References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2021.09.072-089

alternative-2107

Research Article

ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА. ЭНЕРГОКОМПЛЕКСЫ НА ОСНОВЕ ВИЭ

RENEWABLE ENERGY. RES BASED POWER COMPLEXES

Теоретическое и экспериментальное исследование ветроэнергетической установки с водородным накопителем

Theoretical and experimental research on wind power hydrogen storage energy system

Мартьянов

А. С.

Martyanov

A. S.

Андрей Сергеевич Мартьянов, к.т.н., доцент кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения»

SPIN-код: 7745-3958

ResearcherID: A- 3902-2014

Scopus ID: 57170580600

454080 г. Челябинск, пр. Ленина 76

Andrey S Martyanov, PhD, associated professor (docent) of “Electric Stations, Grids and Electric Supply Systems” Dept.

76 Lenin Str., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation

martyanov_andrey@mail.ru

Терехин

А. А.

Terekhin

A. A.

Александр Александрович Терехин, к.т.н., доцент ка-федры «Летательные аппараты»

Scopus ID: 26536627100

454080 г. Челябинск, пр. Ленина 76

Aleksandr Terekhin, PhD, associated professor (docent) of “Aircraft” Dept.

76 Lenin Str., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation

Aleksandr.Terekhin@gmail.com

Исмагилов

Д. Р.

Ismagilov

Денис Рашидович Исмагилов, инженер-исследователь научно-образовательного центра "Аэрокосмические технологии"

SPIN-код: 8488-6020

454080 г. Челябинск, пр. Ленина 76

Denis Ismagilov, research en-gineer scientific and educational center “Aerospace technologies”

76 Lenin Str., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation

drismagilov@gmail.com

Ян

Ю.

Yang

Yusong

Юйсун Ян, аспирант кафедры «Электрические станции, сети и системы»

ResearcherID: ABA-5682-2020

Scopus ID: 57217211823

454080 г. Челябинск, пр. Ленина 76

Yusong Yang, PhD. student of “Electric Stations, Grids and Systems”

76 Lenin Str., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation

1152108936@qq.com

Ковалёв

А. А.

Kovalyov

A. A.

Антон Александрович Ковалёв, аспирант кафедры «Электрические станции, сети и системы»

SPIN-код: 7477-6832

Scopus ID: 57209801438

454080 г. Челябинск, пр. Ленина 76

Anton Kovalyov, PhD, student of “Electric Stations, Grids and Systems”

76 Lenin Str., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation

alpenglow305@yandex.ru

Рявкин

Г. Н.

Ryavkin

G. N.

Глеб Николаевич Рявкин, магистрант кафедры «Электрические станции, сети и системы»

SPIN-код: 9303-6629

Scopus ID: 57219672086

454080 г. Челябинск, пр. Ленина 76

Gleb Ryavkin, Master of “Electric Stations, Grids and Systems”

76 Lenin Str., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation

Мирошниченко

А. А.

Miroshnichenko

A. A.

Алексей Александрович Мирошниченко, аспирант кафедры «Электрические станции, сети и системы»

SPIN-код: 2280-0150

ResearcherID: W-2057-2017

Scopus ID: 57205376224

454080 г. Челябинск, пр. Ленина 76

Alexey Miroshnichenko, postgradu-ate student of “Electric Stations, Grids and Systems”

76 Lenin Str., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation

alex.miroshnichenko@mail.ru

Кичатов

В. В.

Kichatov

V. V.

Владислав Валерьевич Кичатов, студент 5-го курса кафедры "Летательные аппараты"

454080 г. Челябинск, пр. Ленина 76

Vladislav Kichatov, 5th year student of the "Aircraft" department

76 Lenin Str., Chelyabinsk, 454080 Russian Federation

kichatov.vlad@yandex.ru

Южно-Уральский государственный университетРоссияSouth-Urals State UniversityRussian Federation

2021

02042022

025-277289

2022

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2107

В ходе анализа эксплуатационных характеристик ветроэнергетической установки (ВЭУ) и данных о располагаемых ветровых ресурсах было установлено, что в ряде случаев энергосистема не способна полностью потреблять энергию, вырабатываемую генерирующей системой. В такой ситуации принимаются меры по ограничению генерируемой мощности ВЭУ, приводящие к недоиспользованию ветрового потенциала и снижению эффективности использования ветроэнергетических установок. В этих случаях для улучшения использования ветрового ресурса возможно дополнение ветроэнергетической установки водородным накопителем энергии, позволяющим использовать избыток генерируемой мощности для электролиза воды и получения водорода, который затем можно использовать для генерации электрической энергии в периоды пиковых нагрузок в электрической сети. Для исследования процессов, происходящих при этом в энергетической системе, в Matlab/Simulink была разработана математическая имитационная модель, основанная на свойствах и характеристиках ветроэнергетической установки, оборудования для производства водорода и других компонентов системы. Принимая за основу объёмы производства/потребления энергии, элементы объединены в единую систему для моделирования процессов производства и использования водорода в ветроэнергетической установке. С помощью имитационной модели и различных данных о ветровом ресурсе и действующих нагрузках в электрической сети определены параметры процесса производства водорода и коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) в системе. Результаты показали, что внедрение водородного накопителя энергии может существенно увеличить эффективность использования ветрового ресурса.

