Устройство автономного электропитания

Авторы патента:

H02S10/12 - Производство, преобразование и распределение электрической энергии

H02J15/00 - Системы для накопления электрической энергии (механические системы для этого F01-F04; в химической форме H01M)

F03D9/11 - Приспосабливание ветряных двигателей для особых целей; агрегатирование ветряных двигателей с приводимыми ими устройствами (при преобладании отличительных признаков приводимых устройств см. классы, к которым отнесены эти устройства)

Владельцы патента RU 2692866:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" (RU)

Изобретение относится к области электротехники и энергетики. Устройство автономного электропитания содержит ветрогенератор, преобразователь солнечной энергии в электрическую, блок заряда аккумуляторных батарей, аккумуляторные батареи, выходы которых присоединены через инвертор напряжения и распределительное устройство к нагрузке, и узел управления, при этом дополнительно введены блок заряда суперконденсаторов и блок суперконденсаторов, при этом блок заряда суперконденсаторов подключен входом параллельно блоку заряда аккумуляторных батарей к ветрогенератору и преобразователю солнечной энергии в электрическую, а выходом соединен с входом блока суперконденсаторов, выход которого соединен с входом блока заряда аккумуляторных батарей. Изобретение направлено на увеличение срока службы аккумуляторов, повышение использования вырабатываемой источниками энергии. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и энергетики, в частности к автономным системам электроснабжения переменным током, при использовании энергии ветра и солнца и может быть использовано для электропитания удаленных от электрических сетей объектов, например, объектов минерально-сырьевого комплекса

Известна система бесперебойного энергоснабжения (патент №78012 опубл. 24.03.2008), содержащая источники электроэнергии, в том числе, по меньшей мере, один возобновляемый - солнечную батарею, генератор электроэнергии, двигатель внутреннего сгорания с устройством подачи топлива, аккумуляторные батареи, инвертор напряжения накопленной энергии, силовой коммутатор, нагрузку, блок управления, отличающаяся тем, что подключение каждого возобновляемого источника электроэнергии к аккумуляторной батарее осуществлено через конвертор напряжений, связанный с блоком управления, а аккумуляторные батареи подключены через инвертор к силовому коммутатору, а последний через стабилизатор - к электросети; устройство подачи топлива - двигатель внутреннего сгорания - генератор переменного тока образуют цепь резервного питания, вход которой подключен к блоку управления, а выход - через силовой коммутатор - к нагрузке; в качестве второго возобновляемого источник электроэнергии использован ветроэлектрогенератор.

Недостатком устройства является резервирование источника электроэнергии с помощью генератора, приводимого в действие с помощью двигателя внутреннего сгорания, который создает броски тока при запуске на входе аккумуляторов или нагрузки, что снижает срок службы аккумуляторов, снижает качество выдаваемой электроэнергии, а также снижает возможности автономности установки. Двигатель внутреннего сгорания должен быть обеспечен также горюче-смазочными материалами, которые расходуются в процессе эксплуатации системы и требуют возобновления запасов. Так дизельный генератор мощность 25 кВт расходует 10-12 литров топлива в час, что составляет около 240 литров в сутки. С учетом необходимых запасов топлива автономность подобной системы может составлять максимум несколько суток, после чего потребуется вновь доставлять топливо, переливать его в накопительные цистерны, что невозможно без участия человека. Дизель-генератор расходует также масло, охлаждающую жидкость и требует периодической замены фильтров. Автономной такую систему назвать невозможно. Также, работа двигателя внутреннего сгорания приводит к появлению выхлопа и неизбежных утечек горюче-смазочных материалов, что снижает экологичность системы. Известную систему нельзя ставить, например, в охраняемых заповедниках. Наличие шума от работы двигателя также ограничивает эксплуатационные возможности известной системы.

Известна ветроэлектрическая установка БРИЗ 5000 комплекс «Бриз-Дизель» (Техническая документация http://teploplen.com/veter.html).

Комплекс состоит из ветрогенератора "Бриз 5000", устройства контроля заряда с балластным сопротивлением и эл. тормозом, комплекта аккумуляторов 8 штук, инвертора, дизель-генератора и блока автоматики дизель-генератора. Установка предназначена для электроснабжения объектов, расположенных в зонах со слабыми или непостоянными ветрами -от 3 м/с.Может работать и как дополнение к уже имеющейся электрической сети.

