Устройство для автономного энергоснабжения потребителей

Изобретение относится к области ветроэнергетики и сельского хозяйства, а именно к установкам, обеспечивающим электрической и тепловой энергией потребителей, удаленных от источников централизованного электро- и теплоснабжения. Устройство для автономного энергоснабжения потребителей содержит ветроэнергетическую установку и двигатель внутреннего сгорания, снабженный реле запуска и регулятором мощности двигателя внутреннего сгорания. Ветроэнергетическая установка подключена через выпрямитель и автономный инвертор к шинам потребителя электрической энергии. Двигатель внутреннего сгорания соединен с синхронной машиной, которая присоединяется к шинам потребителя. За ветроэнергетической установкой подключен стабилизатор. Аккумуляторная батарея, подключенная между выпрямителем и автономным инвертором, снабжена контроллером заряда, подключенным к реле запуска двигателя внутреннего сгорания и блоку управления. К ветроэнергетической установке подключен нагревательный элемент, установленный в баке-аккумуляторе. Устройство снабжено регулятором мощности тепловой нагрузки, системами управления автономным инвертором и стабилизатором. Техническим результатом является снижение расхода органического топлива путем максимального использования энергии ветра и расширения технологических возможностей установки, повышение качества электроэнергии и надежности энергоснабжения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области ветроэнергетики и сельского хозяйства, а именно к установкам, обеспечивающим электрической и тепловой энергией потребителей, удаленных от источников централизованного электро- и теплоснабжения.

Известна автономная ветродизельэлектрическая установка, содержащая подключенные с помощью автоматических выключателей к шинам потребителей асинхронную электрическую машину, соединенную с ветродвигателем, и синхронную электрическую машину с инерционным маховиком на валу, соединенную с помощью управляемой разобщительной муфты с поршневым двигателем внутреннего сгорания, а также балластную нагрузку, подключенную к шинам потребителя. (Авторское свидетельство RU N 2174191, 7 F03D 9/00).

Недостатками данного устройства являются то, что синхронная машина постоянно подключена к шинам потребителя и энергия ветра используется недостаточно.

Известно устройство, использующее возобновляемые источники энергии для автономного электроснабжения и теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей. Основной элемент этого устройства - термоэлектрический генератор, вырабатывающий электрическую энергию, которая накапливается в аккумуляторе электрической энергии, в него же поступает электрическая энергия от ветроэлектрического агрегата. Теплоту сгораемого в термоэлектрическом генераторе газа, не преобразованную в электрическую, передают в аккумулятор теплоты, в него же направляют теплоту, полученную преобразованием солнечной энергии. (Авторское свидетельство RU N 2182986, 7 F03D 9/00).

Недостатком данного устройства является то, что при полном заряде аккумулятора электрической энергии, энергия ветра не используется.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство продолжительного оптимального использования переменных, тяжело управляемых источников энергии (патент ЕР 0046530, F03D 9/00, H02J 3/38, Н02Р 9/42), содержащее ветроэнергетическую установку, включающую ветровую турбину и первый синхронный генератор, выпрямитель, инвертор, второй синхронный генератор, дизельный агрегат, частотный регулятор и регулятор напряжения второго синхронного генератора с системами управления, соединительную муфту, дополнительную полезную нагрузку и связанный с ней управляемый выпрямитель.

Прототип имеет следующие недостатки:

1. Колебания мощности сглаживаются только дополнительной нагрузкой и вторым синхронным генератором, что не всегда обеспечивает качество электрической энергии.

2. Синхронная машина постоянно подключена к шинам, что требует увеличения мощности ветроэнергетической установки.

3. При наличии электропотребления дизельный агрегат подключается всегда при скорости ветра, меньшей расчетной скорости ветра ветроэнергетической установки.

