МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
ИНСТИТУТ проблем энергетической эффективности ___________________________________________________________________________________________________________
Направление подготовки: 140100 - Теплоэнергетика и теплотехника
Магистерская программа: Автономные энергетические системы. Водородная и электрохимическая энергетика.
Квалификация (степень) выпускника: магистр
Форма обучения: очная
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
"ЭЛНЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ"
Цикл: | Профессиональный | |
Часть цикла: | По выбору | |
№ дисциплины по учебному плану: | ИПЭЭф; М | |
Часов (всего) по учебному плану: | 216 | |
Трудоемкость в зачетных единицах: | 6 | 1 семестр – 6 |
Лекции | 36 час | 1 семестр |
Практические занятия | 18 час | 1 семестр |
Расчетные задания | 50 час | 1 семестр |
Объем самостоятельной работы по учебному плану (всего) | 162 час |
Москва - 2011
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Целью дисциплины является изучение методик анализа и синтеза технологических схем электрохимических энергоустановок.
По завершению освоения данной дисциплины студент
должен обладать следующими общекультурными компетенциями (ОК) и профессиональными компетенциями (ПК):
способностью к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности в процессе изменения социальных условий деятельности (ОК-2);
способностью использовать на практике навыки и умения в организации научно-исследовательских и научно-производственных работ, оценивать качество результатов деятельности (ОК-4);
способностью самостоятельно приобретать и использовать в практической деятельности новые знания и умения в электрохимической энергетике, в том числе в новых областях знаний, связанных со сферой деятельности, расширять и углублять свое научное мировоззрение, в том числе с помощью информационных технологий (ОК-6);
способностью использовать представление о методологических основах научного познания в электрохимической энергетике и роли научной информации в её развитии (ОК-8);
способностью использовать углубленные теоретические и практические знания, которые находятся на передовом рубеже науки и техники в области электрохимической энергетики (ПК-2);
способностью демонстрировать навыки работы в коллективе, готовностью генерировать и использовать новые идеи (ПК-3);
способностью находить творческие решения профессиональных задач, готовностью принимать нестандартные решения (ПК-4);
способностью и готовностью применять современные методы исследования электрохимических энергоустановок, проводить технические испытания и научные эксперименты, оценивать результаты выполненной работы (ПК-6);
способностью к эксплуатации современных электрохимических энергоустановок (ПК-7);
способностью оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы (ПК-8).
В расчетно-проектной и проектно-конструкторской деятельности студент должен обладать :
способностью формулировать задания на разработку проектных решений, связанных с модернизацией технологического оборудования, мероприятиями по улучшению эксплуатационных характеристик, повышению экологической безопасности, улучшению условий труда, экономии ресурсов (ПК-10);
способностью к определению показателей технического уровня проектируемых электрохимических энергоустановок и их технологических схем (ПК-11);
готовностью использовать прикладное программное обеспечение для расчета параметров и выбора электрохимических энергоустановок (ПК-14);
для производственно-технологической деятельности:
готовностью к обоснованию мероприятий по экономии энергоресурсов, разработке норм их расхода, расчету потребностей производства в энергоресурсах (ПК-20);
для научно-исследовательской деятельности:
готовностью использовать современные достижения науки и передовой технологии в научно-исследовательских работах (ПК-22);
для педагогической деятельности:
готовностью к педагогической деятельности в области профессиональной подготовки (ПК-32).
Задачами дисциплины являются
Научить анализировать и синтезировать технологические схемы электрохимических энергоустановок методами химической и технической термодинамики, математического моделирования, одно и многоцелевой оптимизации.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Дисциплина относится к профессиональному циклу М.2 основной программы подготовки магистров по направлению 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника»., по профилю «Автономные энергетические системы Водородная и электрохимическая энергетика» .
Дисциплина базируется на следующих дисциплинах: "Физика", "Химия", «Математика», «Физическая химия», «Программирование», «Техническая термодинамика», «Теоретическая электрохимия», «Химические источники тока», «Математическое моделирование»
Знания и навыки проектирования, полученные при освоении дисциплины, необходимы при выполнении выпускной квалификационной работы магистра
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения учебной дисциплины обучающиеся должны демонстрировать следующие результаты образования:
Знать:
· принципы работы и основы оптимального анализа и проектирования электрохимических энергоустановок;
· источники научно-технической информации ( монографии, журналы, сайты Интернет) по электрохимической энергетике (ОК-9).
Уметь:
приобретать и использовать в практической деятельности новые знания в электрохимической энергетике, в том числе в новых областях техники, расширять и углублять свое научное мировоззрение, в том числе с помощью информационных технологий (ОК-6);
· самостоятельно разбираться в методиках расчета, оптимизации и применять их для решения проектных задачи (ПК-12);
· осуществлять поиск и анализировать научно-техническую информацию и выбирать необходимые материалы (ОК-9);
Владеть:
способностью к эксплуатации современных электрохимических энергоустановок (ПК-7);
способностью оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы (ПК-8).
