氫燃料備用電源應(yīng)用于通信領(lǐng)域的分析

侯士彥，李 然

（1.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100080；2.中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)氫能協(xié)會(huì) 北京 100081）

1 前言

近年來(lái)，氫燃料備用電源技術(shù)發(fā)展極為迅速，取得多項(xiàng)突破，并越來(lái)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)保的軍事尖端和普通民用工業(yè)中，例如:航天、潛艇、通信、無(wú)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(xiàng)完全成熟的應(yīng)用技術(shù)，自2008年以來(lái)，全球各地至少已經(jīng)實(shí)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(yùn)行4年來(lái)，沒(méi)有失敗案例，應(yīng)用極為成功。

本文通過(guò)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(duì)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 氫燃料電源的工作原理

氫燃料電源的工作原理可被理解為 “電解水逆反應(yīng)”的發(fā)電裝置，原理見圖1。

如圖1所示，一個(gè)最基本的氫燃料發(fā)電單元由陽(yáng)極（氫氣極）、陰極（氧氣極）和質(zhì)子交換膜（proton exchange membrane）3部分組成，這3部分組合在一起的單一組件稱為膜電極集合體（membrane electrode assembly，MEA）。

其中，質(zhì)子交換膜由高分子母體和離子交換基團(tuán)構(gòu)成，是一種絕緣體。質(zhì)子交換膜只允許在氫陽(yáng)極催化劑作用下分解的氫質(zhì)子穿過(guò)電解質(zhì)到達(dá)陰極，不允許氫分子分解產(chǎn)生的電子穿過(guò)電解質(zhì)，從而迫使電子經(jīng)過(guò)外電路到達(dá)陰極，形成外電流。

3 氫燃料備用電源的應(yīng)用及系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 氫燃料備用電源系統(tǒng)的應(yīng)用

圖2為典型的氫燃料備用電源系統(tǒng)應(yīng)用示意。市電正常時(shí)，負(fù)載從市電交流電網(wǎng)取電，此時(shí)并聯(lián)在供電系統(tǒng)直流總線上的氫燃料電源處于靜態(tài)的待機(jī)狀態(tài)。在市電斷電或市電不穩(wěn)定的情況下，氫燃料電源立即發(fā)電，向直流總線輸出功率直到電網(wǎng)恢復(fù)正常后自動(dòng)退回原待機(jī)狀態(tài)。

圖1 PEMFC燃料電池工作原理示意

圖2 氫燃料備用電源應(yīng)用示意

3.2 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(gè)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。

3.3 各子系統(tǒng)的構(gòu)造及其功能

3.3.1 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(kuò)散層、膜電極組及雙極板5部分組成。

3.3.2 單體電池與電堆

氫燃料電源的基本單元是單體電池（cell），單體電池

圖3 燃料電源系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)分層

由單片MEA和集電端板構(gòu)成。一個(gè)單體電池的電壓是由它兩個(gè)極板間的電位差來(lái)決定，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為1.23 V，即:0.4 V-(-0.83 V)=1.23 V，產(chǎn)生的電流（I）為電流密度（i）和電池活化面積（Acell）的乘積（I=i×Acell）。由于電池內(nèi)活化阻抗、擴(kuò)散阻抗和內(nèi)阻影響，質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membranefuel cell，PEMFC）的實(shí)際電壓為 0.6～0.7 V，電池電勢(shì)與電流密度的函數(shù)關(guān)系由電池的極化曲線描述，PEMFC的典型數(shù)值在0.65 Amp/cm2左右。通常一個(gè)單體電池所產(chǎn)生的電壓和電流不足以滿足實(shí)際應(yīng)用對(duì)電壓、電流或功率的要求，因此需要將多個(gè)單體電池串聯(lián)起來(lái)組成層狀電池組結(jié)構(gòu)，構(gòu)成電堆，電堆電壓（Vstack）為單體電池的數(shù)量（Ncell）和單體電池的電壓（Vcell）之乘積:

3.3.3 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(yùn)行，必須使用計(jì)算機(jī)對(duì)全部工作過(guò)程進(jìn)行控制。從啟動(dòng)、動(dòng)態(tài)保證各種變化條件下的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)、管理、通信到停止，所有的操作全部由計(jì)算機(jī)控制，并可實(shí)現(xiàn)全部程序化的無(wú)人監(jiān)控。控制系統(tǒng)將數(shù)學(xué)計(jì)算、溫控、壓力與傳感、電子技術(shù)與器件、計(jì)算機(jī)軟硬件等各種技術(shù)有機(jī)關(guān)聯(lián)和集成后，實(shí)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(gè)計(jì)算機(jī)處理器及數(shù)個(gè)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(gè)專用控制器將全部過(guò)程完全控制起來(lái)。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(duì)外的反應(yīng)及動(dòng)作。

3.3.4 燃料供給及高壓系統(tǒng)

氫燃料電池最常用的供氣手段是高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶，儲(chǔ)氫瓶又分為鋼氫氣瓶和碳纖維纏繞鋁內(nèi)膽儲(chǔ)氫瓶?jī)煞N。鋼瓶采用符合GB 5099-1994標(biāo)準(zhǔn)的氫氣鋼瓶。瓶口壓力為15 MPa，水容積 40 L，瓶重 50 kg，儲(chǔ)氫氣量 485 g，用于1500 W輸出功率的燃料電池大約可發(fā)電4.2 h。碳纖維儲(chǔ)氫瓶采用DOT標(biāo)準(zhǔn)，瓶口壓力為35 MPa，瓶重64 kg，儲(chǔ)氫氣量2750 g，用于1500 W輸出功率的燃料電池大約可發(fā)電24 h。氫氣的供氣、排氣、壓力全部由計(jì)算機(jī)程序控制，圖4為氫氣及高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

3.3.5 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(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)、自檢、切換、報(bào)警、緊急停機(jī)操作等保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的全部功能。

3.3.6 機(jī)械與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

氫燃料電源系統(tǒng)需要保證氫氣（電磁閥組）進(jìn)氣、排氣在專業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和通道中進(jìn)行，保證空氣（氧氣）的進(jìn)氣要求，排放的氣體、水（氣）、熱在專業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和通道中完成，保證系統(tǒng)在惡劣條件下的防護(hù)保證。故氫燃料電池對(duì)機(jī)械與結(jié)構(gòu)系統(tǒng)要求很高，且按照應(yīng)用場(chǎng)景分為室內(nèi)型和戶外型，要求不同的設(shè)計(jì)和制造，需要專門的標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

3.3.7 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(jì)算機(jī)控制的，因此具有數(shù)字電子設(shè)備功能，能實(shí)現(xiàn)四遙（遙信、遙測(cè)、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(guò)網(wǎng)管系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多個(gè)氫燃料電源系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，由監(jiān)控中心對(duì)電源網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)上的局部或全部電源系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。圖5為利用氫燃料電源通信模塊實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意。

3.3.8 接口設(shè)備及外部設(shè)備

通常氫燃料電源的輸出為直流，電壓是一個(gè)定值。例如:用于通信設(shè)備的氫燃料備用電源系統(tǒng)輸出電壓為48 V DC。但在工業(yè)應(yīng)用中設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)不同的負(fù)載要求加入接口系統(tǒng)或配置外部設(shè)備。

4 燃料電池（電源系統(tǒng)）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)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(guó)際電工委員會(huì)（IEC）關(guān)于氫燃料電池產(chǎn)品、制造和測(cè)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(yǔ)、材料、技術(shù)、產(chǎn)品、測(cè)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(guó)目前也是以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC62282為主，直接引用IEC62282國(guó)際燃料電池標(biāo)準(zhǔn)中的10項(xiàng)，并根據(jù)我國(guó)行業(yè)情況自定義15項(xiàng)國(guó)家燃料電池標(biāo)準(zhǔn) （主要針對(duì)燃料電池車輛的標(biāo)準(zhǔn)）。針對(duì)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(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于2010年，參照美國(guó)RELION公司的氫燃料備用電源的技術(shù)手冊(cè)和參數(shù)，發(fā)布了《YDB 051-2010通信用氫燃料電池供電系統(tǒng)》通信標(biāo)準(zhǔn)類技術(shù)報(bào)告。根據(jù)氫燃料備用電源在各地通信基站實(shí)際的試用和完成系統(tǒng)化的測(cè)試，進(jìn)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(jìn)一步制定和完善我國(guó)通信用氫燃料備用電源系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。

