| Рубрикатор |  |
 |
| Статьи |  |
ИКС № 9 2010 | |
|
| Евгений ВИШНЕВСКИЙ Михаил САЛИН Владимир ГУМИНСКИЙ Николай КОРСАК | 14 сентября 2010 |
Топливные элементы в системе резервного электроснабжения базовых станций
Телекоммуникационные компании, находясь на острие прогресса, одними из первых обращают внимание на инновации. Одно из перспективных сегодня направлений – альтернативная энергетика, в частности водородная. Система на водородных топливных элементах в этом году успешно прошла испытания в качестве источника бесперебойного питания базовой станции сети сотовой связи.
Понятие «зеленые технологии» постепенно входит в нашу жизнь. Основными критериями «зеленого проекта» считают эффективное использование энергии, снижение выбросов, высокий уровень безопасности и комфорта. Водородные топливные элементы (ТЭ) – одна из самых экологически чистых технологий: в реакции участвуют только водород и содержащийся в воздухе кислород, а продуктом реакции является водяной пар. Благодаря отсутствию движущихся деталей ТЭ работают практически бесшумно. Кроме того, телекоммуникационное оборудование может функционировать и без механического охлаждения, что исключает утечки фреона. Эти и другие преимущества ТЭ по сравнению с АКБ и ДГУ привели к быстрому распространению водородных технологий по всему миру, особенно в сфере телекоммуникаций.
В России проблемы экологии пока стоят далеко не на первом месте, однако по мере роста стоимости энергии энергоэффективные технологии становятся все более актуальными. В свою очередь, плохая инфраструктура и низкая надежность электроснабжения на периферии также заставляют обращаться к альтернативным источникам энергии. Примером экологического подхода может служить первая в России БТС с энергоснабжением от солнечных батарей (Краснодарский филиал ОАО «ВымпелКом», гора Чубатая). Пиковой мощности этих батарей хватает для электропитания самой станции и кондиционера, а также для подзарядки аккумуляторов, от которых станция работает ночью. В качестве дополнительного источника электропитания в неблагоприятных погодных условиях предусмотрен дизель-генератор. Этот проект доказал, что в сложных условиях применение нетрадиционных источников энергии уменьшает затраты на строительство и его сроки. Прокладка просеки и строительство ЛЭП от поселка Молдовановка до базовой станции заняли бы около двух лет и потребовали $400 тыс.
Перспективный проект был реализован прошлой зимой и на базовой станции Санкт-Петербургского филиала ОАО «ВымпелКом». Были проведены испытания электропитающей установки (ЭПУ) на водородных топливных элементах, системы естественного охлаждения и специального программного обеспечения для дистанционного мониторинга комплекса оборудования. В ходе испытаний ставилась цель подтвердить работоспособность альтернативной системы бесперебойного питания и установки естественного охлаждения.
Альтернативная система бесперебойного питания
Для проведений испытаний параллельно со штатной системой питания была смонтирована система питания 48 В на основе водородных топливных батарей Dantherm Power. Два водородных ТЭ мощностью по 1,6 кВт и выпрямитель с блоком суперконденсаторов, как показано на рисунке, размещаются в 19-дюймовой стойке. Внутри стойки также располагается блок управления и безопасности ЭПУ. Важной особенностью ТЭ Dantherm Power является воздушная система охлаждения топливных элементов. В целом получается очень компактное и надежное решение, которое не боится низких температур, так как охлаждение обеспечивается только за счет вентилятора. ТЭ можно устанавливать в одном помещении с телекоммуникационным оборудованием, поскольку избыточное тепло удаляется через воздуховод отработанного воздуха. Подвижные детали имеются только в вентиляторе, так что цена сервиса для водородной установки будет невысока.