В расчетно-проектной и проектно-конструкторской деятельности студент должен обладать :
способностью формулировать задания на разработку проектных решений, связанных с модернизацией технологического оборудования, мероприятиями по улучшению эксплуатационных характеристик, повышению экологической безопасности, улучшению условий труда, экономии ресурсов (ПК-10);
способностью к определению показателей технического уровня проектируемых электрохимических энергоустановок и их технологических схем (ПК-11);
готовностью использовать прикладное программное обеспечение для расчета параметров и выбора электрохимических энергоустановок (ПК-14);
готовностью к обоснованию мероприятий по экономии энергоресурсов, разработке норм их расхода, расчету потребностей производства в энергоресурсах (ПК-20);
готовностью использовать современные достижения науки и передовой технологии в научно-исследовательских работах (ПК-22).
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Структура дисциплины
Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц, 216 часов.
№ п/п | Раздел дисциплины. Форма промежуточной аттестации | Всего часов на раздел | Семестр | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и | Формы текущего контроля успеваемости (по разделам) | |||
лк | пр | сам. | ||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
1 | Роль электрохимической энергетики в современном мире | 13 | 1 | 2 | 1 | 10 | Тест : знание Типов ЭЭУ, используемых в технике | |
2 | Водородно - кислородные (воздушные) электрохимические энергоустановки наземного, подводного, космического применения. | 68 | 1 | 12 | 6 | 50 | Контрольная работа №1 | |
3 | Среднетемпературные и высокотемпературные электрохимические электростанции. | 38 | 1 | 6 | 2 | 30 | Контрольная работа №2 | |
4 | Термодинамический анализ аппаратов и технологических схем. Математические модели устройств, схем и их моделирующие алгоритмы. Оптимизация электрохимических энергоустановок и электростанций. | 55 | 1 | 10 | 5 | 40 | Тесты на знание методик термодинамического анализа и математического моделирования | |
5 | ЭЭУ и электрохимические электростанции для производства электроэнергии, электроэнергии и теплоты | 15 | 1 | 2 | 3 | 10 | Контрольная работа №2 | |
6 | Системный подход к проектированию электрохимических энергоустановок и электростанций. | 15 | 1 | 4 | 1 | 10 | Контрольная работа №2 | |
Зачет | 12 | -- | -- | 12 | писменный | |||
Итого: | 216 | 36 | 18 | 162 |
4.2 Содержание лекционно-практических форм обучения
4.2.1. Лекции
1. Роль электрохимической энергетики в современном мире
Понятия электрохимической энергоустановки и электрохимической энергетики. Области использования электрохимических энергоустановок
Необходимость создания электрохимических энергоустановок. Историческое развитие электрохимической энергетики.
2. Водородно-кислородные (воздушные) энергоустановки. Структурная схема энергоустановки. Электрохимический генератор электроэнергии, подсистемы хранения и подготовки реагентов, батареи, подсистемы.
3 Характеристики электрохимических энергоустановок.
Мощность, производительность, КПД, масса, объем, удельные характеристики и их зависимость от параметров функционирования и конструкторских.
4.Характеристики батарей топливных элементов.
Компоновки батарей. Электрическая коммутация топливных элементов. Схемы пневмогидравлических контуров батарей. Схемы конструкций элементов батарей – электродов, биполярных рам, диафрагм, коллекторов тока, теплообменников, фланцев, шин, арматуры.
5. Характеристики аппаратуры, обеспечивающей работу батарей топливных элементов.
Побудители движения жидкостей и газов для электрохимических генераторов – различные типы насосов, эжекторы, вентиляторы, особенности их конструкций, материалы, характеристики. Типы используемых теплообменников и их конструктивные особенности для электрохимического генератора. Схемы тепломассообменных контуров генераторов.
6.Системы хранения и подготовки реагентов.
Состав систем хранения - газобаллонные
и их подсистем – батарей, систем, газгольдерные, криогенные, связанного хранения, хранения и подготовки реагентов, расчет их характеристик.
7.Электрохимические энергоустановки
космического назначения.
Энергоустановки космического применения. Сравнение характеристик космических электрохимических энергоустановок пилотируемых кораблей. Принципы создания их технологических схем, проблемы и перспективы.
8. Среднетемпературные энергоустановки.
Электрохимические энергоустановки на топливных элементах с фосфорно-кислым электролитом. Топливные элементы, батареи, установки. Их устройство, функционирование и характеристики. Технологическая схема энергоустановки и электростанции, их функционирование, параметры, проблемы.
9. Электростанции на топливных элементах с расплавленным электролитом.
Электростанции на карбонатном электролите. Топливные элементы. Электролиты. Электроды. Устройство батарей. Технологические схемы электростанций и их параметры. Перспективы развития.
10.Электростанции на топливных элементах с твердым электролитом.
