摘要：探討利用新型磁翻柱液位計（甲醇）對基站進(jìn)行發(fā)電的解決方案，嘗試用新型磁翻柱液位計替代傳統(tǒng)燃油發(fā)電機(jī)，消除傳統(tǒng)的油機(jī)發(fā)電時的噪音污染和燃油的空氣污染。針對一些常規(guī)無法發(fā)電的疑難場景，嘗試新的維護(hù)解決方案，通過創(chuàng)新、研發(fā)和技術(shù)革新，將傳統(tǒng)的固定磁翻柱液位計搬到拖車上，解決便攜性、適用性等問題，從而為今后基站發(fā)電尋求新的支撐手段和解決途徑。

 

    1　場景概述

    隨著 5G 時代的到來，運(yùn)營商迎來了新一輪大規(guī)模的基站建設(shè)。屆時，更大的站址數(shù)量和更密集的站間密度，都將給維護(hù)工作提出更加苛刻的要求。現(xiàn)有 4G時代下，城區(qū)內(nèi)重要基站發(fā)電難甚至無法發(fā)電的問題將會更加突出。本文將探討基站后備供電新模式，設(shè)計場景為學(xué)校、商場、重要地點(diǎn)等無法利用傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的基站或機(jī)房。

 

    目前，傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)和汽油發(fā)電機(jī)的原理都是將柴油或汽油的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。先將燃料通過與空氣混合，在機(jī)器內(nèi)部燃燒產(chǎn)生熱能，熱能再轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，機(jī)械能則在與發(fā)電機(jī)配合的作用下，利用電磁感應(yīng)原理，使得發(fā)電機(jī)輸出感應(yīng)電動勢，經(jīng)閉合回路產(chǎn)生電流，從而發(fā)電。柴油發(fā)電機(jī)和汽油發(fā)電機(jī)由于使用燃料是汽油或柴油，所以排放物包括 CO、SO2、NOX 等破壞環(huán)境的污染物，且噪音擾民。

 

    便攜蓄電池（鉛酸或鋰電）是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種裝置，是按可再充電設(shè)計的電池，通過可逆的化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)再充電，通常指鉛酸蓄電池，屬于二次電池。它的工作原理：充電時利用外部的電能使內(nèi)部活性物質(zhì)再生，把電能儲存為化學(xué)能，而需要放電時再次把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。蓄電池雖較燃油發(fā)電機(jī)環(huán)保、低噪音，但其本身不會發(fā)電，當(dāng)內(nèi)部電能耗完時需要再次充電，無法長時間續(xù)航。

 

    磁翻柱液位計是使用氫元素制造成儲存能量的電池?；驹硎请娊馑哪娣磻?yīng)，把氫和氧分別供給給陰極和陽極。氫通過陰極向外擴(kuò)散，和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后放出電子，通過外部的負(fù)載到達(dá)陽極。發(fā)電的同時，排放物僅為水，為典型的綠色能源。目前，國內(nèi)通用的磁翻柱液位計以氫氣為主要能源。由于氫氣是易爆氣體，存在一定的安全隱患，在此特研究全新的甲醇溶液磁翻柱液位計，在解決噪音、環(huán)保等問題同時注重安全問題。

 

    嘗試采用車載新型電池系統(tǒng)完成充電、放電等一系列循環(huán)，通過對車體的全方位改造，保溫、降噪、絕緣、加固集中控制以及智能監(jiān)控等手段解決發(fā)電噪聲擾民的問題。在探討新型維護(hù)模式的同時引入甲醇磁翻柱液位計，提供低噪音、低污染、高可靠性的應(yīng)急備電方案。甲醇價格不到汽柴油的 1/3，可節(jié)約發(fā)電成本，切實(shí)解決市區(qū)重要基站發(fā)電難、發(fā)電成本高等問題。

 

    2　關(guān)鍵技術(shù)介紹

    核心部分原理，如圖 1 所示。

 

 

 

    甲醇磁翻柱液位計的核心技術(shù)：先制氫，后發(fā)電。主要涉及的技術(shù)為甲醇制氫機(jī)和風(fēng)冷電堆兩部分。

    甲醇裂解反應(yīng)：CH3OH → 2H2+CO

    雙向水汽置換反應(yīng)：CO+H2O ←→ CO2+H2

 

    甲醇水汽重整需要在一定溫度、催化劑作用下，方能產(chǎn)生富氫氣體。同時，這個反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，為此設(shè)計了一個自熱重整加熱反應(yīng)器，原理如圖 2 所示。

 

 

 

    當(dāng)磁翻柱液位計需要用氫時，重整器熱啟動，約 5 min后開始給電堆供氫發(fā)電。氫氣緩沖缸在“制氫機(jī)”與“磁翻柱液位計”兩個核心系統(tǒng)之間，作用在于緩沖負(fù)載變化，讓制氫模塊跟上負(fù)載的變化。

