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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上的改進和經濟上的效益，提出氫燃料備用電源應用于通信基站的設想，并對通信行業(yè)引入氫燃料備用電源后的節(jié)能減排技術的研究建議了新方向。
近年來，氫燃料備用電源技術發(fā)展極為迅速，取得多項突破，并越來越多地應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、無人操縱設備、分布式電源、智能電網、交通車輛等行業(yè)。目前，氫燃料備用電源作為通信設備的備用電源已是一項成熟的應用技術，自2008年以來，各地至少已經實地安裝了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，應用極為成功。
本文通過介紹氫燃料備用電源的原理、結構、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、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用及系統(tǒng)構成
2.2 氫燃料備用電源系統(tǒng)的技術層面與結構
氫燃料備用電源系統(tǒng)的構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、接口及應用設備，如圖3所示。
圖3 燃料電源系統(tǒng)技術結構分層
2.3.1 電極材料
氫燃料電源的電極材料有質子交換膜（電解質）、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)
在電化學技術、材料技術、工裝工藝和加工技術確定后，氫燃料電源系統(tǒng)的核心技術為系統(tǒng)和環(huán)境條件的控制技術。為了使氫燃料電池內部的化學反應所輸出的功率符合負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優(yōu)良運轉、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。控制系統(tǒng)將數學計算、溫控、壓力與傳感、電子技術與器件、計算機軟硬件等各種技術有機關聯(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)由數個計算機處理器及數個不同的控制子系統(tǒng)組成，可以根據不同的系統(tǒng)和不同的應用需求，構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)是氫燃料電源設備的“大腦"和“神經網絡"，決定了氫燃料電池內部的變化和對外的反應及動作。
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 通信和網絡系統(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，因此具有數字電子設備功能，能實現(xiàn)四遙（遙信、遙測、遙控、遙調）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。通過網管系統(tǒng)能實現(xiàn)多個氫燃料電源系統(tǒng)的網絡監(jiān)控，由監(jiān)控中心對電源網任意節(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)控網絡示意。
3 燃料電池（電源系統(tǒng)）的技術標準
國際上，氫燃料電源技術的相關標準已經趨于*，主要以國際電工委員會（IEC）關于氫燃料電池產品、制造和測試技術的全套標準（IEC62282）為主。該套標準共有7部分，涵蓋了術語、材料、技術、產品、測試的全部標準和內容。其他的標準，如ANSI/CSA的北美標準、ASTM標準、UL標準、SAE標準、JIL標準都是以IEC62282標準為基礎，衍生制定的。
我國目前也是以國際標準IEC62282為主，直接引用IEC62282國際燃料電池標準中的10項，并根據我國行業(yè)情況自定義15項國家燃料電池標準（主要針對燃料電池車輛的標準）。針對通信行業(yè)氫燃料備用電源的生產和應用，尚未形成國家或行業(yè)標準。中國通信標準化協(xié)會于2010年，參照美國RELION公司的氫燃料備用電源的技術手冊和參數，發(fā)布了《YDB051-2010通信用氫燃料電池供電系統(tǒng)》通信標準類技術報告。根據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、耐久性的技術研究，進一步制定和*我國通信用氫燃料備用電源系統(tǒng)的工業(yè)標準勢在必行。
5 通信行業(yè)中氫燃料電源的應用與節(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)往斷電的災區(qū)或緊急地點就地組裝使用，解決由于電網癱瘓導致的通信中斷問題，提升應急通信保障能力。
·氫燃料電源系統(tǒng)能夠按照應用場景，靈活開發(fā)不同類型的產品，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)響應快、遠程監(jiān)控的優(yōu)勢，可作為微型無人監(jiān)控器或分布通信網絡的可靠電源，且遠程網絡監(jiān)控不但實現(xiàn)了設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，解決通信機房、基站關于節(jié)約能耗和降低設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)的通信基站一般設立在封閉的機房內（數據中心機房、基站、接入局點）。由于機房內各類通信設備運行時不斷產生熱量，使室內環(huán)境溫度升高，尤其在高溫的夏天，機房內溫度可升至很高，甚至會因溫度過高導致通信設備不能繼續(xù)正常工作。為確保設備連續(xù)正常地工作在優(yōu)良環(huán)境溫度，必須把機房或基站內設備工作時所產生的熱量排到室外去，因此機房或基站均使用溫控空調來調節(jié)機房溫度。一般基站內的用電設備有無線主設備、傳輸設備、電源設備（開關電源和蓄電池）、監(jiān)控設備和空調。典型配置的數據為：無線主設備功耗2kW，傳輸設備功耗100W，開關電源功耗50W，監(jiān)控設備10W，2臺3P空調功耗2.5kW，總功率<5kW，空調耗電約占基站總功耗的50%，幾乎等于甚至大于基站內無線設備功耗。使用空調控溫的初衷是保證無線設備能正常工作，但其能耗卻大于主設備的能耗，這種傳統(tǒng)的控溫方案導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制冷量、戶外一體化基站、戶外微型機柜、機房改造、空調自適應技術、空調添加劑技術改進、空調遠程監(jiān)控、水冷空調、智能通風、智能換熱、地板下送風、定向送風、新風一體化空調、分離式熱管技術、蓄電池恒溫技術、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系統(tǒng)用電的節(jié)能。根據中國移動基站空調系統(tǒng)節(jié)能總體指導意見（簡稱指導意見），這些節(jié)能措施被劃分為3類：管理措施類、節(jié)能改造類和應用節(jié)能設備類。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測。技術開源類的節(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備的投資成本。總體擁有成本是一個設備在有價值周期內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成本做詳細的比較。各設備的使用壽命如表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，其中空調購置成本是按照目前基站5P空調配置的購置成本計算的。
結論：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)約國家設備投入資金17.25億元。
6 氫燃料備用電源帶來節(jié)能技術研究的新課題
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，在最重要的設備點溫度最高，柜內高低溫溫差的梯度達20°C左右，此時空調的自動溫控標準會有相當大的誤差。盡管基站內或機柜內的平均溫度可能只有38°C，但在電信設備附近某個高溫點達到55°C時，設備也有損壞和出現(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。開發(fā)點對點冷卻技術的前提就是要求標準化的溫度場測試，這就需要標準化的硬件（溫度傳感器、測溫儀）和標準化的軟件。
7 結論
氫燃料電源技術是處于科技前沿的良好能源技術，在各種能源需求領域中迅速發(fā)展。各類燃料電源系統(tǒng)的應用不僅能夠帶來節(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用是社會和能源技術發(fā)展的必然和希望。我國具有氫燃料電源應用的優(yōu)良契機和條件，是發(fā)展燃料電池的前途所在，發(fā)展氫燃料電池技術是社會和工業(yè)界的契機、責任和義務。
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李懿恒
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