Солнечно-водородная микросеть

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Якушев Е.Ю. 1

---

1МАОУ "Гимназия №17" г. Перми

Кокшаров П.А. 1Кочнева Л.С. 2

---

1Кванториум Фотоника

2МАОУ "Гимназия №17" г. Перми

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Наш проект Солнечно-водородная микросеть помогает владельцам коттеджных поселков, предприятиям малого и среднего бизнеса решить проблему нестабильного энергоснабжения с помощью технологии хранения энергии в водороде.
Подобные аналоги существую в других странах: Германии, Тайланде, Норвегии, Швейцарии и Японии. В Россий пока нет подобный систем.

Правительство РФ утвердило план мероприятий «Развитие водородной энергетики в Российской федерации до 2024 года» По результатам гуглтренд, Россия находиться на 2 месте по заинтересованности в водородной энергетике. Поэтому наш проект очень актуален.

Цель

Сделать макет локальной энергосистемы (микрогрид), способной сохранять и распределять энергию от ВИЭ используя водородный генератор. Водород будет собирается в баки-накопители методом вытеснения воды, но может быть сжат в баллоны. Система может работать автономно или входить в сеть подобных систем.

Задачи

Изучить работу водородных топливных элементов

Разобраться в принципах работы электросетей и программировании микроконтроллеров

Создать макет работающего участка сети (микрогрид)

Протестировать его работу

Провести исследование и расчеты эффективности

Сделать выводы, доработать при необходимости

Актуальность

Решает проблему непостоянства работы солнечных электростанций и ветрогенераторов.

Служит накопителем энергии и контролирует раздачу энергии потребителю.

Проект может обеспечить энергоэффективность возобновляемых источников энергии.

Не зависит от общей сети, и может в любой момент выработать и использовать энергию.

Гипотеза

Наша установка будет актуальна для жителей отдаленных районов, проживающих без центрального энергоснабжения, для владельцев и застройщиков коттеджных поселков.

Основное содержание

Обзор проблемы

Ежегодно увеличивается количество вырабатываемой энергии в мире. Большую часть энергии вырабатывают тепловые электростанции, сжигая ископаемое топливо и производя огромное количество парниковых газов. Чтобы уменьшить влияние на экологию возобновляемые источники энергии становятся более востребованными.

Однако ВИЭ имеют существенные недостатки: их непостоянство (график 1 и 2) и высокую стоимость аккумулирования энергии.

По статистике без централизованного энергоснабжения в России проживает более 10 млн. человек. Подключение к общим электросетям жителей отдаленных районов страны трудоемко и дорого. Все это заставляет задумать о развитии солнечной энергетики.

График 1

Для формирования графика взяты данные о времени восхода и захода солнца в Перми с 01 по 10 июля 2021.

График 2

Для составления диаграммы для расчетов взяли среднюю продолжительность дня по месяцам и количество солнечных дней по месяцам в Перми в 2020 и 2021 годах.

Для эффективного использования ВИЭ требуется достаточный активный резерв, который бы реагировал на изменения в работе альтернативных источников.

Водород обладает наибольшим потенциалом среди технологий накопления энергии в будущем.

Многочисленные варианты транспортировки водорода обеспечивают облегчение для сети электропередачи, возможности которой ограничены. Кроме того, водород может сбалансировать сезонные и суточные колебания в возобновляемых источниках энергии.

Ключевые этапы работы

Обсуждение идеи

Изучение темы, технологий связанных с проектом, поиск оригинального решения. Проработка идеи.

Работа над проектом

1) Разработка схем, чертежей. Подбор комплектующих.

2) Конструирование разных частей макета. Пайка. 3Д моделирование.

3) Сборка отдельных частей в одно целое – прототип.

4) Проверка на работоспособность. Доработка.

Программирование контроллера.

Сборка итогового макета.

Тестирование. Анализ данных.

Оформление презентации

Экономические расчеты

Анализ существующих решений

На сегодня наиболее востребованы два способа хранения водорода:

1. хранение газообразного водорода под давлением (бюджетный)

2. хранение водорода в жидком виде (энергоёмкий).

В своей разработке мы использовали метод хранения газообразного водорода.

В России генерацией и энерготранспортировкой до 2008 года занималась РАО «ЕЭС России». В результате реформы энергетики страны весь инжиниринговый электроэнергетический бизнес был преобразован в ряд крупных специализированных компаний. И тем не менее на данный момент в России нет аналогов нашей микросети.

Сравнительная таблица аналогов в мире.

Разрабатывая наш микрогрид мы решили стандартный аккумулятор заменить накопителем водорода. Этот накопитель более долговечный и экологичный, а полученный водород “Зеленый”. В этом заключается новизна.

Технические подробности

Для сборки макета нам понадобились: Солнечная панель, электролизёр, топливная ячейка, потребители разной мощности и разного приоритета, микроконтроллер, датчики тока и

напряжения, реле ( Приложение 1).

В качестве ВИЭ мы использовали солнечную панель

В качестве накопителя применили водородную систему - электролизер, накопитель газообразного водорода, водородный топливный элемент

Управляющий контроллер Arduino, к нему подключены датчики силы тока и напряжения от источников энергии и потребителей, также подключены управляющие потребителями реле (Приложение 2)

В качестве потребителей разной мощности и приоритета использовали светодиодную ленту (наружная подсветка зданий), светодиоды (внутреннее освещение), подставка для кружки с подогревом (обогрев здания)

Топливная ячейка подобрана так, чтобы мощности хватало для работы всех потребителей. Мощности солнечных панелей в яркий солнечный день достаточно не только для работы всех потребителей, но и для работы электролизёра. Наша установка не производит CO2

Алгоритм работы микроконтроллера

Ток, полученный с помощью солнечных панелей, проходя через датчики тока, напряжения и реле поступает к потребителям.

