ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЕТРО-ВОДОРОДНОГО КОМПЛЕКСА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯВ РАЗЛИЧНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Представлен проект по созданию автономного энергокомплекса на основе ветроэнергетической установки и водородного модуля мощностью 3 кВт с дальнейшим тиражированием до 50 кВт. Показаны возможности эксплуатации данного комплекса в самых разных климатических условиях России: Сибири, Дальнего Востока, Северного Кавказа, Краснодарского края, – а также для универсального использования в климатических зонах Арктики и Антарктики, пустынях Африки и изолированных островов с характерными разрушительными морскими соляными туманами.

Проведены изучение, комплексный анализ и сравнение известных типов и классов ветроэнергоустановок, в результате которых представлена разработанная авторами инновационная многоярусная масштабируемая вертикально-осевая ветроэнергетическая установка. Эта установка использовалась в качестве основного источника питания, бесперебойная часть которого базируется на циклически работающем водородном модуле, содержит электролизер, систему топливных элементов и накопитель водорода с системой коммуникаций и управления. Компоненты разработанной авторским коллективом силовой установки функционируют на едином напряжении постоянного тока и могут подключаться к общей шине с увеличением мощности энергокомплекса. Гибкие алгоритмы управления позволили оптимизировать работу энергокомплекса для снижения частоты пусков-остановов, тем самым увеличив и срок эксплуатации, и временные промежутки между ремонтным обслуживанием. Дистанционное управление обеспечило контроль и управление процессами выработки электроэнергии и хранения водорода с помощью Интернет-технологий в длительных режимах.

Исследования показали, что данное оборудование является долговечным, надежным и экологически безопасным, система – модульной и гибкой, так как легко масштабируется под конкретного потребителя, включая персональное энергопотребление и малый бизнес. Кроме того, разработанный энергокомплекс является доступным по стоимости приобретения, монтажа и эксплуатации для удаленных потребителей энергии, поскольку оценочная стоимость оборудования коррелирует со стоимостью установки линии электропередачи, а эксплуатация оборудования не требует значительных инженерных и технических навыков.

1. Гольцов, В.А. В шаге от водородной цивилизации / В.А. Гольцов, Т.Н. Везироглу // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 22–24. – С. 33–39.

2. Ackermann, T. Distributed generation: a definition / T. Ackermann, G. Andersson, L. Södera // Electric Power Systems Research. – 2001. – Vol. 57. – P. 195–204.

3. Underground vs. Overhead: Power Line Installation – Cost Comparison and Mitigation, Electric Light and Power [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.elp.com/articles/powergrid_international/print/volume-18/issue-2/features/underground-vs-overheadpower-line-installation-cost-comparison-.html – (Дата обращения: 20.01.2018).

4. Chade, D. Feasibility study of wind-to-hydrogen system for Arctic remote locations – Grimsey island case study / D. Chade, T. Miklis, D. Dvorak // Renewable Energy. – 2015. – Vol. 76. – P. 204–211.

5. Svalbard's electric power could come from hydrogen. SINTEF. ScienceDaily, 2017 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/02/170207104356.htm – (Дата обращения: 04.01.2018).

6. Underground Electric Transmission Lines. Public Service Commission of Wisconsin Electric 11 (05/11), 2011 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://psc.wi.gov/Documents/Under%20Ground%20Transmission.pdf. – (Дата обращения: 20.01.2018).

7. How much energy is consumed in US residential and commercial buildings? US Energy Information Administration. May 10, 2017 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=86&t=1 – (Дата обращения: 20.01.2018).

8. Wind Energy Reduces Greenhouse Gas Emissions. American Wind Energy Association [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.awea.org/reducing-greenhouse-gas-emissions – (Дата обращения: 03.08.2017).

9. Information. Statistics. World Wind Energy Association 2016 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.wwindea.org/11961-2/. – (Дата обращения: 01.08.2017).

10. Small wind world market: back on track again. World Wind Energy Association 2017 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.wwindea.org/small-wind-world-market-back-on-track-again/ – (Дата обращения: 01.08.2017).

11. 2016 Wind Technologies Market Report, American Wind Energy Association, 2016 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://emp.lbl.gov/sites/default/files/2016_wind_technologies_market_report_final_optimized.pdf – (Дата обращения: 01.08.2017).

12. Bruckner, T. Report of IPCC Working Group III – Mitigation of Climate Change, Annex III: Technology – specific Cost and Performance Parameters 2014 [Электронный ресурс] / T. Bruckner [et al.]. – Режим доступа: https://www.ipcc.ch/pdf/assessmentreport/ar5/wg3/ipcc_wg3_ar5_annexiii.pdf – (Дата обращения: 08.01.2018).

