Система выравнивания силовой нагрузки и пакетное накопление энергии

В изобретении предложена система накопления и распределения электроэнергии на базе конденсатора, которая позволяет производить выравнивание нагрузки в сети в течение периодов максимальной потребности в электроэнергии. Конденсатор может быть заряжен электроэнергией, вырабатываемой на электростанции в течение периодов пониженной потребности в электроэнергии. Электроэнергия, накопленная в конденсаторе, может быть разряжена в сеть распределения, например, в течение периодов максимальной потребности в электроэнергии, для увеличения имеющегося в распоряжении количества электроэнергии. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Настоящее изобретение относится к подаче и распределению электроэнергии, а более конкретно к созданию системы выравнивания силовой нагрузки, которая содержит компоненты пакетного накопления энергии. Выработка и распределение электроэнергии вот уже в течение многих лет является основой жизнеобеспечения людей в жилых домах и промышленной деятельности компаний по всему миру, удовлетворяя их потребности в энергии. До настоящего времени применяют различные средства (формы) выработки электроэнергии, в том числе тепловые электростанции на угле, атомные электростанции, гидроэлектростанции, ветровые электростанции и т.п. Все эти средства выработки электроэнергии хорошо известны специалистам в области выработки электроэнергии и поэтому более подробно их работа здесь не рассматривается, причем надо сказать, что по этому вопросу во всех странах существует обширная литература, в которой описаны известные средства выработки электроэнергии.

Как выработка электроэнергии, так и ее потребление непрерывно растут, что вызвано различными социальными факторами. Прежде всего растет численность населения практически во всех странах, что приводит к повышению потребления энергии. Во-вторых, в потребительских товарах часто используют электроэнергию. За счет технологических достижений в настоящее время появилось столько электронных товаров, сколько их никогда не было в мировой истории. В-третьих, владельцы и руководители заводов-изготовителей поняли, что автоматическая работа машин позволяет повысить производительность завода и снизить издержки производства. Однако такая автоматизация обычно требует использования электроэнергии. Таким образом, конечным результатом всего указанного является более высокая потребность в энергии, чем когда бы то не было ранее.

Другим известным явлением во всем мире является увеличение потребления электроэнергии в течение некоторых часов суток. В любой временной зоне потребление электроэнергии повышается от 6 часов утра до 10 часов вечера, причем это время обычно именуют как "часы бодрствования" или рабочие часы. Между 10 часами вечера и 6 часами утра следующего дня большинство людей спит и поэтому использует меньше электроэнергии. Это время обычно именуют как "часы сна". Для того, чтобы избежать отключения отдельных потребителей вследствие дефицита мощности или, что еще хуже, длительных перерывов энергоснабжения, энергетические компании должны удовлетворять "максимальную потребность в электроэнергии" в любой момент в течение 24 часов. Эта максимальная (пиковая) потребность в электроэнергии возникает в течение часов бодрствования, причем статистические данные относительно потребления энергии могут достаточно точно предсказать, сколько энергии потребуется в любой час суток в любом месте. Таким образом, максимальная потребность в электроэнергии является одним из основных факторов, влияющих на размер и число электростанций, необходимых в данном регионе.

Проблема использования максимальной потребности в электроэнергии для определения мощности электростанции заключается в том, что это приводит к не эффективному использованию электростанции. Например, если максимальная потребность в электроэнергии в течение определенного времени на данной территории составляет Х киловатт-часов, то эта потребность существует только в течение 8 часов каждый день, а среднее потребление электроэнергии в остальное время суток составляет половину X, то проектная мощность этой электростанции в течение 16 часов каждых суток используется не эффективно. Другими словами, если бы в течение всего времени каждых суток использовали полную проектную мощность каждой электростанции, то потребовалось бы меньшее число электростанций, полностью загруженных все время. В этом случае проектирование производили бы по полной потребности в электроэнергии в течение суток, а не по максимальной потребности в электроэнергии. Использование максимальной потребности в электроэнергии также приводит к не эффективному использованию систем распределения и передачи энергии, которые применяют для доставки электроэнергии, произведенной электростанциями.

Настоящее изобретение позволяет производить выравнивание силовой нагрузки все время в течение каждого дня. Выравнивание нагрузки позволяет обеспечивать такую выработку энергии на электростанции, что электростанция производит одно и то же количество энергии в течение всех часов работы, однако позволяет также обеспечивать потребителей максимальной энергией в течение всего времени суток. Так как продолжает существовать период максимальной потребности в электроэнергии, то выравнивание нагрузки может быть осуществлено за счет использования устройств хранения (накопления) энергии. Другими словами, если хранить энергию, произведенную в течение периодов низкой потребности в электроэнергии, таких как часы сна, то запасенная энергия может быть использована в течение периодов максимальной потребности в электроэнергии для пополнения количества энергии, которая должна быть выработана в течение периодов максимальной потребности в электроэнергии.

