Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0073

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0073
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева"
Название доклада
Разработка научно-технических решений по созданию гибридного источника электроэнергии на основе ТОТЭ и системы накопления для ответственных потребителей
Докладчик
Лоскутов Алексей Борисович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является 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. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Разработка технологических принципов и научно-технических решений по созданию модульного электрохимического генератора на основе ТОТЭ.
2. Разработка технологических принципов и научно-технических решений по созданию накопителя электроэнергии на основе высокоемких щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов с безламельными электродами.
3. Разработка научно-технических решений по созданию гибридного накопителя электрической энергии, обеспечивающего повышенную мощность по сравнению с аккумуляторными батареями за счёт параллельного включения конденсаторов высокой ёмкости.
4. Разработка алгоритма работы, моделей и схемотехнических решений интеллектуального энергоэффективного гибридного источника электроэнергии на основе ТОТЭ и гибридного накопителя электроэнергии.
5. Разработка научно-технических решений по созданию активно-адаптивной системы управления интеллектуального энергоэффективного гибридного источника электроэнергии.
6. Изготовление и проведение испытаний экспериментального образца интеллектуального энергоэффективного гибридного источника электроэнергии.
Актуальность и новизна исследования
Для энергоудаленных потребителей России актуальна разработка источников бесперебойного электроснабжения, отличающихся надежностью, малыми массогабаритными показателями и длительностью непрерывной работы.
Решением проблемы является создание источников электроэнергии на основе топливных элементов (ТЭ). ТЭ выгодно отличаются высоким КПД и экологичностью. Однако широкое применение ТЭ в системах электроснабжения потребителей сдерживается рядом проблем. Одной из основных является низкая маневренность ЭУ на ТЭ, что делает неэффективным их использование при неравномерном суточном групповом графике электрической нагрузки потребителей.
Решить проблему повышения эффективности ТЭ можно путем применения их в сочетании с другими источниками электроэнергии. Вариантом решения данной проблемы является создание гибридного источника электроэнергии (ГИЭ) на основе ТЭ и системы накопления. В Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева разрабатывается экспериментальный образец такого источника.
В качестве основного источника электроэнергии используются твердооксидные ТЭ (ТОТЭ), в качестве дополнительного источника выступают аккумуляторные батареи, а для покрытия пиковых нагрузок применяются емкостные накопители.
Новизна предлагаемого решения заключается в активно-адаптивном изменении режимов работы энергоустановки при неизменной генерируемой мощности электрохимического генератора на ТОТЭ и динамическом изменении мощности нагрузки, что не рассматривалось ранее.
Описание исследования

Для решения поставленных задач проведены теоретические исследования, включающие аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающей исследуемую научно-техническую проблему, патентные исследования, а также исследование возможных вариантов решения задач.

С учетом полученных результатов разработаны технологические принципы по созданию модульного ЭХГ на основе ТОТЭ, а также технологические принципы изготовления высокоемких оксидноникелевых электродов на высокопористых полимерных основах и безламельных кадмиевых электродов. Разработана математическая модель щелочного никель-кадмиевого аккумулятора с безламельными электродами, описывающая физико-химические процессы, протекающие при заряде и разряде аккумуляторов, и позволившая оптимизировать конструкцию электродов и аккумуляторов.

Для проверки адекватности принятых решений разработаны физические модели ЭХГ на основе ТОТЭ и батареи высокоемких щелочных никель-кадмиевых аккумуляторов с безламельными электродами, для исследования которых созданы лабораторные стенды. Проведенные исследования физических моделей доказали работоспособность технических решений и преимущества выбранных конструкций.

Разработана имитационная модель преобразователя перераспределения токов в среде моделирования MATLAB2014b/Simulink, на которой проведены исследования и анализ режимов перераспределения токов между узлами регулирования гибридного источника электроэнергии.

Для создания работающей в реальном времени системы управления разработаны алгоритмы работы гибридного источника электроэнергии, а также преобразователя перераспределения токов. Алгоритмы отработаны на имитационной модели системы управления гибридным источником электроэнергии, разработанных в программных комплексах LabVIEW и Matlab Simulink, что позволило подтвердить их работоспособность и правильность логики работы преобразователя.

Разработано программное обеспечение активно-адаптивной системы управления блоком «риформинг-генерация» в составе ЭХГ, преобразователем и нагрузкой на языке графического программирования LabVIEW, позволяющее обеспечить оперативное управление элементами гибридного источника электроэнергии в условиях динамически изменяемой нагрузки, а также контролировать рабочие температуры электрохимического генератора и аккумуляторных батарей.

Изготовлен экспериментальный образец гибридного источника электроэнергии и проведены монтажные работы, необходимые для его установки. С использованием испытательного стенда проведены исследовательские испытания экспериментального образца.

Результаты проведенных исследований использованы для разработки Проекта технического задания на выполнение опытно-конструкторской работы «Разработка и создание опытного образца интеллектуального энергоэффективного источника электроэнергии на основе ТОТЭ и гибридного накопителя».

Результаты исследования

Основным результатом исследований является экспериментальный образец гибридного источника электроэнергии, включающий пять компонентов: модуль системы генерирования, модуль системы накопления, преобразователь распределения токов, преобразователь DC/AC, активно-адаптивная система управления блоком «риформинг-генерация», преобразователем и нагрузкой. Максимальная выходная мощность экспериментального образца составляет 1500 Вт, номинальное выходное напряжение – 220 В, 50 Гц.

Главным отличием от аналогичных разработок является наличие в составе гибридного источника электроэнергии преобразователя перераспределения токов, позволяющего контролировать, регулировать и перераспределять токи между элементами систем генерации и накопления гибридного источника электроэнергии и нагрузкой. Это позволяет сохранять генерируемую мощность ТОТЭ постоянной при изменяющейся мощности нагрузки, что влечет за собой повышение маневренности энергоустановки, уменьшение расхода топлива и увеличение ресурса работы ТОТЭ, в итоге повышая эффективность функционирования гибридного источника электроэнергии на основе ТОТЭ.

Практическая значимость исследования
Применение гибридного источника электроэнергии перспективно для электроснабжения ответственных потребителей электроэнергии, таких как объекты оборонной и космической отраслей промышленности, горной промышленности, метеостанции, системы связи и оповещения, телекоммуникационные организации, линейные потребители магистральных газопроводов. Результаты проекта могут быть использованы для решения проблемы обеспечения энергетической безопасности особо важных объектов в энергодефицитных или осваиваемых районах и автономных электропотребителей.
Положительный эффект от внедрения интеллектуальных гибридных источников электроэнергии заключается в обеспечении высокой надежности и длительности бесперебойного электроснабжения потребителей.
Презентация

Presentation_Лоскутов_EE.ppt

Постер

Poster_Loskutov_EE.ppt