13. EIA.gov. How much carbon dioxide is produced from burning gasoline and diesel fuel. US Energy Information Administration, updated 19.05.17 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=307&t=11 – (Дата обращения: 08.01.2018).

14. Consumption of energy. Eurostat Statistics Explained. European Commission. Modification of 09.11.2016 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php/Consumption_of_energy – (Дата обращения: 08.02.2017).

15. Reports 1-4 of SRC-Vertical, Project RUE-2-010620-CH-06 “All-Climate Testing of Vertical Axis Wind Turbines”, for Lawrence Berkeley National, DOE, USA / E. Solomin. – 2006–2009. – Режим доступа: по запросу автору или Glen Dahlbacka at LBNL.

16. Vesborg, P.C.K. Europe’s real energy problem [Электронный ресурс] / P.C.K. Vesborg // Technologist. – 2015 – No. 5. – Режим доступа: http://www.technologist.eu/europes-real-energyproblem/ – (Дата обращения: 03.08.2017).

17. Dahlbacka, G. Vertical Axis Windpower Systems and Opportunities [Электронный ресурс] / G. Dahlbacka. – Berkeley Lab. – July 29, 2004. – Режим доступа: http://www2.lbl.gov/today/2004/Jul/26-Mon/windjump.html. – (Дата обращения: 27.02.2017).

18. Reports 1-8 of SRC-Vertical on Project LBNL-T2-0203-RU “Development of Low-Maintenance Wind Power Systems” for Lawrence Berkeley National Laboratory and US Department of Energy [Электронный ресурс] / E. Solomin. – 2004–2006. – Режим доступа: http://newscenter.lbl.gov/2004/10/04/from-russia-with-wind-power/ (Дата обращения: 22.02.2017).

19. Ashwill, T.D. A Retrospective of VAWT technology [Электронный ресурс] / T.D. Ashwill, H.J. Sutherland, D.E. Berg // Report of Sandia National Laboratories #SAND2012-0304, TRN: US201205%%90. – 2012. – Режим доступа: https://www.osti.gov/scitech/biblio/1035336-retrospective-vawt-technology – (Дата обращения: 26.02.2017).

20. Ruff, H. Why is there so much confusion about “Small Wind”? [Электронный ресурс] / H. Ruff // CleanTechnica. – 2014. – Режим доступа: https://cleantechnica.com/2014/10/27/small-wind-turbine-myths/. – (Дата обращения: 27.02.2017).

21. Parker, H.S. The Hidden Human Tragedy Caused by Incessant Wind Turbine Noise [Электронный ресурс] / H.S. Parker // European Platform Against Windfarms. – Режим доступа: https://stopthesethings.com/author/stopthesethings/page/2/ – (Дата обращения: 01.05.2017).

22. Solomin, E. Iterative Approach in Design and Development of Vertical Axis Wind Turbines / E. Solomin, I. Kirpichnikova, A. Martyanov // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 792: Energy Systems, Materials and Designing in Mechanical Engineering. – No. 792. – P. 582–589.

23. SWIP – New innovative solutions, components and tools for the integration of wind energy in urban and peri-urban areas. Spain, Great Britain. Program: FP7-ENERGY. European Commission. Modification of 17.07.2017 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://cordis.europa.eu/news/rcn/137715_en.html – (Дата обращения: 03.08.2017).

24. Next-Generation Wind Technology. EU-funded projects [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://windeurope.org/policy/eu-funded-projects/ – (Дата обращения: 03.08.2017).

25. WWEA released latest global small wind statistics. Jun.2, 2017 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.wwindea.org/wwea-released-latest-global-small-wind-statistics/ – (Дата обращения: 20.01.2018).

26. da Rosa, A.V. Fundamentals of Renewable Energy Processes / Aldo V. da Rosa. – 3rd Edition. – 2013. – P. 688

27. Borg, M. Offshore floating vertical axis wind turbines: advantages, disadvantages, and dynamics modeling state of the art [Электронный ресурс] / M. Borg, M. Collu, Brennan F.P. // The Royal Institution of Naval Architects. Marine & Offshore Renewable Energy. – 2012. – London, UK. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/235963001_Offshore_floating_vertical_axis_wind_turbines_Advantages_disadvantages_and_dynamics_modelling_state_of_the_art. – (Дата обращения: 24.01.2018).

28. Albuquerque, I.M. A Characterization of Vertical Axis Wind Turbines / I.M. Albuquerque, F.F.d.S. Matos // IEEE Latin America Transaction. – 2016. – Vol. 14. – No.10. – P. 4255–4260.

