CC BY
17> Научные разработки и исследова
т
Моделирование энергетической системы мобильной техники с топливными элементами
В.С. Янченко,
доцент Брянской государственной инженерно-технологической академии (БГИТА), к.т.н.
В статье рассмотрена реализация одного из способов моделирования электрохимических генераторов на основе топливных элементов. Применен метод описания модели в виде гибридного автомата.
Ключевые слова: электрохимический генератор, топливный элемент, компьютерное математическое моделирование, гибридный автомат.
Modelling of a power system of mobile machines with fuel elements
V.S. Yanchenko
Article describes ways to simulate electrochemical generators on the basis of fuel cells. The method of the description of model in the form of the hybrid automation is applied.
Keywords: electrochemical generator, fuel cells, computer mathematical modeling, hybrid automat.
Перспективы и проблемы применения электрохимических генераторов (ЭХГ) с топливными элементами (ТЭ) описаны в [1-4] и др. Несмотря на преимущества водородных ТЭ они пока еще не конкурентоспособны по сравнению с традиционными источниками энергии на мобильных машинах. До сих пор промышленное производство ТЭ не вышло на уровень серийного, для наземного транспорта производятся лишь отдельные опытные образцы ЭХГ.
Основные усилия специалистов направлены на исследование и разработку новых типов электродных катализаторов, электродов и электролитов, в том числе с использованием последних достижений нанотехнологии. Однако вопросам функционирования системы в целом уделяется мало внимания. Дело в том, что ЭХГ, включающий батарею топливных элементов, риформер первичного топлива, систему очистки и подачи водорода, подачи воздуха (кислород), систему удаления воды и непрореаги-ровавших газов, систему терморегулирования, куда входят теплообменники
регенерации теплоты, САР и др., является сложной динамической системой. Рабочие параметры и характеристики можно получить при испытаниях собственно энергетической установки, а также мобильной техники с ЭХГ. Отсутствие промышленных образцов автомобилей
с водородными ТЭ не позволяет этого сделать.
Одним из выходов, позволяющих заниматься разработкой и анализом систем с ЭХГ, является математическое компьютерное моделирование [5]. В [1] разработана математическая модель для расчета вольт-амперной характеристики ТЭ с твердополимерной мембраной (ТПМ), проведен расчетный анализ влияния влажности, рабочей температуры и давления. Проведено также математическое моделирование гидридного аккумулятора водорода. Интересным является математическое компьютерное моделирование нестационарных процессов ТЭ с ТПМ. Для этого разработана модель в системе Delphi, работающая с использованием интерактивных диалоговых окон.
Для математического моделирования энергетической установки с ТЭ в целом требуется соответствующая компьютерная система, позволяющая описывать сложные динамические объекты. Наиболее адекватной в этом случае является модель, созданная в формализме гибридного автомата [6-7]. Описание данного подхода приведено в [8]. Для моделирования воспользуемся средой MvS, позволяющей проектировать сложную модель в таком виде, который визуально соответствует реальной структуре моделируемого объекта (рис. 1).
Основными в схеме являются следующие блоки:
• Риформер - сложный объект, включающий гибридные локальные классы;
• Батарея - класс, математически описывающий работу батареи топливных элементов;
Рис. 1. Структурная схема модели энергоустановки с ЭХГ
I ..ifffflrmnTr,.-. Д|Дн4Д1<
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.
ые разработки и исследования I
• Топливо - локальный объект, моделирующий работу топливной системы;
• Потребитель электромощности - математически моделирует характеристики электропривода и его взаимодействие с окружающей средой (например, уравнение тягового баланса транспортного средства).
Батарея и Потребитель электромощности в модельном времени передают значения переменных блоку Регулятор мощности, который, обрабатывая поступившую информацию, замыкает обратную связь, посылая управляющие сигналы блокам Подача кислорода и Дроссель. Эти сигналы могут быть как значениями переменных типа double (аргументы или коэффициенты уравнений), так и флагами типа integer, определяющими ход вычислительного процесса и переводящими гибридный автомат в определенное состояние. В целом эта цепочка изменяет электрическую мощность, вырабатываемую ЭХГ, путем изменения количества подаваемого первичного топлива и соответствующего ему количества кислорода воздуха.