 

    磁翻柱液位計由多數(shù)單片膜電極堆疊而成，故命名為磁翻柱液位計“電堆”。電堆每個單片都有陽極和陰極，因此叫做雙極板（即正極與負(fù)極）。質(zhì)子交換膜讓氫氣質(zhì)子從陽極穿透到陰極，但不讓氫電子穿透，電子需要“繞行”形成電流。雖然每個單片的電路功率不大，但是堆疊成電堆可以達(dá)到較大的功率。

 

    目前，5 kW 甲醇磁翻柱液位計拖車已經(jīng)開發(fā)完成，關(guān)鍵的設(shè)備結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)詮釋如圖 3 所示。

 

 

 

    燃料箱存儲按照要求配比（甲醇占 61.8% 重量百分比）的甲醇水混合燃料。為保證 32 h 備電時間要求，配置不小于 200 的置燃料箱、電子液位計以及球閥等。

 

    甲醇重整模塊將甲醇和水在 200 ～ 300 ℃范圍內(nèi)通過單向甲醇裂解反應(yīng)及雙向水汽置換反應(yīng)。水汽重整反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，所需熱量通過燃燒爐燃燒雜質(zhì)（氫氣提純模塊副產(chǎn)品 CO2、CO、H2O 及少部分 H2）提供，燃燒排放物為 H2O、CO2 及極少量 CO（＜ 50 ppm）等。氫氣提純模塊通過變壓吸附分離作用將富氫提純，生成 H2 純度滿足 H2 ＞ 99.999%、CO ＜ 1 ppm 的要求，同時將雜質(zhì)（CO2、CO、H2O 及少部分 H2）送至甲醇重整模塊的燃燒爐。每個氫氣提純模塊主要包含變壓吸附分離裝置、電磁閥以及壓力傳感器等。

 

    氫氣緩沖模塊將氫氣提純模塊生成氫氣存儲，存儲壓力范圍在 0.1 ～ 0.5 MPa。模塊包含 40 L 碳鋼材質(zhì)氣缸 1 個、壓力傳感器和安全泄壓隔膜等。

 

    電堆模塊包括 2 個 3 kW 電堆及配套模塊，可獨(dú)立使用，通過各種的 DC/DC 后對設(shè)備供電。參數(shù)如下：電源轉(zhuǎn)換模塊輸入 30 ～ 60 VDC，輸出 43 ～ 57 VDC可調(diào)，zui大輸入功率 3 W×2；不同的啟動模式，配置的電源不同。

 

    3　實(shí)際應(yīng)用效果

    目前，如圖 4 所示，拖車已正式投入使用并正式發(fā)電，解決了油機(jī)噪音、無法發(fā)電等情況具有廣闊的應(yīng)用場景和顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。

     （1）拖車設(shè)計輸出功率 5 kW，完全適用于 20 ～100 A 區(qū)間負(fù)載基站，可支撐大部分站點(diǎn)。

     （2）拖車自帶繞線裝置，基站開關(guān)電源在拖車20 m 內(nèi)均可支撐發(fā)電。

     （3）拖車自帶多種連線方式，如鱷魚夾連接和固定連接。鱷魚夾連接即輸出端、開關(guān)電源連接處采用鱷魚夾方式，可短時間快速接入，適合小負(fù)載基站供電或緊急供電情況；固定連接即輸出端通過銅鼻子固定連接方式，適用于需長時間發(fā)電及大負(fù)載基站供電情況。

    （4）拖車經(jīng)過夜間室外帶載發(fā)電測試，在距離車體1 m范圍內(nèi)運(yùn)行的噪音不高于75 dB，遠(yuǎn)低于油機(jī)啟動噪音。

    （5）拖車運(yùn)行中代謝產(chǎn)物僅為水和少量二氧化碳，所有排放物質(zhì)對人體沒有危害，能夠在人口稠密地區(qū)及相對密閉的空間使用。

 

 

    采用甲醇磁翻柱液位計供電方案，與汽油發(fā)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)等供電解決方案相比，考慮初始設(shè)備投資和 5 年內(nèi)的運(yùn)行維護(hù)成本，按平均負(fù)載功率 5 kW的情況計算，甲醇磁翻柱液位計解決方案經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，如圖 5 所示。采用甲醇作為燃料，發(fā)電成本是柴油的1/2，汽油的 1/3。

 

 

 

    以基站平均負(fù)載 100 A 計算，每發(fā)電 1 h 約耗電5.5 kW·h，比柴油發(fā)電節(jié)省約 25 元。只計算經(jīng)濟(jì)價值，購置成本相當(dāng)于發(fā)電 17 000 h 的費(fèi)用，按照年均發(fā)電4 000 h 計算，約 4 年可收回經(jīng)濟(jì)成本。