29. Соломин, Е.В. Основы методологии разработки вертикально-осевых ветроэнергетических установок / Е.В. Соломин // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2011. – № 1. – С. 18–39.

30. Züttelab, A. Storage of Renewable Energy by Reduction of CO2 with Hydrogen. Sion, a new Center for Chemistry and Chemical engineering in Valais / A. Züttelab [et al.] // CHIMIA. – 2015. – Vol. 69. – No. 5. – P. 264–68.

31. Energy Density of Hydrogen. An encyclopedia of scientific essays. The Physics Factbook. 2005.

32. Hislop, M. Solid-state EV battery breakthrough from Li-ion battery inventor John Goodenough [Электронный ресурс] / M. Hislop // The American Energy News. Режим доступа: http://theamericanenergynews.com/markham-on-energy/solid-state-battery-advance-goodenough – (Дата обращения: 15.03.2017).

33. Espinar, B. The role of energy storage for mini-grid stabilization / B. Espinar, D. Mayer. – Report IEA-PVPS T11-02:2011, IEA PVPS Task 11. – July 2011. – P. 28.

34. Amiryar, M.E. A Review of Flywheel Energy Storage System Technologies and Their Applications / M.E. Amiryar, K.R. Pullen // Applied Science. – 2017. – Vol. 7. – P. 286.

35. Hydrogen Storage. Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, US Department of Energy [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage. – (Дата обращения: 23.01.2018).

36. LeRoy, R.L. The thermodynamics of aqueous water electrolysis. / R.L. LeRoy, C.T. Bowen, D.J. LeRoy // J. Electrochem. Soc. – 1980. – No. 127. – P.1954–1962.

37. Zeng, K. Recent progress in alkaline water electrolysis for hydrogen production and applications / K. Zeng, D. Zhang // Prog. Energy Combus. Sci. – 2010. – Vol. 36. – P. 307–326.

38. Gupta, R. Properties of Hydrogen. Cryogenic Data Handbook. Brookhaven National Laboratory, US Department of Energy [Электронный ресурс] / R. Gupta. – Режим доступа: https://www.bnl.gov/magnets/staff/gupta/cryogenic-data-handbook/Section3.pdf. – (Дата обращения: 23.02.2017).

39. Dias, R. P. Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen / R.P. Dias, I.F. Silvera // Science. – 2017. – No. 355. – P. 715–718.

40. Wind-to-Hydrogen Project. Hydrogen and Fuel Cells. National Renewable Energy Laboratory. DOE. USA [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.nrel.gov/hydrogen/wind-to-hydrogen.html.– (Дата обращения 23.02.2017).

41. Павлов, Н.А. Автономное энергоснабжение объектов крайнего севера / Н.А. Павлов [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 10–11. – С. 75–83.

42. Solomin, E.V. Algorithms of LiFePO4 batteries automatic charge / E.V. Solomin, D.V. Topolsky, I.G. Topolskaya // Procedia Engineering Journal. – 2015. – Vol. 129. – P. 213–218.

43. Korobatov, D.V. Wind Turbine Power Plant Control / D.V. Korobatov [et al.] // Materials of X Internation-al IEEE Scientific and Technical Conference “Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines” (Dynamics, IEEE), Omsk State Technical University. – Nov. 2016.

44. Martyanov, A.S. Development of control algorithms in Matlab/Simulink / A.S. Martyanov, E.V.Solomin, D.V. Korobatov // Procedia Engineering Journal. – 2015. – No. 129. – P. 922–26.

45. Ротор ветряной установки с вертикальной осью вращения (варианты): пат. 2347104 РФ: МПК F03D 3/06 (2006.1) / Грахов Ю.В., Соломин Е.В. и др.; заявитель и патентообладатель ООО «ГРЦ-Вертикаль». – № 2006117014/06; заявл. 12.05.2006 опубл. 20.02.2009, Бюл. № 5. – 12 с.

46. Ветроколесо ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения: пат. 2443902 РФ: МПК F03D3/06 (2006.01) / Грахов Ю.В., Соломин Е.В. и др.; заявитель и патентообладатель ООО «ГРЦ-Вертикаль». – № 2010121692/06; заявл. 27.05.2010 опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6. – 5 с.

47. Комбинированная ветро-солнечная энергетическая установка со светодиодным прожектором для социальных нужд: пат. 101105 РФ, МПК F03D 9/02 (2006.01) / Соломин Е.В.; заявитель и патентообладатель ООО «НИИ “Уралмет”». – № 2010137417/06; заявл. 08.09.2010 опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1. – 2 с.