В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения, выработку энергии делают более равномерной в течение каждого дня. Например, ночью вырабатываемую энергию накапливают в специализированных конденсаторах, которые могут быть установлены на электростанции или рядом с ней, например, на силовой подстанции На следующий день запасенная энергия может быть введена в сеть распределения и передачи энергии для удовлетворения потребности в энергии, например, в конкретном жилом доме, на предприятии или в районе, которые подключены к сети. За счет использования запасенной энергии в течение периодов максимальной потребности в электроэнергии требуется вырабатывать меньше энергии в это время на электростанции, которая обслуживает данный район. В соответствии с другими вариантами настоящего изобретения, конденсаторы могут быть установлены в жилых домах, например в подвалах зданий, или рядом с домами. Более крупные системы хранения энергии на базе конденсатора могут быть установлены в офисах и на заводах или рядом с ними. Однако такие системы могут иметь и меньший размер, и тогда они могут быть установлены у индивидуальных нагрузок, таких как, например, копировальные аппараты, персональные компьютеры, серверы, а также любое другое оборудование, для работы которого требуется подача электроэнергии. Преимущественно, в том случае, когда системы хранения энергии на базе конденсатора помещают вблизи от конечного потребителя или рядом с местом выработки или распределения, то системы имеют модульную конструкцию, позволяющую эффективно производить их установку, расширение или ремонт. Модульность преимущественно поддерживают как на стороне источника, так и на стороне нагрузки каждой системы. В любом из этих вариантов настоящее изобретение позволяет использовать запасенную электроэнергию в течение периодов максимальной потребности в электроэнергии, для ослабления зависимости от прямой поставки электроэнергии, вырабатываемой в этот момент электростанцией.

Настоящее изобретение может быть осуществлено при использовании обычного оборудования для распределения энергии, которое подключено к конденсаторам с высокой емкостью хранения энергии, причем указанные конденсаторы могут быть "заряжены" энергией, выработанной на электростанции, так часто, как это необходимо. Электростанция, которая подает энергию заряда на конденсаторы, может быть обычной тепловой электростанцией на ископаемом топливе или атомной электростанцией, или же может быть альтернативным источником энергии, таким как, например, солнечный, ветровой или гидроэлектрический источник. В отличие от известных систем хранения энергии, таких как батарейные системы хранения, конденсаторы в соответствии с настоящим изобретением позволяют производить прямое накопление больших количеств электроэнергии. Конденсаторы представляют собой электростатические устройства, которые могут хранить и передавать электроэнергию непосредственно и, как таковые, не требуют проведения химической реакции для выработки электроэнергии, что необходимо в батареях. Дополнительное обычное электрическое оборудование может быть использовано для подключения конденсатора (конденсаторов) к жилому дому, офису или к обслуживаемому району, а также для передачи электроэнергии от заряженного конденсатора (конденсаторов) к конечному пользователю. Электроэнергия от конденсаторов может поступать в виде постоянного тока или же в виде однофазного или многофазного переменного тока. Преимущественно используют конверторы и инверторы для изменения формы электроэнергии, подаваемой на конденсаторы и отбираемой от них.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается использовать специализированные конденсаторы для облегчения (снижения веса) описанных выше систем. В одном из вариантов настоящего изобретения конденсатор может быть электрохимическим, симметричным или асимметричным по конструкции. Электрохимический конденсатор позволяет осуществлять прямое накопление (аккумулирование) электроэнергии, причем он имеет малые единичные размеры, не имеющие себе равных. В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения могут быть использованы, например, электролитические или криогенные конденсаторы, которые также позволяют производить желательное хранение энергии.

Настоящее изобретение позволяет существенно снизить или даже полностью исключить такие аномалии, как "всплески", "пики" и "провалы" энергии, за счет чего удается улучшить характеристику, которую обычно именуют как "качество энергии".

Указанные отрицательные явления представляют собой практически неизбежный результат движения электроэнергии по множеству линий распределения и передачи к конечным пользователям. Проблемы качества энергии могут возникать по различным причинам; например в результате ошибок расчета электрических систем, ошибок конструирования электрических систем, ошибок заземления, а также за счет наличия гармоник и взаимодействия нагрузок. В то время как эти аномалии не имеют места при рассмотрении полного количества энергии, подаваемой каждый день в данный район, они могут создавать существенные проблемы для конечных пользователей. Например, в эпоху широкого использования компьютеров выброс или пропуск энергии, даже кратковременный, может приводить к потере электронного документа или, еще хуже, к повреждению компьютерной системы. В отличие от концепции описанного выше аккумулирования электроэнергии, электроэнергия, которая должна поступать для поддержания качества энергии, имеет чрезвычайно кратковременную длительность. Например, обнаружили, что большинство явлений, связанных с качеством энергии, происходит в течение одного периода переменного тока или меньше, причем 10 периодов обычно более чем достаточно для ослабления любого мгновенного нарушения подаваемого напряжения. Таким образом, поддержание качества энергии или ее улучшение обычно означает способность обеспечения в соответствии с настоящим изобретением требуемого уровня выходной энергии в течение времени 1 секунда или меньше. При использовании для задачи поддержания качества энергии электроэнергия, накопленная в конденсаторе (конденсаторах), преимущественно не расходуется. Эта функция является обратной функции аккумулирования электроэнергии, при которой система хранения энергии в соответствии с настоящим изобретением может работать для обеспечения существенно более длительных промежутков подачи энергии к нагрузке или к нагрузкам, и когда конденсатор (конденсаторы) может быть разряжен до такого уровня, что накопленная в нем энергия существенно расходуется или конденсатор отключается вручную. Таким образом, несмотря на то, что аккумулирование электроэнергии и поддержание качества энергии являются различными задачами, система в соответствии с настоящим изобретением может осуществлять любую из них. Например, в одном из вариантов настоящего изобретения предусмотрен установленный в пункте использования конденсатор (конденсаторы) для непосредственного обслуживания потребностей в энергии в указанном пункте, с использованием запасенной энергии вместо прямой подачи вырабатываемой в это время энергии. Использование запасенной энергии от конденсатора (конденсаторов) может быть применено не только для подачи требуемой энергии к нагрузке в пункте использования, но и для обеспечения качества энергии за счет кратковременного разряда электроэнергии при нарушениях качества энергии. Аналогично, удаленная система в соответствии с настоящим изобретением может быть использована для достижения такого же эффекта. Следовательно, специалисты легко поймут, что система в соответствии с настоящим изобретением может быть попутно использована для поддержания и улучшения качества энергии.