5 燃料電池技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

理論上講，凡是用到電力能源的地方，都能使用氫燃料電池，但氫燃料電池在目前的發(fā)展階段并非一種取代其他能源的手段，而是與其他的發(fā)電、放電（儲(chǔ)能）技術(shù)共存的一種使用清潔能源（氫氣）的技術(shù)。例如:從使用成本角度評(píng)估，把氫燃料電源作為常用動(dòng)力電源時(shí)，它的發(fā)電成本高于目前主要使用的火力發(fā)電成本數(shù)倍。盡管火力或核電發(fā)電有污染排放和安全的問(wèn)題，但其發(fā)電成本僅為幾角/kWh，用電成本約1.00元人民幣，為主流用電成本。而氫燃料電源發(fā)電的成本約5.00元/kWh，高于電網(wǎng)的電價(jià)，因此，現(xiàn)在將氫燃料電源當(dāng)作一般用途的常發(fā)電的動(dòng)力電源使用尚不成熟，成本上尚不合算。但是，如果根據(jù)燃料電池發(fā)電技術(shù)的特性和品質(zhì)，將其使用在適合于發(fā)揮其技術(shù)特點(diǎn)的應(yīng)用方面，就可以看到在這些應(yīng)用方面燃料電池有著諸多的比傳統(tǒng)供電方式（發(fā)電和儲(chǔ)能放電）優(yōu)越得多的優(yōu)勢(shì)。例如以下幾個(gè)方面。

圖5 氫燃料電源系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意

軍事應(yīng)用:利用燃料電池低溫靜默式無(wú)紅外呈像、悄聲發(fā)電的特點(diǎn)，燃料電池可以取代柴油發(fā)電機(jī)作為動(dòng)力電源；利用燃料電池能量密度極高、重量輕、體積小的特點(diǎn)，燃料電池可以作為便攜及單兵電源；利用燃料電源系統(tǒng)的全部數(shù)字電子控制、可車載移動(dòng)，可以組成能夠由中央服務(wù)器全面遙控的可不斷變換位置的分布式動(dòng)力電源群組；利用燃料電池可連續(xù)發(fā)電的特點(diǎn)，燃料電池可以用于多種無(wú)人監(jiān)控的器件和設(shè)備。將燃料電池技術(shù)應(yīng)用于諸多的軍事用途中，其中有些是比現(xiàn)有的柴油發(fā)電機(jī)、各種儲(chǔ)能電池有技術(shù)上和使用上的優(yōu)勢(shì)，還有一些是使用現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新的發(fā)明和應(yīng)用。

物流倉(cāng)庫(kù)中的叉車應(yīng)用:由于封閉空間的排放問(wèn)題，不能使用有污染排放的柴油動(dòng)力叉車；使用電瓶動(dòng)力叉車，由于電瓶的放電時(shí)間限制，造成了電瓶及電瓶叉車數(shù)量的增加；使用氫燃料電源叉車不但無(wú)污染且成本效率有所提高，一臺(tái)燃料電池叉車相當(dāng)于3臺(tái)電瓶叉車的工作負(fù)荷。

氫燃料電源車應(yīng)用:在交通和運(yùn)輸上的應(yīng)用，尚未到達(dá)工業(yè)化和市場(chǎng)化階段。如果加氫站的基礎(chǔ)建設(shè)和工業(yè)化生產(chǎn)成本降低的問(wèn)題能夠解決，“燒”氫的燃料電池汽車全部取代“燒”汽油、柴油的汽車，全國(guó)的石油的消耗將減少50%，大城市的空氣污染將減少50%（2011年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。

