OGNIWO PALIWOWE W UKŁADACH ZASILANIA POTRZEB WŁASNYCH

Transkrypt

1 Antoni DMOWSKI, Politechnika Warszawska, Instytut Elektroenergetyki Bartłomiej KRAS, APS Energia OGNIWO PALIWOWE W UKŁADACH ZASILANIA POTRZEB WŁASNYCH 1. Wstp Obecne rozwizania podtrzymania zasilania obwodów prdu 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 uytkowania, podlegaj kosztownym procedurom recyklingu. Równie z punktu widzenia ekologii, nie jest to rozwizanie zadowalajce. Pojawienie si ogniwa paliwowego umoliwiło zaprojektowanie układu zasilania prdem stałym z pominiciem wad przedstawionych powyej rozwiza. Ogniwo jest w stanie dostarcza energi elektryczn w sposób cigły, nie generujc hałasu, bez spalin i nie wymaga recyklingu. 2. Załoenia 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 umoliwiło zaprojektowanie układu zasilania prdem stałym z pominiciem wad przedstawionych powyej rozwiza. Ogniwo jest w stanie dostarcza energi elektryczn w stanach awaryjnych przy braku lub złej jakoci sieci zawodowej. Jest równie ekologiczne. Niestety ogniwo paliwowe jest obecnie ródłem, wymagajcym specjalnych, energoelektronicznych urzdze dodatkowych w celu bezpiecznej pracy z wymaganymi parametrami. Posiada ono szereg właciwoci chemicznych i elektrycznych, które wymagaj kontroli i sterowania. Jedn z głównych cech obecnych ogniw paliwowych jest brak moliwoci przecienia dynamicznego powyej mocy znamionowej. W przeciwiestwie np. baterii chemicznej nie mona chwilowo przeciy ogniwa, aby uzyska impuls prdowy krótki w czasie np. w celu uzyskania selektywnoci zabezpiecze. Nowoprojektowany system zasilania z ogniwem paliwowym musi wic spełnia nastpujce załoenia: - szybki start, - due przecienie, - długi czas pracy, - wysoka sprawno, - moliwo startu w dowolnym momencie, - zapewnienie przecie dynamicznych, - zapewnienie selektywnoci czasowo-prdowej zabezpiecze, - ekologia pracy i recyklingu. 1

2 Rys. 1. Obecnie stosowany schemat zasilania potrzeb własnych 3. Budowa systemu zasilania z ogniwem paliwowym Rozwizanie tych problemów moe by dokonane poprzez zastosowanie układu hybrydowego łczcego ogniwo paliwowe z przetwornic energoelektroniczn oraz magazynem energii elektrycznej w postaci baterii chemicznej lub superkondensatorem. Układ jest zoptymalizowany pod ktem najwikszej wydajnoci przy jak najmniejszych elementach wykorzystujcych inne chemiczne ródła energii baterie kwasowe. Ogniwo paliwowe o mocy 10 kw przedstawione zostało na rys. 2. 2

3 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. Dua bateria chemiczna zostanie w nim zastpiona przez ogniwo paliwowe wraz z dynamicznych magazynem energii. Rys. 3. Układ zasilania z ogniwem paliwowym 3

4 4. Poprawa dynamiki pracy Ogniwo paliwowe w tym układzie jest głównym ródłem energii podczas pracy awaryjnej. Energia elektryczna przekazywana jest do przetwornicy poredniczcej, która zapewnia liniowy pobór prdu o zadanej wartoci i stabilizowanym napiciu wyjciowym. Na wyjciu przetwornicy zastosowano magazyn energii elektrycznej o parametrach napiciowych dopasowanych do odbiornika i bardzo małej pojemnoci wystarczajcej na impulsowy pobór prdu kilkukrotnie przewyszajcego prd znamionowy ogniwa. Zapewnia to selektywno zabezpiecze na odbiornikach i moliwo wystpienia przecie dynamicznych. Schemat działania układu w takim momencie przedstawiony jest na rys. 4. Ogniw o Paliwowe DC DC Odbiory Odbiory Bateria Odbiory Rys. 4. Działanie systemu podczas zadziałania zabezpieczenia na jednym z odbiorów Na rys. 5 przedstawione s przykładowe przebiegi prdów podczas pracy z chwilowym przecieniem. Podczas takiej pracy nadwyka energii pobierana jest z dynamicznego magazynu energii, który nastpnie jest ładowany w okresie pracy z moc poniej nominalnej Prd silnika Prd przetwornicy Prd baterii Prd [A] :30 21:33 21:36 21:39 21:42 21:45 21:48 21:51 21:54 21:57 22:00 22:03 22:06 22:09 22:12 22:15 22:18 22:21 22:24 22:27 22:30 22:33 22:36 22:39 22:42-20 Godzina [h] Rys. 5. Przebiegi prdów podczas przecienia układu 4

5 Na rys. 6 pokazano oscylogram zadziałania zabezpieczenia selektywnego w układach zasilanych przez ogniwo paliwowe. Rys. 6. Przebiegi prdów baterii chemicznej i ogniwa paliwowego podczas zadziałania zabezpieczenia w jednym z obwodów obcienia 4. Wnioski Zastosowanie ogniw paliwowych wraz z magazynem energii elektrycznej pozwala na zapewnienie zasilania układom potrzeb własnych oraz gwarantuje selektywno czasowoprdow zabezpiecze w tym układzie. Dla wszystkich przecie dynamicznych oraz jednostkowych skoków obcienia (np. wywołane procesami łczeniowymi w odbiorniku lub startem napdów) zapewnione zostały odpowiednie iloci energii o właciwych parametrach. Wyniki bada oraz analizy pokazuj, e w dziedzinie awaryjnego zasilania, zdominowanej ostatnimi laty przez systemy typu UPS z bateriami chemicznymi i agregatami prdotwórczymi mona znale nowe rozwizania, które czciowo eliminuj typowe wady układów klasycznych. Ogniwo paliwowe moe si sta ródłem energii XXI wieku, a superkondensator idealnym magazynem energii elektrycznej. Połczenie tych dwóch technologii pozwoliło na zaprojektowanie oryginalnego systemu zasilania, który posiada jeszcze jedn cech: jest ekologiczny w eksploatacji. 5

6 Literatura [1] Malko J.: Stan aktualny i bliskie perspektywy technologii wytwarzania energii elektrycznej. VI Konferencja Nowoczesne urzdzenia zasilajce w energetyce. Marzec 2003, Elektrownia Kozienice S.A. wiere Górne. [2] Dmowski A., Biczel P., Kras B.: Stand-alone telecom power system supplied by PEM fuel cell and renewable sources. International Fuel Cell Workshop 2001, , Kofu, Japan. [3] Dmowski A., Biczel P., Kras B.: Czy ogniwa paliwowe stan si przyszłoci elektroenergetyki. UPS Nowe podejcie do zasilania awaryjnego, Jachranka k/warszawy, listopad [4] Styczyski Z.: Ogniwa paliwowe. Przyszło zasilania? Wiosenna Szkoła Fundacji Steinbeisa, Odnawialne ródła energii XXI wieku Magdeburg, kwiecie 2001, Niemcy. [5] Dmowski A., Kras B.: Fuel Cell Control System And Power Converters. Elektrische Energiewandlugssysteme, Magdeburg, maj 2002, Niemcy. 6