Указанные ранее и другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые позиции использованы для обозначения идентичных или эквивалентных характеристик

На фиг.1 схематично показан первый вариант системы в соответствии с настоящим изобретением, предназначенный для использования с однофазными нагрузками, такими как имеющиеся в жилых домах.

На фиг.2 схематично показан другой вариант системы в соответствии с настоящим изобретением, предназначенный для использования как с однофазными, так и с трехфазными нагрузками, такими как обычно имеющиеся на предприятиях.

На фиг.3 схематично показан еще один вариант системы в соответствии с настоящим изобретением, содержащий конденсаторное хозяйство, которое может быть расположено на электростанции, на силовой подстанции или практически в любом месте, где требуется энергия постоянного тока или же однофазная или многофазная энергия переменного тока;

На фиг.4 схематично показан альтернативный вариант системы в соответствии с настоящим изобретением, в котором использована передвижная группа конденсаторов.

На фиг.5 дано графическое представление нормальной электрической нагрузки в функции максимальной потребности в электроэнергии для заданного района.

На фиг.6 дано графическое представление электрической нагрузки и подачи электроэнергии, когда систему в соответствии с настоящим изобретением используют для заданного района.

На фиг.7 показаны операции схемы последовательности операций для одного из вариантов в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.8 схематично показан вариант системы хранения электроэнергии в соответствии с настоящим изобретением с использованием электрохимического (электролитического) конденсатора.

На фиг.9 схематично показан вариант системы хранения электроэнергии на базе конденсатора в соответствии с настоящим изобретением с использованием криогенного конденсатора с криогенной подсистемой охлаждения.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой схематично показан примерный вариант осуществления настоящего изобретения. В соответствии с этим вариантом электроэнергия вырабатывается на электростанции 20 и распределяется при помощи обычных линий передачи и распределения энергии 30 в дома 40, где расположены конденсаторные устройства для накопления энергии 50. Электростанцией 20 может быть обычная электростанция на ископаемом топливе или атомная электростанция, или же, альтернативно, может быть использован источник солнечной энергии, энергии ветра, гидроэлектрической энергии, или источник другой альтернативной энергии. Каждый дом имеет одно или несколько конденсаторных устройств хранения энергии 50, каждое из которых содержит один или несколько конденсаторов (например, расположенных в подвале дома), которые соединены электрически, например, при помощи абонентского ввода 60 с линиями передачи и распределения 30 через счетчик электроэнергии 65 или другое аналогичное устройство, для того, чтобы получать определенное количество электричества (электрический заряд). Количество электричества может поставляться в виде "пакета" электроэнергии неопределенного размера, который достаточен для накопления достаточной энергии в конкретном конденсаторном устройстве накопления 50 для данного промежутка времени использования (например, для часов бодрствования одного дня). Подача пакета электроэнергии может занимать относительно короткий период времени или, альтернативно, может быть длительным процессом. Конденсаторное устройство накопления 50 может быть соединено проводами с внутренней проводкой дома (аналогично обычным электрическим линиям и в той же сети) для обеспечения всей или части электрической энергии, необходимой для работы электрических устройств в доме. Такие электрические устройства могут быть постоянно подключены к внутренней проводке дома или могут получать электрическую энергию через обычные настенные розетки. Альтернативно или в сочетании с указанной сетью, некоторые устройства, такие как бытовые электроприборы, компьютеры и другие устройства потребления электроэнергии, могут быть оборудованы индивидуальными конденсаторными устройствами накопления 50, предназначенными для накопления электроэнергии. Так как энергию отбирают от конденсаторного устройства накопления 50 в течение всего дня, то конденсатор (конденсаторы) в нем медленно разряжается и теряет свою запасенную энергию. Позднее, например ночью в течение часов сна, конденсаторное устройство накопления 50 может быть перезаряжено для обслуживания потребностей следующего дня. Этот процесс может повторяться много раз в течение нескольких лет, пока конденсаторное устройство накопления 50 не изнашивается и не потребуется его замена.