電力、鐵路、通信、IT等行業(yè)的應(yīng)用:將廣泛使用的鉛酸蓄電池備用電源的一部分用氫燃料來(lái)取代（我國(guó)鉛酸蓄電池年產(chǎn)總量大于1×108kVAh，產(chǎn)值超過(guò)1200億元）可帶來(lái)備用電源技術(shù)的提高，有效減少碳排放，達(dá)到節(jié)能減排，同時(shí)降低成本的雙贏效果。

6 通信行業(yè)中氫燃料電源的應(yīng)用與節(jié)能減排

6.1 通信行業(yè)能耗及節(jié)能減排的要求

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)，2011年我國(guó)電力和天然氣的消耗量分別比2010年增長(zhǎng)11.7%和12%，由此可見國(guó)家節(jié)能減排的壓力和任務(wù)難度。對(duì)于通信行業(yè)，自2009年三大運(yùn)營(yíng)商的年耗電量達(dá)到290億千瓦時(shí)的水平后，2010年，三大運(yùn)營(yíng)商均被國(guó)務(wù)院國(guó)有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)從節(jié)能減排的“一般企業(yè)”調(diào)整為“關(guān)注企業(yè)”，節(jié)能目標(biāo)明確具體，“十二五”的節(jié)能指標(biāo)17%具有法律約束力。通信行業(yè)的節(jié)能減排不僅僅關(guān)系到企業(yè)持續(xù)性發(fā)展的根本利益，更兼有國(guó)家經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境責(zé)任。

根據(jù)2010年 《第一屆通信行業(yè)節(jié)能減排大會(huì)》的數(shù)據(jù)，通信運(yùn)營(yíng)商的能耗以電能為主，占全部能耗的85%以上，燃油占10%以上，還有少量天然氣和煤的消耗。2009年290億千瓦時(shí)耗電中（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)公司（以下簡(jiǎn)稱中國(guó)移動(dòng)）耗電量為111.4億千瓦時(shí)，中國(guó)電信集團(tuán)公司耗電量為98億千瓦時(shí)，中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司耗電量為80.6億千瓦時(shí)）以生產(chǎn)電為主。通信機(jī)房、數(shù)據(jù)中心機(jī)房、基站、接入局點(diǎn)、戶外一體化基站和戶外機(jī)柜為主要的生產(chǎn)用電核心，占耗電總量的85%以上。而在各類機(jī)房（站）的總能耗構(gòu)成中，空調(diào)的平均能耗占總能耗的40%以上，約100億千瓦時(shí)。很明顯，在可能節(jié)約能源的各個(gè)環(huán)節(jié)中，空調(diào)節(jié)能降耗是重點(diǎn)和最大的控制點(diǎn)，加大對(duì)機(jī)房（通信機(jī)房、數(shù)據(jù)中心機(jī)房、基站、接入局點(diǎn)、戶外一體化基站和戶外機(jī)柜）溫控節(jié)能技術(shù)的進(jìn)一步研究，會(huì)取得不可忽視的節(jié)約效果。如果空調(diào)用電可以被節(jié)約35%，就意味著電信運(yùn)營(yíng)減少了30億千克的CO2排放量 （按照我國(guó)火力發(fā)電平均煤耗350 g/kWh計(jì)算），同時(shí)節(jié)約了30億元人民幣（按照1.00元/kWh計(jì)算）的運(yùn)營(yíng)成本。

節(jié)能的概念與評(píng)估需從節(jié)能技術(shù)及節(jié)能成本這兩個(gè)角度切入，節(jié)能減排所引入的技術(shù)、設(shè)備或維護(hù)成本不該比節(jié)約下來(lái)的成本更多，應(yīng)避免節(jié)能不節(jié)支的情況產(chǎn)生。如何做到既省電、省能耗（資源），同時(shí)又節(jié)約成本是接下來(lái)主要探討的問(wèn)題，旨在從原理和技術(shù)上分析采用氫燃料備用電源系統(tǒng)帶來(lái)的節(jié)能效果及成本優(yōu)勢(shì)。

6.2 通信行業(yè)采用氫燃料電源帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)及解決的問(wèn)題

