王久海，雷衛(wèi)清

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司）

光伏發(fā)電與氫儲(chǔ)能在無(wú)市電接入通信基站的應(yīng)用研究

王久海，雷衛(wèi)清

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司）

在國(guó)家要求加強(qiáng)通信無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋與節(jié)能減排的形勢(shì)與背景下，無(wú)市電接入基站供電系統(tǒng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性問(wèn)題引起了人們的高度重視。論文介紹了氫儲(chǔ)能與燃料電池聯(lián)合使用的配置方式、工作原理，并對(duì)比分析了氫儲(chǔ)能模式與傳統(tǒng)鉛酸蓄電池儲(chǔ)能模式在整個(gè)生命周期中的使用成本，對(duì)氫儲(chǔ)能模式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后展望了其在無(wú)市電接入基站的使用前景。

氫儲(chǔ)能；燃料電池；基站電源

1 引言

隨著國(guó)家對(duì)于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋要求的加強(qiáng)，以及對(duì)于通信基站7×24h穩(wěn)定運(yùn)行的要求，目前，分布在沙漠、海島、山頂?shù)仁须姾茈y接入環(huán)境中的通信基站主要采用太陽(yáng)能光伏、風(fēng)光互補(bǔ)供電、太陽(yáng)能+油機(jī)供電等多種模式。

該類基站分布范圍較為寬廣、遠(yuǎn)離市區(qū)、維護(hù)困難，一般無(wú)人值守，對(duì)電源可靠性和壽命要求較高。由于受到可再生能源的不穩(wěn)定性影響，為了滿足基站連續(xù)運(yùn)行的要求，該類基站中均設(shè)置了大容量的鉛酸蓄電池組作為儲(chǔ)能裝置進(jìn)行保障。

考慮到連續(xù)陰雨天等較為苛刻的氣象情況，太陽(yáng)能光伏基站通常配置的太陽(yáng)能發(fā)電容量遠(yuǎn)大于基站正常使用需求。在正常情況下，該類基站內(nèi)的光伏發(fā)電僅有較小的一部分在使用，浪費(fèi)了發(fā)電能力。為了滿足連續(xù)陰雨天的供電需求，基站內(nèi)通常配置大容量?jī)?chǔ)能蓄電池組。該類基站中通常未設(shè)置空調(diào)，蓄電池組工作環(huán)境較為惡劣，遠(yuǎn)超出正常工作溫度范圍。蓄電池組基本每天都經(jīng)歷1次充放電過(guò)程，對(duì)于工作溫度要求較為苛刻且壽命僅有300～500次的蓄電池組，很快就會(huì)達(dá)到壽命極限，通常壽命不足兩年，需要頻繁更換蓄電池組。大容量蓄電池組的更換費(fèi)用高昂，并且由于地域偏遠(yuǎn)，運(yùn)輸、安裝費(fèi)用也較為昂貴，使得該類基站運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高昂。結(jié)合新型的儲(chǔ)能方式并合理配置該類基站的發(fā)電能力，是該類基站動(dòng)力系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。

在國(guó)外，燃料電池已經(jīng)小批量應(yīng)用于通信基站。在國(guó)內(nèi)，已有約30個(gè)燃料電池站點(diǎn)在進(jìn)行試點(diǎn)使用。試點(diǎn)結(jié)果顯示，燃料電池耐溫性能好、可靠性高，在試點(diǎn)基站中未發(fā)現(xiàn)故障、損壞等問(wèn)題，技術(shù)基本成熟。

因此，應(yīng)結(jié)合燃料電池、氫儲(chǔ)能技術(shù)、電解水制氫，探討了一種新型電源系統(tǒng)，供無(wú)市電接入基站建設(shè)使用。

2 太陽(yáng)能光伏基站

2.1 無(wú)市電引入的太陽(yáng)能光伏基站內(nèi)動(dòng)力系統(tǒng)的組成與系統(tǒng)架構(gòu)

該類基站供電系統(tǒng)一般包括太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能充放電控制器、鉛酸蓄電池組等幾個(gè)部分。工作原理為：太陽(yáng)光可利用時(shí)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)在為通信設(shè)備供電的同時(shí)并為蓄電池組充電。無(wú)太陽(yáng)能可利用時(shí)，通過(guò)蓄電池儲(chǔ)存的能量為通信設(shè)備供電，滿足通信設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的要求。光伏基站電氣系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能光伏基站電氣系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2 太陽(yáng)能組件的配置分析

按照相關(guān)規(guī)范的設(shè)計(jì)，通?；九渲玫目偺?yáng)能組件的容量遠(yuǎn)大于固定接入的太陽(yáng)能組件容量。根據(jù)YD/T 5040-2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C中的部分公式①及②，基站太陽(yáng)能陣列總?cè)萘繛椋?/p>

