СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ЛОКАЛЬНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
SYSTEM OF LOCAL CONSUMERS ENERGY SUPPLY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области создания и эксплуатации энергетических систем и установок киловаттного уровня для энергоснабжения локальных потребителей малой мощности, как правило, дислоцирующихся в труднодоступных и малонаселенных районах, поселениях, значительно удаленных от централизованных систем транспорта топлива и энергии. Преимущественно изобретение относится к установкам и системам энергообеспечения тепловой и электрической энергией, которые предназначены, в первую очередь, для длительной эксплуатации в автоматизированном режиме, в особых сложных условиях. Например, в условиях, когда нет принципиальной возможности постоянного мониторинга их безопасности, управления надежностью процесса генерации энергии человеком - оператором, пополнения запасов топлива и пр. Наиболее близкой областью данного изобретения являются способы и технические устройства (установки, агрегаты, системы) генерации и накопления тепловой и электрической электроэнергии, необходимой для работы различной диагностической радиоэлектронной и светооптической аппаратуры, аппаратуры связи, других локальных потребителей. В основном составе таких потребителей в первую очередь есть: наземные, морские и речные плавучие средства навигационного обеспечения в форме маяков, светящих буев; автономные транспортные средства для перемещения различных предметов, в том числе средств мониторинга, контроля состояния внешней безопасности, защищенности окружающей среды, гражданских и промышленных, иных объектов мира от несанкционированного их перемещения или проникновения на их территорию посторонних конструкций, предметов и лиц; автоматизированные метеостанции, станции сотовой и иной спецсвязи, станции диагностики и катодной защиты магистральных трубопроводов, зонды и пр.; малые агломерации, населенные пункты, отдельные строения для размещения ограниченного контингента вахтовых наблюдателей и иного персонала.
Аналогами предлагаемой системы являются.
Система по патенту RU2499961 для генерации энергии в гибридной энергоустановке, включающей тепловой двигатель, приводящий в действие генератор электрической энергии, которую в выбранные моменты времени накапливают в аккумуляторной батарее.
Система по патенту РФ 2444637 и способы преобразования энергии газообразного топлива (природный газ, водород, др.) в механическую и электрическую мощность, преобразующих первичную энергию газа в электрическую, которая затем запасается в электроаккумуляторах, и потом, при необходимости, служит источником энергоресурсов для потребителя, например, транспортных средств вне зависимости от графика выработки первичной энергии.
Известен также способ производства электрической энергии из природного газа, с использованием топливного элемента на твердом оксиде, включающий стадии электрохимического окисления природного газа, прошедшего предварительное расширение, а также нагрев природного газа выходящим из топливного элемента потоком (заявка РФ на изобретение №2000107827, дата публикации 2002.01.20).
Недостатками названных выше систем является их низкая надежность при длительном сроке эксплуатации в необслуживаемом режиме и низкий уровень энергоэффективности при использовании традиционного углеводородного или изотопного топлива. Из оригинальных особенностей работы энергогенерирующих систем в удаленных районах Севера и арктической зоны РФ известна проблема повышения надежности, ресурса и эффективности энергоисточника для локального потребителя при работе на переменной мощности. Таким образом, возникает задача создания системы технических устройств для генерации энергии в условиях циклического ее потребления в диапазонах малой и сверх малой установленных мощностей интегрируемой с энергоаккумулирующими устройствами, которые входят в состав установок и агрегатов. Совокупность отдельно функционирующих генераторов энергии системы и ее накопители - аккумуляторы способны обеспечивать высокую надежность, качество, эффективность энергоснабжения локального потребителя. В первую очередь, это касается энергоснабжения локального потребителя в неравномерном режиме использования установленной мощности. При этом такой особый режим, как правило, обязан обладать свойством инвариантности к возможностям по использованию традиционных и возобновляемых энергоресурсов, накоплению и сохранения энергии.
Известна система (по патенту RU2389618, заявка РФ на изобретение №2007103167, дата публикации 2008.08.10) для снабжения потребителей и способ генерации энергии в гибридной силовой энергетической установке, содержащей первый накопитель энергии, работающий для поддержания рабочей мощности, по меньшей мере, для одного собственного потребителя - мотора с фрикционной передачей; второй накопитель энергии, электрически соединенный с первым накопителем энергии и мотором с фрикционной передачей, при этом второй накопитель энергии работает для поддержания рабочей мощности, по меньшей мере, одного мотора с фрикционной передачей для пополнения, взятой из первого накопителя энергии; и вспомогательную силовую установку, которая содержит топливный элемент и работает для заряда первого накопителя энергии.