Недостатком устройства является резервирование источника электроэнергии с помощью генератора, приводимого в действие с помощью двигателя внутреннего сгорания, который создает броски тока при запуске на входе аккумуляторов или нагрузки, что снижает срок службы аккумуляторов, снижает качество выдаваемой электроэнергии, а также снижает возможности автономности установки. Двигатель внутреннего сгорания должен быть обеспечен также горюче-смазочными материалами, которые расходуются в процессе эксплуатации системы и требуют возобновления запасов. Работа двигателя внутреннего сгорания приводит к появлению выхлопа и неизбежных утечек горюче-смазочных материалов, что снижает экологичность системы. Известную систему нельзя ставить, например, в охраняемых заповедниках. Наличие шума от работы двигателя также ограничивает эксплуатационные возможности известной системы. Также постоянно изменяющийся ток заряда АКБ, а также импульсные токи при порывистом ветре ведут к ускоренному износу аккумуляторов. В связи с особенностями переходных процессов, происходящих в аккумуляторах, в частности, за счет плавности изменения ЭДС на электродах и высокого внутреннего сопротивления, АКБ не могут накопить импульсные заряды, а так же выдать высокий выходной ток в начальный момент из-за падения напряжения.

Известна автономная система бесперебойного электроснабжения (патент RU №2262790, опубл. 20.10.2005), использующая возобновляемый источник энергии, содержащая, по крайней мере, одну ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, отличающаяся тем, что в системе сформировано два независимых источника электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности.

Недостатком устройства является резервирование источника электроэнергии с помощью генератора, приводимого в действие с помощью двигателя внутреннего сгорания, который создает броски тока при запуске на входе аккумуляторов или нагрузки, что снижает срок службы аккумуляторов, снижает качество выдаваемой электроэнергии, а также снижает возможности автономности установки. Двигатель внутреннего сгорания должен быть обеспечен также горюче-смазочными материалами, которые расходуются в процессе эксплуатации системы и требуют возобновления запасов. Так дизельный генератор мощность 25 кВт расходует 10-12 литров топлива в час, что составляет около 240 литров в сутки. С учетом необходимых запасов топлива автономность подобной системы может составлять максимум несколько суток, после чего потребуется вновь доставлять топливо, переливать его в накопительные цистерны, что невозможно без участия человека. А использование многоскоростного асинхронного генератора ведет к увеличению массогабаритных характеристик ветрогенератора, что ведет к усложнению конструкции опоры-мачты, а также структуры управления, что в свою очередь уменьшает надежность системы и увеличение стоимости системы. Также сложность всей системы, содержащей 4 электрических машины, 2 преобразователя частоты, сложность механической части системы, системы управления и силовой части ведут к увеличению общей массы и размеров установки, стоимости изготовления и обслуживания.

Известна мобильная система автономного электропитания (патент RU №2452637, опубл. 10.06.2012) принятая за прототип, содержащая ветрогенератор, преобразователь солнечной энергии в электрическую, аккумуляторные батареи, выходы которых через инвертор напряжения и распределительное устройство подключены к нагрузке, узел управления, узел радиоканала с антенной связи, подключенный к узлу управления и удаленный центральный пункт управления. Входы-выходы управления узла управления подключены к соответствующим входам-выходам управления инвертора и распределительного устройства. Аккумуляторные батареи содержат, по меньшей мере, три секции. Ветрогенератор и преобразователь солнечной энергии в электрическую соединены с секциями аккумуляторных батарей через блок заряда аккумуляторных батарей, вход управления которого подключен к выходу узла управления. Корпус системы выполнен в виде установленного на колесном шасси вагончика, при этом колесное шасси снабжено крепежными элементами для транспортировки вагончика по воздуху. Колесное шасси снабжено также прицепным узлом для крепления к тягачу. В транспортном состоянии системы ветрогенератор находится внутри вагончика, а в развернутом состоянии закреплен в торцевой части вагончика или на крыше.

Недостатком известного решения является то, что постоянно изменяющийся ток заряда АКБ за счет прямого подключение через выпрямитель к ветрогенератору и преобразователю солнечной энергии, а также импульсные токи при порывистом ветре ведут к ускоренному износу аккумуляторов. В связи с особенностями переходных процессов, происходящих в аккумуляторах, в частности, за счет плавности изменения ЭДС на электродах и высокого внутреннего сопротивления, АКБ не могут накопить импульсные заряды, а также выдать высокий выходной ток в начальный момент из-за падения напряжения.

Техническим результатом является увеличение срока службы аккумуляторов, заряжаемых от источников непостоянного напряжения, повышение использования вырабатываемой источниками энергии и расширение эксплуатационных возможностей за счет обеспечения автономности работы длительное время и увеличенного ресурса работы устройства.

