Исследование влияния характеристик и конструкции накопителей электрической энергии на работу систем бесперебойного питания
Ключевые слова:
накопители энергии, проточные аккумуляторы, конструкция, мощность батареи
Аннотация
В связи с развитием альтернативной энергетики в мире большое внимание уделяется быстро растущему направлению разработки и производства проточных аккумуляторных батарей, которые способны решить проблему балансировки сетей при непредсказуемом характере генерации энергии от солнца и ветра. Данные накопители энергии во многом схожи с топливными элементами, и некоторые особенности конструкции последних исследователи транслируют на конструкцию проточных аккумуляторных батарей. В статье сравниваются два типа конструкции ванадиевых проточных батарей, а именно батарея с потоком электролита через пористое тело и конструкция с потоком электролита по змеевидному каналу, а также проводится оптимизация геометрии змеевидных каналов для получения конструкции с наиболее высокими характеристиками. Проводится оценка эффективности работы ванадиевой проточной батареи в составе системы бесперебойного питания. Как показывают результаты работы, конструкция со змеевидным каналом без учета потерь на работу насосов и прокачку по всему контуру имеет при мощности 99,5% максимальной КПД на уровне 88,2%, в то время как конструкция с потоком через пористое тело имеет при той же мощности КПД на уровне 85,3%. Разработан подход, который позволяет определить параметры ячейки со змеевидным каналом.
Литература
1. Лоскутов А.Б., Фитасов А.Н., Петрицкий С.А. Оценка энергетической эффективности применения напряжения 0,95 кВ в системе электроснабжения с распределенной нагрузкой. — Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2019, № 3 (126), с. 73—79.
2. Болдырева Е.Ю., Кадникова Н.В., Волынский В.В., Каза- ринов И.А. Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор KGL300p с электродами ламельной конструкции. — Электрохимическая энергетика, 2009, т. 9, № 4, с. 222—225.
3. Колосовский В.В., Колнышенко В.Л. Методы улучшения эксплуатационных характеристик свинцовых аккумуляторов в составе установок, действующих на энергии возобновляемых источников. — Изв. Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, 2014, № 37, с. 232—237.
4. Deepak P. Dubal, Pedro Gomez-Romero. All nanocarbon Li-Ion capacitor with high energy and high power density. — Materials Today Energy, June 2018, vol. 8, pp. 109—117.
5. Еналдиев В.Г., Меркушев Д.В. Перспективы применения суперконденсаторов в качестве альтернативы аккумуляторам. — Научные исследования: от теории к практике, 2015, т. 2, № 4 (5), с. 32—34.
6. Пузынин А.В., Самаров А.В., Воропай А.Н., Козлов А.П., Барнаков Ч.Н., Исмагилов З.Р. Использование высокопористых углеродных материалов, наполненных гидроксидом металла в качестве электродов суперконденсатора. — Вестник Кемеровского государственного университета, 2014, № 3—3 (59), с. 238—241.
7. Zakharov Yu.A., VoropayA.N., Fedorova N.M., Pugachev V.M., Puzynin A.V., Barnakov Ch.N., Ismagilov Z.R., Manina T.S. Highly porous carbon materials filled with nickel hydroxide nanoparticles; synthesis, study, application in electrochemistry. — Eurasian Chemico-Technological Journal, 2015, т. 17, No. 3, pp. 187—191.
8. Захаров Ю.А., Воропай А.Н., Сименюк Г.Ю., Пугачев B. М., Додонов В.Г., Манина Т.С., Исмагилов З.Р., Якубик Д.Г. Наноструктурированные композиты на основе высокопористых углеродных материалов: получение, свойства и перспективы использования в качестве электродных материалов аккумуляторов. — В кн.: Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология, 2016, c. 168—170.
9. Соколов М.А., Томасов В.С., JastrzKbski R.P. Сравнительный анализ систем запасания энергии и определение оптимальных областей применения современных супермаховиков. — Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2014, № 4, c. 149—155.
10. Спицын И.А., Орехов А.А., Чушкин М.В. Тепловой аккумулятор фазового перехода. — Вестник Московского гос. агроин- женерного университета им. В.П. Горячкина, 2008, № 2 с. 52—53.
11. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981, 360 с.
