侯士彥，李 然

（1.中國移動通信集團設計院有限公司 北京 100080；2.中國可再生能源學會氫能協(xié)會 北京 100081）

1 前言

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)保的軍事尖端和普通民用工業(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(wǎng)、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完全成熟的應用技術，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”的發(fā)電裝置，原理見圖1。

如圖1所示，一個最基本的氫燃料發(fā)電單元由陽極（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構成，是一種絕緣體。質(zhì)子交換膜只允許在氫陽極催化劑作用下分解的氫質(zhì)子穿過電解質(zhì)到達陰極，不允許氫分子分解產(chǎn)生的電子穿過電解質(zhì)，從而迫使電子經(jīng)過外電路到達陰極，形成外電流。

3 氫燃料備用電源的應用及系統(tǒng)構成

3.1 氫燃料備用電源系統(tǒng)的應用

圖2為典型的氫燃料備用電源系統(tǒng)應用示意。市電正常時，負載從市電交流電網(wǎng)取電，此時并聯(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)恢復正常后自動退回原待機狀態(tài)。

圖1 PEMFC燃料電池工作原理示意

圖2 氫燃料備用電源應用示意

3.2 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。

3.3 各子系統(tǒng)的構造及其功能

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)技術結構分層

由單片MEA和集電端板構成。一個單體電池的電壓是由它兩個極板間的電位差來決定，標準狀態(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）的實際電壓為 0.6～0.7 V，電池電勢與電流密度的函數(shù)關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。通常一個單體電池所產(chǎn)生的電壓和電流不足以滿足實際應用對電壓、電流或功率的要求，因此需要將多個單體電池串聯(lián)起來組成層狀電池組結構，構成電堆，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(nèi)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最佳運轉、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?？刂葡到y(tǒng)將數(shù)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(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)和不同的應用需求，構成單一的控制器或幾個專用控制器將全部過程完全控制起來。燃料電池的控制系統(tǒng)是氫燃料電源設備的“大腦”和“神經(jīng)網(wǎng)絡”，決定了氫燃料電池內(nèi)部的變化和對外的反應及動作。

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)儲氫瓶，儲氫瓶又分為鋼氫氣瓶和碳纖維纏繞鋁內(nèi)膽儲氫瓶兩種。鋼瓶采用符合GB 5099-1994標準的氫氣鋼瓶。瓶口壓力為15 MPa，水容積 40 L，瓶重 50 kg，儲氫氣量 485 g，用于1500 W輸出功率的燃料電池大約可發(fā)電4.2 h。碳纖維儲氫瓶采用DOT標準，瓶口壓力為35 MPa，瓶重64 kg，儲氫氣量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、壓力全部由計算機程序控制，圖4為氫氣及高壓系統(tǒng)結構。

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。

3.3.6 機械與結構系統(tǒng)

氫燃料電源系統(tǒng)需要保證氫氣（電磁閥組）進氣、排氣在專業(yè)設計的結構和通道中進行，保證空氣（氧氣）的進氣要求，排放的氣體、水（氣）、熱在專業(yè)設計的結構和通道中完成，保證系統(tǒng)在惡劣條件下的防護保證。故氫燃料電池對機械與結構系統(tǒng)要求很高，且按照應用場景分為室內(nèi)型和戶外型，要求不同的設計和制造，需要專門的標準、設計和生產(chǎn)。

3.3.7 通信和網(wǎng)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(shù)字電子設備功能，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)絡示意。

3.3.8 接口設備及外部設備

通常氫燃料電源的輸出為直流，電壓是一個定值。例如:用于通信設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)應用中設計電源系統(tǒng)時，需要根據(jù)不同的負載要求加入接口系統(tǒng)或配置外部設備。

4 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(jīng)趨于完善，主要以國際電工委員會（IEC）關于氫燃料電池產(chǎn)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(chǎn)品、測試的全部標準和內(nèi)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(jù)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(chǎn)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(shù)，發(fā)布了《YDB 051-2010通信用氫燃料電池供電系統(tǒng)》通信標準類技術報告。根據(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)標準勢在必行。