Технический результат достигается тем, что дополнительно введены блок заряда суперконденсаторов и блок суперконденсаторов, при этом блок заряда суперконденсаторов подключен входом параллельно блоку заряда аккумуляторных батарей к ветрогенератору и преобразователю солнечной энергии в электрическую, а выходом соединен со входом блока суперконденсаторов, выход которого соединен с входом блока заряда аккумуляторных батарей.

Устройство автономного электропитания поясняется следующей фигурой:

фиг. 1 - структурная схема установки, где:

1- ветрогенератор;

2 - солнечные батареи;

3 - аккумуляторные батареи (АКБ);

4 - инвертор напряжения;

5 - распределительное устройство;

6 - узел управления;

7 - блок заряда АКБ;

8 - блок заряда суперконденсаторов;

9 - блок суперконденсаторов.

Устройство автономного электропитания содержит ветрогенератор 1 и солнечные батареи 2, которые преобразовывают солнечную энергию в электрическую, выходы которых подключены ко входу блок заряда АКБ 7 и параллельно ко входу блока заряда суперконденсаторов 8, выход блока заряда АКБ 7 соединен со входом аккумуляторных батарей (АКБ) 3, а выход блока заряда суперконденсаторов 8 соединен со входом блока суперконденсаторов 9, выходы аккумуляторных батарей (АКБ) 3 соединены со входом инвертора напряжения 4, выход блока суперконденсаторов 9, соединен с входом блока заряда АКБ 7, выходы которого подключены ко входу АКБ 3 и инвертора напряжения 4. Выход инвертора напряжения 4 соединен со входом распределительного устройства 5, которое имеет клеммы подключения нагрузки. Узел управления 6 соединен входами и выходами с блоком заряда АКБ 7 и блоком заряда суперконденсаторов 8, а также с инвертором напряжения 4 и распределительным устройством 5.

При появлении ветра и/или солнечного света, ветер начинает вращать ветроколесо ветрогенератора 1, соединенное с валом генератора на постоянных магнитах, который вырабатывает напряжение, параллельно с ним преобразователь солнечной энергии 2 вырабатывает напряжение, при попадании на него солнечного света. Напряжение подается на вход блока заряда АКБ 7 и блока заряда суперконденсаторов 8. Момент появления напряжения на входах блоков заряда регистрируется узлом управления 6 и подает сигнал на заряд блока суперконденсаторов 9. После полного заряда блока суперконденсаторов 9, узел управления 6 подает сигнал на заряд АКБ 3. Когда узел управления 6 регистрирует отсутствие напряжения на входе

блока заряда суперконденсаторов 8 от генерирующих элементов 1 и 2, он подает сигнал на блок заряда АКБ 7 на подачу напряжения через вход блока 7 с выхода блока суперконденсаторов 9 для зарядки АКБ 3. Постоянное напряжение с выхода АКБ 3 и/или блока заряда АКБ 7 подается на выход инвертора напряжения 4, в котором преобразуется в переменное напряжение и с выхода инвертора напряжения 4 подается на вход распределительного устройства 5. При резком повышении потребления тока нагрузкой, например, в моменты пуска оборудования, для компенсации просадки напряжения на выходе инвертора напряжения 4, потребляется энергия, запасенная на обкладках суперконденсаторов блока суперконденсаторов 9, путем подачи напряжения с выхода блока 9 на вход блока АКБ 7.

Преимущества использования устройства, основанного на гибридном блоке накопителя энергии, состоящего из АКБ и суперконденсаторов, состоит в том, что оно позволяет повысить ресурс и время работы АКБ и повысить использования вырабатываемой генерирующими элементами энергии.

Устройство автономного электропитания, содержащее ветрогенератор, преобразователь солнечной энергии в электрическую, блок заряда аккумуляторных батарей, аккумуляторные батареи, выходы которых соединены через инвертор напряжения и распределительное устройство к нагрузке, и узел управления, отличающееся тем, что дополнительно введены блок заряда суперконденсаторов и блок суперконденсаторов, при этом блок заряда суперконденсаторов подключен входом параллельно блоку заряда аккумуляторных батарей к ветрогенератору и преобразователю солнечной энергии в электрическую, а выходом соединен с входом блока суперконденсаторов, выход которого соединен с входом блока заряда аккумуляторных батарей.