氫燃料電源系統(tǒng)在通信行業(yè)中有很多可帶來(lái)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(shì)，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(diǎn)就地組裝使用，解決由于電網(wǎng)癱瘓導(dǎo)致的通信中斷問(wèn)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(chǎng)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(shì)，可作為微型發(fā)電機(jī)、充電器，為手機(jī)、微型電腦、微型電臺(tái)等便攜電子產(chǎn)品提供電源，解決沒(méi)有交流電的野外環(huán)境（沙漠、森林、海島等）通信問(wèn)題。

·氫燃料電源系統(tǒng)具有備電時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)勢(shì)，可作為微型無(wú)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(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行無(wú)人值守的功能，還能及時(shí)反饋系統(tǒng)運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)上報(bào)告警信息，解決長(zhǎng)時(shí)間無(wú)市電地區(qū)的備用電源及監(jiān)控問(wèn)題。

·氫燃料電源系統(tǒng)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有對(duì)工作環(huán)境溫度不敏感、無(wú)污染排放、總體擁有成本（total cost of ownership，TCO）低的優(yōu)勢(shì)，可作為全新的備用電源技術(shù)，解決通信機(jī)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(wèn)題。

以下將重點(diǎn)分析氫燃料備用電源在通信基站節(jié)能方面帶來(lái)的成效。

6.3 氫燃料備用電源帶來(lái)的節(jié)約（成本、能耗）定性分析

6.3.1 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(jī)房?jī)?nèi)（數(shù)據(jù)中心機(jī)房、基站、接入局點(diǎn)）。由于機(jī)房?jī)?nèi)各類通信設(shè)備運(yùn)行時(shí)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(jī)房?jī)?nèi)溫度可升至很高，甚至?xí)驕囟冗^(guò)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(jī)房或基站內(nèi)設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量排到室外去，因此機(jī)房或基站均使用溫控空調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)房溫度。一般基站內(nèi)的用電設(shè)備有無(wú)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(wú)線主設(shè)備功耗2 kW，傳輸設(shè)備功耗100 W，開關(guān)電源功耗50 W，監(jiān)控設(shè)備10 W，2臺(tái)3P空調(diào)功耗2.5 kW，總功率<5 kW，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(wú)線設(shè)備功耗。使用空調(diào)控溫的初衷是保證無(wú)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(yùn)營(yíng)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(guò)不斷縮小機(jī)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(jī)柜、機(jī)房改造、空調(diào)自適應(yīng)技術(shù)、空調(diào)添加劑技術(shù)改進(jìn)、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(jī)霧化噴淋、通信機(jī)柜點(diǎn)對(duì)點(diǎn)冷卻等至少幾十種方案，其根本均是針對(duì)基站空調(diào)系統(tǒng)用電的節(jié)能。根據(jù)中國(guó)移動(dòng)基站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能總體指導(dǎo)意見（簡(jiǎn)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(duì)每一種節(jié)能方案可能帶來(lái)的績(jī)效做了一個(gè)定性的預(yù)測(cè)。技術(shù)開源類的節(jié)能空間可以說(shuō)是無(wú)限的，是主動(dòng)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(dòng)性的措施，其作用是把原來(lái)富余和不該消耗的能量節(jié)約下來(lái)，受原來(lái)富余量多少的制約。

6.3.2 關(guān)于通信基站空調(diào)能耗的分析

從空調(diào)能源被使用或消耗的源頭進(jìn)行詳細(xì)分析，便可清楚看到空調(diào)能源被消耗的效率，即:檢查空調(diào)系統(tǒng)每份能源付出的作用是什么，該部分能源的支出是否合理，其支出依據(jù)是什么。一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)所付出的能耗是它消耗電能、轉(zhuǎn)換熱量所做的功。目前通信基站空調(diào)制冷的設(shè)置溫度為28℃（指導(dǎo)意見），空調(diào)要轉(zhuǎn)換的熱量，是基站內(nèi)部空間由于電信設(shè)備工作發(fā)熱和室內(nèi)/外的溫度差由外部傳進(jìn)來(lái)的熱量而導(dǎo)致的高溫度（例如:45℃）降低到所設(shè)定的室溫28℃所做的熱交換總量。這個(gè)熱交換過(guò)程是一個(gè)二次換能過(guò)程，首先要由空調(diào)機(jī)的室內(nèi)機(jī)把室內(nèi)的多余熱量傳遞給致冷劑，然后再由空調(diào)機(jī)的室外機(jī)將制冷劑所攜帶的熱量轉(zhuǎn)移給外界空氣，才能將內(nèi)部空間高出設(shè)置溫度的全部熱量挪到室外，其代價(jià)就是轉(zhuǎn)移由這個(gè)溫差所決定的熱量而付出的能耗。

