氢气燃料电池在离网供能系统中的应用

余翼，刘金华，王凡，王欢，谭丁

（1.电子科技大学中山学院机电工程学院，广东 中山 528402；）

（2.中国电建湖北省电力建设第二工程公司，湖北 武汉430000；）

3.中国电建集团湖北工程有限公司，湖北 武汉 430000

氢气燃料电池在离网供能系统中的应用

余翼1，刘金华1，王凡1，王欢2，谭丁3

（1.电子科技大学中山学院机电工程学院，广东 中山 528402；）

（2.中国电建湖北省电力建设第二工程公司，湖北 武汉430000；）

3.中国电建集团湖北工程有限公司，湖北 武汉 430000

面对传统能源危机及其使用过程中产生的环境污染的问题，世界各国都在积极研究与开发绿色可再生能源的利用。而研究和应用最多的就是太阳能和风能,应用项目也多是大型发电站。新能源发电形式对于类似于移动通讯基站等场所的应用情况目前还不够环保和完美，希望通过对德国通讯公司E-Plus和诺基亚西门子网络公司加入了氢气燃料电池的新型离网系统的介绍，提供一个新的能源解决方案的方向。

氢气燃料电池；离网系统；移动通信基站

我国新能源发电站中大多数是以下几种类型，太阳能发电站、风力发电站、风光互补型发电站。单一能源形式的发电站供电质量不高，可靠性不高，比如太阳能发电站在白天将太阳能转化为电能，但是在晚上就不能生产电能了，而风力发电站当周围短时间无风的时候也不能提供持续电能，因此就需要在发电站加入蓄电池组，将发电站生产的电能储存在蓄电池组，通过蓄电池组进行电能输出。除此之外，还要求当发电站的装机容量够大，这样才能储存足够多的电能来保证系统在不发电的时候也能够持续输出，因此太阳能发电站、风力发电站选址一般是太阳能或风能非常丰富的地区，比如我国西部地区，特别是西藏高原或者沿海地区等风力资源比较多的地方。最后还要求有足够多的蓄电池组，能够储存大量的电能。这种形式的发电站对选址、设备容量、周围环境、项目成本的要求都比较高。

风光互补型发电站脱离了单一能源形式，在白天太阳能充足的时候，以太阳能为主，风力发电为辅的形式进行发电，在晚上主要利用风力发电设备来弥补系统发电的不足，大大提高了系统的供电可靠性。但是这种系统的应用，主要也是在大型发电项目，并且选址地也大多是太阳能和风能资源充足的地方。

1 特殊场合供电系统

在一些场合，比如野外高山的微波站、电视差转台站、移动通讯基站等，这些地方单个场所所需要的供电系统规模不用很大，但是对供电可靠性的要求都比较高。因此现在大多数城市的移动通信基站都是通过连接到电网，靠市电来为基站供电。但是对于偏远地区或者高原环境下，就不适合架设市电的供电系统，因为地势太复杂，即使有供电线路，供电也是非常不稳定的，而且如果再遇上恶劣的自然天气，如在雷雨天气时，这些线路是非常容易受到雷电攻击，这样就会损害基站，给基站的安全性带来危害。这种情况下给移动通信基站建造一个离网式新能源发电系统就可以解决其供能问题。除此之外，其实这类场所总体而言每年所消耗的电能巨大。以移动通讯站为例，根据有关部门的研究与统计，2009年我国通信领域耗电290亿kW·h，其中有45%是移动通信基站的耗电。离网式新能源发电系统大规模进行应用，能够帮助缓解我国能源负荷压力。

大多数移动通信基站的现场并不像许多新能源发电站那样拥有充足的太阳能或者风能资源，相反，现场的风能与光能都具有很大的随机性，影响电力系统的供电稳定性与可靠性，单一的太阳能发电站或者风力发电站，甚至风光互补型发电站并不能满足这类供电系统的需求，这类系统就需要备用能源来保持系统运行，我国一般采用柴油或汽油发电机组作为备用电源来给基站供电。但是这类备用电源运行时噪音大，而且会对周围环境造成影响。德国第三大移动通信供应商E-Plus同样也想通过新能源来改变其基站的传统能源解决方案模式，于是联手诺基亚西门子网络公司（NSN）建立了一个新型自给式移动通信基站，并且在德国一个城市Versmold西北部的郊区进行了这个系统的试点。该供能系统里加入了氢气质子交换膜燃料电池作为备用能源，来保障移动通讯基站的持续可靠的运行。

燃料电池是一种将储存的燃料（氢气）和氧化剂（空气或纯氧）中的化学能，通过电极反应直接转化为电能的发电装置。其最大的优点在于反应过程不涉及燃烧，没有热机作功，不受卡诺循环限制，没有噪音污染，能量转换率可达到60%以上，实际使用效率可达传统内燃机的两倍左右，且产物只有水，对环境污染小。接下来以Versmold的新型自给式移动通信基站的供能系统为例，来介绍氢气燃料电池在离网供电系统中的应用。

