CC BY
13Статья поступила в редакцию 19.05.11. Ред. рег. № 1003
The article has entered in publishing office 19.05.11. Ed. reg. No. 1003
[621.3+621.3.004.14](035.5)
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УКРАИНЫ ПО СОЗДАНИЮ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЗАРЯДНО-ЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ
3 1 2
B.А. Глазков , В. В. Соловей , Н.С. Голубенко ,
1 13
C. И. Довгалюк , А. А. Шевченко , В.А. Попов
1ИПМаш
Украина, Харьков, ул. Пожарского, д. 2/10 Тел.: +38 (057) 349-47-34 2ПКТБ «Конкорд» 49000, Украина, Днепропетровск, ул. Артема, д. 94 Тел.: +38 (056) 374-95-40, (0562) 31-77-90 3ГП «КБ «Южное» Украина, Днепропетровск, ул. Криворожская, д. 3 Тел.: +38 (056) 7700447
Заключение совета рецензентов: 08.06.11 Заключение совета экспертов: 18.06.11 Принято к публикации: 23.06.11
Следствием бурного развития автомобильного транспорта явились проблемы, главные из которых - угрожающее загрязнение окружающей среды, прогрессирующий дефицит и дороговизна традиционных видов топлива (бензинового и дизельного).
Одним из решений энергоэкологических проблем автомобильного транспорта является повсеместное использование возобновляемых источников энергии для выработки водорода и электрической энергии.
Мы предлагаем один из возможных вариантов энергосберегающей ветроэлектрической станции для зарядки электрических и заправки водородных автомобилей.
Ключевые слова: автомобильный транспорт, загрязнение среды, дефицит топлива, возобновляемые источники энергии, водород, заправка.
SCIENTIFIC TECHNICAL FEASIBILITIES OF UKRAINE ON CREATION OF THE PERSPECTIVE CHARGE-FILLING STATIONS FOR CARS
V.A. Glazkov3, V.V. Solovei1, N.S. Golubenko2, S.I. Dovgalyuk1, A.A. Shevchenko1, V.A. Popov3
'Institute of machine building problems 2/10 Pozharskogo str., Kharkov, Ukraine
Tel.: +38 (057) 349-47-34 2Design engineering bureau "Concord" 94 Artema str., Dnepropetrovsk, 49000, Ukraine 3State-owned enterprise "Yuzhnoye" design engineering bureau 3 Krivorozhskaya str., Dnepropetrovsk, Ukraine Tel.: +38 (056) 7700447
Referred: 08.06.11 Expertise: 18.06.11 Accepted: 23.06.11
Problems, main from which is threatening contamination of environment, making progress deficit and costliness of traditional types of fuel, are consequence of rapid development of motor transport (petrol and diesel).
One of the decisions of motor transport energy-ecology problems is the wide use of renewable energy sources to produce hydrogen and electric energy. However, the renewable energy sources are inconstant by their nature and can be most effectively used in combination with network electric energy.
We suppose one of the possible variants of the power saving wind electrical station intended for charging the electric car and fueling the hydrogen cars.
Keywords: road transport, environment pollution, shortage of fuel, renewable energy, hydrogen, refueling.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (100) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Следствием бурного развития автомобильного транспорта явились проблемы, главные из которых -угрожающее загрязнение окружающей среды, прогрессирующий дефицит и дороговизна традиционных видов топлива (бензинового и дизельного).
Автомобильные компании разных стран уже давно начали производить автомобили с низким содержанием токсичных выбросов при использовании традиционных топлив, а в последнее время освоили и наращивают производство водородных и электрических автомобилей.
Будущее водородных автомобилей эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами (ТЭ). Их преимущество признают все специалисты, так как ТЭ не содержат каких-либо движущихся узлов и деталей, а водород и кислород соединяются без взрывов, производя электричество и выбрасывая в атмосферу только чистый водяной пар.
Будущее электрических автомобилей эксперты связывают с созданием простых систем зарядки аккумуляторных батарей автомобиля от обычных промышленных и бытовых электрических сетей.
В настоящее время требуется длительное (8-10 часов) время для зарядки, обеспечивающее пробег автомобиля до 120-150 км. Поэтому ученые работают над созданием беспроводных систем зарядки от специальных кабелей, укладываемых под автомобильной дорогой. Такие системы позволят заряжать аккумуляторные батареи во время движения автомобиля.