固定接入的太陽(yáng)能子陣容量為：

2.3 傳統(tǒng)光伏太陽(yáng)能基站存在問(wèn)題分析

1）發(fā)電容量不能很好利用：由于考慮到連續(xù)陰雨天等因素，光伏板件容量配置過(guò)大，導(dǎo)致正常情況下嚴(yán)重浪費(fèi)；

2）鉛酸蓄電池建設(shè)投資大：由于考慮到連續(xù)陰雨天等因素，儲(chǔ)能蓄電池容量配置較大，占用較大的建設(shè)投資費(fèi)用；

3）安全性低：為了限制蓄電池組的投資，蓄電池組容量通常嚴(yán)格按照其連續(xù)陰雨天數(shù)進(jìn)行配置，當(dāng)連續(xù)陰雨天數(shù)略多時(shí)，會(huì)造成大面積基站退服；

4）運(yùn)營(yíng)費(fèi)用昂貴：鉛酸蓄電池壽命短，通常1～2年需進(jìn)行更換；該類基站所處地域通常較為偏遠(yuǎn)，搬運(yùn)及安裝成本較高；

5）鉛污染：鉛酸蓄電池組的生產(chǎn)與回收存在嚴(yán)重的鉛污染。

3 氫儲(chǔ)能與燃料電池的聯(lián)合使用

3.1 系統(tǒng)的組成

基站氫儲(chǔ)能與燃料電池聯(lián)合使用系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、電解水制氫系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、鐵鋰電池系統(tǒng)等組成。氫儲(chǔ)能與燃料電池基站電氣系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 氫儲(chǔ)能與燃料電池基站電氣系統(tǒng)架構(gòu)示意

3.2 工作模式

正常模式下，太陽(yáng)能為通信設(shè)備供電的同時(shí)也為鐵鋰電池組充電，富裕的電能用于電解制氫，并對(duì)氫氣進(jìn)行儲(chǔ)存。

儲(chǔ)能分鐵鋰電池儲(chǔ)能和氫儲(chǔ)能兩個(gè)部分，其中鐵鋰電池儲(chǔ)能主要針對(duì)一個(gè)充放電周期進(jìn)行設(shè)置，通常僅需滿足1天的儲(chǔ)能需求。氫儲(chǔ)能主要針對(duì)連續(xù)陰雨天進(jìn)行設(shè)置，滿足連續(xù)陰雨天時(shí)的儲(chǔ)能需求。電池組容量大大減少，約為現(xiàn)有容量的1/3～1/4，與連續(xù)陰雨天數(shù)有關(guān)。

當(dāng)太陽(yáng)能不可利用時(shí)，首先由鐵鋰電池組為通信設(shè)備供電，鐵鋰電池組滿足一個(gè)充放電循環(huán)周期的儲(chǔ)能要求，該模式下并不需要燃料電池進(jìn)行工作。連續(xù)陰雨天時(shí)，利用儲(chǔ)存的氫能通過(guò)燃料電池為通信設(shè)備供電，滿足通信設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的要求。

3.3 電解水制氫與儲(chǔ)氫

電解水制氫在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展已較為成熟，主要有三種不同種類的電解槽，分別是堿性電解槽、聚合物薄膜電解槽和固體氧化物電解槽。電解水制氫效率也由70%提高到90%。電解水制氫技術(shù)效率提升的關(guān)鍵是降低電解槽電壓，增加通過(guò)電解槽的電流。

電解水制氫在工業(yè)領(lǐng)域、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。小容量的電解水制氫裝置由于目前的市場(chǎng)需求量較小，未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，仍處于定制階段，價(jià)格較高，但并不存在技術(shù)問(wèn)題。隨著該技術(shù)市場(chǎng)需求的增加，電解水廠家對(duì)于小容量制氫設(shè)備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化的加強(qiáng)，將會(huì)使該裝置的價(jià)格迅速下降。

國(guó)外小型電解水制氫儲(chǔ)氫系統(tǒng)在無(wú)市電接入基站中已有相應(yīng)的試點(diǎn)使用，在用電解槽原始?xì)錃鈮毫s為3MPa，可以直接供應(yīng)至系統(tǒng)自帶儲(chǔ)氫罐。

電解水制氫、儲(chǔ)氫并不存在技術(shù)難點(diǎn)，并且整體的效率較高和蓄電池效率接近，采用電解水制氫、儲(chǔ)氫在無(wú)市電接入基站的使用較為可行。

4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

4.1 配置對(duì)比分析

基站電源需求情況為：電源容量需求為1200W、最短日照時(shí)長(zhǎng)為3h、連續(xù)陰雨天數(shù)為3天。傳統(tǒng)基站與氫儲(chǔ)能基站配置數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳統(tǒng)基站與氫儲(chǔ)能基站配置數(shù)據(jù)

