Применение энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов для повышения эффективности функционирования электротехнических комплексов сельскохозяйственных предприятий

Повышение эффективности функционирования электротехнических комплексов сельскохозяйственных предприятий за счет использования энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Алгоритм системы при интеграции в централизованную электросеть.

Рубрика Физика и энергетика
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 27.07.2017
Размер файла 236,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева

Применение энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов для повышения эффективности функционирования электротехнических комплексов сельскохозяйственных предприятий

Е.Н. Соснина

Аннотация

Рассмотрен вопрос повышения эффективности функционирования электротехнических комплексов сельскохозяйственных предприятий за счет использования энергоустановок на основе твердо-оксидных топливных элементов. Разработана схема сопряжения элементов электротехнического комплекса и алгоритм системы управления при интеграции в централизованную электросеть.

Ключевые слова: электротехнический комплекс сельскохозяйственного предприятия, энергоустановка на твердо-оксидных топливных элементах, гибридный накопитель электроэнергии, преобразователь распределения токов, алгоритм.

Использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), по которым имеется отставание от промышленно развитых стран [1-3], для электроснабжения потребителей является одной из приоритетных задач энергетической политики России в области повышения энергоэффективности сельского хозяйства. Так, «Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года» предусматривает увеличение доли местных и ВИЭ в энергетике села до 15%. Применение ВИЭ позволит повысить электровооруженность сельскохозяйственных предприятий (СХП) и снизить электроемкость сельскохозяйственной продукции без дополнительной нагрузки на централизованную электросеть [4-6].

Особенностью СХП является возможность получения из отходов производства возобновляемого источника энергии - биологического газа (биогаза) [7]. Получение электрической энергии из биогаза возможно как сжиганием топлива в когенерационных энергоустановках (мини-ТЭЦ), так и в результате химической реакции в топливных элементах (ТЭ).

Применительно к электротехническим комплексам (ЭТК) СХП проведен сравнительный анализ когенерационных энергоустановок (ЭУ), выявивший преимущества газопоршневых ЭУ (экономичность, приемистость, экологичность). Сравнительный анализ ЭУ на ТЭ выявил преимущества твердо-оксидных топливных элементов (ТОТЭ) (экономичность, экологичность) [8-10]. Применение же в ЭТК СХП ЭУ на ТОТЭ будет более эффективным, чем газопоршневых ЭУ (ГПУ). Зависимости, приведенные на рис.1, показывают, что ЭУ на ТОТЭ в сравнении с ГПУ имеют более высокий электрический КПД, более экологичны из-за отсутствия непосредственного химического контакта топлива с окислителем (рис. 1).

Рис.1. Зависимость электрического КПД (а) и выбросов СО2 (б) от мощности ГПУ (1) и ЭУ на ТОТЭ (2)

Однако, низкая маневренность ЭУ на ТОТЭ, наряду с другими проблемами использования ТЭ (сложность технологии производства, дороговизна применяемых материалов и др.), сдерживает их внедрение в ЭТК СХП, для которых характерен неравномерный суточный групповой график электрической нагрузки.

Проблему низкой маневренности можно решить путем сочетания ЭУ на ТОТЭ с гибридным накопителем электроэнергии (ЭЭ). Экспериментальный образец такой ЭУ разрабатывается Нижегородским государственным техническим университетом им. Р.Е. Алексеева [11].

Новизна предлагаемого решения заключается в том, что разрабатываемая ЭУ на ТОТЭ позволяет осуществлять режимы работы при динамическом изменении мощности нагрузки и неизменном токе потребления от электрохимического генератора, что не рассматривалось ранее. Это позволит повысить маневренность, уменьшить расход топлива и увеличить ресурс работы ТОТЭ.

Структурная схема экспериментального образца ЭТК с ЭУ на ТОТЭ (рис. 2) включает систему генерирования, гибридный накопитель ЭЭ, систему сопряжения и активно-адаптивную систему управления. Максимальная выходная мощность экспериментального образца ЭТК на основе ТОТЭ составляет 1 кВА, номинальное выходное напряжение - 220 В.

Рис. 2. Структурная схема ЭТК на основе ТОТЭ

Система генерации с модульным электрохимическим генератором на ТОТЭ обеспечивает продолжительную работу ЭТК при заданной мощности потребителя ЭЭ. За основу взят модифицированный планарный элемент, отличающийся улучшенными удельными энергетическими характеристиками и механическими свойствами, а также увеличенной плотностью упаковки. Гибридный накопитель ЭЭ состоит из аккумуляторной батареи (АБ) и емкостного накопителя (ЕН). При снижении нагрузки ниже заданного значения в АБ происходит накопление ЭЭ. В случае превышения нагрузкой заданной мощности АБ отдает запасенную ЭЭ. Емкостной накопитель предназначен для питания пиковых нагрузок и является практически идеальным источником напряжения.