12. Rubfin Lypez-VizcaHno, Esperanza Mena, MarHa Mill6n, Manuel A. Rodrigo, Justo Lobato. Performance of a vanadium redox flow battery for the storage of electricity produced in photovoltaic solar panels. — Renewable Energy. December 2017, vol. 114, Part B, pp. 1123—1133.
13. Rylan Dmello, Jarrod D. Milshtein, Fikile R. Brushett, Kyle C. Smith. Cost-driven materials selection criteria for redox flow battery Electrolytes. — Journal of Power Sources 330, 2016, рр. 261—272.
14. Xinyou Ke, Joseph M. Prahl, J. Iwan D. Alexander, Robert F. Savinell. Mathematical Modeling of Electrolyte Flow in a Segment of Flow Channel over Porous Electrode Layered System in Vanadium Flow Battery with Flow Field Design. — Electrochimica Acta, 2017, vol. 223, pp. 124—134.
15. Zhongying Shi, Xia Wang. Comparison of Darcy’s Law, the Brinkman Equation, the Modified N-S Equation and the Pure Diffusion Equation in PEM Fuel Cell Modeling. Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference 2007, Boston.
16. Трифонова Т.А., Шеремет М.А. Сравнительный анализ моделей Дарси и Бринкмана при исследовании нестационарных режимов сопряженной естественной конвекции в пористой цилиндрической области. — Компьютерные исследования и моделирование, 2013, т. 5 № 4, с. 623—634.
17. Xinyou Ke, Joseph M. Prahl, J. Iwan D. Alexander, Robert F. Savinell. Flow distribution and maximum current density studies in redox flow batteries with a single passage of the serpentine flow channel. — Journal of Power Sources, 2014, vol. 270, pp. 646—657.
18. АО «Сатурн — Инструментальный Завод» [Офиц. cайт] http://satiz.ru/company/facility.php / (дата обращения 01.06.2018).
19. ЗАО «МПОТК «ТЕХНОКОМПЛЕКТ» [Офиц. сайт] https://www.technocomplekt.ru/ (дата обращения 13.03.2020).
#
1. Loskutov A.B., Fitasov A.N., Petritskiy S.A. Trudy NGTU im. R.Ye. Alekseyeva — in Russ. (Proc. of Nizhniy Novgorod State Technical University named R.Ye. Alekseyev), 2019, No. 3(126), pp. 73-79.
2. Boldyreva Ye.Yu., Kadnikova N.V., Volynskiy V.V., Kazarinov I. A. Elektrokhimicheskaya energetika — in Russ. (Electrochemical Energy), 2009, vol. 9, No. 4, pp. 222-225.
3. Kolosovskiy V.V., Kolnyshenko V.L. Izv. St. Peterburgskogo gos. Adrarnogo universiteta — in Russ. (News of St. Petersburg State Agrarian University), 2014, No. 37, pp. 232-237.
4. Deepak P. Dubal, Pedro Gomez-Romero. All nanocarbon Li-Ion capacitor with high energy and high power density — Materials Today Energy, June 2018, vol. 8, pp. 109—117.
5. Yenaldiyev V.G., Merkushev D.V. Nauchnye issledovaniya: ot teorii k praktike — in Russ. (Scientific Research: from theory to Practice), 2015, vol. 2, No. 4(5), pp. 32—34.
6. Puzynin A.V., Samarov A.V., Voropay A.N., Kozlov A.P., Barnakov Ch.N., Ismagilov Z.R. Vestnik Kemerovskogo gos. universiteta — in Russ. (Bulletin of Kemerovo State University), 2014, No. 3-3(59), pp. 238—241.
7. Zakharov Yu.A., Voropay A.N., Fedorova N.M., Pugachev V.M., Puzynin A.V., Barnakov Ch.N., Ismagilov Z.R., Manina T.S. Highly porous carbon materials filled with nickel hydroxide nanoparticles; synthesis, study, application in electrochemistry. — Eurasian Chemico-Technological Journal, 2015, т. 17, No. 3, pp. 187—191.
8. Zakharov Yu.A., Voropay A.N., Simenyuk G.Yu., Pugachev V.M., Dodonov V.G., Manina T.S., Ismagilov Z.R., Yakubik D.G. Nanostrukturirovannyye kompozity na osnove vysokoporistykh uglerodnykh materialov: polucheniye, svoystva i perspektivy ispol’zovaniya v kachestve elektrodnykh materialov akkumulyatorov. — V kn.: Uglerod: fundamental’nyye problemy nauki, materialovedeniye, tekhnologiya (Nanostructured composites based on highly porous carbon materials: preparation, properties and prospects for use as battery electrode materials. - In the book: Carbon: fundamental problems of science, materials science, technology), 2016, pp. 168—170.
