Введение 4
1. Гибридные системы энергоснабжения 9
1.1. Состав гибридной системы энергоснабжения 11
1.2. Аккумуляторные батареи 17
1.3. Солнечные панели 19
1.4. Ветрогенераторы 21
1.5. Энергоустановки для автономного энергоснабжения 24
2. Применение водорода 29
2.1. Водород 29
2.1.1. Получение водорода 31
2.1.2. Получения водорода путем конверсии природного газа... 32
2.1.3. Получение водорода газификацией угля 32
2.1.4. Ядерные реакторы для получения водорода 33
2.1.5. Получение водорода из биомассы 33
2.1.6. Получение водорода методом электролиза 34
2.2. Хранение водорода 36
2.2.1. Гидридная система хранения водорода 38
2.2.2. Технико-экономическая оценка различных вариантов
хранения водорода 39
2.3. Добавка водорода в ДВС 42
3. Расчет гибридной системы энергоснабжения 50
3.1. Описание гибридной системы энергообеспечения 50
3.2 Расчет потребляемой электроэнергии и пиковой мощности потребителем 51
3.3. Выбор резервной установки энергообеспечения для гибридной установки энергообеспечения 63
3.4 Анализ стоимости установки в зависимости от ее мощности 64
3.5. Обоснованность выбора 67
3.6 Конвертирование на водород 68
3.7 Экономический расчет 70
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 73
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 82
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 83
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 84
«Россия изобилует потребителями, проживающими в труднодоступных районах (малые города, поселки), которые изолированы от существующих энергосетей или испытывают затруднения с постоянным снабжением электроэнергией. Для решения данных проблем необходима установка автономного энергообеспечения. По состоянию на сегодняшний день, стационарными источниками энергоснабжения являются дизель-генераторы, работающие на углеводородном сырье. В условиях работы с переменным графиком нагрузки на электросеть, дизель-генераторы не эффективны, в связи высокими показателями удельного расхода топлива при работе в режиме с низким КПД, что приводит к увеличению затрат на топливо и обострению экологических проблем. Также, важным недостатком дизель- бензо генераторов является проблема доставки топлива. Так, по некоторым сведениям, стоимость 1 кВт-ч электроэнергии, получаемой от дизельных установок мощностью до 100 кВт в отдаленных районах Якутии, куда доставка топлива затруднена и сопровождается существенными экономическими затратами, достигает по разным оценкам от 25 до86 60 руб./(кВт-ч). На сегодняшний день разница указанного значения и средней стоимости электроэнергии в центральном районе России 4,50 руб./(кВт-ч) является колоссальной»[1]. В настоящее время использование альтернативных источников является экономически нецелесообразным в районах с развитой структурой традиционной энергетики. Однако для удаленных регионов, в том числе и частного сектора, открывает перспективу использования возобновляемых источников энергии, с помощью гибридных систем. Функция гибридных систем заключается в поставке электрических мощностей и энергии для отдельных клиентов или сочетания постоянных клиентов. Эта подсистема генерирования должна быть способна выполнять свои функции, несмотря на непредвиденные обстоятельства, связанные с наличием возобновляемых источников и/или органических энергетических ресурсов, обеспечивать выполнение по нормам потребления клиентов. Гибридная система - установка с несколькими источниками электрической энергии (генераторами), использующими не менее двух разных технологий производства электроэнергии [2]. Технические задачи, поставленные перед такой установкой, можно разделить на следующие основные моменты:
1) Производство и накапливание энергии экономически выгодным способом;
2) Если используют ВИЭ:
- отдавать предпочтение использованию ВИЭ, где это локально доступно;
- накапливать энергию от ВИЭ, когда они доступны;
- использовать резервные источники энергии (наборы генераторов) для достижения указанного уровня сервиса, когда ВИЭ недоступны или недостаточны [2].