В процессе работы модели пользователь имеет возможность воздействовать на параметры блока Дроссель интерактивно.
Схема предусматривает моделирование использования тепловой энергии. Составляющие уравнения теплового баланса в блоке Потребитель тепловой мощности не определяются внешней средой, а являются следствием изменения переменных в системе Батарея. Так как выделяемая теплота в реальной установке используется не только внешним потребителем, но и в системе риформин-га первичного топлива, а также в системе терморегулирования батареи ТЭ, в модели предусмотрен блок Коммутатор теплоты. Он является гибридным объектом, использующим условные связи, управляющие локальными состояниями.
Блок Термосистема является составным объектом, включающим Конденсатор, моделирующий работу конденсатора водяного пара, удаляемого из батареи ТЭ, и Теплообменник (рис. 2).
Теплообменник моделирует процессы регенерации теплоты. Он представляет собой гибридный объект, смена состояний которого зависит от режима течения теплоносителей. Как известно, в зависимости от режима течения жидкости (ламинарный, переходный или турбулентный) изменяется вид критериального уравнения для вычисления числа Нуссельта.
Рис. 2. Карта поведения гибридного автомата Теплообменник
Модель снабжена специальным блоком База данных, который в зависимости от поступивших сигналов от блоков-клиентов возвращает справочные данные, находящиеся во внешних текстовых файлах. Поскольку это табличные данные, при обработке запроса используется интерполирующий класс из стандартной библиотеки.
Основной трудностью при моделировании ЭХГ является недостаточность данных о параметрах, характеристиках и закономерностях функционирования составных частей установки. В настоящее время во многих странах продолжаются интенсивные исследования и испытания агрегатов. Однако именно в этих условиях
Литература
может проявиться основное преимущество математического (компьютерное) моделирования - возможность исследования большого числа вариантов состояний системы без дорогостоящих натурных экспериментов.
Гибридная модель электрохимического генератора для мобильной техники разработана на принципиальном уровне. Совершенствование и уточнение ее в ходе тестовых прогонов должны подтвердить адекватность и работоспособность модели. При положительных результатах ее можно рекомендовать для использования в научно-исследовательской работе, а также для внедрения на предприятиях, разрабатывающих подобные установки.
1. Шаманов Н.П. Электрохимические транспортные энергоустановки с водородным топливом / Н.П. Шаманов, А.Н. Калмыков. - СПб.: СПбГМТУ, 2006. - 305 с.: ил.
2. Ishihara T. (Ed.) Perovskite Oxide for Solid Oxide Fuel Cells (Fuel Cells and Hydrogen Energy). - Springer, 2009. 302 p. ISBN:0387777075
3. Corbo P., Migliardini F., Veneri O. Hydrogen Fuel Cells for Road Vehicles. - Springer, 2011. - 254 p. ISBN-10:0857291351
4. Янченко В.С., Григорьев С.А., Фокин Ю.И. Перспективы применения электрохимических генераторов на основе топливных элементов в строительной и коммунальной мобильной технике // Транспорт на альтернативном топливе. - 2010. - № 4 (16). - С. 71-73.
5. Григорьев С.А., Калинников А.А., Фатеев В.Н. Математическое моделирование процессов переноса в топливном элементе с твердым полимерным электролитом // Альтернативная энергетика и экология. - 2005. - № 4. - С. 66-71.
6. Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Моделирование систем. Динамические и гибридные системы. - С.-Петербург: БХВ, 2006. - 224 с.
7. Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Моделирование систем. Объектно-ориентированный подход. - С.-Петербург: БХВ, 2006. - 192 с.
8. Янченко В.С. Моделирование обобщенного термодинамического цикла тепловых двигателей // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 4 (22). - С. 38-40.
«Транспорт на альтернативном топливе» № 3 (27) июнь 2012 г.