5 燃料電池技術的應用領域

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（儲能）技術共存的一種使用清潔能源（氫氣）的技術。例如:從使用成本角度評估，把氫燃料電源作為常用動力電源時，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，因此，現(xiàn)在將氫燃料電源當作一般用途的常發(fā)電的動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)電技術的特性和品質(zhì)，將其使用在適合于發(fā)揮其技術特點的應用方面，就可以看到在這些應用方面燃料電池有著諸多的比傳統(tǒng)供電方式（發(fā)電和儲能放電）優(yōu)越得多的優(yōu)勢。例如以下幾個方面。

圖5 氫燃料電源系統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡示意

軍事應用:利用燃料電池低溫靜默式無紅外呈像、悄聲發(fā)電的特點，燃料電池可以取代柴油發(fā)電機作為動力電源；利用燃料電池能量密度極高、重量輕、體積小的特點，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，可以組成能夠由中央服務器全面遙控的可不斷變換位置的分布式動力電源群組；利用燃料電池可連續(xù)發(fā)電的特點，燃料電池可以用于多種無人監(jiān)控的器件和設備。將燃料電池技術應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、各種儲能電池有技術上和使用上的優(yōu)勢，還有一些是使用現(xiàn)有技術無法實現(xiàn)的新的發(fā)明和應用。

物流倉庫中的叉車應用:由于封閉空間的排放問題，不能使用有污染排放的柴油動力叉車；使用電瓶動力叉車，由于電瓶的放電時間限制，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污染且成本效率有所提高，一臺燃料電池叉車相當于3臺電瓶叉車的工作負荷。

氫燃料電源車應用:在交通和運輸上的應用，尚未到達工業(yè)化和市場化階段。如果加氫站的基礎建設和工業(yè)化生產(chǎn)成本降低的問題能夠解決，“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)計數(shù)據(jù)）。

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

6 通信行業(yè)中氫燃料電源的應用與節(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)國家統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，2011年我國電力和天然氣的消耗量分別比2010年增長11.7%和12%，由此可見國家節(jié)能減排的壓力和任務難度。對于通信行業(yè)，自2009年三大運營商的年耗電量達到290億千瓦時的水平后，2010年，三大運營商均被國務院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會從節(jié)能減排的“一般企業(yè)”調(diào)整為“關注企業(yè)”，節(jié)能目標明確具體，“十二五”的節(jié)能指標17%具有法律約束力。通信行業(yè)的節(jié)能減排不僅僅關系到企業(yè)持續(xù)性發(fā)展的根本利益，更兼有國家經(jīng)濟、社會和環(huán)境責任。

根據(jù)2010年 《第一屆通信行業(yè)節(jié)能減排大會》的數(shù)據(jù)，通信運營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290億千瓦時耗電中（中國移動通信集團公司（以下簡稱中國移動）耗電量為111.4億千瓦時，中國電信集團公司耗電量為98億千瓦時，中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司耗電量為80.6億千瓦時）以生產(chǎn)電為主。通信機房、數(shù)據(jù)中心機房、基站、接入局點、戶外一體化基站和戶外機柜為主要的生產(chǎn)用電核心，占耗電總量的85%以上。而在各類機房（站）的總能耗構成中，空調(diào)的平均能耗占總能耗的40%以上，約100億千瓦時。很明顯，在可能節(jié)約能源的各個環(huán)節(jié)中，空調(diào)節(jié)能降耗是重點和最大的控制點，加大對機房（通信機房、數(shù)據(jù)中心機房、基站、接入局點、戶外一體化基站和戶外機柜）溫控節(jié)能技術的進一步研究，會取得不可忽視的節(jié)約效果。如果空調(diào)用電可以被節(jié)約35%，就意味著電信運營減少了30億千克的CO2排放量 （按照我國火力發(fā)電平均煤耗350 g/kWh計算），同時節(jié)約了30億元人民幣（按照1.00元/kWh計算）的運營成本。