Целью изобретения является снижение расхода органического топлива путем максимального использования энергии ветра и расширения технологических возможностей установки, повышение качества электроэнергии и надежности энергоснабжения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для автономного энергоснабжения используются ветроэнергетическая установка и синхронный генератор, приводимый во вращение двигателем внутреннего сгорания, за ветроэнергетической установкой подключен стабилизатор, между выпрямителем и автономным инвертором установлена аккумуляторная батарея, снабженная контроллером заряда, который подключен к реле запуска двигателя внутреннего сгорания и блоку управления, к ветроэнергетической установке подключен нагревательный элемент, установленный в баке-аккумуляторе, в который поступает не используемая потребителем энергия от ветроустановки, устройство снабжено регулятором мощности тепловой нагрузки, системами управления автономным инвертором и стабилизатором.

По имеющимся у авторов сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявленного изобретения, позволяющих получить новый положительный эффект - снижение расхода органического топлива, повышение качества электроэнергии и надежности энергоснабжения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию "новизна" и критерию "изобретательский".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана принципиальная схема устройства.

Устройство (см. чертеж) включает в себя ветроэнергетическую установку (ВЭУ) 1, присоединенную к шинам 11 через стабилизатор 2, выпрямитель 3, автономный инвертор 4. Между выпрямителем 3 и автономным инвертором 4 подключена аккумуляторная батарея (АКБ) 5, работающая в буферном режиме. К шинам 11 присоединен потребитель электрической энергии 9 и синхронная машина 8, приводимая во вращение двигателем внутреннего сгорания (ДВС) 7, снабженный регулятором мощности ДВС 12 и реле запуска 13, воздействующим на отключающие контакты выключателя 25. К ВЭУ 1 также присоединен через регулятор мощности 14 нагревательный элемент 19, установленный в баке-аккумуляторе 6, который в свою очередь присоединен к потребителю тепловой энергии 10. Устройство содержит блок управления 21, к которому присоединены датчики температуры 20, напряжения 27, мощности 28, регулятор мощности 12, контроллер заряда 22 и замыкающие контакты выключателя 26. Устройство включает датчик напряжения 18, подключенный к системе управления стабилизатором 15 и включающим контактам выключателя 24, систему управления автономным инвертором 16, датчик мощности 17, подключенный к регулятору мощности 12.

Возможны следующие режимы работы устройства:

1) ВЭУ работает (V≥V₀). В зависимости от соотношения вырабатываемой Р_в и потребной качественной электрической Р_п.э мощностей возможны два режима:

1.1) Р_в≥Р_п.э

1.2) Р_в<Р_п.э

2) Отсутствие или низкая скорость ветра (V<V₀) и ВЭУ не работает

1) V>V₀

1.1) Р_в≥Р_п.э

ВЭУ 1 вырабатывает электроэнергию, которая поступает в стабилизатор 2, а затем в выпрямитель 3. Выпрямленный ток поступает в автономный инвертор 4 для получения трехфазного тока стандартной частоты. Между выпрямителем 3 и автономным инвертором 4 подключена АКБ 5, работающая в буферном режиме для сглаживания колебаний мощности. Часть вырабатываемой ВЭУ 1 энергии поступает потребителю 9, а часть через контроллер заряда 22 на заряд АКБ 5. При этом стабилизатор 2 поддерживает требуемое напряжение на выходе пропорционально сигналу датчика 18, воздействующего на систему управления стабилизатором 15. Контроллер заряда 22 при достижении полного заряда АКБ 5 отключает ее, и вырабатываемая ВЭУ 1 энергия поступает потребителям 9 и 10. При этом блок управления 21 контролирует мощность, поступающую в бак-аккумулятор 6, в зависимости от напряжения на выходе ВЭУ 1, которое регистрируется датчиком напряжения 27. При снижении напряжения ниже минимального уровня, обеспечивающего качество электроэнергии у потребителя 9, блок управления 21, воздействует на регулятор мощности 14, который снижает потребляемую нагревательным элементом 19 мощность до его полного отключения.

Дальнейшее уменьшение напряжения возможно из-за снижения скорости ветра или превышения потребляемой мощности над вырабатываемой.

