Výzkum akumulace energie získané z obnovitelných zdrojů

Jan Vaculík

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá problematikou vodíkové technologie, s níž se pracuje na akademické půdě VYSOKÉ ŠKOLY BÁŇSKÉ – TECHNICKÉ UNIVERZITY OSTRAVA (VŠB – TUO). Přesněji jde o experimentální laboratorní výzkum akumulace elektrické energie. Systém laboratoře vodíkových technologií umožňuje přeměnu elektrické energie vyrobené ve fotovoltaické elektrárně (FVE) na energii chemickou ve formě vodíku a zpětnou přeměnu vodíku na elektrickou energii za pomoci nízkoteplotního palivového článku. Náplň disertační práce spočívá ve shrnutí dosažených výsledků z provedených výzkumných experimentálních měření na vodíkovém systému. Dále se disertační práce zabývá rozborem výsledků vyplývajících z testovacího provozu laboratoře palivových článků. V úvodní části disertační práce jsou rozebrány některé aspekty dvou nestabilních obnovitelných zdrojů elektrické energie, jimiž jsou větrné elektrárny (VTE) a fotovoltaické elektrárny (FVE), přehled akumulačních systémů s popisem jejich parametrů, včetně základního rozdělení. Následující kapitola se zabývá rozborem vodíkové technologie z hlediska elektrolyzérů a elektrolýzy vody jakožto procesu, jehož produktem je vodík. Rovněž je popsána technologie palivových článků dle základního rozdělení palivových článků, definice jejich výhod + nevýhod a základní principy fungování. Na teoretické základy přímo navazuje kapitola, ve které autor shrnuje dosažené výsledky z realizovaných výzkumných experimentálních měření na vodíkovém systému v laboratoři palivových článků. Stěžejní částí práce je výpočet účinnosti zařízení pracujících ve vodíkovém systému, které jsou zapojeny v laboratoři palivových článků Vysoké školy báňské – Technické university Ostrava (VŠB – TUO). Následující výpočty se týkají celkové účinnosti vodíkového systému. Návazností na předchozí problematiku jsou další výzkumná experimentální měření se snahou zvýšení prvotní vypočtené účinnosti vodíkového systému. V závěrečné části disertační práce je popsána problematika nízkoteplotního palivového článku s protonovou membránou (PEMFC), na který byla, v návaznosti na předchozí měření, aplikována metodika kontaktního a bezkontaktního měření teploty. Metodikou byly zjištěny oteplovací křivky palivového článku Nexa Ballard Power System při jeho proměnlivém zatížení ve vodíkovém systému laboratoře palivových článků VŠB – TUO. Hlavní dosažené přínosy disertační práce jsou shrnuty v rozsáhlých kapitolách, které se detailně zabývají účinností vodíkového systému a aplikací termografie na nízkotlaké palivové články Nexa Ballard Power System. Veškerá data pro vyhodnocení experimentů byla získána z výzkumných experimentálních měření v laboratoři palivových článku VŠB – TUO.

Abstract:

This dissertation deals with hydrogen technology used at VSB - Technical University of Ostrava. More specifically, it is an experimental laboratory research on accumulation of electrical energy. The system Laboratory of Hydrogen Technologies enables the conversion of electric power produced by photovoltaic power plant (FVE) into chemical energy in the form of hydrogen, and reverse conversion into electrical energy with the help of low-temperature fuel cell. The dissertation summarizes the results of research carried out by experimental measurements on the hydrogen system. It also analyses the results of the fuel cell operation testing. In the first part of the dissertation, the author analyses some aspects of two intermittent renewable energy sources, namely wind power plants and photovoltaic power plants, and an overview of accumulation systems with a description of their parameters. The following chapter deals with the analysis of hydrogen technology in terms of electrolysers and water electrolysis as a process, where the end product is hydrogen. It also describes fuel cell technology, basic distribution of fuel cells, their advantages and disadvantages, and basic principles of operation. The theoretical foundations are followed by a chapter in which the author summarizes the results from implemented research with experimental measurements of hydrogen in the Laboratory of Fuel Cells. The fundamental part of this work is to calculate the efficiency of devices in the hydrogen system, operated in the Laboratory of Fuel Cells VSB - TUO. Following calculations refer to the overall efficiency of the hydrogen system. Further experimental measures are undertaken in order to increase the hydrogen system efficiency The last part describes the topic of low-temperature fuel cell with a proton membrane with both contact and non-contact temperature measurement. The measurement observed warming curve of the fuel cell Nexa Ballard Power System at a variable load in a hydrogen fuel cell system laboratory VSB - TUO. The main benefits of the dissertation are summarized in the corresponding chapters, which assess efficiency of the hydrogen system and thermography applications on the low-pressure fuel cell Nexa Ballard Power System. All data for the evaluation experiments were obtained from experimental measurements in research Laboratory of Fuel Cells VSB - TUO.

Keywords

Akumulace, obnovitelné zdroje energie, fotovoltaická elektrárna, vodíkový systém, elektrolyzér, palivové články, účinnost, termografie.

Keywords

Accumulation, renewable energy sources, photovoltaic power plant, hydrogen system, electrolyser, fuel cells, efficiency, thermography.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 12. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 21. 1. 2016
• Supervisor: Zdeněk Hradílek
• Reader: Jiří Tůma, Petr Moldřík,, Jan Škorpil

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Elektrotechnika / Elektroenergetika