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

6.2 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(wǎng)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(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(wǎng)絡的可靠電源，且遠程網(wǎng)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。

6.3 氫燃料備用電源帶來的節(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)正常地工作在最佳環(huán)境溫度，必須把機房或基站內(nèi)設備工作時所產(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(diào)。典型配置的數(shù)據(jù)為:無線主設備功耗2 kW，傳輸設備功耗100 W，開關電源功耗50 W，監(jiān)控設備10 W，2臺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)無線設備功耗。使用空調(diào)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(diào)制冷量、戶外一體化基站、戶外微型機柜、機房改造、空調(diào)自適應技術、空調(diào)添加劑技術改進、空調(diào)遠程監(jiān)控、水冷空調(diào)、智能通風、智能換熱、地板下送風、定向送風、新風一體化空調(diào)、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(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。

6.3.2 關于通信基站空調(diào)能耗的分析

從空調(diào)能源被使用或消耗的源頭進行詳細分析，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。一個空調(diào)系統(tǒng)所付出的能耗是它消耗電能、轉換熱量所做的功。目前通信基站空調(diào)制冷的設置溫度為28℃（指導意見），空調(diào)要轉換的熱量，是基站內(nèi)部空間由于電信設備工作發(fā)熱和室內(nèi)/外的溫度差由外部傳進來的熱量而導致的高溫度（例如:45℃）降低到所設定的室溫28℃所做的熱交換總量。這個熱交換過程是一個二次換能過程，首先要由空調(diào)機的室內(nèi)機把室內(nèi)的多余熱量傳遞給致冷劑，然后再由空調(diào)機的室外機將制冷劑所攜帶的熱量轉移給外界空氣，才能將內(nèi)部空間高出設置溫度的全部熱量挪到室外，其代價就是轉移由這個溫差所決定的熱量而付出的能耗。

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

單獨考慮基站室內(nèi)設置溫度及其所需要熱交換總量這個環(huán)節(jié)，空調(diào)的功耗由所需要的熱交換總量來決定，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)要設定溫度（下限溫度）的溫度差所決定。對于上限溫度筆者暫時不予討論，而先關注那個下限溫度，即基站的設定溫度，且認為空調(diào)對溫度差所做的功（能耗）由下限溫度的變化所決定，便可得知溫度下限的設定與能耗的關系。表2是基站機房內(nèi)所有設備的溫度適應性的總結，可知，所有設備中蓄電池對溫度的要求最嚴格，是室內(nèi)溫度設置的瓶頸。如果在給定的空間內(nèi)沒有蓄電池，而只有電信和電源設備，在該空間溫度設置不高于40℃時，其中的電信設備可以正常工作。取一個空調(diào)功耗為2 kW，基站溫度按照28℃的標定設置為例，空調(diào)的年耗電能為17520 kWh。根據(jù)《中國移動基站空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能總體指導意見》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)部溫度設為38℃，則空調(diào)單項能耗減少30%，約5000 kWh/年的省電量。原設定的28℃的下限溫度主要是由蓄電池的工作壽命和成本來考慮和綜合決定的。對于電信負載為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，其單價約為800～1000元，2組電池組的總價約為4萬元。在應用中，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4萬元的電池只能使用2年，就造成了每年1萬元的損失。因此，有理由這樣推論，把基站內(nèi)部溫度設定在28℃是一種成本權衡的妥協(xié)，即:每年/基站多付出5000 kWh的能耗而換來每年1萬元的成本損失。按每度電成本1.00元計算，凈效果是多付出5000 kWh能耗而換來凈成本減少5000元/年。

表2 基站機房內(nèi)設備的溫度適應性

6.3.3 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?？傮w擁有成本是一個設備在有價值周期內(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2400～3000 W的電信負載、年累計斷電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(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。