The analysis of the operating parameters and available wind resources showed that the energy, generated by the system in some cases, may exceed the consumption abilities of the local energy grid. In such cases usually the system is limiting generated power of wind turbines, leading to underutilization of wind potential and to decrease in the efficiency of the wind power plants used. To improve the use of the wind resource, the wind power plant can be equipped with an extra hydrogen energy storage device, which allows the excess generated power to be used for the electrolysis of water and the production of hydrogen, which in turn can be used to generate electrical energy during periods of peak loads in the electrical grid. To study the processes occurring in the energy system, we developed the Matlab/Simulink mathematical simulation model based on the properties and characteristics of the wind power plant, equipment for the production of hydrogen and other components of the system. Based on the volume of energy production/consumption, the elements are combined into the integral system for modeling the processes of production and use of hydrogen with the wind power plant. Using a simulation model and various data on the wind resource and operating loads in the electrical grid, the parameters of the hydrogen production process and the wind energy utilization factor (wind energy efficiency) were determined for the overall system. The results showed that the implementation of hydrogen energy storage device may significantly increase the efficiency of wind resource usage.

ветроэнергетическая установкаводородный накопитель энергииэлектролизёрпротонообменный мембранный топливный элементMatlab/Simulink

wind energy conversion systemelectrolyzerPEM fuel cellMatlab/Simulink

Исследование проведено при поддержке Китайского стипендиального совета (CSC) и финансовой поддержке РФФИ (Российского Фонда Фундаментальных Исследований) в рамках научного проекта 20-48-740002_а_Челябинск на базе проектного обучения ЮУрГУ.

References1

M. Z. Jacobson, “Review of solutions to global warming, air pollution, and energy security,” Energy Environ. Sci., vol. 2, no. 2, pp. 148–173, 2009, doi: 10.1039/b809990c.

J. F. Manwell, J. G. McGowan, and A. L. Rogers, Wind Energy Explained: Theory, Design and Application. 2010.

X.-D. Liu, K. Fang, H.-Y. Chen, and C.-Q. She, “Research on rational wind power casting theory for large-scale wind power integration improvement,” Power Syst. Prot. Control, vol. 40, no. 6, pp. 35–39, 2012.

D. Kroniger and M. Reinhard, “Hydrogen storage for wind parks: A real options evaluation for an optimal investment in more flexibility,” Appl. Energy, no. 136, pp. 931–946, 2014.

E. Solomin, I. Kirpichnikova, R. Amerkhanov, D. Korobatov, M. Lutovats, and A. Martyanov, “Wind-hydrogen standalone uninterrupted power supply plant for all-climate application,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 44, no. 7, pp. 3433–3449, 2019, doi: 10.1016/j.ijhydene.2018.12.001.

Соломин, Е.В. Использование ветро-водородного комплекса бесперебойного энергоснабжения в различных климатических условиях / Соломин Е.В., Кирпичникова И.М., Амерханов Р.А., Коробатов Д.В., Лутовац М., Мартьянов А.С. // «Альтернативная энергетика и экология». – 2018. - №13-15. – с. 30-54. https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.13-15.030-054.

Solomin, E.V. Wind-hydrogen standalone uninterrupted power supply plant for all-climate application / Solomin, E.V., Kirpichnikova I.M., Amerkhanov R.A., Korobatov D.V., Litovats М., Martyanov A.S. // «Alternativnaya Energetika i Ekologiya». – 2018. - №13-15. – pp. 30-54. https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.13-15.030-054.

M. M. Hossain, M. R. I. Sheikh, and P. S. Rah-man, “Cooperatively controlling of grid connected DFIG based wind turbine with hydrogen generation system,” in 2015 International Conference on Electrical & Electronic Engineering (ICEEE), 2015, pp. 233–236.

M. Althubaiti, M. Bernard, and P. Musilek, “Fuzzy logic controller for hybrid renewable energy sys-tem with multiple types of storage,” in 2017 IEEE 30th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE), 2017, pp. 1–6.