Похожие патенты:

Энергетическая установка // 2692682

Изобретение относится к области электротехники, в частности к энергетическим установкам малой энергетики, и может быть использовано для создания ветро-фотоэлектрических станций.

Энергетическая установка // 2691865

Изобретение относится к ветро-фотоэлектрическим станциям. Энергетическая установка содержит центральную башню и ротор с поворотными лопастями, размещенными между жесткими кольцевыми дисками и выполненными с возможностью вращения вокруг вертикальных осей посредством приводов поворота, элементы связи кольцевых дисков со ступицами ротора, установленными с возможностью вращения вокруг продольной оси центральной башни, и кольцевой понтон, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной башни и скрепленный с нижним кольцевым диском, батарею фотоэлектрических модулей, закрепленной на верхнем кольцевом диске на его верхней периферийной поверхности, имеющей в каждой ее точке отклонение нормали в сторону от оси вращения ротора на 5°…45°, зависимый инвертор, установленный на роторе, и токопередающий узел, установленный соосно с центральной башней.

Солнечный магнитный двигатель стребкова (варианты) // 2684638

Изобретение относится к электротехнике, к двигателям постоянного тока с постоянным магнитом, использующим солнечный генератор для питания обмотки ротора. Технический результат заключается в более полном использовании площади солнечных элементов и увеличении их мощности, а также в снижении э.д.с.

Полупроводниковая солнечная батарея на основе концентратора из фоточувствительных зеркальных полупрозрачных металлических электродов с использованием термоэлектрического преобразования // 2683941

Использование: в области электроэнергетики для преобразования солнечной радиации в электрическую энергию. Технический результат – повышение эффективности за счет преобразования максимального количества фотонов в электричество.

Закрытое устройство и система для использования солнечной энергии // 2683814

Закрытое устройство для использования солнечной энергии содержит первый приемник, который образует относительно закрытую первую полость, на которой обеспечено одно входное световое отверстие, один элемент преобразования световой энергии или один элемент преобразования световой энергии и по один светоотражающий элемент, который обеспечен на внутренней стенке первой полости или во внутреннем пространстве первой полости, световодное устройство плотно соединеное с входным световым отверстием, для направления собранного снаружи солнечного света таким образом, чтобы он входил в первую полость через входное световое отверстие, второй приемник, который образован в виде второй полости, на которой обеспечено входное световое отверстие, при этом второй приемник частично обеспечен во внутреннем пространстве первой полости, элемент преобразования световой энергии обеспечен на внутренней стенке второй полости или обеспечен во внутреннем пространстве второй полости, световодное устройство проходит через входное световое отверстие первой полости и плотно соединено с входным световым отверстием второй полости для направления собранного снаружи солнечного света во вторую полость, световодное устройство, соединенное с входным световым отверстием второй полости, плотно соединено с входным световым отверстием второй полости, вторая полость дополнительно снабжена одним входным отверстием второго рабочего тела, чтобы позволить второму рабочему телу входить во вторую полость, и выходным отверстием второго продукта, чтобы позволить второму продукту выходить из второй полости в присоединенную снаружи систему циркуляции, причем второй продукт является веществом, получаемым после воздействия по меньшей мере части энергии солнечного света на первое рабочее тело.

Устройство электрического соединения фотогальванической установки // 2682816

Группа изобретений относится к наружной обшивочной панели здания и электрической соединительной коробке для нее. Технический результат заключается в облегчении сборки панелей и соединении проводами фотогальванических модулей.

Усовершенствованная плита для установки фотоэлектрических панелей // 2681748

Изобретение относится к области строительства, а именно к опорной плите для установки фотоэлектрических панелей на крыше здания. Технический результат изобретения заключается в повышении герметичности плиты.

Солнечная панель здания // 2680862

Изобретение относится к гелиотехнике и предназначено для использования при строительстве зданий и сооружений с обогревом за счет солнечной радиации. Солнечная панель здания содержит поглотитель солнечного излучения, размещенный в зазоре, и теплоизоляцию.

Гелиоветряная установка для выработки электроэнергии // 2680822

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в повышении мощности в области применения установки для производства электроэнергии и достигается благодаря тому, что гелиоветряная установка для выработки электроэнергии состоит из полотна элементов, являющихся несоединенными между собой пластинами солнечной батареи, электрически связанными между собой и через аккумулятор и инвертор соединенными с нагрузкой, образующими общую плоскость, каждая пластина жестко соединена с поршнем гидравлического цилиндра, имеющим впускной и выпускной клапаны, через общую систему трубопроводов, снабженную расширительной емкостью, соединенную с гидротурбиной с редуктором на валу, выход которого соединен с генератором электроэнергии и через аккумулятор и систему управления с нагрузкой.

