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[经验] 桥式电力在燃料电池后备系统的应用

2019-5-13 14:11:34  252 燃料电池
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来源:麦克斯威科技公司
关键任务装置通常被备用发电设备所保护。这些关键任务装置(例如,数据及网络操作中心(NOCs),通讯中心,高价值制造工艺等)要求绝对不能中断的连续电力供给。最近燃料电池逐渐成为备用电力可行的备选方案,并且正在被许多电讯公司采用,从而使他们的系统可靠性更高。超级关键装置在能使用通用电源作后备电力的前提下采用瀑布式结构。

桥式电力

桥式电力描述了连接一个长期的电力供给与另一个长期电力供给之间起到“桥梁”作用的短期电力供给需求。桥氏电力是必需的,因为典型的备用发电设备不是即时可用的,而且需要联网时间。一个经典的案例就是一台柴油发电机常常被用作一所医院设施的备用电源。在公共电力中断期间,这种装置总体上可能会出现电源故障,包括照明用电以及非临界负载的损失。局部使用电池或电容器组为关键任务装置供给电力(可以是一部单机不间断电源(UPS)也可以是并入像监控器和输液泵这样的装置),直到发电机可以被启动和联网。将桥式电力与长期电力结合起来是有必要的,因为将桥式电力延长几分钟的成本是非常高昂的,并且会出现维护与可靠性问题,这里电池的使用会使得单个“长期桥”受到抑制。

对可靠桥式电力的需求

据Steve FaiRFax,一位工业顾问所说,“着眼于出现的问题,电讯产业普遍采用了错误的理念框架…他们常在谈论有效性。他们现在应该做的是考虑可靠性。有效性仅仅是在故障停机的时候才关心的事, 一年中有太多时间系统都是停机的…好吧,许多的时刻远不如许多的事件重要。在一个计算环境中,半个周期,即百分之一秒的电力中断都可能摧毁系统。一百次这样的中断也不过造成一秒钟的停机时间,但是如果分布在一年中发生,那将是灾难性的。”本文中,连续性电源之间的高可靠性桥式电力对于这些关键任务环境里的稳定性是很重要的。

燃料电池

燃料电池作为一种车辆能源解决方案正受到广泛的关注。一份简单的网络调查提出无数非盈利性组织以及政府机构正在吹捧燃料电池在运输中的益处。这是有先见之明的,然而只有在尺寸,重量,成本以及燃料可靠性方面做出重大的改良才能使燃料电池运用在现实生活中,不仅仅是在车辆上的示范。另一方面,备电领域是燃料电池的当前市场,尤其对于高位值作业,要求比典型的不间断电源系统提供更多的持久性。

为满足真实备电需要,一种燃料电池(FC)备电系统必须能够在满负载要求下即时输送电力。在一些装置中,燃料电池系统与公共电力系统并联运行,全时段为系统输电,同时由公共电力提供负载均衡与后备支持。(当这种构架也使用多余的热能来为设备供暖时,它们就被归类为联合供暖供电系统。)在一套标准的燃料电池联合供暖供电系统中,一旦电网丢失,燃料电池系统没有足够的反应时间来处理快速的瞬变现象,因此它不能被视为一个备电系统。在其他装置中,完整的能量存储增进了燃料电池系统从而提供快速瞬变反应。当与电网结合,能量存储就是两个连续电源之间的“电桥”。

在一个单机燃料电池系统中(一个独立于电网的系统),燃料电池可以传输负载所需的最大功率,但是在瞬变现象中不能足够快地做出平稳传输电力的反应。在这种情况下,能量储备“电桥们”跨接这种瞬变现象。桥式电力是一个坚固的燃料电池备电系统的关键所在。

许多公司把燃料电池安装在能使他们的系统更耐用的地方。据Citigroup Research报道 “开关信号:分布式电信备电系统中的燃料电池,”基于对50位电讯产业成员的访问,电讯产业把可靠性视为燃料电池的主要优势之一,尽管有一种误解――燃料电池比标准导联酸性电池备电系统更贵。促使电讯产业关注高可靠性的主要因素是燃料电池已经在超过十年的时间里,在医院、邮件处理设备、垃圾掩埋、污水处理以及信用卡处理中心等领域成功应用超过10亿个工作小时。CEA电信公司最近开始为他们的客户提供燃料电池,他们说“...我们的电信消费者正在寻找一种可靠的备电解决方案;能够为重要的通讯应用提供比传统能量存储方案更高的性价比。”