Основу системы сопряжения ЭТК на основе ТОТЭ составляет преобразователь распределения токов (ПРТ) между его элементами. Структурная схема ПРТ представлена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема преобразователя распределения токов

ПРТ включает в себя три повышающих преобразователя DC/DC. Преобразователь DC/DC 1 осуществляет преобразование генерируемого ТОТЭ напряжения 50 В в напряжение 400 В, которое является номинальным для нагрузки и емкостного накопителя ЕН, преобразователь DC/DC 2 - в напряжение 100 В, являющееся рабочим для аккумуляторной батареи АБ. Преобразователь DC/DC 3 служит для согласования напряжения АБ и ЕН.

Распределение потоков ЭЭ между системой генерации, элементами гибридного накопителя и нагрузкой при интеграции ЭУ на ТОТЭ в централизованную электросеть (ЦЭС) осуществляется по разработанному алгоритму (рис.4).

Рис. 4. Алгоритм работы электротехнического комплекса СХП при интеграции ЭУ на ТОТЭ в централизованную электросеть

При РТОТЭ?РН необходимость в подключении системы электроснабжения (СЭС) к ЦЭС отсутствует.

Если разность между генерируемой мощностью РТОТЭ и мощностью нагрузки РН превышает мощность, необходимую для заряда АБ (Рз), избыток электроэнергии растрачивается на аварийный разрядник (РАР). Если разность между РТОТЭ и РН меньше мощности, необходимой для заряда АБ, то текущее значение заряда повышается на величину РЗ.

Если РТОТЭ<РН, то проводится сравнение величины мощности АБ и величины дефицита мощности. При РАБ?РН-РТОТЭ дефицит мощности нагрузки компенсируется АБ. При РАБ<РН-РТОТЭ на систему управления подается сигнал о необходимости подключения СЭС к ЦЭС.

Выводы

энергоустановка электротехнический топливный

Проведен сравнительный анализ технико-экологических параметров энергоустановок на биогазе, выявивший преимущество энергоустановок на твердо-оксидных топливных элементах (ТОТЭ).

Разработан электротехнический комплекс на основе ТОТЭ и алгоритм работы системы управления, позволяющие осуществлять режимы работы при динамическом изменении мощности нагрузки.

Использование разработанных научно-технических решений повысит эффективность функционирования электротехнических комплексов сельскохозяйственных предприятий, обеспечив надежное и качественное электроснабжение потребителей.

Работа выполняется при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (соглашение № 14.577.21.0073 о предоставлении субсидии от 05.06.2014, уникальный идентификатор проекта RFMEFI57714X0073).

Литература

Renewables 2013. Global status report. Renewable Energy Policy Network for the 21st Century URL: ren21.net.

Pitz-Paal, R., Dersch, J., & Milow, B. (2005). European concentrated solar thermal road-mapping (ECOSTAR): roadmap document. ECOSTAR, SES6-CT-2003-502578, URL: promes. cnrs. Fr/uploads/pdfs/ecostar/ECOSTAR. Summary. pdf.

European Small Hydropower Association URL: esha.be.

Воротницкий В.Э. Повышение эффективности управления распределительными сетями // Энергосбережение. 2005. №10. C. 94-100.

Фомичев В.Т., Юндин М.А. Показатели надежности сельских распределительных сетей // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2001. №8. С. 19-20.

Гулидов С.С. Технико-экономический анализ надежности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2012. Том 34. №1. С. 144-147.

Петров С.В., Решетникова И.В., Вохмин В.С. Применение электротехнологий при метановом сбраживании отходов // Инженерный вестник Дона, 2012, №3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/896/.

Соснина, Е.Н., Маслеева О.В., Пачурин Г.В., Филатов Д.А. Влияние вида топлива мини-ТЭЦ на эмиссию парниковых газов // Фундаментальные исследования. 2013. №6 (ч.1). С.72-75.

Соснина Е.Н., Филатов Д.А. Автоматизированная информационная база данных по энергоустановкам на возобновляемых источниках энергии // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. 2014. №1. С. 194-199.

Соснина Е.Н., Филатов Д.А. Исследование эксплуатационно-технологических параметров энергоустановок на возобновляемых источниках энергии // Инженерный вестник Дона. 2015. -№2 ч.2. URL: http://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2p2y2015/3025.

Разработка научно-технических решений по созданию гибридного источника электроэнергии на основе ТОТЭ и системы накопления для ответственных потребителей: отчет о прикладных научных исследованиях. Этап 2: отчет о НИР (промежут.) / Нижегородский государственный технический университет, рук. Лоскутов А.Б., исп. Соснина Е.Н. [и др.]. - №ГР 114101670042. - Н.Новгород, 2014 - 200 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Получение электричества с помощь магнитогидродинамического преобразования. Применение топливных элементов для получения электричества при низких температурах. Пространственное разделение ионных и электронных потоков. Использование топливных элементов.

    статья [342,2 K], добавлен 23.08.2008

  • Основные сведения о строении вещества, классификация и общие характеристики электротехнических материалов. Принципы использования электротехнических материалов в устройствах электротехники и электроэнергетики. Силы электростатического притяжения.

    презентация [706,2 K], добавлен 29.01.2011

  • Разработка конструкции имитатора и составных элементов, электрическая схема его питания и управления. Оборудование для СВЧ-диагностики и определения спектрально-энергетических, электротехнических и газодинамических характеристик одноканального имитатора.