Промышленное применение настоящего изобретения может быть рассмотрено со ссылкой на фиг.2. В таком применении одно или несколько конденсаторных устройств хранения 150 (которое может быть (но не обязательно) большего размера, чем конденсаторное устройство хранения, используемое в жилых домах) может быть установлено на предприятии 160 или рядом с ним для подачи всей или части энергии, необходимой для работы в течение типичного рабочего дня. Конденсаторное устройство хранения 150 может быть адаптировано для подачи однофазной или трехфазной энергии на предприятие 160. Промышленное применение настоящего изобретения обладает гибкостью и позволяет иметь помещение большей площади для установки конденсаторов большего размера в основной конструкции здания 170 или, например, в подсобном помещении 180.

Аналогично варианту фиг.1 для применения в жилых домах, в варианте фиг.2 электроэнергию также вырабатывают на электростанции 20 и распределяют при помощи обычных линий передачи и распределения энергии 30 на предприятия 160, где установлено одно или несколько конденсаторных устройств хранения 150. Каждое предприятие может иметь одну или несколько групп, содержащих одно или несколько конденсаторных устройств хранения 150, которые соединены электрически с линиями передачи и распределения 30 через счетчик электроэнергии 190 или другое аналогичное устройство для того, чтобы получать определенное количество электричества.

На фиг.3 показано конденсаторное устройство хранения 200 в соответствии с настоящим изобретением для фермерского хозяйства, расположенное на вырабатывающей электроэнергию электростанции 220 или радом с ней, или же на силовой подстанции. Как и в предыдущих вариантах, электростанцией может быть обычная электростанция на ископаемом топливе или атомная электростанция, или альтернативно может быть использован источник солнечной энергии, энергии ветра, гидроэлектрической энергии, или источник другой альтернативной энергии. В этом варианте в соответствии с настоящим изобретением энергия, которую вырабатывают ночью или в часы внепиковой нагрузки, может быть запасена в конденсаторе фермы 200 для последующего введения в сеть потребителя во время максимальной потребности в электроэнергии. При этом электростанция 220 может быть использована более эффективно за счет увеличения выработки электроэнергии в часы внепиковой нагрузки, что позволяет снизить выработку электроэнергии в часы максимальной потребности в электроэнергии, производя таким образом выравнивание нагрузки электростанции. Выравнивание нагрузки дополнительно способствует более эффективному использованию систем распределения и передачи 230 электроэнергии. Например, за счет использования выравнивания нагрузки, индивидуальные компоненты, такие как трансформаторы 70 (фиг.1 и 2), могут быть использованы для обслуживания большего числа конечных пользователей, чем это возможно в настоящее время, что позволяет понизить стоимость оборудования и затраты на монтаж.

На фиг.4 показан другой вариант в соответствии с настоящим изобретением, в котором предусмотрена группа конденсаторных устройств хранения 250, установленная в корпусе 260, который можно транспортировать в места, где требуется выравнивание нагрузки. За счет этого хранение энергии может быть обеспечено ближе к местам, где имеются проблемы с пиковой нагрузкой. Такая система может быть особенно полезной, например, в том случае, когда система выравнивания нагрузки нужна только периодически или в течение коротких периодов времени, например, при экстремальных погодных условиях. Такая передвижная система позволяет понизить расходы, так как она позволяет обеспечивать хранение энергии, когда и где это необходимо, без строительства постоянных установок хранения энергии и соответствующих линий передачи и распределения энергии. Такая передвижная система может быть установлена на силовой подстанции для локализованного распределения через существующую электрическую сеть. Такая передвижная система может быть также установлена в конкретном производственном помещении, для которого требуется количество электроэнергии, превышающее нормальное потребление.

Группа конденсаторных устройств хранения 250, показанная на фиг.4, может быть заряжена в одном месте и затем перевезена в одно или несколько различных мест для последующей разрядки. Группа конденсаторных устройств хранения 250 затем может быть возвращена в первое место для перезарядки, может быть перезаряжена в месте разрядки или, альтернативно, может быть перевезена для зарядки в другое место. Также возможна подача энергии от группы конденсаторных устройств хранения 250 на одну или несколько других систем в ходе ее перевозки.

На фиг.5 показан график теоретических пиковых нагрузок и максимальной потребности в электроэнергии для конкретной недели. Можно видеть, что потребление энергии сильно изменяется в течение любого дня. Эквивалентное потребление энергии в течение недели показано прямой линией. Несмотря на то, что не удается получить равномерное потребление в виде прямой линии, все же система в соответствии с настоящим изобретением позволяет снизить уровни максимальной потребности в электроэнергии и обеспечить выравнивание кривых полного потребления энергии в течение любого дня.

