Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технических решений по созданию гибридного источника электроэнергии на основе ТОТЭ и системы накопления для ответственных потребителей

Докладчик: Лоскутов Алексей Борисович

Должность: зав.кафедрой, профессор, доктор технических наук

Цель проекта:
1. Современные тенденции разработки интеллектуальной силовой электроники и преобразовательной техники, применяемых в технологических производственных процессах, приводят к появлению структурно распределённого оборудования, что требует от источников бесперебойного электроснабжения постоянного повышения эффективности при снижении их массогабаритных показателей и увеличения времени непрерывной работы в условиях отключения основных источников питания. То есть необходима разработка «интеллектуальных инфраструктурных» не механических источников электроэнергии. 2. Цель реализуемого проекта - разработка и изготовление экспериментального образца интеллектуального энергоэффективного гибридного источника электроэнергии на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ), никель-кадмиевого аккумулятора и емкостного накопителя, обеспечивающего высокую надежность и длительность бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей. Конечный продукт реализуемого проекта - экспериментальный образец интеллектуального энергоэффективного гибридного источника электроэнергии. Положительный эффект от внедрения интеллектуальных гибридных источников электроэнергии будет заключаться в обеспечении высокой надежности и длительности бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основными планируемыми результатами проекта являются:
1) алгоритм работы интеллектуального энергоэффективного гибридного источника электроэнергии, описывающий взаимосвязь электрических величин при условии соблюдения баланса генерируемой и потребляемой мощностей, постоянства установленных параметров и достижения максимального КПД;
2) физическая модель модульного ЭХГ на основе ТОТЭ, обеспечивающая прямое преобразование химической энергии топлива в электроэнергию;
3) физическая модель батареи высокоемких щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов с безламельными электродами, обеспечивающая возможность накопления и отдачи электроэнергии;
4) алгоритм работы преобразователя контроля, регулирования и перераспределения токов заряда/разряда аккумуляторов и конденсаторов, предназначенный для создания работающей в реальном времени системы управления преобразователем;
5) программное обеспечение активно-адаптивной системы управления блоком «риформинг-генерация» в составе модульного ЭХГ, преобразователем распределения токов между элементами гибридного накопителя и нагрузкой, обеспечивающее выполнение команд оперативного управления подсистемами;
6) экспериментальный образец интеллектуального энергоэффективного гибридного источника электроэнергии, предназначенный для исследования и апробации полученных научно-технических решений.
2. Конечным продукт проекта - экспериментальный образец гибридного источника электроэнергии - должен обеспечивать генерацию, накопление, хранение и распределение электроэнергии. Основные характеристики экспериментального образца: максимальная выходная мощность - 1 кВА; номинальное выходное напряжение - 220 В; показатели качества электрической энергии на выходе – в соответствии с ГОСТ 27689-88 (СТ СЭВ 5874-87); вес не более 150 кг (без ТОТЭ).
3. Предлагается новый подход к созданию источников бесперебойного электроснабжения - источников электроэнергии для ответственных потребителей, заключающийся в комбинировании топливных элементов, аккумуляторных батарей и емкостных накопителей. При этом совершенствуется не только технология создания накопителей, но и повышается эффективность отдельных модулей устройства. В частности за счет разработки технологии изготовления безламельных электродов щелочных источников тока с использованием специальных способов никелирования пористых полимерных основ предполагается доведение электрических характеристик отечественных никель-кадмиевых аккумуляторов до уровня лучших мировых образцов. Разрабатываемые технологические принципы изготовления модульного электрохимического генератора объединяют положительные свойства плоских и трубчатых элементов и позволяют получать новые потребительские свойства электрохимических устройств.
4. Новые научно-технические решения, основанные на ряде отечественных инженерно-научных разработок, позволят создать технологию мирового уровня в области интеллектуальных гибридных источников электроэнергии.
5. В системе генерирования будет использован электрохимический генератор на основе твердооксидных топливных элементов. Для решения задачи предполагается проведение теоретических и экспериментальных исследований, в результате которых будет разработан сопряженный блок «риформинг-генерация», состоящий из модулей твердооксидных топливных элементов, позволяющих генерировать мощность от 25 Вт до 100 кВт с к.п.д. преобразования более 60%. Модуль системы накопления будет состоять из аккумуляторных батарей и емкостного накопителя. При разработке накопителя электроэнергии на основе высокоемких щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов с безламельными электродами предполагается использование специальных способов никелирования пористых полимерных основ. Также научно-технические решения по созданию экспериментального образца интеллектуального энергоэффективного гибридного источника электроэнергии включают разработку преобразователя контроля, регулирования и перераспределения токов заряда/разряда аккумуляторов и конденсаторов и разработку активно-адаптивной системы управления преобразователем распределения токов между элементами гибридного накопителя, блоком «риформинг-генерация» и нагрузкой.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Планируемые результаты проекта служат для применения в качестве надежного «инфраструктурного» управляемого не механического источника питания в электротехнических комплексах и системах электроснабжения ответственных потребителей (собственные нужды электрических станций, подстанций; системы управления, контроля, защиты и сбора информации исполнительных механизмов), автономных системах электроснабжения. Возможными потребителями планируемых результатов являются: электрогенерирующие производства, офисы, телекоммуникационные организации, организации радиовещания и связи, медицинские, образовательные организации, банки, объекты оборонной и космической отраслей промышленности, владельцы современной бытовой и вычислительной техники, автономные электропотребители.
2. В настоящее время наличие у государства интеллектуальных источников электроэнергии становится особенно актуальным, так как их использование позволит обеспечить энергетическую безопасность особо важных объектов в энергодефицитных или осваиваемых районах. Конструкция интеллектуальных энергоэффективных гибридных источников электроэнергии позволит быстро доставлять их в районы с дефицитом электроэнергии. После устранения дефицита (например, через несколько лет будет построена линия электропередач) модульная конструкция устройства позволит преобразовать источник в систему бесперебойного питания объекта.
3. Выполнение проекта позволит получить опережающий научно-технический задел в области создания устройств генерации с высокой эффективностью производства, хранения, накопления и распределения электроэнергии на основе модульного электрохимического генератора и гибридного емкостного накопителя .

Текущие результаты проекта:
Выполняется первый этап проекта.
Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы, результаты которого показали, что вопросы разработки гибридных источников электроэнергии на основе ТОТЭ и системы накопления являются малоизученными. В литературе не рассматриваются особенности функционирования и управления энергоустановками при комбинировании топливных элементов, аккумуляторных батарей и емкостных накопителей.
Проведены патентные исследования. Выбраны прототипы для составления заявок на патенты на полезные модели высокоемкого щелочного никель-кадмиевого аккумулятора с безламельными электродами и преобразователя контроля, регулирования и перераспределения токов заряда/разряда аккумуляторов и конденсаторов.
Обоснован выбор оптимального варианта решения проблемы создания энергоэффективных интеллектуальных гибридных источников электроэнергии на основе ТОТЭ и накопителей электроэнергии.
Разрабатывается алгоритм работы гибридного источника электроэнергии.
Разрабатываются технологические принципы изготовления высокоемких оксидноникелевых электродов на высокопористых полимерных основах и безламельных кадмиевых электродов, отражающие технологические приемы и методы создания модуля накопления электроэнергии в составе гибридного источника энергии.
Ведутся работы по разработке и изготовлению лабораторного стенда №1 и №2 для проведения исследований физической модели электрохимического генератора на основе ТОТЭ и физической модели батареи высокоемких щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов с безламельными электродами соответственно.