УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
SELF-CONTAINED POWER SUPPLY DEVICE

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.