Введение 5
1 Аналитический обзор информационных источников по теме работы 8
1.1 Виды накопителей энергии 11
2 Перспективы использования водорода в энергетике 21
2.1 Получение водорода 21
2.2 Накопители водорода 22
2.3 Металлогидридный накопитель водорода 24
2.4 Топливные элементы 25
2.4.1 Энергоэффективность топливного элемента 29
2.4.2 Восстановители для топливных элементов 33
2.4.3 Системы резервного энергоснабжения 36
2.5 Водородная система энергообеспечения 37
2.6 Экспериментальное исследование получения водорода с использованием солнечной энергии 40
2.7 Разработка систем хранения водорода на основе сложных гидридов металла 45
2.7.1 Термолиз 46
2.7.2 Исследование и моделирование различных емкостных систем термолиза 47
2.7.3 Натриевые системы на основе ацетата натрия 50
2.7.4 Гидролиз 52
2.7.5 Разработка резервуара для гидролиза на основе реактора 52
3 Сравнение классических систем энергообеспечения и водородной системы автономного энергообеспечения малой мощности до 5 кВт 53
3.1 Структура существующих систем резервного энергообеспечения на базе аккумулятора и дизельного генератора 54
3.1.1 Недостатки существующих СРЭ 54
3.1.2 Проблемы ДГУ в составе СРЭ 56
3.2 СРЭ на базе водородной системы автономного энергообеспечения 56
3.2.1 Преимущества водородной системы 57
3.3 Оценочный анализ классических систем и водородной системы 57
3.3.1 Дизельный генератор с буферным АКБ 59
3.3.2 Бензиновый генератор на газовом топливе с буферным АКБ 67
3.3.3 Ветро-солнечная электростанция с АКБ 70
3.3.4 Автономная гибридная установка энергообеспечения на базе водородной электростанции 74
Заключение 85
Список используемых источников 87
В целях повышения эффективности традиционных источников электроэнергии (рисунок 1), такие как солнечные и ветровые электростанции, а также обеспечение надежного электроснабжения резерва для потребителей, снижение экологической нагрузки на природу, требует весьма эффективных средств накопления и производства энергии.
«Увеличение пропускной способности систем от электрохимических батарей связано с высокими затратами, они становятся ненадежными после длительной эксплуатации, чувствительны к температуре и являются опасными для окружающей среды при утилизации» [24].
Так же для небольшой системы выработки энергии габаритные характеристики устройств хранения энергии становятся критическими. Технология металлогидридного накопителя является хорошей альтернативой другим системам хранения. «Время резервирования энергии при использовании технологии металлогидридного накопителя на основе водородных топливных элементов зависит только от количества хранимого водорода. У водородной системы не существует проблемы подзарядки и саморазряда, что гарантирует стабильность энергетических параметров, упрощает работу источника питания» [24].
Рисунок 1- Традиционные источники электроэнергии [23]
Таким образом, возникает необходимость в развитии малой энергетики, а именно, на базе водородной системы энергоснабжения. При этом внедрение малой энергетики целесообразно как в жилых зданиях, так и для резервного электропитания медицинских учреждений, банковских систем, непрерывных производств, телекоммуникационных узлов, систем управления транспортом и городским хозяйством и т.п., что обеспечит рационально экологическое и ответственное использование топливно-энергетических ресурсов.
Целью диссертационной работы является анализ возможных вариантов автономных систем электроснабжения.
В процессе исследования выполнены следующие задачи:
• Проведен анализ автономных систем электроснабжения.
• Оценен рынок ДГУ, БГУ, ВСЭ, ВСЭС.
• Разработана система электроснабжения удаленного населенного пункта на базе водородной системы.
Объект исследования: энергетические установки резервного электропитания.
Предмет исследования: автономная гибридная установка энергообеспечения на базе водородной электростанции мощностью 5кВт.
Научная новизна работы:
• установлено необходимое число элементов энергосистемы для устойчивого и бесперебойного энергоснабжения потребителя;
• установлено, что разработанная автономная система энергоснабжения на базе водородной системы экономически целесообразна при отсутствии возможности подключения к централизованной системе энергоснабжения со сроком службы более 20 лет.
Практическая значимость работы:
- результат работы позволяет установить перспективы развития темы применения малой энергетики, на базе водородной системы энергоснабжения.
Апробация работы:
Основные положения работы были представлены в виде доклада на студенческих научно-технических конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключений. Объем диссертации составляет 91 страниц, включая 36 рисунка, 27 таблиц.
В ходе исследования был проведен сравнительный анализ классических систем энергообеспечения и водородной системы малой мощности до 5 кВт. Была предложена система на базе автономной водородной системы энергоснабжения.
По результатам работ были сделаны следующие основные выводы:
1 Проведен анализ децентрализованной энергетики России, основу которой составляют дизельные электростанции. Выявлены негативные факторы (влияющие на надежность автономного электроснабжения), такие как:
• высокий уровень шума, большой объем выхлопных газов, негативно влияющих на окружающую среду.
• проектная мощность ДГУ значительно превышает номинальную мощность оборудования, т.к. необходимо обеспечить и заряд АКБ, и питание оборудования;
• дизельные электростанции нуждаются в проведении регулярных профилактических работ;
• для старта ДГУ необходим свой собственный аккумулятор со всеми проблемами, сопутствующими режиму эксплуатации АКБ с длительными перерывами.
2 Проанализированы варианты построения гибридных автономных систем электроснабжения мощностью до 5 кВт, определена перспективная структурная схема построения водородной системы автономного электроснабжения.
3 Проведенный анализ разновидностей возобновляемых источников энергии показал высокую эффективность и целесообразность использования комбинированной системы ВСЭС и ВСЭ в автономных системах энергоснабжения; неравномерность поступления солнечной энергии диктует необходимость использования дополнительных резервных источников, такая как водородная система.
4 Проведенный функционально-стоимостной анализ автономных систем, позволил установить необходимое число элементов энергосистемы для устойчивого и бесперебойного энергоснабжения потребителя.
В состав автономной гибридной установки энергообеспечения на базе водородной электростанции будит входить:
• один генератор водорода;
• один модуль на топливных элементах;
• один инвертор (преобразователь напряжения в ~220Вольт);
• один аккумулятор;
• два металлогидридных накопителя.
5 Установлено, что разработанная автономная система энергоснабжения на базе водородной системы экономически целесообразна при отсутствии возможности подключения к централизованной системе энергоснабжения, суммарная стоимость основных затратных элементов ВСЭС, согласно расчетам настоящего времени, составила 817 тыс. рублей, при расчетном сроке службы более 20 лет.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
