光伏发电与氢储能在无市电接入通信基站的应用研究

王久海，雷卫清

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司）

光伏发电与氢储能在无市电接入通信基站的应用研究

王久海，雷卫清

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司）

在国家要求加强通信无线网络覆盖与节能减排的形势与背景下，无市电接入基站供电系统的安全性、经济性、环保性问题引起了人们的高度重视。论文介绍了氢储能与燃料电池联合使用的配置方式、工作原理，并对比分析了氢储能模式与传统铅酸蓄电池储能模式在整个生命周期中的使用成本，对氢储能模式的优缺点进行了分析，最后展望了其在无市电接入基站的使用前景。

氢储能；燃料电池；基站电源

1 引言

随着国家对于移动互联网的覆盖要求的加强，以及对于通信基站7×24h稳定运行的要求，目前，分布在沙漠、海岛、山顶等市电很难接入环境中的通信基站主要采用太阳能光伏、风光互补供电、太阳能+油机供电等多种模式。

该类基站分布范围较为宽广、远离市区、维护困难，一般无人值守，对电源可靠性和寿命要求较高。由于受到可再生能源的不稳定性影响，为了满足基站连续运行的要求，该类基站中均设置了大容量的铅酸蓄电池组作为储能装置进行保障。

考虑到连续阴雨天等较为苛刻的气象情况，太阳能光伏基站通常配置的太阳能发电容量远大于基站正常使用需求。在正常情况下，该类基站内的光伏发电仅有较小的一部分在使用，浪费了发电能力。为了满足连续阴雨天的供电需求，基站内通常配置大容量储能蓄电池组。该类基站中通常未设置空调，蓄电池组工作环境较为恶劣，远超出正常工作温度范围。蓄电池组基本每天都经历1次充放电过程，对于工作温度要求较为苛刻且寿命仅有300～500次的蓄电池组，很快就会达到寿命极限，通常寿命不足两年，需要频繁更换蓄电池组。大容量蓄电池组的更换费用高昂，并且由于地域偏远，运输、安装费用也较为昂贵，使得该类基站运营费用高昂。结合新型的储能方式并合理配置该类基站的发电能力，是该类基站动力系统研究的重点。

在国外，燃料电池已经小批量应用于通信基站。在国内，已有约30个燃料电池站点在进行试点使用。试点结果显示，燃料电池耐温性能好、可靠性高，在试点基站中未发现故障、损坏等问题，技术基本成熟。

因此，应结合燃料电池、氢储能技术、电解水制氢，探讨了一种新型电源系统，供无市电接入基站建设使用。

2 太阳能光伏基站

2.1 无市电引入的太阳能光伏基站内动力系统的组成与系统架构

该类基站供电系统一般包括太阳能电池板、太阳能充放电控制器、铅酸蓄电池组等几个部分。工作原理为：太阳光可利用时，太阳能光伏发电系统在为通信设备供电的同时并为蓄电池组充电。无太阳能可利用时，通过蓄电池储存的能量为通信设备供电，满足通信设备连续运行的要求。光伏基站电气系统架构如图1所示。

图1 太阳能光伏基站电气系统架构图

2.2 太阳能组件的配置分析

按照相关规范的设计，通常基站配置的总太阳能组件的容量远大于固定接入的太阳能组件容量。根据YD/T 5040-2005《通信电源设备安装工程设计规范》附录C中的部分公式①及②，基站太阳能阵列总容量为：

固定接入的太阳能子阵容量为：

2.3 传统光伏太阳能基站存在问题分析

1）发电容量不能很好利用：由于考虑到连续阴雨天等因素，光伏板件容量配置过大，导致正常情况下严重浪费；

2）铅酸蓄电池建设投资大：由于考虑到连续阴雨天等因素，储能蓄电池容量配置较大，占用较大的建设投资费用；

3）安全性低：为了限制蓄电池组的投资，蓄电池组容量通常严格按照其连续阴雨天数进行配置，当连续阴雨天数略多时，会造成大面积基站退服；

4）运营费用昂贵：铅酸蓄电池寿命短，通常1～2年需进行更换；该类基站所处地域通常较为偏远，搬运及安装成本较高；

5）铅污染：铅酸蓄电池组的生产与回收存在严重的铅污染。

3 氢储能与燃料电池的联合使用

3.1 系统的组成

基站氢储能与燃料电池联合使用系统由太阳能光伏发电系统、电解水制氢系统、储氢系统、燃料电池系统、铁锂电池系统等组成。氢储能与燃料电池基站电气系统架构如图2所示。

图2 氢储能与燃料电池基站电气系统架构示意

3.2 工作模式

正常模式下，太阳能为通信设备供电的同时也为铁锂电池组充电，富裕的电能用于电解制氢，并对氢气进行储存。

储能分铁锂电池储能和氢储能两个部分，其中铁锂电池储能主要针对一个充放电周期进行设置，通常仅需满足1天的储能需求。氢储能主要针对连续阴雨天进行设置，满足连续阴雨天时的储能需求。电池组容量大大减少，约为现有容量的1/3～1/4，与连续阴雨天数有关。