На фиг.6 показано действительное дневное измеренное потребление энергии одним пользователем в течение конкретной недели, а также пакетная подача энергии, которая эквивалентна циклу дневной нагрузки. Зачерненная область графика отображает действительное потребление энергии (нагрузку) для каждого дня недели. Можно видеть, что действительное потребление энергии в течение каждого дня сильно изменяется в зависимости от времени дня. Таким образом, с учетом того, что и другие потребители, которых обслуживает конкретная электростанция, будут иметь аналогичные графики потребления энергии, можно понять, что обслуживающая таких потребителей электростанция для удовлетворения указанной потребности должна работать с различными уровнями выработки энергии в течение дня. Как уже было упомянуто здесь ранее, такая ситуация является нежелательной. Более предпочтительной является работа электростанции в постоянном режиме вблизи от оптимального уровня выработки энергии. Вертикальные гистограммы на графике отображают величину пакета электроэнергии, который равняется пульсирующему в течение дня циклу нагрузки. Как это показано на фиг.6, величина пакета электроэнергии значительно превышает максимальную нагрузку системы, создаваемую потребителем в любой заданный момент времени. Однако следует иметь в виду, что дополнительная энергия может быть использована для обеспечения дополнительных пользователей в течение внепиковых часов. Выравнивание нагрузки может быть обеспечено за счет группирования нагрузок аналогичных потребителей таким образом, чтобы величина подаваемого пакета энергии была бы по возможности постоянной. В этом случае не придется производить проектирование электростанции на базе максимальной потребности в электроэнергии, причем меньшая электростанция, которая работает вблизи от оптимального уровня эффективности, может удовлетворять все потребности в энергии определенного числа потребителей, для чего в противном случае могла бы понадобиться более крупная электростанция с флуктуацией дневной выработки энергии. Аналогично, существующая электростанция, которая работает в постоянном режиме или вблизи от оптимального уровня эффективности, может обеспечивать энергией дополнительных потребителей. Например, положим, что в данном районе пиковая дневная нагрузка потребителя, умноженная на число потребителей, составляет нагрузку 100 МВт. Следовательно, электростанция, которая подает электроэнергию этим потребителям, должна иметь выходную мощность, по меньшей мере достаточную для обеспечения нагрузки 100 МВт. Однако много раз в течение дня потребность снижается и поэтому электростанция работает намного ниже своего оптимального уровня. За счет использования системы и способа в соответствии с настоящим изобретением удается существенно снизить требуемую выходную мощность электростанции и обеспечить ее работу вблизи от оптимального уровня эффективности 24 часа в сутки, при удовлетворении той же потребности в энергии. За счет этого можно строить небольшие дешевые электростанции, обеспечивающие все возникающие потребности в энергии. Сопутствующим результатом повышения эффективности электростанций, по меньшей мере в отношении электростанций, работающих на ископаемом топливе и, возможно, атомных электростанций, является снижение выбросов в атмосферу и соответствующее снижение загрязнения окружающей среды. Кроме того, более старые электростанции, которые уже не обеспечивают максимальную потребность в электроэнергии в данном районе, при использовании настоящего изобретения будут удовлетворять потребность в электроэнергии все время, в том числе и в часы максимальной потребности в электроэнергии. Это приведет к строительству меньшего числа новых электростанций и линий передачи и распределения энергии, что в результате снизит стоимость энергии для потребителей, так как в эту стоимость входит стоимость строительства новых электростанций и систем распределения энергии.

На фиг.7 показаны операции схемы последовательности операций для одного из вариантов в соответствии с настоящим изобретением, позволяющие понять использование настоящего изобретения. Электроэнергия вырабатывается традиционным или не традиционным путем (операция 300). Некоторая часть этой электроэнергии может быть распределена (операция 310) в виде пакетов переменного размера для зарядки или накопления энергии в одном или нескольких конденсаторных устройств хранения (операция 320). Когда потребитель нуждается в энергии, он подключает нагрузку к конденсаторному устройству хранения (операция 330), и конденсаторное устройство хранения разряжается на эту нагрузку (операция 340). После полной или частичной разрядки конденсаторное устройство хранения может быть повторно заряжено при проведении операции 350 для использования на следующий день (или в течение некоторого другого промежутка времени).

Теперь будут описаны более подробно со ссылкой на фиг.8 и 9 конкретные конденсаторы, которые подходят для использования в соответствии с настоящим изобретением. Следует иметь в виду, что в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы и другие конденсаторы. Описанные здесь конденсаторы позволяют рационально произвести осуществление изобретения на дату подачи этой заявки. Настоящее изобретение может быть осуществлено и при помощи других конденсаторов, как известных, так и еще не разработанных, причем настоящее изобретение не ограничено описанной здесь конкретной конструкцией конденсатора.

Как это показано на фиг.8, один электрохимический конденсатор или матрица таких конденсаторов 400 может быть использована для обеспечения необходимой емкости хранения энергии. Несмотря на то, что электрохимические конденсаторы 400 могут иметь как симметричную, так и асимметричную конструкцию, показанный на фиг.8 конденсатор является преимущественно асимметричным. Такой конденсатор описан в патенте США № 6222723. В таком конденсаторе ячейки 410 имеют первый электрод и второй электрод, причем указанные электроды имеют различные абсолютные емкостные сопротивления. Между электродами введен водный электролит. Такая конструкция позволяет обеспечить высокое полное значение емкости при небольших значениях емкостей электродов, что позволяет получить устройство для накопления с высокой плотностью хранения энергии. Использование водного электролита дополнительно улучшает качественные характеристики, снижает стоимость и обеспечивает невоспламеняемость. В показанной матрице 400 ячейки 410 разделены при помощи токопроводящих пластин 420. Электрохимические конденсаторы 400 могут иметь конструкцию никель-металл-гибрид, но преимущественно являются кислотно-свинцовыми конденсаторами, что позволяет получить более высокую плотность заряда. В особом варианте в соответствии с настоящим изобретением, показанном на фиг.9, керамический конденсатор использован для хранения электроэнергии. Аналогично уже описанной конструкции электрохимического конденсатора, матрица конденсаторов 450 может быть использована для обеспечения хранения необходимой энергии.