4.2 經(jīng)濟(jì)性分析

兩種配置模式下在運(yùn)營(yíng)15年內(nèi)的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用分析如表2所示。

表2 傳統(tǒng)基站與氫儲(chǔ)能基站建設(shè)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用對(duì)照單位：萬(wàn)元

注：①由于使用條件的特殊性，無(wú)空調(diào)、每天都在經(jīng)歷充放電循環(huán)，壽命較短。鉛酸蓄電池組2年更換一次，鐵鋰電池組4年更換一次。

②光伏發(fā)電系統(tǒng)壽命按20年計(jì)，電解氫、氫儲(chǔ)能、氫燃料電池均按15年計(jì)。

③電解水制氫及氫儲(chǔ)能、燃料電池價(jià)格是預(yù)計(jì)小批量市場(chǎng)化后的價(jià)格。

采用光伏氫儲(chǔ)能方式較傳統(tǒng)光伏基站，在建設(shè)初期投資較高，但是由于氫儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)成本較低，在運(yùn)營(yíng)15年內(nèi)，總體建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本與傳統(tǒng)光伏基站接近。隨著電解水制氫、氫儲(chǔ)能、燃料電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成熟與壯大，設(shè)備價(jià)格將會(huì)大幅度降低，采用氫儲(chǔ)能方式將會(huì)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

5 光伏氫儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)分析

1）大容量長(zhǎng)時(shí)期儲(chǔ)能更加可行：儲(chǔ)氫用鋼瓶和罐體具有造價(jià)低、使用成本低的優(yōu)點(diǎn)，該部分的費(fèi)用僅為傳統(tǒng)鉛酸蓄電池的1/5左右。

2）發(fā)電能力的充分利用：長(zhǎng)時(shí)間氫儲(chǔ)能的利用，使得光伏極板配置容量減少，光伏發(fā)電容量得到充分利用。

3）更加經(jīng)濟(jì)：隨著電解水制氫、儲(chǔ)氫、燃料電池的技術(shù)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)的成熟及完全的市場(chǎng)化，項(xiàng)目工程投資將會(huì)大大降低，在整個(gè)的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)，將會(huì)較傳統(tǒng)模式具有良好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

4）更加環(huán)保：氫儲(chǔ)能模式不使用鉛酸蓄電池組進(jìn)行儲(chǔ)能，從根本上杜絕了鉛酸蓄電池的污染。

6 結(jié)束語(yǔ)

光伏氫儲(chǔ)能模式在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)一發(fā)展使之具有諸多優(yōu)點(diǎn)，利于推動(dòng)該模式的規(guī)模推廣與使用。任何新技術(shù)、新模式都有其培養(yǎng)與接受期，相信光伏氫儲(chǔ)能模式在國(guó)內(nèi)有一定量使用與應(yīng)用規(guī)模，并經(jīng)過(guò)實(shí)際的建設(shè)與運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性分析之后，憑借其高安全性、高環(huán)保性以及產(chǎn)業(yè)化后整個(gè)生命周期的使用成本優(yōu)勢(shì)，該模式在無(wú)市電接入通信基站建設(shè)使用中將擁有廣闊的市場(chǎng)前景與發(fā)展空間。

【1】倪萌，M.K.H.Leung，K.Sumathy.電解水制氫技術(shù)進(jìn)展[J]．能源環(huán)境保護(hù)，2004，18（5）.

【2】程時(shí)杰，文勁字，孫海順.儲(chǔ)能技術(shù)及其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2005，24（4）．

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【4】黃金昭，徐征，李海玲，亢國(guó)虎，王文靜.太陽(yáng)能制氫技術(shù)研究進(jìn)展[J].太陽(yáng)能，2009，9.

【5】白樹(shù)華.風(fēng)光氫聯(lián)合式獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2007.

Photovoltaic Power Generation and Hydrogen Storage in the Application of Electricity Access Communication Base Station

WANG Jiu-hai，LEI Wei-qing
（Jiangsu Post and Telecommunications Planning and Design Institute Co.,Ltd）

Under the background of strengthening communication wireless network coverage, energy conservation and emissions reduction, the security, economy and environmental protection of the power supply system in the off-grid stations cause people's attention. Used in combination with hydrogen energy storage and fuel cells are introduced in the mode of configuration、working principle. Compare the cost of the traditional lead-acid battery energy storage mode with the hydrogen energy storage mode in the whole life cycle，and analyzes the advantages and disadvantages of hydrogen energy storage model, and prospects its application in the off-grid station.

hydrogen energy storage; fuel cell; power supply of station

10.13655/j.cnki.ibci.2015.02.022