Безусловно, водородные и электрические автомобили - прекрасное решение экологических проблем городов, но нельзя забывать о том, что для производства водорода и генерирования электрической энергии используются невозобновляемые при-
родные ископаемые (нефть и газ), запасы которых катастрофически уменьшаются, а их сжигание на тепловых электростанциях сопровождается в большинстве случаев загрязнением окружающей среды.
Одним из решений энергоэкологических проблем автомобильного транспорта является повсеместное использование возобновляемых источников энергии для выработки водорода и электрической энергии. Однако по своей природе источники возобновляемой энергии непостоянны и поэтому наиболее эффективно могут использоваться в комбинации с сетевой электрической энергией.
Анализ доступной информации показывает, что темпы производства перспективных водородных и электрических автомобилей существенно выше темпов строительства заправочных и зарядных станций, что может стать преградой для эксплуатации перспективных автомобилей.
Учитывая вышесказанное, мы предлагаем один из возможных вариантов энергосберегающей ветроэлектрической станции для зарядки электрических и заправки водородных автомобилей.
Станция включает в себя следующие функциональные части:
- систему генерирования и распределения электрической энергии, состоящую из ветроэлектрической турбогенераторной установки и шкафа электропитания и управления;
- систему генерирования, накопления и модульной заправки водорода и кислорода, состоящую из электролизера высокого давления, опреснительной установки и заправочных модулей генерации водорода.
- боксы для зарядки аккумуляторов автомобилей.
Принципиальная схема предлагаемой станции
представлена на рисунке.
Система генерирования
и распределения электрической Система генерирования и модульной заправки водорода и кислорода Боксы зарядки аккумуляторов
энергии автонобилей
1 - ветроэлектрическая турбогенераторная установка; 2 - шкаф электропреобразования и управления; 3 - электролизер высокого давления модульного типа; 4 - бак опресненной воды; 5 - опреснительный блок; 6 - бак исходной воды; 7 - насос; 8 - накопительные емкости для производимого водорода и кислорода; 9 - баллонные товарные модули; 10 - металлогидридные товарные модули; 11 - криогенные товарные модули
Принципиальная схема перспективной зарядно-заправочной станции для автомобилей Schematic diagram of the perspective of charge-filling station for cars
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
В.А. Гпазков, В.В. Соловей, Н.С. Голубенко и др. Возможности Украины по созданию зарядно-заправочньк станций для автомобилей
Энергосбережение достигается в результате того, что зарядка аккумулятора и водородная заправка автомобилей проводится за счет использования электрической энергии, вырабатываемой ветроэлектрической установкой, когда есть достаточный ветер, а когда нет ветра, используется сетевая электрическая энергия.
В предлагаемой станции целесообразно реализовать оригинальные технические решения для самой станции и ее основных узлов - ветроэлектрической установки и электролизера.
Для станции [1]
- Использовать электрическую энергию, вырабатываемую ветроэлектрической установкой, когда есть достаточный ветер, и сетевую электрическую энергию, когда ветра нет.
- Эффективно использовать технические возможности ветроэлектрической турбогенераторной установки и электролизера высокого давления, которые позволят создать энергосберегающие станции в модульном исполнении (3*250 кВт).
- Использовать электрическую энергию с нестандартными параметрами по частоте и напряжению, которую вырабатывает ветроэлектрическая установка.
Для ветроэлектрической установки
Основным отличием турбогенераторных ветровых установок, создаваемых организацией ПКТБ «Конкорд», является аэродинамическая мультипликация оборотов генераторов за счет размещения синхронных индукторных генераторов с их турбинами на лопастях основного ротора.
Турбогенераторная схема ветороустановки позволяет работать с максимальным КПД при переменной частоте вращения основного ротора, обеспечивая при этом относительно постоянную частоту вращения индукторных генераторов, и «выдавать» электрическую энергию потребителям (электролизеру и аккумуляторам автомобилей) при любом сочетании функционирующих генераторов (1; 1+1; 1+1+1), оптимальном при различных скоростях ветра.
Для электролизера высокого давления
Отличительной особенностью электролизеров, разрабатываемых ИПМаш НАНУ, от известных мембранных электролизеров является их двухцик-ловой рабочий процесс.
Первый цикл - выделение водорода, количество которого в этом цикле определяется емкостью активного элемента (кислород накапливается в виде химического соединения).
Второй цикл - изменение полярности и разряд активных элементов.
Выделенный кислород накапливается в виде газа в отдельной емкости. Затем повторяется первый цикл.
Такой рабочий процесс обеспечит высокую эффективность электролизера. Давление газов в электролизере и в системе хранения ограничивается только прочностью конструкции и может достигать 700 кг/см2 без использования дополнительной компрессорной техники.