以下分析兩個(gè)方向:首先要檢查空調(diào)（熱交換）設(shè)備的本身和其被使用的合理性，其次要檢查室內(nèi)設(shè)置溫度的前因后果。作為獨(dú)立的環(huán)節(jié)，這兩個(gè)方向是獨(dú)立的，但作為同一個(gè)熱場(chǎng)分析系統(tǒng)之下的子環(huán)節(jié)，這兩個(gè)方向又是函數(shù)關(guān)聯(lián)的，以下就兩個(gè)方向的關(guān)聯(lián)性單獨(dú)分析。

單獨(dú)考慮基站室內(nèi)設(shè)置溫度及其所需要熱交換總量這個(gè)環(huán)節(jié)，空調(diào)的功耗由所需要的熱交換總量來(lái)決定，即由各熱源在室內(nèi)能產(chǎn)生的高溫（上限溫度）減去室內(nèi)要設(shè)定溫度（下限溫度）的溫度差所決定。對(duì)于上限溫度筆者暫時(shí)不予討論，而先關(guān)注那個(gè)下限溫度，即基站的設(shè)定溫度，且認(rèn)為空調(diào)對(duì)溫度差所做的功（能耗）由下限溫度的變化所決定，便可得知溫度下限的設(shè)定與能耗的關(guān)系。表2是基站機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備的溫度適應(yīng)性的總結(jié)，可知，所有設(shè)備中蓄電池對(duì)溫度的要求最嚴(yán)格，是室內(nèi)溫度設(shè)置的瓶頸。如果在給定的空間內(nèi)沒(méi)有蓄電池，而只有電信和電源設(shè)備，在該空間溫度設(shè)置不高于40℃時(shí)，其中的電信設(shè)備可以正常工作。取一個(gè)空調(diào)功耗為2 kW，基站溫度按照28℃的標(biāo)定設(shè)置為例，空調(diào)的年耗電能為17520 kWh。根據(jù)《中國(guó)移動(dòng)基站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能總體指導(dǎo)意見》附件一的數(shù)據(jù)，工作溫度下限每提高1℃，可減少空調(diào)能耗3%。如果把基站內(nèi)部溫度設(shè)為38℃，則空調(diào)單項(xiàng)能耗減少30%，約5000 kWh/年的省電量。原設(shè)定的28℃的下限溫度主要是由蓄電池的工作壽命和成本來(lái)考慮和綜合決定的。對(duì)于電信負(fù)載為2400 W，要求有6～8 h備電要求的基站，一般要配2組24塊2 V/500 Ah，環(huán)境溫度為25℃的鉛酸蓄電池。這樣參數(shù)的蓄電池，其單價(jià)約為800～1000元，2組電池組的總價(jià)約為4萬(wàn)元。在應(yīng)用中，這樣2組蓄電池的一般使用壽命為4年，如果溫度提高10℃，其使用壽命減少一半，則這4萬(wàn)元的電池只能使用2年，就造成了每年1萬(wàn)元的損失。因此，有理由這樣推論，把基站內(nèi)部溫度設(shè)定在28℃是一種成本權(quán)衡的妥協(xié)，即:每年/基站多付出5000 kWh的能耗而換來(lái)每年1萬(wàn)元的成本損失。按每度電成本1.00元計(jì)算，凈效果是多付出5000 kWh能耗而換來(lái)凈成本減少5000元/年。

