ogniwo paliwowe w układach zasilania potrzeb

ogniwo paliwowe w układach zasilania potrzeb

VII Mi dzynarodowa Konferencja „Nowoczesne urz dzenia zasilaj ce w energetyce”
Antoni DMOWSKI, Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki
Bartłomiej KRAS, APS Energia
OGNIWO PALIWOWE
W UKŁADACH ZASILANIA POTRZEB WŁASNYCH
1. Wst p
Obecne rozwi zania podtrzymania zasilania obwodów pr du stałego w energetyce
opieraj si na wykorzystywaniu baterii chemicznych, głównie wykonanych w technologii
ołowiowo-kwasowej (zarówno otwartych jak i typu VRLA). Powszechnie stosowane
akumulatory kwasowo-ołowiowe wymagaj
zaawansowanej obsługi, specjalnych
prostowników, układów nadzoru oraz po okresie u ytkowania, podlegaj kosztownym
procedurom recyklingu. Równie z punktu widzenia ekologii, nie jest to rozwi zanie
zadowalaj ce. Pojawienie si ogniwa paliwowego umo liwiło zaprojektowanie układu
zasilania pr dem stałym z pomini ciem wad przedstawionych powy ej rozwi za . Ogniwo
jest w stanie dostarcza energi elektryczn w sposób ci gły, nie generuj c hałasu, bez spalin
i nie wymaga recyklingu.
2. Zało enia systemu
Obecnie stosowane systemy zasilania potrzeb własnych obejmuj baterie chemiczne i
przetwornice energoelektroniczne. Przykładowy schemat realizacji takiego układu
przedstawiony jest na rys. 1.
Pojawienie si ogniwa paliwowego umo liwiło zaprojektowanie układu zasilania pr dem
stałym z pomini ciem wad przedstawionych powy ej rozwi za . Ogniwo jest w stanie
dostarcza energi elektryczn w stanach awaryjnych przy braku lub złej jako ci sieci
zawodowej. Jest równie ekologiczne. Niestety ogniwo paliwowe jest obecnie ródłem,
wymagaj cym specjalnych, energoelektronicznych urz dze dodatkowych w celu bezpiecznej
pracy z wymaganymi parametrami. Posiada ono szereg wła ciwo ci chemicznych i
elektrycznych, które wymagaj kontroli i sterowania. Jedn z głównych cech obecnych ogniw
paliwowych jest brak mo liwo ci przeci enia dynamicznego powy ej mocy znamionowej.
W przeciwie stwie np. baterii chemicznej nie mo na chwilowo przeci y ogniwa, aby
uzyska impuls pr dowy krótki w czasie np. w celu uzyskania selektywno ci zabezpiecze .
Nowoprojektowany system zasilania z ogniwem paliwowym musi wi c spełnia
nast puj ce zało enia:
- szybki start,
- du e przeci enie,
- długi czas pracy,
- wysoka sprawno ,
- mo liwo startu w dowolnym momencie,
- zapewnienie przeci e dynamicznych,
- zapewnienie selektywno ci czasowo-pr dowej zabezpiecze ,
- ekologia pracy i recyklingu.
1
VII Mi dzynarodowa Konferencja „Nowoczesne urz dzenia zasilaj ce w energetyce”
Rys. 1. Obecnie stosowany schemat zasilania potrzeb własnych
3. Budowa systemu zasilania z ogniwem paliwowym
Rozwi zanie tych problemów mo e by dokonane poprzez zastosowanie układu
hybrydowego ł cz cego ogniwo paliwowe z przetwornic energoelektroniczn oraz
magazynem energii elektrycznej w postaci baterii chemicznej lub superkondensatorem. Układ
jest zoptymalizowany pod k tem najwi kszej wydajno ci przy jak najmniejszych elementach
wykorzystuj cych inne chemiczne ródła energii – baterie kwasowe. Ogniwo paliwowe o
mocy 10 kW przedstawione zostało na rys. 2.
2
VII Mi dzynarodowa Konferencja „Nowoczesne urz dzenia zasilaj ce w energetyce”
Rys. 2. Ogniwo paliwowe typu PEM o mocy 10 kW
Na rys. 3 został przedstawiony uproszczony schemat zasilania układów potrzeb własnych
z wykorzystaniem tego ogniwa paliwowego. Du a bateria chemiczna zostanie w nim
zast piona przez ogniwo paliwowe wraz z dynamicznych magazynem energii.
