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氫燃料電池系統(tǒng)應用于通信系統(tǒng)備用電源

2011年9月20日 16:46  烽火科技  

    一、 通信備用電源系統(tǒng)簡介

    通信基站一般用市電供電,為保證基站正常工作,需要給基站配備備用電源系統(tǒng)如鉛酸蓄電池組和移動油機,在斷電時,備用電源系統(tǒng)為基站中的負載供電,保證設備的正常運行。

    鉛酸蓄電池的優(yōu)點是比較安全且采購成本較低,其缺點是體積大、笨重、造成一次和二次環(huán)境污染、備電時間有限且有不確定性、對環(huán)境溫度要求苛刻。

    當鉛酸蓄電池因放電時間較長將要退服或出現(xiàn)故障時,移動油機成為現(xiàn)實可用的備用電源,但移動油機后勤保障復雜,需有人值守,有噪聲污染及廢氣污染。

    鑒于鉛酸蓄電池和移動油機的種種缺點,加之能源危機和人們環(huán)保意識的提高,尋求新的備用電源的呼聲越來越高,氫燃料電池是最理想的替代者之一。

    二、 氫燃料電池的原理

    氫燃料電池是一種高效電化學能量轉(zhuǎn)換器,把氫氣(燃料)和氧氣(來自空氣)中的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能。只要有燃料和空氣不斷輸入,燃料電池就能源源不斷地產(chǎn)生電能,因此,燃料電池兼具電池和油機的特點。

    燃料在燃料電池的陽極被氧化,生成質(zhì)子和電子;質(zhì)子通過電解質(zhì)遷移到陰極,電子通過外電路遷移到陰極為外界負載提供電能;遷移到陰極的質(zhì)子、電子和陰極處來自空氣中的氧氣結合生成水。燃料電池的主要優(yōu)點包括:高效率(不受“卡諾循環(huán)”的限制)、零或超低排放、機械結構簡單、擴展容易、安靜、安全、可靠、能用可再生能源為燃料、只要有燃料就可連續(xù)不斷地發(fā)電。

    三、 氫燃料電池與現(xiàn)有備用電源的比較

    1、與鉛酸電池的比較

    和鉛酸電池相比,燃料電池的主要優(yōu)點包括:

    適應環(huán)境溫度范圍寬廣,基站溫度可設定在32℃或更高,這樣每年可節(jié)約大量空調(diào)電費。

    只要保證氫氣的供應就可持續(xù)供電,在發(fā)生大的自然災害時可以保持長時間的通信暢通,為此而保護的生命、財產(chǎn)是難以用金錢來衡量的。

    按設定電壓穩(wěn)定輸出電能,而不像鉛酸電池在剩余電量達到最低值前,放電電壓衰減很快且難以預測。

    重量輕,不需特殊的承重處理。

    占地面積小,安置位置靈活,既可安置在室外也可安置在室內(nèi)。

    壽命設計一般是累計使用時間1500小時、累計開關次數(shù)超過600次、儲存壽命10年,而鉛酸電池幾年就要更換。

    安全性高,燃料電池系統(tǒng)中有多種傳感器,系統(tǒng)可自動采取應對措施,如:當氫氣泄漏時,燃料電池控制系統(tǒng)會自動關閉氣源,避免泄漏持續(xù);可遠程監(jiān)控,及時發(fā)現(xiàn)問題。世界上還沒有燃料電池發(fā)生氫氣燃爆事故。

    2、與移動油機的比較

    與移動油機比較,氫燃料電池最大優(yōu)點是:

    自動控制,可實現(xiàn)無人值守,通過遙測、遙控手段來監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)及氫氣的剩余量,實現(xiàn)遠程管理。

    低噪音、無廢氣排放。燃料電池系統(tǒng)機械運動部件較少,所以系統(tǒng)比較安靜,其排放物為水,對環(huán)境友好。

    四、 通信備用氫燃料電池系統(tǒng)的應用

    1、系統(tǒng)的接入

    燃料電池系統(tǒng)可以布置于室內(nèi)和室外,但作為通信備用電源系統(tǒng),根據(jù)現(xiàn)有通信機房的相關管理規(guī)范,燃料電池備用電源系統(tǒng)只能布置于室外。