Керамические конденсаторы 450 в соответствии с настоящим изобретением преимущественно снабжены криогенной подсистемой охлаждения 110. Такая конструкция конденсатора позволяет производить прямое накопление больших количеств электроэнергии в относительно небольшом конденсаторе, в результате чего появляется возможность использования настоящего изобретения, например, в жилом доме. Такие конденсаторы 450 уже были описаны в патенте США № 4599677. Криогенный охладитель с циклом Стирлинга 120 может быть использован в криогенной подсистеме охлаждения 110 Матрица конденсаторов 450 размещена в сосуде Дьюара 460 и погружена в жидкий азот 470. Криогенную подсистему охлаждения 110 используют для поддержания жидкого азота 470.

Конденсатор (конденсаторы), вне зависимости от его конструкции, может получать заряд энергии через выпрямитель 500, подключенный к сети распределения и передачи энергии 510. Преимущественно может быть использован также и двухсторонний преобразователь постоянного тока в постоянный 520, на который может поступать постоянный ток с выхода выпрямителя 500, а на выходе получают регулируемое постоянное напряжение для зарядки конденсатора (конденсаторов). Двухсторонний преобразователь постоянного тока в постоянный 520 преимущественно позволяет также производить преобразование выходного напряжения постоянного тока с конденсатора (конденсаторов) в более высокое напряжение постоянного тока, ранее преобразования в переменное напряжение при помощи инвертора постоянного тока в переменный ток 530. Возможна также подача напряжения постоянного тока с конденсатора (конденсаторов) на электрические устройства постоянного тока, без необходимости преобразования постоянного напряжения в переменное. Инвертор постоянного тока в переменный 530 используют в том случае, когда желают произвести преобразование постоянного тока с выхода конденсатора (конденсаторов) в энергию переменного тока для подачи на нагрузку.

Система в соответствии с настоящим изобретением может работать в двух основных режимах. Как это показано на фиг.8, система может работать в режиме подачи напряжения при последовательном подсоединении в линию (в сеть). Электроэнергия может поступать на конденсатор (конденсаторы) 400 для его зарядки от сети распределения и передачи 510. В этом режиме энергия затем может отбираться от конденсатора (конденсаторов) 400 и подаваться на специфическую нагрузку 550, возвращаться назад по цепи 540 в сеть распределения и передачи 510 для распределения в другом месте или может быть направлена в оба указанных места. В ходе передачи электроэнергии от конденсатора (конденсаторов) на специфическую нагрузку 550 или в сеть распределения и передачи 510 выпрямитель 500 отключен. Второй режим работы описан на фиг.9. В этом варианте система работает в режиме введения тока при параллельном соединении. Как и в режиме фиг.8, электроэнергия может поступать на конденсатор (конденсаторы) 450 для их зарядки от сети распределения и передачи 510. В этом режиме двухсторонний инвертор 560 позволяет подавать электроэнергию по цепи 570 от конденсатора (конденсаторов) 450 на специфическую нагрузку или возвращать ее назад по цепи 580 в сеть распределения и передачи 510. В ходе зарядки конденсатора (конденсаторов) двухсторонний инвертор производит преобразование (выпрямление) переменного тока от сети распределения и передачи 510 в напряжение постоянного тока для зарядки конденсатора (конденсаторов). При разрядке конденсатора (конденсаторов) двухсторонний инвертор 560 производит преобразование напряжения постоянного тока с конденсатора (конденсаторов) в напряжение переменного тока для подачи на специфическую нагрузку или для возврата энергии назад в сеть распределения и передачи 510. Специалисты легко поймут, что любой конденсатор, который подходит для использования в системе в соответствии с настоящим изобретением, может эффективно работать в любом из режимов, описанных выше со ссылкой на фиг.8 и 9. Ничего в приведенном описании или на чертежах не подсказывает ограничений для применения показанных на чертежах и описанных выше конденсаторов в конкретном режиме работы.

Контрольно-измерительная аппаратура 80 (фиг.1-4), установленная рядом с индивидуальным конденсаторным устройством накопления или с матрицей конденсаторных устройств накопления энергии, может быть использована для передачи информации на центральное устройство управления 90 (фиг.1-4). Центральное устройство управления 90 производит текущий контроль и управление подключением выпрямителя 500 к электрической сети 510 для зарядки конденсаторных устройств хранения 50, 150, 200, 250 и для их отключения при необходимости от сети в другое время. Центральное устройство управления 90 может также управлять подключением конденсаторных устройств хранения к сети распределения и передачи и управлять последующим отбором электроэнергии от конденсаторных устройств хранения в сеть распределения и передачи. Это может производиться автоматически при возникновении максимальной потребности в электроэнергии или, например, при аварийной ситуации.