当太阳能不可利用时，首先由铁锂电池组为通信设备供电，铁锂电池组满足一个充放电循环周期的储能要求，该模式下并不需要燃料电池进行工作。连续阴雨天时，利用储存的氢能通过燃料电池为通信设备供电，满足通信设备连续运行的要求。

3.3 电解水制氢与储氢

电解水制氢在工业领域发展已较为成熟，主要有三种不同种类的电解槽，分别是碱性电解槽、聚合物薄膜电解槽和固体氧化物电解槽。电解水制氢效率也由70%提高到90%。电解水制氢技术效率提升的关键是降低电解槽电压，增加通过电解槽的电流。

电解水制氢在工业领域、产业化应用已经相当成熟。小容量的电解水制氢装置由于目前的市场需求量较小，未实现产业化，仍处于定制阶段，价格较高，但并不存在技术问题。随着该技术市场需求的增加，电解水厂家对于小容量制氢设备的研发与产业化的加强，将会使该装置的价格迅速下降。

国外小型电解水制氢储氢系统在无市电接入基站中已有相应的试点使用，在用电解槽原始氢气压力约为3MPa，可以直接供应至系统自带储氢罐。

电解水制氢、储氢并不存在技术难点，并且整体的效率较高和蓄电池效率接近，采用电解水制氢、储氢在无市电接入基站的使用较为可行。

4 经济性对比分析

4.1 配置对比分析

基站电源需求情况为：电源容量需求为1200W、最短日照时长为3h、连续阴雨天数为3天。传统基站与氢储能基站配置数据如表1所示。

表1 传统基站与氢储能基站配置数据

4.2 经济性分析

两种配置模式下在运营15年内的建设、运营费用分析如表2所示。

表2 传统基站与氢储能基站建设、运营费用对照单位：万元

注：①由于使用条件的特殊性，无空调、每天都在经历充放电循环，寿命较短。铅酸蓄电池组2年更换一次，铁锂电池组4年更换一次。

②光伏发电系统寿命按20年计，电解氢、氢储能、氢燃料电池均按15年计。

③电解水制氢及氢储能、燃料电池价格是预计小批量市场化后的价格。

采用光伏氢储能方式较传统光伏基站，在建设初期投资较高，但是由于氢储能运营成本较低，在运营15年内，总体建设及运营成本与传统光伏基站接近。随着电解水制氢、氢储能、燃料电池产业的发展成熟与壮大，设备价格将会大幅度降低，采用氢储能方式将会具有良好的经济性。

5 光伏氢储能优势分析

1）大容量长时期储能更加可行：储氢用钢瓶和罐体具有造价低、使用成本低的优点，该部分的费用仅为传统铅酸蓄电池的1/5左右。

2）发电能力的充分利用：长时间氢储能的利用，使得光伏极板配置容量减少，光伏发电容量得到充分利用。

3）更加经济：随着电解水制氢、储氢、燃料电池的技术发展，产业的成熟及完全的市场化，项目工程投资将会大大降低，在整个的建设、运营周期内，将会较传统模式具有良好的经济优势。

4）更加环保：氢储能模式不使用铅酸蓄电池组进行储能，从根本上杜绝了铅酸蓄电池的污染。

6 结束语

光伏氢储能模式在技术、产业化的进一发展使之具有诸多优点，利于推动该模式的规模推广与使用。任何新技术、新模式都有其培养与接受期，相信光伏氢储能模式在国内有一定量使用与应用规模，并经过实际的建设与运营经济性分析之后，凭借其高安全性、高环保性以及产业化后整个生命周期的使用成本优势，该模式在无市电接入通信基站建设使用中将拥有广阔的市场前景与发展空间。

【1】倪萌，M.K.H.Leung，K.Sumathy.电解水制氢技术进展[J]．能源环境保护，2004，18（5）.

【2】程时杰，文劲字，孙海顺.储能技术及其在现代电力系统中的应用[J].电气应用，2005，24（4）．

【3】陆虎瑜.太阳能光伏制氢储能──燃料电池发电系统[J].太阳能，2001，02．

【4】黄金昭，徐征，李海玲，亢国虎，王文静.太阳能制氢技术研究进展[J].太阳能，2009，9.

【5】白树华.风光氢联合式独立发电系统应用研究[D].重庆：重庆大学，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