Водородная ЭПУ может работать одновременно в качестве источника бесперебойного и резервного питания для всех потребителей БТС. Суперконденсаторы (ионисторы) предназначены для компенсации кратковременных провалов напряжения. В ходе испытаний они обеспечивали надежную работу оборудования связи базовой станции в режиме частого включения и отключения электроснабжения от городской сети в течение 10 мин с интервалом 30 с. Очень важным достоинством суперконденсаторов является их высокая надежность и большой срок службы – практически неограниченное число циклов заряд-разряд без ухудшения характеристик. В отличие от АКБ, суперконденсатор имеет более широкий диапазон рабочих температур – от –40 до +75°С. Учитывая тот факт, что топливные элементы способны работать при температуре в помещении от 0 до +60°С, появляется возможность изменения температуры внутри БТС, что дает большую экономию ресурса кондиционера и электроэнергии.
Вспомогательными элементами установки можно считать баллоны, расположенные в шкафу снаружи БТС, и газовую арматуру водородных линий. В отличие от аккумуляторных батарей, шкафу с баллонами не требуется специальная система охлаждения или подогрева. Для удобства замены восемь баллонов были разделены на три группы. Каждый 40-литровый баллон после заправки содержит 6 Нм3 водорода под давлением 150 бар. Учитывая, что для производства электроэнергии требуется около 0,9 Нм3/кВт•ч, полностью заправленного баллона бы-ло достаточно для бесперебойной работы в течение 6 ч всего те-лекоммуникационного оборудования базовой станции и заградительных огней. В Петербурге замена пустых баллонов на заряженные не составляет проблемы, ее проводят организации по снабжению техническими газами. Основное требование техники безопасности заключается в том, чтобы все работы по замене баллонов проводились персоналом с удостоверениями на право обслуживания сосудов под давлением. Если аттестованные работники соблюдают известные им правила, можно не беспокоиться по поводу эксплуатации водородной системы (в том числе баллонов). Герметичность самих баллонов очень высока, для стандартного баллона 50% емкости теряется через 95 лет с учетом максимально допустимой утечки. Что же касается газопроводов, то специальный клапан безопасности автоматически перекрывает водородные линии при их разгерметизации – срабатывает реле давления.
В ходе испытаний работа установки Dantherm Power проверялась в следующих режимах:
• самодиагностика оборудования;
• работа БТС от городской сети электроснабжения;
• работа БТС от водородных элементов в автономном режиме.
Режим самодиагностики необходим не только для проверки работоспособности всех систем ЭПУ, но и для поддержания номинального напряжения на ионообменной мембране. Для топливных элементов с полимерной мембраной характерна ее деградация из-за загрязнения поверхности примесями в водороде. Если выходное напряжение начинает снижаться, то программа контроллера установки Dantherm Power выдает сигнал на клапан продувочной линии, клапан открывается и загрязнения удаляются из топливного элемента. Благодаря непрерывному контролю состояния мембраны ТЭ могут работать с номинальными характеристиками до 4000 ч без перерыва, а срок службы установки составляет более 10 лет.
Испытания показали, что установка успешно выполняет самодиагностику и поддерживает на выходе напряжение DC-48V при работе как от городской электрической сети, так и от водородного элемента в автономном режиме. Система мониторинга топливных элементов фиксирует все изменения контролируемых параметров и аварийные сигналы, а также позволяет контролировать эти параметры дистанционно.
В ходе испытаний к установке было подключено оборудование RBS900/1800, 3G, транспортный узел РРС, заградительные огни и кондиционер. При включении компрессора кондиционера сработала защита установки Dantherm Power от перегрузки. Было принято решение об отключении сплит-системы и подключении установки естественного охлаждения Nordic Blue. При повторных запусках система альтернативного бесперебойного электропитания и оборудование системы мониторинга работали в штатном режиме. В ходе испытаний было проверено и подтверждено соответствие нормативам по обеспечению бесперебойной работы телекоммуникационного оборудования RBS 900/1800 – 4 ч, РРС – 24 ч, заградительных огней – 48 ч.