1.2) Р_в<Р_п.э

Увеличение потребляемой мощности уменьшает напряжение ниже заданного минимального уровня на выходе ВЭУ 1, и когда стабилизатор не в состоянии поддерживать требуемое напряжение на выходе, АКБ 5 начинает разряжаться. При снижении заряда АКБ 5 до заданного значения, контроллер 22 подает сигнал в реле запуска 13 для включения в работу ДВС 7 и замыкания контактов выключателя 25. ДВС 7 вращает синхронную машину 8, которая вырабатывает электроэнергию для поддержания номинального напряжения на шинах потребителя 11. Количество энергии, вырабатываемой ДВС 7, регулируется регулятором мощности 12, который получает сигнал от блока управления 21, пропорционально сигналу датчика напряжения 27 и потребитель 9 получает электроэнергию от ВЭУ 1 и синхронной машины 8. При этом происходит заряд АКБ 5 от ВЭУ 1. При скорости ветра, не обеспечивающей требуемое напряжение на выходе ВЭУ 1, датчик напряжения 18 подает команду на размыкание контактов выключателя 24 и вырабатываемая энергия от ВЭУ 1 поступает в бак-аккумулятор 6. Потребляемая нагревательным элементом 19 мощность контролируется регулятором мощности 14 по сигналу блока управления 21, который получает сигнал от датчика напряжения 27. Синхронная машина 8 снабжает электрической энергией потребителя 9 и по необходимости АКБ 5. При полном заряде АКБ 5 отключается контроллером 22.

2) V<V₀

При отсутствии или низкой скорости ветра потребитель 9 получает энергию от синхронной машины 8, приводимой во вращение ДВС 7. Количество электрической энергии, вырабатываемой синхронной машиной 8, регулируется регулятором мощности 12, который изменяет количество подаваемого топлива в ДВС 7, пропорционально величине датчика мощности 17. При необходимости энергия, вырабатываемая синхронной машиной 8, используется для теплоснабжения. При этом датчик температуры 20, встроенный в бак-аккумулятор 6, в заданное время подает сигнал в блок управления 21, который при отсутствии сигнала от датчика мощности 28 замыкает контакты выключателя 26 при температуре ниже требуемой, размыкает - выше требуемой. При отсутствии потребителей электрической энергии датчик мощности 17 подает сигнал в регулятор мощности 12 для прекращения работы ДВС 7. Для предотвращения подачи напряжения на зажимы ветроустановки 1 от синхронной машины 8 предусмотрено реле обратного тока 23, которое подает сигнал на отключающие контакты выключателя 24.

Для качественного теплоснабжения температура теплоносителя в баке-аккумуляторе 6 контролируется блоком управления 21, получающего сигнал от датчика температуры 20. Блок управления 21 в заданное время сравнивает температуру в баке-аккумуляторе 6 с заданным значением и по необходимости замыкает контакты выключателя 26, который подключает нагревательный элемент 19 к шинам потребителя 11.

Таким образом, описанная выше работа устройства для автономного энергоснабжения потребителей позволяет снизить потребление органического топлива, расширить технологические возможности установки, повысить надежность энергоснабжения и эффективность использования энергии ветра.

Устройство для автономного энергоснабжения потребителей, содержащее ветроэнергетическую установку, подключенную через выпрямитель и автономный инвертор к шинам потребителя электрической энергии, двигатель внутреннего сгорания, снабженный реле запуска и регулятором мощности двигателя внутреннего сгорания, соединенный с синхронной машиной, которая присоединяется к шинам потребителя, отличающееся тем, что за ветроэнергетической установкой подключен стабилизатор, аккумуляторная батарея, подключенная между выпрямителем и автономным инвертором, снабжена контроллером заряда, подключенным к реле запуска двигателя внутреннего сгорания и блоку управления, к ветроэнергетической установке подключен нагревательный элемент, установленный в баке-аккумуляторе, устройство снабжено регулятором мощности тепловой нагрузки, системами управления автономным инвертором и стабилизатором.