Solomin, E.V. Development of Algorithms of Rapid Charging for Batteries of Hybrid and Electric Drives of City Freight and Passenger Automobile Trans-portation Vehicles / E.V. Solomin ; I.M. Kirpichnikova ; D.V. Korobatov ; A.S. Martyanov ; E.E. Solomin // 2018 Global Smart Industry Conference (GloSIC) (Scopus, IF=NO). – Omsk State Technical University. – 13–15 November 2018, Chelyabinsk, Russia. – doi: 10.1109/GloSIC.2018.8570134.

Solomin, E.V. Development of Algorithms of Rapid Charging for Batteries of Hybrid and Electric Drives of City Freight and Passenger Automobile Transportation Vehicles / E.V. Solomin ; I.M. Kirpichnikova ; D.V. Korobatov ; A.S. Martyanov ; E.E. Solomin // 2018 Global Smart Industry Conference (GloSIC) (Scopus, IF=NO). – Omsk State Technical University. – 13–15 November 2018, Chelyabinsk, Russia. – doi: 10.1109/GloSIC.2018.8570134.

M. Uzunoglu, O. C. Onar, and M. S. Alam, “Modeling, control and simulation of a PV/FC/UC based hybrid power generation system for stand-alone applications,” Renew. Energy, vol. 34, no. 3, pp. 509–520, 2009, doi: 10.1016/j.renene.2008.06.009.

M. J. Khan and M. T. Iqbal, “Dynamic model-ing and simulation of a small wind-fuel cell hybrid energy system,” Renew. Energy, vol. 30, no. 3, pp. 421–439, 2005, doi: 10.1016/j.renene.2004.05.013.

M. J. Khan and M. T. Iqbal, “Dynamic modeling and simulation of a small wind-fuel cell hybrid energy system,” Renew. Energy, vol. 30, no. 3, pp. 421–439, 2005, doi: 10.1016/j.renene.2004.05.013.

O. C. Onar, M. Uzunoglu, and M. S. Alam, “Dynamic modeling, design and simulation of a wind/fuel cell/ultra-capacitor-based hybrid power generation system,” J. Power Sources, vol. 161, no. 1, pp. 707–722, 2006, doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.03.055.

S.Sreenathad, K.Sudhakar, A.F.Yusop, E.Solomin, I.M.Kirpichnikova. Solar PV energy system in Malaysian airport: Glare analysis, general design and performance assessment. Energy Reports (WofS, IF=3.83) (SNIP=2.45). Volume 6, November 2020, Pag-es 698-712. doi: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.03.015.

S.Sreenathad, K.Sudhakar, A.F.Yusop, E.Solomin, I.M.Kirpichnikova. Solar PV energy system in Malaysian airport: Glare analysis, general design and performance assessment. Energy Reports (WofS, IF=3.83) (SNIP=2.45). Volume 6, November 2020, Pages 698-712. doi: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2020.03.015.

Y. W. J. G. Y. Yunlong, “Improvement of wind abandoned consumption capacity in a region of North-east Region China by wind power hydrogen storage energy system,” Power Capacit. React. Power Compens., vol. 39, no. 4, pp. 0190–0197, 2018, doi: 10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2018.04.032.

M. Korpås and A. T. Holen, “Operation planning of hydrogen storage connected to wind power oper-ating in a power market,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 21, no. 3, pp. 742–749, 2006, doi: 10.1109/TEC.2006.878245.

M. Korpås and A. T. Holen, “Operation planning of hydrogen storage connected to wind power operating in a power market,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 21, no. 3, pp. 742–749, 2006, doi: 10.1109/TEC.2006.878245.

R. Dufo-López, J. L. Bernal-Agustín, and J. Contreras, “Optimization of control strategies for stand-alone renewable energy systems with hydrogen storage,” Renew. Energy, vol. 32, no. 7, pp. 1102–1126, 2007, doi: 10.1016/j.renene.2006.04.013.

S. R. Vosen and J. O. Keller, “Hybrid energy storage systems for stand-alone electric power systems: Optimization of system performance and cost through control strategies,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 24, no. 12, pp. 1139–1156, 1999, doi: 10.1016/S0360-3199(98)00175-X.

C.-H. Li, X.-J. Zhu, G.-Y. Cao, S. Sui, and M.-R. Hu, “Dynamic modeling and sizing optimization of stand-alone photovoltaic power systems using hybrid energy storage technology,” Renew. Energy, vol. 34, no. 3, pp. 815–826, 2009, doi: 10.1016/j.renene.2008.04.018.

W. Yang, K. Jiang, and X. Song, “Analysis on influencing factors of operating efficiency of the wind-solar complementary hydrogen production system in the middle and South of Hebei Province based on Matlab/Simulink,” vol. 36, pp. 384–389, 2018.

H. Görgün, “Dynamic modelling of a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer,” Int. J. Hydro-gen Energy, vol. 31, no. 1, pp. 29–38, 2006, doi: 10.1016/j.ijhydene.2005.04.001.

