500元（1）
蓄電池發(fā)電成本：蓄電池的充放電效率為1.5h，則放電成本約：1.5元/kWh（因蓄電池浮充所消耗的電能暫忽略），則年累發(fā)電100h的附加成本為：
3kW×100h×1.5元/kWh=450元（2）
柴油發(fā)電機的發(fā)電成本約：2.5元/kWh。若其中柴油發(fā)電機發(fā)電50h，則年累斷電100h的附加成本為：
3kW×50h×2.5元/kWh=375元（3）
可見，備用燃料電源系統(tǒng)每年的附加成本為鉛酸電池組備電系統(tǒng)附加成本的1/3。
結(jié)論：備用燃料電源系統(tǒng)的整體擁有成本（TCO）不足鉛酸電池組備電系統(tǒng)整體擁有成本的1/2，比例約為0.43%，平均每個系統(tǒng)每年節(jié)約設(shè)備資金成本17250.00元。若全國10萬個這樣的通信基站采用氫燃料備用電源取代備電的鉛酸蓄電池，每年可節(jié)約國家設(shè)備投入資金17.25億元。
6 氫燃料備用電源帶來節(jié)能技術(shù)研究的新課題
6.2 通信基站中溫度點的分布與測試方法
如果對移動基站的戶外機柜進行實際的測試或熱成像監(jiān)測，就可看到機房（基站、機柜）的熱場中的溫度分布非常不均勻，在最重要的設(shè)備點溫度最高，柜內(nèi)高低溫溫差的梯度達20°C左右，此時空調(diào)的自動溫控標(biāo)準(zhǔn)會有相當(dāng)大的誤差。盡管基站內(nèi)或機柜內(nèi)的平均溫度可能只有38°C，但在電信設(shè)備附近某個高溫點達到55°C時，設(shè)備也有損壞和出現(xiàn)故障的危險，所以通信機柜要引入點對點冷卻概念和技術(shù)。開發(fā)點對點冷卻技術(shù)的前提就是要求標(biāo)準(zhǔn)化的溫度場測試，這就需要標(biāo)準(zhǔn)化的硬件（溫度傳感器、測溫儀）和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件。
7 結(jié)論
氫燃料電源技術(shù)是處于科技前沿的先進能源技術(shù)，在各種能源需求領(lǐng)域中迅速發(fā)展。各類燃料電源系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能夠帶來節(jié)能減排的不菲成效，更能大幅度地減少投資成本。因此，氫燃料電源和氫能源的應(yīng)用是社會和能源技術(shù)發(fā)展的必然和希望。我國具有氫燃料電源應(yīng)用的最佳契機和最好條件，是全球發(fā)展燃料電池的前途所在，發(fā)展氫燃料電池技術(shù)是社會和工業(yè)界的契機、責(zé)任和義務(wù)。
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