    燃料電池系統(tǒng)的功率輸出線只需和整流器中的直流母線連接即可,另外,由于配置啟動電池(小容量),需提供一路市電給啟動電池充電。燃料電池系統(tǒng)支持手動啟動、自動啟動和遠程啟動三種方式。

    2、運行與維護

    當市電正常時,燃料電池系統(tǒng)待機。市電通過專用充電器給燃料電池啟動電池充電,氫氣電磁閥關閉。

    當市電中斷后,燃料電池系統(tǒng)立即啟動。燃料電池系統(tǒng)會自動檢測到市電中斷,立即完成開啟氫氣電磁閥等一系列動作,開始發(fā)電;啟動電池同時給直流負載提供短時間的不間斷供電;燃料電池連續(xù)運行,給直流負載供電。

    當市電恢復后,燃料電池系統(tǒng)自動停機。燃料電池系統(tǒng)檢測到市電恢復,關閉氫氣電磁閥等,系統(tǒng)進入待機狀態(tài)。

    燃料電池系統(tǒng)可以自動檢測剩余氫氣量,根據(jù)設定自動提醒工作人員更換氫氣瓶。

    3、經(jīng)濟性比較

    燃料電池的應用成本主要是兩項:系統(tǒng)采購成本及氫氣使用成本。目前燃料電池的一次采購成本比鉛酸電池高,但在燃料電池10年的壽命周期內(nèi),鉛酸電池的采購成本也不菲。目前燃料電池的生產(chǎn)量較少,當大批量生產(chǎn)時,其成本可比目前低很多;美國能源部的報告指出,如果每年生產(chǎn)50萬輛、使用80kW燃料電池的汽車,燃料電池每千瓦的成本在2010年就可以降到70美元。每一個40升、125個大氣壓的常規(guī)鋼瓶,可以產(chǎn)電7kWh左右。對于一個2kW的基站,可以供電3.5個小時,氫氣費用(包括運費)約40-90元人民幣。延長備電時間只需增加鋼瓶數(shù)量即可,而且鋼瓶可在線更換。假設一年停電150個小時,需43瓶氣體,氫氣使用總成本為1720-3870元人民幣。

    使用燃料電池備用電源的基站的溫度可設定在32oC(現(xiàn)在是25oC)或更高,可以節(jié)約大量的空調(diào)耗電。其次,可節(jié)約對原需配置的鉛酸電池的充電及浮充耗電;由于燃料電池可靠性高,使用周期長,平均維護費用較低。

    所以,在10年的壽命周期內(nèi),燃料電池壽命周期成本(含初次購買成本、氫氣使用成本、維護成本)會比采用鉛酸電池的壽命周期成本更有優(yōu)勢。

    4、應用案例

    氫燃料電池在全球已得到大量的實際應用,累計已有數(shù)千套,IdaTech和印度的ACME集團在2008年簽訂了多達3萬臺5kW燃料電池系統(tǒng)協(xié)議,用于印度電信市場。燃料電池還被應用于嚴寒及酷熱地區(qū),充分展示了極強的環(huán)境適應能力。

    五、 氫燃料電池的安全性及氫氣來源

    氫氣是最輕的氣體,如果氫氣泄露,它會快速向上擴散,其速度接近20米/分鐘,很難在空氣中積聚,從而減少燃燒或爆炸的可能性。

    下表對氫氣和常見的兩種氣體的燃爆特性進行了比較,可見,氫氣并不比常見的氣體危險,相反,它甚至更安全。

    氫氣是來源最廣泛的燃料,可以用各種可再生或不可再生的能源制備,目前氫氣主要來源于工業(yè)副產(chǎn)氣和電解水制氫。在煉焦、冶煉、氯堿、合成氨工業(yè)中有大量的富氫副產(chǎn)氣。以煉焦工業(yè)為例,副產(chǎn)氣叫焦爐煤氣,氣體中含氫氣約56%,按我國的焦炭產(chǎn)量算,每年可產(chǎn)焦爐煤氣300多億立方米,相當于“西氣東輸”工程設計年輸氣量120億立方米的2倍多,但這些焦爐氣大部分被點燃排空,未被回收利用。目前我國從副產(chǎn)氣中回收氫氣的工藝非常成熟,只是因為用氫市場需求較小,尚未形成便捷的制氫、供氫網(wǎng)絡,所以對燃料電池的大范圍應用形成一定的制約。

編 輯:孫迎新
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