48. Sirotkin, E.A. Emergency Braking System for the Wind Turbine / E.A. Sirotkin [et al.] // Procedia Engineering Journal (ICIEAM). – 2016 (PROENG27157. PII: S1877–7058(15)03968–5).

49. ISO/TR 15916:2015. Basic considerations for the safety of hydrogen systems. International Organization for Standardization [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.iso.org/standard/56546.html?browse=tc. – (Дата обращения: 25.01.2018).

50. Pressure Equipment Directive 97/23/CE. European Commission [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ec.europa.eu/growth/sectors/pressure-gas/pressure-equipment/directive_en. – (Дата обращения 25.01.2018).

51. Gusev, A.L. Cleaning system for corrosive gases and hydrogen / A.L. Gusev // Chemical and Petroleum Engineering. – 2009. – Vol. 45. – No. 9–10. – P. 640.

52. Gusev, A.L. Manufacture Nanocomposites Membranes for clearing Chlorine / A.L. Gusev, M.A. Kazaryan // Work Meeting, Bayer MaterialScience AG, Leverkuzen, Germany, 12–15, August, 2007.

53. Favier, F.L. Hydrogen sensors and switches from electrodeposited palladium mesowire arrays / F.L. Favier [et al.] // Science. – 2001. – No. 293(5538). – P. 2227–2231.

54. Gusev, A.L. Hydrogen Sensor for Cryogenic Vacuum Objects / A.L. Gusev [et al.] // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Metal Hydrides. – 01/2002. – P. 41–47. ISBN: 978-1-4020-0731-6.

55. Gusev, A.L. Hydrogen Sensor for Cryogenic vacuum objects / A.L. Gusev [et al.] // Abstacts book of NATO International Conference Katsiveli, Yalta, Ukraine September 02–08, 1999. – P. 370.

56. Eberle, U. Fuel cell electric vehicles and hydrogen infrastructure: status 2012 / U. Eberle, B. Mueller, R. von Helmolt // Energy & Environmental Science. – 2012. – Vol. 5. – No. 10. – P. 8790–8798.

57. Gusev, A.L. Thermodynamic peculiarities of low-temperature regeneration of cryosorption devices in heat-insulation cavities of hydrogenous cryogenic tanks / A.L. Gusev // International Journal of Hydrogen Energy. – 2001. – Vol. 26. – No. 8. – P. 863–871.

58. Gusev, A.L. Flaw detection of large cryogenic objects with regard for the effect of effusion induced hydrogen superinsulation instability // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2000. – No. 1. – P. 103–108.

59. Gusev, A.L. Anomalies of the residual superinsulation pressure under emergency conditions of cryogenic objects / A.L. Gusev // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). – 2000. – No. 1. – P. 55–75.

60. Bratsch, S.G. Standard Electrode Potentials and Temperature Coefficients in Water at 298.15 K / S.G. Bratsch // J. Phys. Chem. Ref. Data. American Institute of Physics. – 1989. – No. 18 (1). – P. 1–21.

61. ГОСТ 3022-80. Водород технический. Технические условия. – Введ. 1981-01-01. – М.: Изд-во стандартов, 1990. – 27 с.

62. Kirpichnikova, I.M. Simulation of a generator for a wind–power unit / I.M. Kirpichnikova, A.S. Martyanov, E.V. Solomin // Russian Electrical Engineering. – 2013. – No. 84(10). – P. 46–49.

63. Гольцов, В.А. От водородной экономики к водородной цивилизации / В.А. Гольцов, Т.Н. Везироглу // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 22–24. – C. 25–32.

64. Галеев, А.Г. Методика оптимизации параметров технического обслуживания и показателей безотказности сложных технических систем, функционирующих на кислородно-водородном топливе / А.Г. Галеев [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 1–3. – С. 22–33.

65. Наман, С.А. Пилотная промышленная установка по десорбции H2S из воды черного моря / С.А. Наман, И.Э. Тур, Т.Н. Везироглу // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2017. – № 22–24. – С. 99–109.

66. Research Focuses on Overcoming Challenges.Hydrogen Production: Electrolysis, Fuel Cell Technologies Office, US Department of Energy [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-electrolysis – (Дата обращения: 25.01.2018).

67. Varkaraki, E. Hydrogen based Uninterruptible Power Supply. 2nd European Hydrogen Energy Conference – EHEC 2005, Nov. 22-25, Zaragoza [Электронный ресурс] / E. Varkaraki [et. al.]. –. Режим доступа: http://www.cres.gr/kape/hmerida/files/ydrogen/Varkaraki_EHEC_05%20HELPS.pdf – (Дата обращения: 24.01.2018).