2 德国新型自给式移动通信基站供能系统描述

2.1 系统结构

新型自给式移动通信基站的供能系统主要包括光伏发电设备、风力发电设备、蓄电池组、能源控制中心和氢气燃料电池发电设备以及相应的整流器、逆变器等。

2.2 系统主要部分介绍

该供电系统要能对移动通讯基站提供持续的最低1.7kW的电能。其中采用10kW的风力发电机组、9kW的光伏发电设备以及2个2kW额定功率的氢气燃料电池发电设备，具体介绍如下：

（1）风力发电设备，通过桅杆顶部的垂直轴风力涡轮机来获取风能。当周围风速达到12m/s及以上时的额定输出功率为10kW，额定电压是400V。其特点是切入风速非常低，只有2.5m/s，除此之外通过特殊的风叶设计，其运行时的噪音很小，20m范围内的噪音只有60分贝。

（2）光伏发电设备，采用45块Suntech公司生产的STP195的光伏板，MPPT控制模块以及两轴太阳跟踪系统形成动态光伏发电系统，比传统的静态系统相比效率更高。

（3）蓄电池组，采用NSN生产的站式蓄电池箱，其中是4组OPzV蓄电池输出电压是44～57.6V，平均输出功率为11W。在蓄电池电力充足的情况下，能够使基站持续运行60小时。

（4）能源控制中心，这个部分控制着整个系统的控制策略，对蓄电池的状态进行实时监控，通过RS485与燃料电池控制器通讯，对其进行控制，控制这各个部分的运行情况并且将应数据收集传输到工作站进行数据分析。

（5）氢气燃料电池发电设备，总额定功率为40kW，采用Jupiter公司生产的氢气燃料电池发电设备，由2个氢气储气罐组连接燃料电池发电箱。每组有12个储气罐，当燃料电池单独供电时可以保证系统持续运行5天以上。燃料电池发电箱里面由控制器，燃料电池模块单元，储能模块，箱体组成。每个燃料电池单元输出电压为48V，输出功率为2kW。控制模块，根据各数据收集模块收集氢气灌压强、氢气输入流量、空气压强、空气输入流量、空气温度、空气湿度、废气排出流量等参数进行数据分析，对氢气燃料电池整体设备进行监控，并在预测有故障时，提前进行预警。

2.3 系统的运行方式

该系统有以下运行方式：

在风/光能源充足时，风力发电设备与光伏发电设备联合运行，过剩的电能供给蓄电池进行储能。

当风/光能源不足时，优先由蓄电池进行供能。

当连续缺少风能和太阳能的情况下，如果蓄电池的电能也不足时，运行燃料电池发电设备，直接对基站进行供能，但是这个时候会断开蓄电池，防止燃料电池给蓄电池充电，降低了电能的使用效率。

2.4 系统的运行数据分析

通过对Versmold新型自给式移动通信基站供能系统的电能供应数据统计，风力发电设备年供应电能为8816kW·h，太阳能发电设备供应电能为8756kW·h，燃料电池发电设备供应电能为1533kW·h，其中燃料电池年发电量占系统总量的8%，并不是系统供电主要部分，但是除了风机在一次大雪出现故障之外，该供电系统能够保障通信基站的持续运行，其供电可靠性相对于其他离网供电系统而言要提高很多，同时其对环境的影响非常小。

3 结语

德国E-Plus和NSN合作的这个采用氢气燃料电池的离网供电系统试点项目的成功运行，给移动通讯基站提供了一种新型、清洁、独立的能源解决方案，这种解决方案对于我国西北边远地区、边疆海防哨所、公路铁路信号站等传统电网无法覆盖的区域的供电问题也是一种新的能源解决方案方向。

[1]陈学庆，刘素芳. 离网风力发电在农村、林区的推广应用前景分析[J]. 农业工程技术(新能源产业)，2008(06):2-3.

[2]杨卫华，孙文叶， 许志欣， 等. 风光互补联合制氢燃料电池系统浅析[J]. 节能，2016(05):4-6.

[3]刘芳. 基于高原环境下移动基站风光氢能源混合供电系统应用相关技术研究与分析[D]. 北京邮电大学，2013.

[4]郭宝圣. 车载制氢式燃料电池电动汽车混合动力系统设计与研究[D]. 浙江大学，2015.

TM911.4

A

1671-0711（2017）06（下）-0139-02

余翼的基金项目：电子科技大学中山学院校内科研项目，微电网系统监控与故障分析（416YJ08）。

刘金华的基金项目：1.中山市社会公益项目,微电网发电系统孤网与并网控制策略研究（2015B2309）。

刘金华的基金项目：2.广东省普通高校青年创新人才项目,分布式发电系统混合储能优化控制策略研究（2015KQNCX208）。