В общем случаи гибридная система, которая представлена на рисунке 1, будет состоять из: 1 — Ветрогенератора и солнечной батареи. 2. —Блока аккумуляторов. 3. —Резервного жидкотопливного генератора. 4. — Блока бесперебойного питания
В большинстве районов приход солнечной радиации и наличие ветра находятся в противофазе (т. е. когда светит яркое солнце, чаще всего отсутствует ветер, либо же когда дует сильный ветер, то имеется нехватка солнечной радиации) [3]. В источнике [4] говорится, что «для обеспечения бесперебойного электроснабжения автономного объекта, уменьшения необходимой мощности ветрогенератора и солнечной батареи и емкости аккумуляторной батареи, улучшения режимов работы станции во многих случаях целесообразно использование гибридной ветросолнечной электростанции. Особенно значительные преимущества гибридных станций при круглогодичном использовании. При этом в зимнее время основная выработка электроэнергии приходится на ветроэлектрическую установку, а летом - на солнечные фотоэлектрические модули. Солнечные и ветровые энергетические технологии, экологически чистые и доступные, вполне могут заменить или дополнить традиционные способы получения энергии, связанные с использованием автономных генераторов. Последнее реализуется посредством гибридных энергоустановок (ГЭУ), объединяющих технологии использования возобновляемых источников энергии, дизель- генераторов, электронакопительных устройств, и предназначенных для использования преимущественно для энергоснабжения автономных потребителей. Такая система увеличивает возможности для повышения экологической безопасности и экономии топлива двигателем внутреннего сгорания за счет обеспечения его более эффективной работы в условиях изменяющегося графика нагрузки, напрямую связанного с потребностями в электроэнергии в различное время суток. Анализ существующих разработок систем автономного энергообеспечения и характеристик производимого оборудования позволил выявить основные тенденции развития данной области, сформировать перспективное направление практической реализации энергоэффективной ГЭУ при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ» [4].
Целью диссертационной работы является выбор наиболее эффективной резервной установки для работы гибридной системы энергообеспечения малой мощности.
В процессе исследования выполнялись следующие задачи:
— Произведен анализ гибридных систем энергоснабжения.
- Проанализирован рынок БГ, ДГ, ГГ.
— Разработана схема электроснабжения удаленного объекта на базе бензогенератора в качестве резервного источника энергоснабжения, использующего в качестве топлива водород.
— Рассчитаны необходимые мощности СБ, ВГ и БГ для обеспечения электроэнергией объекта.
Объектом исследования является резервный источник гибридной системы энергообеспечения для удаленного энергопотребления.
Предмет исследования: применение в бензогенераторе водорода как монотопливо.
Научная новизна работы:
—Определен наиболее эффективный резервный источник для гибридной системы энергообеспечения малой мощности.
—Переведен резервный источник электроэнергии с классического топлива на водород.
Практическая значимость работы:
—результат работы позволяет оценить возможность применения данного метода.
Апробация работы: Основные положения работы были представлены в виде доклада на научно-практической конференции.
Публикации. По теме диссертации были опубликованы 2 работы в агентстве международных исследований.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, вывода и приложений. Объем диссертации составляет 84 страницы, включая 33 рисунка, 18 таблиц и 3 приложения.
В работе приведены результаты обзора открытой литературы, работ, проводимых по теме применения водорода как топлива в ДВС.
Результаты работы позволяют сделать выводы о возможности и эффективности применения данного метода.
В данной работе рассмотрены варианты применения различных источников резервного энергоснабжения для гибридной системы энергообеспечения малой мощности. Выполнен анализ рынка и наиболее подходящего варианта для гибридной системы. Рассчитаны необходимые мощности СБ, ВГ и БГ для обеспечения электроэнергией объекта. Произведено конвертирование резервного источника электроэнергии с классического топлива на водород. Разработана схема электроснабжения удаленного объекта на базе бензогенератора в качестве резервного источника энергоснабжения, использующего в качестве топлива водород.
В данной работе рассмотрены варианты применения различных источников резервного энергоснабжения для гибридной системы энергообеспечения малой мощности. Выполнен анализ рынка и наиболее подходящего варианта для гибридной системы. Рассчитаны необходимые мощности СБ, ВГ и БГ для обеспечения электроэнергией объекта. Произведено конвертирование резервного источника электроэнергии с классического топлива на водород. Разработана схема электроснабжения удаленного объекта на базе бензогенератора в качестве резервного источника энергоснабжения, использующего в качестве топлива водород.