Также известна (автономная система энергоснабжения буя (Patent US 8149275 от 03.04.2012). В эту систему энергоснабжения локального потребителя - буя включено определенное число солнечных коллекторов модулей и аккумуляторных батарей, один или несколько генераторов, приводимых в действие энергией морских волн. Включение таких генераторов в систему повышает надежность энергоснабжения буя в условиях дефицита поступления солнечной энергии, однако приводит к другому явному недостатку - необходимости частого периодического обслуживания и ремонта. В фактических условиях эксплуатации таких генераторов продолжительность их надежной работы в морской воде ограничена, в первую очередь из-за коррозии, заиливания, загрязнения водорослями и т.д. В условиях морского штиля, или отсутствия подвижки ледового покрова, отсутствия волн такие генераторы не способны вырабатывать энергию. Природные и климатические риски генерации солнечной энергии, морских волн, например, при пасмурной погоде или в период полярной ночи вынуждает на практике для поддержания работоспособности энергетической безопасности буя включать в архитектуру энергосистемы большую численность и емкость аккумуляторных батарей. Это обстоятельство приводит в свою очередь к ограничению и ухудшению, служебных свойств системы и локального потребителя - буя, например, его плавучести, устойчивости и пр.
Недостатком названных выше систем для энергоснабжения автономных потребителей также является их низкая надежность, слабая эффективность генерации необходимой мощности в сложных условиях эксплуатации, в том числе при отсутствии принципиальной возможности постоянного (даже дистанционного) мониторинга безопасности и надежности работы системы дежурным оператором.
За прототип выбрана система (полезная модель РФ №143216) энергоснабжения для плавучих средств навигационного обеспечения, состоящая из генератора на основе возобновляемого источника электроэнергии - солнечных батарей, второго генератора на основе возобновляемого источника электроэнергии - вертикально-осевого ветрогенератора и третьего генератора на основе не возобновляемого источника энергии - топливного элемента, накопителей электроэнергии и управляющего устройства, вход которого соединен с источниками электроэнергии, а выходы соединены с накопителями и энергопотребляющим оборудованием плавучего средства навигационного обеспечения. Для автономного функционирования такой системы она снабжена управляющим устройством и распределителем мощности между накопителями и энергопотребляющим оборудованием плавучего средства навигационного обеспечения, а в качестве топлива для топливного элемента используют метанол или этанол, или водород, или метан.
Задача изобретения - повышение надежности и безопасности системы энергоснабжения локальных потребителей малой мощности за счет использования перспективного ресурса традиционного топлива и возобновляемых источников энергии в гибридной энергоустановке, а также получить лучшие возможности для существенного улучшения динамических, ресурсных, маневренных служебных показателей, надежности и безопасности энергоснабжения локального потребителя.
Техническим результатом, на который направлена система энергоснабжения локальных потребителей малой мощности, является оптимальное соотношение топливно-энергетического баланса для функционирования в течение длительного времени системы в необслуживаемом режиме в периоды отсутствия возможности пополнения топливных запасов.
Для достижения указанного результата предложена система энергоснабжения локальных потребителей, состоящая из генераторов на основе возобновляемых источников электроэнергии 1 и 2, генератора на основе не возобновляемого источника энергии - топливного элемента 7, управляющего устройства 13, соединенного с генераторами 1,2,7, накопителями энергии 12 и потребителями энергии 18, при этом система дополнительно содержит криобак 3 со сжатым природным газом, соединенный через клапанную систему 4, эжектор 5 и трубопровод 6 с топливным элементом 7, датчики измерения температуры 8, акустической эмиссии 9, давления 10 и механических напряжений 11, установленные на криобаке 3 и трубопроводе 6 и соединенные с управляющим устройством 13, выполненным в виде информационно-измерительной и управляющей системы.
Кроме того:
- информационно-измерительная и управляющая система 13 содержит устройство преобразования и интеллектуального анализа измерительной информации 14, устройство управления функционированием топливного элемента 16, устройство управления безопасным функционированием криобака 17 и устройство управления передачи энергии 15,
- устройство преобразования и интеллектуального анализа измерительной информации 14 соединено с датчиками измерения 8,9,10 и 11, через устройство управления безопасным функционированием криобака 17 соединено с клапанной системой 4, и через блок 16 соединено с топливным элементом 7,
- генераторы энергии 1,2,7, накопители энергии 12 и потребители энергии 18 соединены с информационно-измерительной и управляющей системой 13 через устройство управления передачи энергии 15.
Изобретение поясняется чертежом, который не охватывает и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения.