当指定备电方案时,寿命周期成本是另一个需要考虑的关键因素。Citigroup Research的报道也包括了一些数据,显示在电信站点的运转中,电池的更换费用从3600美元到8000美元不等,具体费用取决于各自的功率级别、备电持续时间以及保修期长短。报道提到:“如果电池的更换周期为五年,那么以10到15年的使用期来算,燃料电池要比电池备电方案节省32%到35%的费用。”甚至在无课税扣除的情况下,报道显示在同样的基数下燃料电池的寿命周期成本也会低12%到18%。





瀑布式结构

在历史上,一个单一的电力发电方式,比如一台柴油发电机与一套简单的电池反馈逆变器不间断电源一起作为电桥使用。对于这些装置,鉴于典型的不间断电源仅能够支持八到二十分钟的载荷,一个较小的电力故障不会造成很大的影响。柴油发电机与电池不间断电源系统的一个主要问题就是可靠性和维护。电信公司需要一套典型的发电机/电池联合体系提供更高的可靠性。更复杂的构架正被引入,服务于电讯业、数据系统以及那些无法承受丝毫电力中断的制造工艺。“瀑布式”系统将一系列不同的连续供电技术(例如:发电机、燃料电池、微涡轮机)层叠使用,用短时间电桥动力技术(如:电池、超级电容器、储能轮)跨接每一次跃迁。就电桥技术中的许多可选方案来讲,总体可靠性要求是必须要考虑的。随着超级电容器产业的成熟,超级电容器比老式传统电桥技术具有更高的竞争力,在很多情况下也更有优势。

超级电容器提供的功能

超级电容器为关键任务的备电系统能够运转良好提供功能性、可靠性并减少寿命周期成本。因超级电容器被严格地用作电桥,它的高功率密度非常适合为30-100秒的短周期提供大功率电力支持。一个电池尺寸大小取决于输电时间的长短,通常它们的尺寸比实际需求大。如果一个电池的尺寸按实际所需的持续供电时间来设定,那么他将难以供应必要的电力。此外,因为相对电池来讲超级电容器依照完全不同的原理工作,超级电容器能够延时充电而无任何电容损失。而电池则因为延时充电会造成容量损失而声名狼藉。
与电池比起来超级电容器还有另一个明显的不同――它们非常适合支持燃料电池。一个燃料电池的输出随负载而变化(负载受控于功率电子)。一个电池的输出值是相当固定的,所以燃料电池输出的负载将会影响燃料电池的性能(除非使用在直流系统中功率电子的输出上,但是电池的输出又会受到控制)。另一方面,一个超级电容器没有固定的工作电压,因此可以直接跨接在燃料电池的输出,并直接接入功率电子。

超级电容器减少寿命周期成本

在之前引用的Citigroup报道中,电池的更换周期为三到五年,并且对于环境温度的依赖性很强。考虑到电池的使用寿命是在华氏75到78度的环境温度基础上,而在一套装置中温度的变化要远远超出这个范围。超级电容器却可以在超过十年的时间内高性能地运行,并且具备更宽的运行温度范围,最重要的是它还能够减少整个系统的运行和维护成本。

超级电容器提供可靠性

有关电池的一个关键的挑战就是在测量其充电状态上的困难。操作员需要使用大量的运算和电路才能指示电池中剩余多少电量。另一方面,一个超级电容器可以被单独测量电压;知道了电压,就知道了充电状态。结合了很宽的温度范围、长使用寿命以及灵活的电压范围,超级电容器可提供给桥式电力极其可靠的解决方案。

您如何保障可靠的电力?

依Steve Fairfax所言,问题是很复杂的,因为电子电力网络比过去的可靠性更低了。“由于多种原因,电网供给的电力比以前的可靠性更低了,并且我们预计这种可靠性将继续降低。”

在如何保障电力的可靠性方面专家们也存在争议。场地出租服务公司Equinix的创始人兼总裁 Jay Adelson说“你们在走冤枉路,”“你们每周都检查你们的不间断电源,你们还安装了多余的发电机,并且你们还为柴油机签署了三份燃料合同,以便电网断电时你们有可能继续工作,只是有可能。”

随着新型燃料电池与超级电容器技术在商业领域的应用与技术领域的可行,Adelson先生的需求将会早日实现。超级电容器能减少或者根本不需要每周对不间断电源做检修,并且燃料电池已经证明可靠性远大于发电机。随着转换技术的发展(从碳氢化合物中提取氢),一个联合供暖供电燃料电池可由天然气充电,天然气可通过管道输运进设备,胜于瓶装氢,可确保24/7动力实用性且无需运输柴油机燃料。

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