9. Sokolov M.A., Tomasov V.S., JastrzKbski R.P. Nauchno- tekhnicheskiy vestnik informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optic — in Russ. (Scientific and technical bulletin of information technologies, mechanics and optics), 2014, No. 4, pp. 149—155.
10. Spitsyn I.A., Orekhov A.A., Chushkin M.V. Vestnik Moskovskogo gos. agroinzhenernogo instituta im. V.P. Goryachkina — in Russ. (Bulletin of Moscow State Agroengineering Institute named V.P. Goryachkin), 2008, No. 2 pp. 52—53.
11. Bagotskiy V.S., Skundin A.M. Khimicheskiye istochniki toka (Chemical power sources). M.: Energoizdat, 1981, 360 p.
12. Rubfin Lypez-VizcaHno, Esperanza Mena, Maraa Mill6n, Manuel A.Rodrigo, Justo Lobato. Performance of a vanadium redox flow battery for the storage of electricity produced in photovoltaic solar panels. — Renewable Energy. December 2017, vol. 114, Part B, pp. 1123-1133.
13. Rylan Dmello, Jarrod D. Milshtein, Fikile R. Brushett, Kyle C. Smith. Cost-driven materials selection criteria for redox flow battery Electrolytes. - Journal of Power Sources 330, 2016, pp. 261-272.
14. Xinyou Ke, Joseph M. Prahl, J. Iwan D. Alexander, Robert F. Savinell. Mathematical Modeling of Electrolyte Flow in a Segment of Flow Channel over Porous Electrode Layered System in Vanadium Flow Battery with Flow Field Design. — Electrochimica Acta, 2017, vol. 223, pp. 124-134.
15. Zhongying Shi, Xia Wang. Comparison of Darcy’s Law, the Brinkman Equation, the Modified N-S Equation and the Pure Diffusion Equation in PEM Fuel Cell Modeling. Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference 2007, Boston.
16. Trifonova T.A., Sheremet M.A. Komp’yuternyye issledovaniya i modelirovaniye — in Russ. (Computer Research and Designing), 2013, vol. 5 No. 4, pp. 623-634.
17. Xinyou Ke, Joseph M. Prahl, J. Iwan D. Alexander, Robert F. Savinell. Flow distribution and maximum current density studies in redox flow batteries with a single passage of the serpentine flow channel. - Journal of Power Sources, 2014, vol. 270, pp. 646-657.
18. AO «Saturn - Instrumental’nyy Zavod» [Offic. Site] http://satiz.ru/company/facility.php (Date of appeal 01.06.2018).
19. ZAO «MPOTK «TEKHNOKOMPLEKT» [Offic. Site] https://www.technocomplekt.ru/ (Date of appeal 13.03.2020).
2. Болдырева Е.Ю., Кадникова Н.В., Волынский В.В., Каза- ринов И.А. Герметичный никель-кадмиевый аккумулятор KGL300p с электродами ламельной конструкции. — Электрохимическая энергетика, 2009, т. 9, № 4, с. 222—225.
3. Колосовский В.В., Колнышенко В.Л. Методы улучшения эксплуатационных характеристик свинцовых аккумуляторов в составе установок, действующих на энергии возобновляемых источников. — Изв. Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, 2014, № 37, с. 232—237.
4. Deepak P. Dubal, Pedro Gomez-Romero. All nanocarbon Li-Ion capacitor with high energy and high power density. — Materials Today Energy, June 2018, vol. 8, pp. 109—117.
5. Еналдиев В.Г., Меркушев Д.В. Перспективы применения суперконденсаторов в качестве альтернативы аккумуляторам. — Научные исследования: от теории к практике, 2015, т. 2, № 4 (5), с. 32—34.
6. Пузынин А.В., Самаров А.В., Воропай А.Н., Козлов А.П., Барнаков Ч.Н., Исмагилов З.Р. Использование высокопористых углеродных материалов, наполненных гидроксидом металла в качестве электродов суперконденсатора. — Вестник Кемеровского государственного университета, 2014, № 3—3 (59), с. 238—241.