H. Görgün, “Dynamic modelling of a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 31, no. 1, pp. 29–38, 2006, doi: 10.1016/j.ijhydene.2005.04.001.

Korobatov, D. Wind Turbine Power Plant Con-trol / D.V.Korobatov, E.A.Sirotkin, A.O.Troickiy, E.V.Solomin // X International IEEE Scientific and Technical Conference "Dynamics of Systems, Mecha-nisms and Machines" (Dynamics) ("Международная IEEE научно-техническая конференция «Динамика систем, механизмов и машин» под эгидой Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)"). – Omsk State Technical University. – 15–17 November 2016, Omsk, Russia. – 2016 Dynamics of Systems, Mecha-nisms and Machines (Dynamics 2016) (Scopus, IF=NO), Added to IEEE Xplore: 19 January 2017, IEEE, pp.1-5. – doi: 10.1109/Dynamics.2016.7819031.

Korobatov, D. Wind Turbine Power Plant Con-trol / D.V.Korobatov, E.A.Sirotkin, A.O.Troickiy, E.V.Solomin // X International IEEE Scientific and Technical Conference "Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines" (Dynamics) ("Mezhdunarodnaya IEEE nauchno-tekhnicheskaya konferentsiya «Dinamika sistem, mekhanizmov i mashiN» pod ehgidoi Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)"). – Omsk State Technical University. – 15–17 November 2016, Omsk, Russia. – 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics 2016) (Scopus, IF=NO), Added to IEEE Xplore: 19 January 2017, IEEE, pp.1-5. – doi: 10.1109/Dynamics.2016.7819031.

Martyanov, A.S., Korobatov, D.V., Solomin, E.V. Research of IGBT–Transistor in Pulse Switch. Procedia Engineering Journal. (2016) 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2016 - Proceedings, art. no. 7911470. (Journal reference: PROENG27157. PII: S1877–7058(15)03968–5). (Scopus, IF=0.32) – doi: 10.1109/ICIEAM.2016.7911470.

M. Farooque and H. C. Maru, “Fuel Cells - The Clean and Efficient Power Generators,” Proc. IEEE, vol. 89, no. 12, pp. 1819–1829, 2001, doi: 10.1109/5.975917.

C. Wang and M. H. Nehrir, “Power management of a stand-alone wind/photovoltaic/fuel cell energy system,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 23, no. 3, pp. 957–967, 2008, doi: 10.1109/TEC.2007.914200.

N. M. Souleman, O. Tremblay, and L. A. Des-saint, “A generic fuel cell model for the simulation of fuel cell power systems,” 2009 IEEE Power Energy Soc. Gen. Meet. PES ’09, pp. 1722–1729, 2009, doi: 10.1109/PES.2009.5275853.

N. M. Souleman, O. Tremblay, and L. A. Dessaint, “A generic fuel cell model for the simulation of fuel cell power systems,” 2009 IEEE Power Energy Soc. Gen. Meet. PES ’09, pp. 1722–1729, 2009, doi: 10.1109/PES.2009.5275853.

K. Min, J. Brouwer, J. Auckland, F. Mueller, and S. Samuelsen, “Dynamic simulation of a stationary pem fuel cell system,” Proc. 4th Int. ASME Conf. Fuel Cell Sci. Eng. Technol. FUELCELL2006, vol. 2006, no. July, pp. 13–15, 2006, doi: 10.1115/fuelcell2006-97039.

Sirotkin, E.A. Emergency Braking System for the Wind Turbine / E.A. Sirotkin, A.S. Martyanov, E.V. Solomin, S.V. Kozlov // 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). – 19–20.05.2016. – Chelyabinsk. – Procedia Engineering Journal (Scopus, IF=0.32) (Journal reference: PROENG27157. PII: S18777058(15)03968–5). – doi: 10.1109/ICIEAM.2016.7911451.

J. Jia, S. Yang, Y. Wang, and Y. T. Cham, “Matlab/simulink based-study on PEM fuel cell and non-linear control,” 2009 IEEE Int. Conf. Control Autom. ICCA 2009, pp. 1657–1662, 2009, doi: 10.1109/ICCA.2009.5410529.

Kozlov, S.V. Wind Turbine Rotor Magnetic Levitation / S.V .Kozlov, E.A. Sirotkin, E.V. Solomin // 2016 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). – 19–20.05.2016. – Chelyabinsk. – Procedia Engineering Journal (Scopus, IF=0.32) (Journal reference: PRO-ENG27157. PII: S1877–7058(15)03968–5). – doi: 10.1109/ICIEAM.2016.7911477.

H. Xu, L. Kong, and X. Wen, “Fuel cell power system and high power DC-DC converter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 5, pp. 1250–1255, 2004, doi: 10.1109/TPEL.2004.833440.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.