Ветросолнечная установка автономного электроснабжения // 2680642

Изобретение относится к области автономных систем электроснабжения, использующих энергию ветра и солнца. Ветросолнечная установка автономного электроснабжения состоит из ветродвигателя 1, механически соединенного с мультипликатором 2, который через обгонную муфту 3 механически соединен с генератором 4 электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, к которому подключены первый и второй диодные мосты 5 и 6, соответственно, при этом первый диодный мост 5 связан с инвертором 7, соединенным со стабилизатором 8 напряжения, соединенным с реле 9 обратного тока, подключенного к однофазной сети 10 переменного напряжения, к которой подключена система управления 11, соединенная с инвертором 7, с системой 12 ориентации солнечных батарей, управляемой устройством 13 ориентации по солнцу, на котором расположены гибкие солнечные панели 14, подключенные к контроллеру 15 заряда аккумуляторных батарей, который соединен с балластной нагрузкой 16 в виде электрических нагревательных элементов и аккумуляторными батареями 17, причем второй диодный мост 6 соединен с компаратором 18 напряжения, имеющим петлю гистерезиса и выход которого соединен с системой 11 управления и с базой силового транзистора 19, через который идет подключение аккумуляторных батарей 17 к инвертору 7 напряжения, к системе 11 управления подсоединены бензогенератор 20 и реле 21 подключения бензогенератора 20 к однофазной сети 10 переменного напряжения, к однофазной сети 10 переменного напряжения подключены потребители 22 электрической энергии.

Способ и система модульного сохранения энергии // 2690003

Изобретение относится к области электротехники и направлено на продукт для сохранения энергии в форме системы узла батареи, которая может модульно использоваться на объекте сохранения энергии.

Портативный комплекс беспроводной передачи энергии для электропитания энергозависимых устройств // 2686059

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано для беспроводной передачи энергии для электропитания энергозависимых устройств. Технический результат состоит в создании системы беспроводной передачи энергии, которая обеспечивает электропитанием одного или нескольких потребителей.

Трансформатор постоянного тока (тпт) и способ функционирования тпт (варианты) // 2666682

Группа изобретений относится к электротехнике и представляет собой трансформатор постоянного тока электродинамического типа. Технический результат состоит в расширении эксплуатационных возможностей.

Комбинированный накопитель энергии // 2637489

Изобретение относится к электротехнике, к накопителям энергии для транспортных систем, летательных аппаратов, источников аварийного и бесперебойного питания систем связи и телекоммуникаций, для атомных, ветровых, солнечных электростанций.

Тяговая подстанция постоянного тока с инерционным накопителем энергии // 2636847

Изобретение относится к тяговому электроснабжению электрифицированного железнодорожного транспорта. Тяговая подстанция постоянного тока с инерционным накопителем энергии содержит силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором, инерционный накопитель, блок преобразования, регулирования и перераспределения энергии, датчики тока и напряжения.

Система аккумулирования возобновляемой энергии // 2534590

Изобретение относится к получению спирта. Система аккумулирования возобновляемой энергии представляет собой блок источников возобновляемой энергии, подключенный к технологической схеме получения спирта.

Сверхпроводящий аккумулятор силовой // 2466488

Изобретение относится к области энергетики и транспорта, а именно к аккумуляторным источникам электроэнергии для питания тяговых электродвигателей. .

Модуль для устройств накопления электрической энергии, обеспечивающий обнаружение старения указанных устройств // 2449450

Изобретение относится к устройствам накопления электрической энергии, в частности, к области модулей, содержащих по меньшей мере два устройства накопления электрической энергии.

Система утилизации энергии угля с помощью сверхпроводящей передачи электроэнергии // 2316874

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системе утилизации энергии угля, и содержит средство генерирования тепловой электроэнергии для преобразования энергии угля в угольном месторождении, находящемся в отдаленном от конечного потребителя месте, в электрическую энергию путем генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения, нагрузку переменного тока у конечного потребителя, сеть передачи/распределения переменного тока и средство передачи электроэнергии для передачи электрической энергии от средства генерирования тепловой электроэнергии вблизи угольного месторождения на сеть передачи/распределения.

Механический аккумулятор электрической энергии // 2249288

Изобретение относится к источникам энергии для электромобилей, электробусов и т.д. .

Энергетическая установка // 2691865