Стоимость 1кВт-ч у бензогенератора Leega LT7500CL будит зависеть от количества часов выработки электроэнергии за день. Потенциал установки в случаи при 2х часовой работе стоимость обладания за 20 лет будит составлять 292760 руб., а стоимость 1 кВт-ч = 4,46руб. В случаи более частой эксплуатации, к примеру 8 часов в день стоимость обладания составит 703020 руб, а стоимостью 1 кВт-ч = 2,67руб. Фактически для данного потребителя, потребление за этот промежуток времени составит 91943 кВт-ч, в данном случаи средне суточная работа генератора равна 4 ч, стоимость обладания составит 429500 руб., стоимость 1 кВт-ч = 5,16 руб. С применением АКБ 1кВт=9,75руб. (на бензине за 20 лет стоимость обладания составила бы 2763468 руб. стоимость 1 кВт-ч =21,03руб).
Окупаемость электролизера”Кулон-20”, с производительностью 20л/ч Н2, составит 1428ч от наработки установки, при работе двигателя на 75% нагрузке, при стоимости 1л бензина 38,2руб., и обеспечит независимость от классического топлива. Недостаток электролизера заключается в его длительном выходе работы на номинальный режим, который составляет около 30 минут. Данный недостаток можно решить установкой металгидридного накопителя, что приведет к значительному увеличению стоимости такой компоновки системы.
Использование водорода в БГ генераторе хоть и позволит сократить затраты на углеводородном топливе, но также приведет к более высокой температуре выделяемой в систему охлаждения что сократит максимальное время работы двигателя, или дополнительных затрат на её улучшение. Переход на водородное топливо приведет к уменьшению его моторесурса, (который был уменьшен на 20% при расчете стоимости обладания установкой, но на практике возможны совершенно иные значения).
Две установки ветрогенератора 3 кВт/48У стоимость обладания за 20 лет составит 314000руб., а потенциал стоимости 1 кВт-ч=2,27руб. Фактическая стоимость выработки 1 кВт = 3,77руб, с применением АКБ 1кВт=8,50руб. Но количество электроэнергии, выработанной за этот период будит отличаться, так как расчет производился от средней скорости ветра тср=5м/с. При тв=9м/с выработка электроэнергии составит 2300кВт-ч с одного ветрогенератора.
Солнечная батарея СБ CHN250-60P, состоящая из 12 модулей, стоимость обладания которой за 20лет составит-301700руб. Потенциал стоимости 1кВт=3,29руб. Фактическая стоимость 1кВт=3,62руб. С применением АКБ 1кВт=8,36руб. Также в расчетах использовалась усредненная величина среднегодовой солнечной радиации за день (3,8 кВт-ч в) и не учитывались затраты на обслуживание, так как стоимость выработки 1кВт существенно не изменится.
В дневное потребление электроэнергии значительно ниже чем вечером и имеет невысокий пик мощности 4500 кВт, к том уже в данный период времени наибольшее значение солнечной радиации (при ясной погоде), то следует отдать приоритет работы СБ в этот промежуток суток, так как имеет самую низкую стоимость выработки электроэнергии.
В вечернее время наибольшей эффективностью выработки электроэнергии будит обладать ВГ (при наличии достаточной скорости ветра), так как имеет необходимую мощность 6 кВт и способен обеспечивать электроэнергии расходуемую потребителем в вечернее время. В ночное время 1 установка ВГ способна обеспечивать электроэнергией потребителя и восстанавливать заряд в АКБ при его расходе.
Частое использование АКБ или повышенная глубина их разряда приведет к увеличению их стоимости обладания, вследствие частой их замены. Приведенный расчет является усредненным, так как фактическое определение циклов, глубины разряда затруднено и будит зависеть от множества факторов. Данные расчеты показали, что при 50% разряде составит 1000 циклов, стоимость 1кВт будит составлять 27,04руб., что значительно дороже остальных источников.
В целом стоимость всего оборудования с учетом прочих затрат составит 1512400руб., потребитель за данный период времени потребит 91943кВт-ч, следовательно, выработка 1 кВт = 16,45руб., что дешевле выработки автономных дизель-генераторов стоимость у которых 1 кВт ~ 50руб, использующих углеводородное топливо. Различия между фактической стоимостью электроэнергии и потенциальной (1 кВт = 4,25руб.), обусловлены не столь детально подобранным потребителем, так как данный потребитель не сможет воспользоваться всей потенциальной выработанной энергии установки, которая будит составлять 309340кВт-ч за 20 лет, что в 3,4 раза больше потребленной.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