Если полученная от ВИЭ больше, чем потребляемая, то включаем электролизер для накопления водорода

Если полученная от ВИЭ меньше, чем потребляемая, то включаем водородный топливный элемент

Если получаемой от ВИЭ и водородного топливного элемента энергии недостаточно, то отключаем потребителей с меньшим приоритетом.

Экономические расчеты

Расчет окупаемости установки

Давайте произведем расчеты, хоть и очень приблизительные, но позволяющие оценить фактический срок окупаемости нашего микрогрида для физического лица.

Приблизительный расчет по энергозатратности частного дома площадью 100 м² с централизованной системой отопленияв течении месяца.

Итого среднемесячное потребление электроэнергии домостроением 165,5 кВт

Дом S=100 м², в котором устанавливается наш микрогрид, находится в Пермском крае. Тариф на свет в Перми и Пермском крае для домов с электроплитами - 3,25руб/кВт.ч., для домов с газовыми плитами – 4,44 руб/кВт.ч.

Приобретен комплект необходимого оборудования:

Монокристаллическая солнечная панель SilaSolar 550 Вт (10 шт, S=10,34 м²) – 90 552 руб.

ТопливнаяячейкаHorizon H-5000 PEM fuel cell

Электролизер СЭУ-10

Баллоны для хранения водорода УралКриоГаз-Трейд на 40 л. - (8 500 руб. за шт.) – 8 500 руб.

Микроконтроллер с ПО – 4 100 руб.

Сопутствующие комплектующие (провода, реле, датчики) – 2 000 руб.

Построим графики среднего объема планируемой выработки электроэнергии солнечными панелями в Перми и график планируемой нагрузки по месяцам.

График 3.

Суммарная выработка электроэнергии за год: 2367.55 кВт*ч.

На диаграмме ниже отражена окупаемость только солнечных панелей.

Чистая прибыль за 20 лет – 119686 руб.

Необходимое оборудования для нашей солнечно-водородной установки очень дорогостоящее на данный момент. Чтобы наша установка смогла себя окупить, целесообразно использовать топливную ячейку, электролизер и баки накопители сразу на несколько домов, в коттеджных посёлках с централизованным отоплением и газом, обедненных в единую сеть.

Так же желательно выбрать для установки регион с большим количеством солнечных дней, что ускорит окупаемость.

Итоги работы.

Мы собрали рабочий макет системы (Приложение 3) работающей от ВИЭ, способной автоматически распределять энергию между потребителями и накопителем энергии, а в случае недостаточного количества энергии от ВИЭ, использовать запасенную энергию, или отключать потребителей с низким приоритетом.

Ожидаемые результаты внедрения

Возможность продавать накопленную энергию

Возможность покупать накопленную энергию у других пользователей

Вред окружающей среде возможен только в процессе производства и утилизации преобразователя энергии (например солнечные панели, ветряки, электролизеры, топливные ячейки)

При работе преобразователей энергии не образуется никаких вредных выбросов и отходов

Каждый дом может быть независим от общих энергетических сетей

Заключение

В процессе реализации проекта я получил знания о работе возобновляемых источников энергии, о работе водородных топливных элементов, научился рассчитывать потребляемую мощность и программировать микроконтроллеры. А также разрабатывать электрические сети. Приобрел опыт работы с водородной системой, улучшил навыки пайки и сборки электрических соединений.

Для реализации проекта я подобрал статьи по необходимой теме, участвовал в подборке комплектующих, пайке и сборке макета. Самостоятельно изготовил элементы интерьера, шаблон макета для лазерного станка. Собрал необходимые данные о выработке солнечной энергии, изучил статистику о количестве и продолжительности солнечных дней в Пермском крае.

По расчетам окупаемости сделали следующий вывод. Нашу установку выгоднее применять в коттеджных поселках с центральным отоплением и газом, объединив до 10 домов в общую сеть, с общим электролизёром и топливной ячейкой.

Следовательно, наша гипотеза частично верна - установка будет актуальна для жителей отдаленных районов, проживающих без центрального энергоснабжения, для владельцев и застройщиков коттеджных поселков, при условии подключения данных домов к центральному водоснабжению и газу.

Список литературы

Econet.  Статья: Ответом на проблему накопления энергии может быть водород [Электронный ресурс]/ Наука и техника - Статья по материалам techxplore.com, 2020 - режим доступа: https://econet.ru/articles/otvetom-na-problemu-nakopleniya-energii-mozhet-byt-vodorod

Кочетов, Алексей. Статья: Современные проблемы хранения водорода [Электронный ресурс]/А. Кочетов – электрон. текстовые дан., 2020 - режим доступа: https://zen.yandex.ru/media/dbk/sovremennye-problemy-hraneniia-vodoroda-5f12b2f2b7ecf524cf3b6903

Control Engineering [Электронный ресурс]: науч.-тех. изд./ электрон. журн. – Россия, 2017 – режим доступа к журн. : https://controlengrussia.com/otraslevye-resheniya/microgrid/

Чаусов, Игорь. Статья: Микрогриды швартуются в портах [Электронный ресурс]/И. Чаусов – электрон. текстовые дан., 2020 - режим доступа: https://medium.com/internet-of-energy/2566876c3f26

Приложения.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3