表3 各設備的使用壽命

表4 蓄電池組的購置成本

表5 兩種備電方式的初次購置成本對比

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（15 MPa、40 L的氫氣瓶，儲氫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)電機的發(fā)電成本約:2.5元/kWh。若其中柴油發(fā)電機發(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。

表6 兩種備電方式每年附加成本對比

6.3.4 氫燃料備用電源帶來的能耗節(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，除了帶來成本的降低之外，還會在減少能耗（耗電）的同時帶來另外一份節(jié)約，即:對應于減少用電而帶來的電費的節(jié)省。本文第7.3.2節(jié)所分析的情況是屬于沒有采取節(jié)能措施的情況，每個基站每年至少要浪費5000 kWh以上的電能。目前各個電信運營商已經(jīng)采取了很多種措施，例如:按照“分區(qū)控溫、針對冷卻”的原則，將電池裝入恒溫柜，并配裝一臺小功率電池柜專用空調(diào)。這臺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，如果引入氫燃料備用電源，沒有蓄電池對溫高的瓶頸問題，就至少可以去掉這個電池柜的功耗，將至少可以在每個系統(tǒng)上節(jié)電2628 kWh/基站，若全國10萬個這樣的通信基站采用氫燃料備用，每年至少可以減少2.628億千瓦時電的使用，減少的CO2排放量為22.31萬噸，另外節(jié)約能耗成本2.628億元。

事實上，如果引入氫燃料備用電源技術代替現(xiàn)在廣泛使用的鉛酸蓄電池，現(xiàn)有機房、基站、戶外基站的節(jié)能技術和方案及節(jié)能潛力的計算都會有改變，也都需要重新計算，以下會進一步討論這一問題。

7 氫燃料備用電源帶來節(jié)能技術研究的新課題

7.1 通信基站熱能場分析和各單向節(jié)能技術的函數(shù)關系

基站現(xiàn)行的單項節(jié)能技術多達百余項，但這些單項技術之間不完全是線性無關的變量，它們存在著各種復雜函數(shù)關系的關聯(lián)，機房（基站、機柜）的熱場中各個熱源的發(fā)熱、散熱性質(zhì)也不盡相同。在沒有引入氫燃料電源的情況下，其熱場的溫度設定由鉛酸電池所能承受的溫度為主要考慮，其熱場中的各單項降溫技術以線性函數(shù)關系為主，基本上是用簡化的線性關系的近似估算。氫燃料電源引入溫度場概念后，各個熱源之間的函數(shù)關系不再是簡單的線性關系。例如:移出蓄電池以后，空調(diào)的功率可以比原設計的功率降低，原來空調(diào)控制工作的函數(shù)關系和程序也會相應地改變。準確地計算熱場中傳熱的變化將可以帶來最大限度的能源利用效果。根據(jù)傳熱學（導熱學、對流換熱學、輻射換熱學）的理論，使用有限元法，用計算機仿真整個有源熱場系統(tǒng)中導熱特征和熱場中各個源點之間函數(shù)相關的微分方程:λ犖2t+Φ=0，將可以作為溫度場中各個設備設計的理論依據(jù)。

7.2 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(nèi)高低溫溫差的梯度達20℃左右，此時空調(diào)的自動溫控標準會有相當大的誤差。盡管基站內(nèi)或機柜內(nèi)的平均溫度可能只有38℃，但在電信設備附近某個高溫點達到55℃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。

7.3 氫燃料備用電源設備的標準化的研究

像蓄電池生產(chǎn)標準化一樣，燃料電池備用電源設備也要標準化。不同的應用參數(shù)會使用不同的通信設備，可能要求不同的備用電源設備參數(shù)，而燃料電源工作環(huán)境的要求又會反過來對機房、基站、機柜的參數(shù)和設置提出要求。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備標準時可能對現(xiàn)有的產(chǎn)品做出相應的調(diào)整。

8 結束語

氫燃料電源技術是處于科技前沿的先進能源技術，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)展氫燃料電池技術是社會和工業(yè)界的契機、責任和義務。