7. Zakharov Yu.A., VoropayA.N., Fedorova N.M., Pugachev V.M., Puzynin A.V., Barnakov Ch.N., Ismagilov Z.R., Manina T.S. Highly porous carbon materials filled with nickel hydroxide nanoparticles; synthesis, study, application in electrochemistry. — Eurasian Chemico-Technological Journal, 2015, т. 17, No. 3, pp. 187—191.
8. Захаров Ю.А., Воропай А.Н., Сименюк Г.Ю., Пугачев B. М., Додонов В.Г., Манина Т.С., Исмагилов З.Р., Якубик Д.Г. Наноструктурированные композиты на основе высокопористых углеродных материалов: получение, свойства и перспективы использования в качестве электродных материалов аккумуляторов. — В кн.: Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология, 2016, c. 168—170.
9. Соколов М.А., Томасов В.С., JastrzKbski R.P. Сравнительный анализ систем запасания энергии и определение оптимальных областей применения современных супермаховиков. — Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2014, № 4, c. 149—155.
10. Спицын И.А., Орехов А.А., Чушкин М.В. Тепловой аккумулятор фазового перехода. — Вестник Московского гос. агроин- женерного университета им. В.П. Горячкина, 2008, № 2 с. 52—53.
11. Багоцкий В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981, 360 с.
12. Rubfin Lypez-VizcaHno, Esperanza Mena, MarHa Mill6n, Manuel A. Rodrigo, Justo Lobato. Performance of a vanadium redox flow battery for the storage of electricity produced in photovoltaic solar panels. — Renewable Energy. December 2017, vol. 114, Part B, pp. 1123—1133.
13. Rylan Dmello, Jarrod D. Milshtein, Fikile R. Brushett, Kyle C. Smith. Cost-driven materials selection criteria for redox flow battery Electrolytes. — Journal of Power Sources 330, 2016, рр. 261—272.
14. Xinyou Ke, Joseph M. Prahl, J. Iwan D. Alexander, Robert F. Savinell. Mathematical Modeling of Electrolyte Flow in a Segment of Flow Channel over Porous Electrode Layered System in Vanadium Flow Battery with Flow Field Design. — Electrochimica Acta, 2017, vol. 223, pp. 124—134.
15. Zhongying Shi, Xia Wang. Comparison of Darcy’s Law, the Brinkman Equation, the Modified N-S Equation and the Pure Diffusion Equation in PEM Fuel Cell Modeling. Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference 2007, Boston.
16. Трифонова Т.А., Шеремет М.А. Сравнительный анализ моделей Дарси и Бринкмана при исследовании нестационарных режимов сопряженной естественной конвекции в пористой цилиндрической области. — Компьютерные исследования и моделирование, 2013, т. 5 № 4, с. 623—634.
17. Xinyou Ke, Joseph M. Prahl, J. Iwan D. Alexander, Robert F. Savinell. Flow distribution and maximum current density studies in redox flow batteries with a single passage of the serpentine flow channel. — Journal of Power Sources, 2014, vol. 270, pp. 646—657.
18. АО «Сатурн — Инструментальный Завод» [Офиц. cайт] http://satiz.ru/company/facility.php / (дата обращения 01.06.2018).
19. ЗАО «МПОТК «ТЕХНОКОМПЛЕКТ» [Офиц. сайт] https://www.technocomplekt.ru/ (дата обращения 13.03.2020).
#
1. Loskutov A.B., Fitasov A.N., Petritskiy S.A. Trudy NGTU im. R.Ye. Alekseyeva — in Russ. (Proc. of Nizhniy Novgorod State Technical University named R.Ye. Alekseyev), 2019, No. 3(126), pp. 73-79.
2. Boldyreva Ye.Yu., Kadnikova N.V., Volynskiy V.V., Kazarinov I. A. Elektrokhimicheskaya energetika — in Russ. (Electrochemical Energy), 2009, vol. 9, No. 4, pp. 222-225.
3. Kolosovskiy V.V., Kolnyshenko V.L. Izv. St. Peterburgskogo gos. Adrarnogo universiteta — in Russ. (News of St. Petersburg State Agrarian University), 2014, No. 37, pp. 232-237.
4. Deepak P. Dubal, Pedro Gomez-Romero. All nanocarbon Li-Ion capacitor with high energy and high power density — Materials Today Energy, June 2018, vol. 8, pp. 109—117.