Rys. 3. Układ zasilania z ogniwem paliwowym
3
VII Mi dzynarodowa Konferencja „Nowoczesne urz dzenia zasilaj ce w energetyce”
4. Poprawa dynamiki pracy
Ogniwo paliwowe w tym układzie jest głównym ródłem energii podczas pracy
awaryjnej. Energia elektryczna przekazywana jest do przetwornicy po rednicz cej, która
zapewnia liniowy pobór pr du o zadanej warto ci i stabilizowanym napi ciu wyj ciowym. Na
wyj ciu przetwornicy zastosowano magazyn energii elektrycznej o parametrach napi ciowych
dopasowanych do odbiornika i bardzo małej pojemno ci wystarczaj cej na impulsowy pobór
pr du kilkukrotnie przewy szaj cego pr d znamionowy ogniwa. Zapewnia to selektywno
zabezpiecze na odbiornikach i mo liwo wyst pienia przeci e dynamicznych. Schemat
działania układu w takim momencie przedstawiony jest na rys. 4.
Odbiory
DC
Ogniw o
Paliwowe
DC
Odbiory
Bateria
Odbiory
Rys. 4. Działanie systemu podczas zadziałania zabezpieczenia na jednym z odbiorów
Na rys. 5 przedstawione s przykładowe przebiegi pr dów podczas pracy z chwilowym
przeci eniem. Podczas takiej pracy nadwy ka energii pobierana jest z dynamicznego
magazynu energii, który nast pnie jest ładowany w okresie pracy z moc poni ej nominalnej
90
Pr d silnika
80
Pr d przetwornicy
Pr d baterii
70
60
40
30
20
10
-20
Godzina [h]
Rys. 5. Przebiegi pr dów podczas przeci enia układu
4
22
:4
2
22
:3
9
22
:3
6
22
:3
3
22
:3
0
22
:2
7
22
:2
4
22
:2
1
22
:1
8
22
:1
5
22
:1
2
22
:0
9
22
:0
6
22
:0
3
22
:0
0
21
:5
7
21
:5
4
21
:5
1
21
:4
8
21
:4
5
21
:4
2
21
:3
9
-10
21
:3
6
21
:3
3
0
21
:3
0
Pr d [A]
50
VII Mi dzynarodowa Konferencja „Nowoczesne urz dzenia zasilaj ce w energetyce”
Na rys. 6 pokazano oscylogram zadziałania zabezpieczenia selektywnego w układach
zasilanych przez ogniwo paliwowe.
Rys. 6. Przebiegi pr dów baterii chemicznej i ogniwa paliwowego podczas zadziałania zabezpieczenia
w jednym z obwodów obci enia
4. Wnioski
Zastosowanie ogniw paliwowych wraz z magazynem energii elektrycznej pozwala na
zapewnienie zasilania układom potrzeb własnych oraz gwarantuje selektywno czasowopr dow zabezpiecze w tym układzie. Dla wszystkich przeci e dynamicznych oraz
jednostkowych skoków obci enia (np. wywołane procesami ł czeniowymi w odbiorniku lub
startem nap dów) zapewnione zostały odpowiednie ilo ci energii o wła ciwych parametrach.
Wyniki bada oraz analizy pokazuj , e w dziedzinie awaryjnego zasilania,
zdominowanej ostatnimi laty przez systemy typu UPS z bateriami chemicznymi i agregatami
pr dotwórczymi mo na znale nowe rozwi zania, które cz ciowo eliminuj typowe wady
układów klasycznych. Ogniwo paliwowe mo e si sta ródłem energii XXI wieku, a
superkondensator idealnym magazynem energii elektrycznej. Poł czenie tych dwóch
technologii pozwoliło na zaprojektowanie oryginalnego systemu zasilania, który posiada
jeszcze jedn cech : jest ekologiczny w eksploatacji.
5
VII Mi dzynarodowa Konferencja „Nowoczesne urz dzenia zasilaj ce w energetyce”
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Malko J.: „Stan aktualny i bliskie perspektywy technologii wytwarzania energii
elektrycznej”. VI Konferencja „Nowoczesne urz dzenia zasilaj ce w energetyce”.
Marzec 2003, Elektrownia Kozienice S.A. wier e Górne.
Dmowski A., Biczel P., Kras B.: “Stand-alone telecom power system supplied by PEM
fuel cell and renewable sources”. International Fuel Cell Workshop 2001, 1213.11.2001, Kofu, Japan.
Dmowski A., Biczel P., Kras B.: „Czy ogniwa paliwowe stan si przyszło ci
elektroenergetyki”. UPS 2001- Nowe podej cie do zasilania awaryjnego, Jachranka
k/Warszawy, 19-21 listopad 2001.
Styczy ski Z.: “Ogniwa paliwowe. Przyszło zasilania?” Wiosenna Szkoła Fundacji
Steinbeisa”, Odnawialne ródła energii XXI wieku” Magdeburg, 23-24 kwiecie 2001,
Niemcy.
Dmowski A., Kras B.: „Fuel Cell Control System And Power Converters”. Elektrische
Energiewandlugssysteme, Magdeburg, maj 2002, Niemcy.
6