表2 基站機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的溫度適應(yīng)性

6.3.3 氫燃料備用電源帶來(lái)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(gè)進(jìn)行中的項(xiàng)目或器件或設(shè)備的投資成本。總體擁有成本是一個(gè)設(shè)備在有價(jià)值周期內(nèi)所有的投入成本之和，包括最初的購(gòu)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2400～3000 W的電信負(fù)載、年累計(jì)斷電100 h，取氫燃料電源使用壽命16年為周期，用圖表的形式對(duì)氫燃料電源和柴油機(jī)+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(gòu)置成本如表4所列。

表5為“蓄電池+柴油發(fā)電機(jī)”和氫燃料備用電源的初次購(gòu)置成本對(duì)比，其中空調(diào)購(gòu)置成本是按照目前基站5P空調(diào)配置的購(gòu)置成本計(jì)算的。

表3 各設(shè)備的使用壽命

表4 蓄電池組的購(gòu)置成本

表5 兩種備電方式的初次購(gòu)置成本對(duì)比

結(jié)論:備用燃料電源系統(tǒng)初次購(gòu)置成本比“蓄電池+柴油發(fā)電機(jī)”初次購(gòu)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(hù)的附加成本對(duì)比，其中氫氣發(fā)電成本5元/kWh（15 MPa、40 L的氫氣瓶，儲(chǔ)氫485 g，成本30元），燃料電池耗氫量約80 g/kWh，則3 kW、年累發(fā)電100 h的附加成本為:

蓄電池發(fā)電成本:蓄電池的充放電效率為1.5 h，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100 h的附加成本為:

柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電成本約:2.5元/kWh。若其中柴油發(fā)電機(jī)發(fā)電50 h，則年累斷電100 h的附加成本為:

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(gè)系統(tǒng)每年節(jié)約設(shè)備資金成本17250.00元。若全國(guó)10萬(wàn)個(gè)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(guó)家設(shè)備投入資金17.25億元。

表6 兩種備電方式每年附加成本對(duì)比

6.3.4 氫燃料備用電源帶來(lái)的能耗節(jié)約

使用氫燃料備用電源方案代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉛酸蓄電池的備電方案，除了帶來(lái)成本的降低之外，還會(huì)在減少能耗（耗電）的同時(shí)帶來(lái)另外一份節(jié)約，即:對(duì)應(yīng)于減少用電而帶來(lái)的電費(fèi)的節(jié)省。本文第7.3.2節(jié)所分析的情況是屬于沒(méi)有采取節(jié)能措施的情況，每個(gè)基站每年至少要浪費(fèi)5000 kWh以上的電能。目前各個(gè)電信運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)采取了很多種措施，例如:按照“分區(qū)控溫、針對(duì)冷卻”的原則，將電池裝入恒溫柜，并配裝一臺(tái)小功率電池柜專用空調(diào)。這臺(tái)專門用于電池柜的小空調(diào)功率為200～400 W，故它的年電耗為1752～3504 kWh/年，取中間值2628 kWh/年。也就是說(shuō)，如果引入氫燃料備用電源，沒(méi)有蓄電池對(duì)溫高的瓶頸問(wèn)題，就至少可以去掉這個(gè)電池柜的功耗，將至少可以在每個(gè)系統(tǒng)上節(jié)電2628 kWh/基站，若全國(guó)10萬(wàn)個(gè)這樣的通信基站采用氫燃料備用，每年至少可以減少2.628億千瓦時(shí)電的使用，減少的CO2排放量為22.31萬(wàn)噸，另外節(jié)約能耗成本2.628億元。

事實(shí)上，如果引入氫燃料備用電源技術(shù)代替現(xiàn)在廣泛使用的鉛酸蓄電池，現(xiàn)有機(jī)房、基站、戶外基站的節(jié)能技術(shù)和方案及節(jié)能潛力的計(jì)算都會(huì)有改變，也都需要重新計(jì)算，以下會(huì)進(jìn)一步討論這一問(wèn)題。