5. Yenaldiyev V.G., Merkushev D.V. Nauchnye issledovaniya: ot teorii k praktike — in Russ. (Scientific Research: from theory to Practice), 2015, vol. 2, No. 4(5), pp. 32—34.
6. Puzynin A.V., Samarov A.V., Voropay A.N., Kozlov A.P., Barnakov Ch.N., Ismagilov Z.R. Vestnik Kemerovskogo gos. universiteta — in Russ. (Bulletin of Kemerovo State University), 2014, No. 3-3(59), pp. 238—241.
7. Zakharov Yu.A., Voropay A.N., Fedorova N.M., Pugachev V.M., Puzynin A.V., Barnakov Ch.N., Ismagilov Z.R., Manina T.S. Highly porous carbon materials filled with nickel hydroxide nanoparticles; synthesis, study, application in electrochemistry. — Eurasian Chemico-Technological Journal, 2015, т. 17, No. 3, pp. 187—191.
8. Zakharov Yu.A., Voropay A.N., Simenyuk G.Yu., Pugachev V.M., Dodonov V.G., Manina T.S., Ismagilov Z.R., Yakubik D.G. Nanostrukturirovannyye kompozity na osnove vysokoporistykh uglerodnykh materialov: polucheniye, svoystva i perspektivy ispol’zovaniya v kachestve elektrodnykh materialov akkumulyatorov. — V kn.: Uglerod: fundamental’nyye problemy nauki, materialovedeniye, tekhnologiya (Nanostructured composites based on highly porous carbon materials: preparation, properties and prospects for use as battery electrode materials. - In the book: Carbon: fundamental problems of science, materials science, technology), 2016, pp. 168—170.
9. Sokolov M.A., Tomasov V.S., JastrzKbski R.P. Nauchno- tekhnicheskiy vestnik informatsionnykh tekhnologiy, mekhaniki i optic — in Russ. (Scientific and technical bulletin of information technologies, mechanics and optics), 2014, No. 4, pp. 149—155.
10. Spitsyn I.A., Orekhov A.A., Chushkin M.V. Vestnik Moskovskogo gos. agroinzhenernogo instituta im. V.P. Goryachkina — in Russ. (Bulletin of Moscow State Agroengineering Institute named V.P. Goryachkin), 2008, No. 2 pp. 52—53.
11. Bagotskiy V.S., Skundin A.M. Khimicheskiye istochniki toka (Chemical power sources). M.: Energoizdat, 1981, 360 p.
12. Rubfin Lypez-VizcaHno, Esperanza Mena, Maraa Mill6n, Manuel A.Rodrigo, Justo Lobato. Performance of a vanadium redox flow battery for the storage of electricity produced in photovoltaic solar panels. — Renewable Energy. December 2017, vol. 114, Part B, pp. 1123-1133.
13. Rylan Dmello, Jarrod D. Milshtein, Fikile R. Brushett, Kyle C. Smith. Cost-driven materials selection criteria for redox flow battery Electrolytes. - Journal of Power Sources 330, 2016, pp. 261-272.
14. Xinyou Ke, Joseph M. Prahl, J. Iwan D. Alexander, Robert F. Savinell. Mathematical Modeling of Electrolyte Flow in a Segment of Flow Channel over Porous Electrode Layered System in Vanadium Flow Battery with Flow Field Design. — Electrochimica Acta, 2017, vol. 223, pp. 124-134.
15. Zhongying Shi, Xia Wang. Comparison of Darcy’s Law, the Brinkman Equation, the Modified N-S Equation and the Pure Diffusion Equation in PEM Fuel Cell Modeling. Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference 2007, Boston.
16. Trifonova T.A., Sheremet M.A. Komp’yuternyye issledovaniya i modelirovaniye — in Russ. (Computer Research and Designing), 2013, vol. 5 No. 4, pp. 623-634.
17. Xinyou Ke, Joseph M. Prahl, J. Iwan D. Alexander, Robert F. Savinell. Flow distribution and maximum current density studies in redox flow batteries with a single passage of the serpentine flow channel. - Journal of Power Sources, 2014, vol. 270, pp. 646-657.
18. AO «Saturn - Instrumental’nyy Zavod» [Offic. Site] http://satiz.ru/company/facility.php (Date of appeal 01.06.2018).
19. ZAO «MPOTK «TEKHNOKOMPLEKT» [Offic. Site] https://www.technocomplekt.ru/ (Date of appeal 13.03.2020).