Эта отличительная особенность электролизера высокого давления соответствует концепции создания водородных автомобилей. В настоящее время Япония наладила серийное производство автомобиля Honda FCX на топливных элементах. В качестве топлива используется сжатый водород с давлением 350 кг/см2.
Концепция FCX демонстрирует развитие технологии топливных элементов и технологии генерирования водорода, который может вырабатываться в домашних энергетических установках (Home Energy) из обычного бытового газа. Компания Dynetek создает баллонную систему водородной заправки автомобилей при давлении 700 кг/см2.
Простота конструкции электролизера, его надежность, пониженные требования к качеству потребляемой им электрической энергии создают предпосылки для создания эффективных ветроводородных заправочных станций.
Практическая реализация наших технических предложений в предлагаемой зарядно-заправочной станции в значительной мере будет определяться состоянием разработки и отработки ее основных узлов, главные из которых - ветроэлектрическая установка и электролизер высокого давления.
В настоящее время это состояние дел в Украине характеризуется следующими фактами.
В ПКТБ «Конкорд» разработан, изготовлен и испытан опытный образец ветроэлектрической установки мощностью 750 кВт (с тремя синхронными генераторами по 250 кВт каждый) [2], выполненной по турбогенераторной схеме и не имеющей аналогов в мире. Эта ВЭУ способна работать как параллельно с промышленной энергосистемой, так и на локальную сеть, при этом обладает рядом преимуществ в сравнении с ВЭУ, выполненной по классической схеме.
Предварительные испытания ВЭУ подтвердили принципиальную работоспособность схемы и ожидаемый уровень энергетических характеристик [3]. Анализ результатов испытаний показал возможность повышения мощности созданного образца ВЭУ до 1000 кВт.
В настоящее время модернизированный вариант ВЭУ готовится к проведению следующего этапа испытаний - опытной эксплуатации параллельно с промышленной энергосистемой. Одновременно ведется изготовление турбогенераторной ВЭУ номинальной мощностью 1000 кВт для энергообеспечения автономного объекта совместно с дизель-электрической станцией.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (100) 2011 © Научно-технический центр «TATA», 2011
Создание электролизера высокого давления для крупномасштабного производства водорода - задача достаточно сложная и по финансовым возможностям посильна государственным структурам в рамках национальных программ и, возможно, состоятельным финансовым группам. На пути к этой цели, по нашему мнению, возможно создание электролизеров модульного типа, взаимно увязанных с особенностями ветроэлектрической установки. Для созданной установки турбогенераторной схемы - это модуль мощностью 250-300 кВт.
В Украине освоено производство баллонов высокого давления Б-400Л из легированной стали объемом 80-1000 литров, на базе которых могут быть созданы электролизеры высокого давления (до 400 кг/см2) и системы баллонного хранения водорода.
В ИПМаш НАН Украины разработаны оригинальные технологии генерирования водорода и созданы демонстрационные образцы электролизеров высокого давления (0,5-1,0 м3/час), отличительная особенность которых состоит в использовании химически активных электродов, разделении во времени и в конструкции электрохимических процессов образования и выделения водорода и кислорода при электролизе воды.
Эти достижения позволят не только получать высокое давление газов (до 700 кг/см2), но и обеспечить гарантированную надежность работы электролизеров и его более высокие энергетические харак-
теристики по сравнению с обычными (мембранными) электролизерами, работающими при давлении 1-25 кг/см2.
Новые оригинальные технические решения, разработанные и экспериментально проверенные ИПМаш по электролизеру высокого давления и ПКТБ «Конкорд» по ветроэлектрической установке турбогенераторной схемы, позволяют создать в Украине перспективные зарядно-заправочные станции для автомобилей.
Список литературы
1. Глазков В.А., Соловей В.В., Шихайлов Н.А., Попов В.А. Водородная и энергосберегающая ветроэнергетика в Украине. Материалы X международной конференции. АР Крым, Николаевка, сентябрь 2009 г.
2. Голубенко Н.С., Довгалюк С.И., Цыганов В.А. Конструктивные особенности и состояние изготовления опытного образца ВЭУ ТГ-750. Материалы V международной конференции. АР Крым, Николаев-ка, сентябрь 2004 г.
3. Голубенко Н.С., Довгалюк С.И., Цыганов В.А., Яцура А. А. Некоторые результаты предварительных испытаний ВЭУ ТГ-750. Материалы VIII международной конференции. АР Крым, Николаевка, сентябрь 2007 г.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