Контрольно-измерительная аппаратура 80 и центральное устройство управления 90 могут выполнять множество функций. Например, контрольно-измерительная аппаратура 80 и центральное устройство управления 90 могут контролировать флуктуирующую стоимость электроэнергии и производить переключение для подачи электроэнергии не от электростанции, а запасенной электроэнергии, для максимального снижения себестоимости. Например, если стоимость электроэнергии резко возрастает в определенный день или в определенные часы, но можно предсказать ее снижение позднее, то контрольно-измерительная аппаратура может подключать заряженное конденсаторное устройство накопления или группу заряженных конденсаторных устройств накопления к нагрузке для ее обеспечения необходимой электроэнергией, при одновременном отключении нагрузки от сети. После этого конденсаторное устройство накопления может подавать требуемую электроэнергию на нагрузку до тех пор, пока стоимость электроэнергии не упадет, после чего нагрузка может быть опять подключена к сети и конденсаторное устройство накопления может быть перезаряжено. Электроэнергия, запасенная в конденсаторных устройствах хранения, также может быть продана для использования в коммунальной электрической сети или, в случае наличия собственных систем, может быть продана другим потребителям. В том случае, когда электроэнергия, запасенная в собственных системах потребителя, может быть продана назад производителю электроэнергии или третьей стороне, потребитель может иметь специальный счетчик электроэнергии для вычета стоимости проданной запасенной электроэнергии из стоимости электроэнергии, отобранной от коммунальной электросети. При перерыве (перебое) в подаче электроэнергии контрольно-измерительная аппаратура 80 и центральное устройство управления 90 могут подавать команду на распределение запасенной электроэнергии с одного или нескольких конденсаторных устройств хранения в одном или нескольких местах, где случился перебой. Например, если электростанция, которая нормально подает электроэнергию, должна быть отключена для проведения технического обслуживания или ремонта, то электроэнергия может быть получена от альтернативных источников. Для этого контрольно-измерительная аппаратура 80 и центральное устройство управления 90 определяют, какие зоны должны быть обеспечены электроэнергией от альтернативных источников и какие источники альтернативной электроэнергии имеются в наличии. В этом случае контрольно-измерительная аппаратура 80 и центральное устройство управления 90 могут подавать команду на отбор запасенной электроэнергии от одного или нескольких конденсаторных устройств хранения и на распределение этой электроэнергии в тех зонах, где она необходима. Такая функция может быть также осуществлена, когда потребность в электроэнергии превышает ее подачу от традиционных источников, например, в течение периода максимальной потребности в электроэнергии.

Когда конденсаторные устройства хранения в соответствии с настоящим изобретением разряжаются, они должны быть перезаряжены при поступлении на них электроэнергии, так чтобы они могли вновь быть разряжены позднее. Контрольно-измерительная аппаратура 80 и центральное устройство управления 90 могут осуществлять и эту функцию. Контрольно-измерительная аппаратура 80 и центральное устройство управления 90 могут производить текущий контроль состояния конденсаторных устройств хранения, а также состояние электрической сети, с которой они сообщаются, для того, чтобы определять оптимальное время подачи электроэнергии на конденсаторные устройства хранения для их перезарядки. Преимущественно перезарядку конденсаторных устройств хранения производят во внепиковые периоды, однако на решение о перезарядке могут влиять и другие факторы, такие как, например, уровень заряда конденсаторных устройств хранения и текущая стоимость электроэнергии.

Преимущественно в контрольно-измерительной аппаратуре 80 и в центральном устройстве управления 90 используют микропроцессор для оптимизации зарядки и разрядки конденсаторных устройств хранения. Например, в центральном устройстве управления 90 может быть использован микропроцессор для текущего контроля и анализа флуктуирующей стоимости электроэнергии и для прогнозирования роста или снижения стоимости, и когда это произойдет. Микропроцессор может быть также использован для оценки потребности в энергии в сети и для оптимизации комбинированного использования энергии электростанции и электроэнергии, запасенной в системах накопления на базе конденсатора в соответствии с настоящим изобретением. Микропроцессоры могут быть использованы в контрольно-измерительной аппаратуре для текущего контроля состояния конденсаторных устройств хранения и для передачи статуса конденсаторных устройств хранения в центральное устройство управления 90. Микропроцессоры центрального устройства управления 90 и контрольно-измерительной аппаратуры 80 могут также определять оптимальное время, когда следует производить разрядку или повторную зарядку конденсаторных устройств хранения.

Когда одно или несколько конденсаторных устройств хранения размещены в местоположении потребителя, как это предусмотрено в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения, потребитель может получать количество энергии, например, равное его суточной потребности, преимущественно (но не обязательно) в течение часов внепиковой нагрузки. Настоящее изобретение позволяет устанавливать такой график подачи пакетов электроэнергии на конденсаторные устройства хранения, что нагрузка вырабатывающей электроэнергию электростанции может быть выровнена. Например, подача пакетов электроэнергии может производиться в часы сна, когда нагрузка является низкой. За счет этого можно резко повысить эффективность эксплуатации коммунальной электросети.