    дипломная работа [4,7 M], добавлен 13.10.2013

  • Способы нанесения оксидных пленок. Физические основы работы магнетронных распылительных систем. Особенности нанесения оксидов дуальной магнетронной распылительной системы. Процессы роста и параметры тонких пленок. Ионно-плазменная установка "Яшма".

    дипломная работа [2,8 M], добавлен 15.06.2012

  • Современная энергетика. Сокращение запасов ископаемого топлива. Топливные элементы. Типы топливных элементов и области их применения. Состояние работ по водородной энергетике в России. Примеры использования водорода, в качестве источника энергии.

    реферат [789,6 K], добавлен 02.10.2008

  • Химические источники тока. Химическая реакция сжигания углерода. Переход химической энергии в тепловую. Структурная схема электростанции на топливном элементе. Процесс восстановления окислителя на катоде. Применение и проблемы топливных элементов.

    реферат [210,0 K], добавлен 20.11.2011

  • Правила оформления выпускных квалификационных работ (дипломных и курсовых проектов и работ) для студентов электротехнических специальностей. Особенности оформления графической части. Создание презентации и порядок слайдов. Выступление с презентацией.

    учебное пособие [1,7 M], добавлен 10.05.2013

  • Значение и использование монокристаллического кремния при производстве солнечных элементов повышенной эффективности. Природа и механизм возникновения дефектов для пар железо-бор в составе элементов при различных условиях эксплуатации и освещения.

    реферат [104,0 K], добавлен 23.10.2012

  • Характеристика основных потребителей электрической энергии. Электрооборудование как совокупность электротехнических устройств и изделий. Анализ схемы электроприёмников 1, 2 и 3 категории. Принципы выбора питающих напряжений. Электрическое освещение.

    дипломная работа [248,2 K], добавлен 24.04.2015

  • Схема топливного элемента. Различные типы топливных элементов. Влияние влажности на проводимость Нафиона. Структура каталитического слоя. Методы получения водорода. Термохимический цикл в гелиумном ядерном реакторе. Фотохимическая генерация водорода.

    презентация [1,7 M], добавлен 15.09.2014

  • Определение целей ведения учёта производственных затрат и калькулирование себестоимости в топливно-энергетической отрасли. Анализ топливных затрат котельной: годовой расход тепла, водопотребление. Снижение затрат в теплоэнергетике на примере котельной.

    дипломная работа [155,5 K], добавлен 19.12.2012

  • Основные способы организации энергосберегающих технологий. Сущность регенерации энергии. Утилизация вторичных (побочных) энергоресурсов. Системы испарительного охлаждения элементов высокотемпературных печей. Подогрев воды низкотемпературными газами.

    доклад [110,9 K], добавлен 26.10.2013

  • Исследование особенностей технологических путей создания микрорельефа на фронтальной поверхности солнечных элементов на основе монокристаллического кремния. Основные фотоэлектрические параметры полученных структур, их анализ и направления изучения.

    статья [114,6 K], добавлен 22.06.2015

  • Понятие первичной энергии, способы ее получения. Энергия, непосредственно извлекаемая в природе (энергия топлива, воды, ветра, тепловая энергия Земли, ядерная). Традиционные, нетрадиционные виды энергетики, их характеристика. Создание топливных элементов.

    реферат [688,6 K], добавлен 04.02.2015

  • Принципы преобразования тепловой энергии в электрическую. Фотоэлектрический метод преобразования в солнечных батареях. Преимущества и недостатки ветроэлектростанций. Конструкции и типы ветровых энергоустановок. Ядерные реакторы на быстрых нейтронах.

    реферат [25,3 K], добавлен 22.01.2011

  • Расчет количества вредных для организма человека веществ, поступающих в рабочую зону производственного помещения, на основе которых проектируется система кондиционирования. Возможность использования системы кондиционирования воздуха для отопления.

    курсовая работа [116,3 K], добавлен 04.03.2011

  • Общие правила организации эксплуатации тепловых энергоустановок. Техническое обслуживание, ремонт и консервация. Требования к монтажу, ремонту и эксплуатации теплотехнического оборудования, приборов контроля и автоматизации. Обеспечение мер безопасности.

    отчет по практике [4,8 M], добавлен 07.08.2013

  • Тепловая энергия базовых и пиковых энергоустановок. Измерительная система теплосчетчика "Квант". Система индивидуального расчета за тепло. Термостат, расчетный анализ содержания тепловой энергии в приходной и расходной частях энергетического баланса.

    реферат [73,7 K], добавлен 16.09.2010

  • Графит как минерал из класса самородных элементов, одна из аллотропных модификаций углерода, структура его кристаллической решетки, физические и химические свойства. Проведение и результаты исследования композитов на основе углеродных нанотрубок.

    дипломная работа [3,5 M], добавлен 22.09.2011

  • Роль и место альтернативных источников энергии в современной энергетике. Причины, вызывающие движение водных масс в океанах. Объемы выработки электроэнергии на геотермальных и приливных станциях. Использование волновых и приливных энергоустановок.

    реферат [21,9 K], добавлен 01.08.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.