Система естественного охлаждения
Испытания показали, что мощности 3,2 кВт становится недостаточно, если в качестве источника холода используется сплит-система. С другой стороны, если в базовой станции отсутствуют аккумуляторные батареи, то кондиционер в ней необязателен. В случае эффективной теплоизоляции контейнера базовой станции часто случается, что необходимо снимать теплоизбытки, когда температура наружного воздуха существенно ниже температуры внутри станции. В ходе испытаний для снятия теплоизбытков от телекоммуникационных стоек использовали установку Nordic Blue холодопроизводительностью 5,8 кВт. Система естественного охлаждения обеспечивает 0,8 кВт холода на каждый градус разни-цы наружной и внутренней температуры. Максимальный расход электроэнергии летом (только на вентилятор) составляет 300 Вт. Для сравнения: холодопроизводительность штатной сплит-системы составляет 3,5 кВт при потреблении 1,25 кВт электро-энергии.
Вообще говоря, использование комфортных кондиционеров для охлаждения телекоммуникационного оборудования не выдерживает критики с профессиональной точки зрения. Ресурс лучших сплит-систем составляет не более 36 тыс. ч, соответственно после пяти лет эксплуатации кондиционеры необходимо заменять. По требованиям надежности на базовой станции устанавливают две сплит-системы, причем оба кондиционера вместе со стоимостью монтажных работ, блоком ротации и низкотемпературными комплектами обходятся практически в ту же цену, что и система Nordic Blue. Помимо низкого энергопотребления система естественного охлаждения имеет то существенное достоинство, что она использует постоянный ток 48 В и может бесперебойно работать от аккумуляторов. При низкой наружной температуре установка работает в режиме рециркуляции с нагревом воздуха от встроенного ТЭНа. Нагревательный элемент управляется контроллером, поэтому в холодный период экономия электроэнергии тоже оказывается существенной по сравнению с традиционными обогревателями.
Многие зарубежные операторы сотовой связи в целях сокращения расходов на кондиционирование поднимают уставку температуры внутри базовых станций до +35°С. Проведенные в Европе исследования показали, что такое повышение температуры не влияет на надежность и срок службы телекоммуникационного оборудования. При использовании аккумуляторных батарей гораздо рациональнее поддерживать температуру +18…22°С не во всем помещении, а только для батарей. Повышение уставки на один градус обеспечивает экономию за счет потребления электроэнергии системами кондиционирования на 7%. Крупнейший в мире по обороту средств оператор связи Vodafone в последние годы провел мероприятия по увеличению температуры на десятках тысяч своих БТС.
По данным СНиП 23-01-99 «Строительная климатология», летняя температура обеспеченностью 0,99 для всех регионов России не превышает указанную уставку. Для населенных пунктов, расположенных в зоне умеренного климата, даже абсолютная максимальная температура воздуха будет ниже +35°С. Таким образом, в нашем климате можно и нужно использовать наружный воздух для охлаждения помещения БТС. Операторы сотовой связи в странах с более жарким климатом уже имеют большой позитивный опыт внедрения фрикулинга. Например, у Vodafone более 40% базовых станций в Великобритании, Ирландии, Германии (даже Португалии и Франции) в последние годы были переведены на режим естественного охлаждения.
Итак, в ходе испытаний установки Dantherm Power были подтверждены заявленные производителем характеристики, сбоев и отказов элементов установки не было. Получен положительный опыт монтажа и эксплуатации оборудования с использованием водородного топлива. Работа не представляет проблем при соблюдении требований техники безопасности.
Альтернативная система электропитания на топливных элементах в состоянии заменить целый комплекс оборудования: ИБП, множество аккумуляторных батарей и резервный дизель-генератор. В отличие от аккумуляторных батарей, продолжительность работы топливного элемента в основном зависит от запаса водорода. У водородной системы не существует проблемы перезарядки и саморазряда, что гарантирует стабильность энергетических параметров, упрощает эксплуа-тацию и хранение резервного источника электропитания. При отказе от аккумуляторов появляется возможность использовать фрикулинг в течение всего года, значительно снижается потребляемая базовой станцией мощность. Это позволяет уменьшить установленную мощность электропитающей установки, улучшает эффективность систем электроснабжения и кондиционирования и тем самым увеличивает надежность работы всей базовой станции.
Адрес: 105082, Россия, г. Москва, 2-й Ирининский пер, д. 3