Конденсаторы в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения могут производить хранение электроэнергии при плотности свыше 100 Дж/см³. При плотности энергии 50 Дж/см³ запасенная энергия может достигать уровней 50 кВт.ч в блоке объемом 130 кубических футов, который имеет размер куба со стороной 5 футов. Следовательно, при плотности хранения свыше 100 Дж/см³ конденсаторное устройство хранения будет иметь объем менее 130 кубических футов. Могут быть построены блоки и существенно большего размера, позволяющие запасать существенно большие количества энергии. Более крупные конденсаторные устройства хранения могут быть использованы в промышленности, причем они могут быть образованы в виде матрицы устройств, при обеспечении таких же преимуществ. В другом варианте настоящего изобретения "хозяйство" таких конденсаторов может быть установлено рядом с электростанцией или с силовой подстанцией и использовано как основной источник запасенной энергии, для дополнительной подачи энергии в сеть каждый день во время максимальной потребности в электроэнергии. Альтернативно, хозяйство таких конденсаторов может быть установлено на удалении от электростанции для снижения нагрузки линии передачи. Множество пакетов энергии может быть подано на конденсаторы каждую ночь, а запасенная энергия может разряжаться каждый день по мере необходимости в коммунальную сеть.

В дополнение к описанному выше использованию запасенной электроэнергии, можно предусмотреть использование системы в соответствии с настоящим изобретением для подачи электрической или другой энергии на транспортные средства или оборудование. Например, конденсаторные устройства хранения в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы для питания легковых и грузовых автомобилей, а также легких рельсовых систем. В легких рельсовых системах конденсаторные устройства хранения могут быть использованы, например, для приведения в движение поезда или трамвая из пункта А в пункт В и назад, по повторяющейся петле. Во время каждой остановки от пункта А до пункта В конденсаторные устройства хранения могут получать заряд электрической энергии, достаточный для перемещения поезда до следующей остановки. В этом случае не потребуются линии распределения электроэнергии между пунктом А и пунктом В.

Как можно видеть из проведенного описания, система в соответствии с настоящим изобретением позволяет производить эффективное и экономичное накопление больших количеств электроэнергии. Система имеет разнообразное использование, например, для подачи электроэнергии для выравнивания нагрузки или ограничения максимума нагрузки, для кратковременной подачи электроэнергии в жилые дома, офисы или на заводы, а также для повышения качества энергии. Система в соответствии с настоящим изобретением позволяет производить аккумулирование электроэнергии в более крупном масштабе, чем это было возможно раньше, однако с использованием средства хранения компактного размера.

Несмотря на то, что здесь были описаны подробно некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что изобретение не ограничивается такими вариантами и в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.

1. Система накопления и распределения электроэнергии для бытовых и производственных потребителей, которая включает в себя:

источник электроэнергии переменного тока; по меньшей мере, один имеющий высокую мощность накопления конденсатор, подключенный к указанному источнику и к, по меньшей мере, одной сети использования энергии потребителем через систему распределения электроэнергии; тракт передачи части электроэнергии от указанного источника в указанный конденсатор для накопления энергии в период низкого ее потребления; устройство для преобразования электроэнергии переменного тока от указанного источника в электроэнергию постоянного тока для хранения в конденсаторе; тракт передачи, по меньшей мере, части указанной электроэнергии, накопленной конденсатором, в систему распределения электроэнергии в период высокого ее потребления; устройство для преобразования электроэнергии постоянного тока, запасенной в конденсаторе, в электроэнергию переменного тока для подачи в систему распределения электроэнергии; и контрольно-измерительную аппаратуру для обеспечения автоматического подключения конденсатора к источнику электроэнергии и к системе распределения электроэнергии.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что конденсатор расположен на источнике электроэнергии или поблизости от него.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что конденсатор выполнен подвижным с возможностью зарядки в одном месте и разрядки в одном или нескольких других местах.

4 Система по п.1, отличающаяся тем, что источником электроэнергии является электростанция.

5. Способ накопления и распределения электроэнергии для бытовых и производственных потребителей, который включает в себя следующие операции: использование источника электроэнергии переменного тока; использование, по меньшей мере, одного имеющего высокую емкость накопления конденсатора, который подключен к указанному источнику и к сети использования электроэнергии потребителями; преобразование электроэнергии от источника в энергию постоянного тока и передачу ее в указанный, по меньшей мере, один конденсатор, для зарядки его во время периода низкого потребления электроэнергии от указанного источника; передачу, по меньшей мере, части указанной электроэнергии, накопленной в конденсаторе, после ее преобразования в энергию переменного тока на нагрузку, подключенную к указанной сети использования энергии потребителем, во время периода высокого потребления электроэнергии; и повтор зарядки и разрядки указанного конденсатора во время периодов низкого и высокого потребления электроэнергии соответственно.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что конденсатор выполняют передвижным и перемещают в то место, где требуется выравнивание нагрузки.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что конденсатор заряжают в одном месте и разряжают в одном или нескольких других местах.