7 氫燃料備用電源帶來(lái)節(jié)能技術(shù)研究的新課題

7.1 通信基站熱能場(chǎng)分析和各單向節(jié)能技術(shù)的函數(shù)關(guān)系

基站現(xiàn)行的單項(xiàng)節(jié)能技術(shù)多達(dá)百余項(xiàng)，但這些單項(xiàng)技術(shù)之間不完全是線性無(wú)關(guān)的變量，它們存在著各種復(fù)雜函數(shù)關(guān)系的關(guān)聯(lián)，機(jī)房（基站、機(jī)柜）的熱場(chǎng)中各個(gè)熱源的發(fā)熱、散熱性質(zhì)也不盡相同。在沒(méi)有引入氫燃料電源的情況下，其熱場(chǎng)的溫度設(shè)定由鉛酸電池所能承受的溫度為主要考慮，其熱場(chǎng)中的各單項(xiàng)降溫技術(shù)以線性函數(shù)關(guān)系為主，基本上是用簡(jiǎn)化的線性關(guān)系的近似估算。氫燃料電源引入溫度場(chǎng)概念后，各個(gè)熱源之間的函數(shù)關(guān)系不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。例如:移出蓄電池以后，空調(diào)的功率可以比原設(shè)計(jì)的功率降低，原來(lái)空調(diào)控制工作的函數(shù)關(guān)系和程序也會(huì)相應(yīng)地改變。準(zhǔn)確地計(jì)算熱場(chǎng)中傳熱的變化將可以帶來(lái)最大限度的能源利用效果。根據(jù)傳熱學(xué)（導(dǎo)熱學(xué)、對(duì)流換熱學(xué)、輻射換熱學(xué)）的理論，使用有限元法，用計(jì)算機(jī)仿真整個(gè)有源熱場(chǎng)系統(tǒng)中導(dǎo)熱特征和熱場(chǎng)中各個(gè)源點(diǎn)之間函數(shù)相關(guān)的微分方程:λ犖2t+Φ=0，將可以作為溫度場(chǎng)中各個(gè)設(shè)備設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

7.2 通信基站中溫度點(diǎn)的分布與測(cè)試方法

如果對(duì)移動(dòng)基站的戶外機(jī)柜進(jìn)行實(shí)際的測(cè)試或熱成像監(jiān)測(cè)，就可看到機(jī)房（基站、機(jī)柜）的熱場(chǎng)中的溫度分布非常不均勻，在最重要的設(shè)備點(diǎn)溫度最高，柜內(nèi)高低溫溫差的梯度達(dá)20℃左右，此時(shí)空調(diào)的自動(dòng)溫控標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有相當(dāng)大的誤差。盡管基站內(nèi)或機(jī)柜內(nèi)的平均溫度可能只有38℃，但在電信設(shè)備附近某個(gè)高溫點(diǎn)達(dá)到55℃時(shí)，設(shè)備也有損壞和出現(xiàn)故障的危險(xiǎn)，所以通信機(jī)柜要引入點(diǎn)對(duì)點(diǎn)冷卻概念和技術(shù)。開發(fā)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)冷卻技術(shù)的前提就是要求標(biāo)準(zhǔn)化的溫度場(chǎng)測(cè)試，這就需要標(biāo)準(zhǔn)化的硬件（溫度傳感器、測(cè)溫儀）和標(biāo)準(zhǔn)化的軟件。

7.3 氫燃料備用電源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化的研究

像蓄電池生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化一樣，燃料電池備用電源設(shè)備也要標(biāo)準(zhǔn)化。不同的應(yīng)用參數(shù)會(huì)使用不同的通信設(shè)備，可能要求不同的備用電源設(shè)備參數(shù)，而燃料電源工作環(huán)境的要求又會(huì)反過(guò)來(lái)對(duì)機(jī)房、基站、機(jī)柜的參數(shù)和設(shè)置提出要求。因此，以最穩(wěn)定工作和最大節(jié)能減排效果為前提，用戶在制定氫燃料備用電源設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可能對(duì)現(xiàn)有的產(chǎn)品做出相應(yīng)的調(diào)整。

8 結(jié)束語(yǔ)

氫燃料電源技術(shù)是處于科技前沿的先進(jìn)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(lái)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(huì)和能源技術(shù)發(fā)展的必然和希望。我國(guó)具有氫燃料電源應(yīng)用的最佳契機(jī)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(huì)和工業(yè)界的契機(jī)、責(zé)任和義務(wù)。