Энергоустановки на твердом электролите. Устройство топливных элементов и батарей, их характеристики. Проблемы и их преодоление. Технологические схемы электростанций на углеводородном топливе. Комбинированные энергоустановки, их преимущество.
11.Термодинамический анализ батареи топливных элементов
Методики расчета эксергии веществ, потоков эксергии, потерь эксергии, КПД. Мольный, энергетический и эксергетический балансы батарей топливных элементов.
12.Эксергетический анализ вспомогательных для батареи устройств.
Эксергетический баланс теплообменников, насосов, сепараторов, реакторов. КПД, схемы и диаграммы эксергетических потоков.
13. Термодинамический анализ систем хранения реагентов.
Мольные, энергетические и эксергетические балансы систем хранения и подготовки реагентов. КПД, энергетические и эксергетические диаграммы
технологических схем систем хранения и подготовки реагентов
14. Моделирующие алгоритмы энергоустановок
Математические модели элементов, батарей, генераторов и энергоустановок. Выбор частных и обобщенных критериев оптимизации, ограничений и управлений. Построение моделирующих алгоритмов и их реализация.
15.Многоцелевая оптимизация электрохимических энергоустановок
Критерии оптимизации. Обобщенный критерий оптимизации. Постановка задач многоцелевой оптимизации. Область Парето и интерпретация результатов оптимизации.
16.Электрохимические электростанции для производства электроэнергии, электроэнергии и теплоты.
Области энергетики, в которых электрохимические электростанции имеют преимущество перед тепловыми, конденсационными и промышленными электростанциями. Сравнительный анализ электрохимического способа производства электроэнергии и теплоты с теплоэнергетическим.
17.Системный подход к проектированию электрохимических энергоустановок и электростанций
Предмет, инструмент и методика системного исследования энергоустановок. Концептуализация электрохимической энергоустановки. Цели системного исследования. Механизм целостности, системные связи, способы представления связей, критерии расчленения и выбор операцональной единицы анализа.
18.Формализация электрохимической знергоустановки.
Способы получения математических моделей. Математические модели и их свойства. Многоцелевая оптимизация на множестве объектов, этапов функционирования, качеств и условий функционирования.
4.2.2. Практические занятия
I семестр
Синтез технологических схем.
Расчет эксергии потока вещества и КПД аппаратов электрохимической энергоустановки..
Составление математической модели электрохимического генератора
электроэнергии и её реализация.
Термодинамический расчёт высокотемпературного конвертора энергоустановки.
Энергетический и эксергетический расчет высокотемпературной батареи топливных элементов.
Построение энергетической и эксергетической диаграмм конвертора и батареи.
4.3.Лабораторные работы. Лабораторные работы учебным планом не предусмотрены.
4.4. Расчетное задание.
1 семестр
.Составление математической модели технологической схемы энергоустановки. Разработка моделирующего алгоритма энергоустановки и его реализация. Анализ результатов оптимизации и выработка рекомендаций по проектированию оптимального варианта энергоустановки.
4.5. Курсовые проекты и курсовые работы. Курсовой проект (курсовая работа) учебным планом не предусмотрен.
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Лекционные занятия проводятся в традиционной форме.
Практические занятия проводятся в форме семинаров.
Самостоятельная работа включает подготовку к тестам и контрольным работам, выполнение расчетной работы, подготовку к зачету.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Для текущего контроля успеваемости используются различные виды тестов, контрольные работы, устный опрос.
Аттестация по дисциплине – зачет.
Оценка за освоение дисциплины, определяется экзаменатором как экспертом
В приложение к диплому вносится оценка, полученная на зачёте.
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
7.1. Литература:
а) основная литература:
1. П Системно-термодинамический расчет и анализ технологических схем электрохимических энергоустановок. М.:Издательский дом МЭИ, 2007.─ 136 с.
5. Коровин элементы и электрохимические энергоустановки. М.: Издательство МЭИ, 2005. ─ 280 с.
б) дополнительная литература:
1. Коровин энергетика. М.: Энергия, 19с.
2. Нестеров и технологический расчеты электрохимических энергоустановок. М.: МЭИ, 19с.
3. Нестеров и анализ технологических схем электрохимических энергоустановок. М.: МЭИ, 19с.
4 Эксергетические расчеты. Справочное пособие под ред. , . Киев.: Наукова думка. 1991. ─ 420 c.
7.2. Электронные образовательные ресурсы:
а) лицензионное программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
http://www. *****/
8.МАТЕРИАЛЬНО - ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Для обеспечения освоения дисциплины необходимо наличие учебной аудитории, снабженной мультимедийными средствами для представления презентаций лекций и компьюторного класса.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению подготовки 140100 «Теплоэнергетика и теплотехника» и профилю «Автономные энергетические системы.».
ПРОГРАММУ СОСТАВИЛ:
д. т.н., профессор
"УТВЕРЖДАЮ":
Зав. кафедрой химии и электрохимической энергетики
д. т.н., профессор