На фигуре представлена принципиальная схема предложенной системы энергоснабжения локальных потребителей малой мощности, на которой обозначены:
1 - первый генератор на основе возобновляемого источника энергии, например, солнечные коллекторы;
2 - второй генератор на основе возобновляемого источника энергии, например, ветрогенераторы;
3 - криобак со сжатым природным газом; 4- клапанная система;
5 - эжектор;
6 - трубопровод подачи сжатого природного газа и окислителя в топливный элемент;
7 - генератор на основе невозобновляемого источника энергии - топливный элемент, включающий твердооксидные пластины, и использующий в качестве топлива сжатый природный газ, а в качестве окислителя кислород из воздуха, которые направляются в топливный элемент, при этом сжатый природный газа подается из криобака 3 через эжектор 5, в котором происходить его смешивание с окислителем - кислородом воздуха;
8 - датчики измерения температуры, корпуса которых размещены на поверхности криобака 3 и трубопровода 6;
9 - датчики измерения сигналов акустической эмиссии, корпуса которых размещены на поверхности криобака 3 и трубопровода 6;
10 - датчики измерения механических напряжений, корпуса которых размещены на поверхности криобака 3 и трубопровода 6;
11 - датчики д измерения давления, корпуса которых размещены на поверхностях криобака и трубопровода 6;
12 - накопители энергии - батарея аккумуляторов энергии;
13 - информационно измерительная и управляющая система, с устройством преобразования и интеллектуального анализа измерительной информации 14, регистрируемой с датчиков 8-11, а также с устройством управления передачи энергии - 15 в накопитель энергии - батарею аккумуляторов энергии - 12 и (или) локальному потребителю энергии 18, с устройством управления функционированием топливного элемента - 16, с устройством управления безопасным функционированием криобака - 17.
Криобак - 17 представляет собой криогенный сосуд с многослойной экранно-вакуумной изоляцией, внутренний сосуд и внешний кожух которого изготовлены конструктивно-технологически предпочтительно из стеклонитей и композитного материала. Оснащен регулирующей и запорной криогенной арматурой. Преимущество хранения газа в криобаке заключается в меньшем давление по сравнению с классическими стальными баллонами при хранении одинаковых объемов газа, что позволят запасать большие объемы газа по сравнению с классическими стальными газовыми баллонами.
В состав предложенной системы энергоснабжения локальных потребителей малой мощности входят: два или более разных генератора, использующие принципиально разные ресурсы возобновляемых источников энергии, например, ветра и солнца, водных ресурсов и пр. Эти генераторы имеют конструктивные исполнительские решения, которые обладают свойством высокой надежности и противодействия негативным эффектам природной среды и окружающего мира. Например, конструктивное исполнение солнечных коллекторов - солнечные батареи, может быть, в форме нескольких пар, вертикально, горизонтально и наклонно расположенных, ориентированных с определенным шагом, который установлен по результатам моделирования процессов генерации энергии методами экспериментальной физики. Аналогичным образом, за счет имитационного моделирования формируются конкретные технические решения для оптимального по критериям эффективности, надежности и безопасности энергоснабжения локального потребителя в части выбора модели, конструкции и порядка размещения в составе системы ветровых генераторов. В частности такими энергетическими агрегатами могут быть модели ветровых генераторов, защищенные патентами №123468 RU от 27.12.2012, или №125264 RU от 27.02.2013 или иными. В системе важным компонентом является батарея аккумуляторов - 12 с целевой функцией - накопителя и временного хранения энергии. В качестве аккумуляторов могут быть накопители энергии конденсаторного типа, химические аккумуляторные (кислотные, щелочные и пр.) батареи, пленочные аккумуляторы или другие известные накопители. Управляющее устройство 15 обеспечивает совокупный процесс генерации и распределения энергии, обеспечивает связь с генераторами на возобновляемых источниках энергии 1, 2, с топливным элементом 7, который в качестве топливного ресурса использует сжатый природный газ, а также с аккумуляторной батареей - 12, локальным одним или несколькими потребителями энергии 18.
Система, схематически показанная на фигуре, функционирует следующим образом.
Первый генератор - 1 за счет солнечных коллекторов осуществляет генерацию электроэнергии, которая через устройство управления передачи энергии 15 передается потребителю 18 и (или) в аккумуляторную батарею накопителя энергии 12. Устройство 15 путем автоматизированного выбора рабочей точки на вольт-амперной характеристике солнечных коллекторов 1 обеспечивает отбор требуемой энергии, а также формирует постоянное напряжение, необходимое для подзарядки накопителя энергии - 12, Это же устройство управления 15 имеет другой канал управления, к которому подключается второй генератор - 2, обеспечивающий генерацию энергии за счет ветра или иного возобновляемого ресурса (морские волны, вибрация и т.д). Генерируемая энергия этого генератора суммируется с энергетической мощностью солнечных коллекторов 1, а в ночной период или в период полярной ночи этот генератор 2 выполняет роль основного устройства для генерации электроэнергии. При внешних событиях, когда длительное время нет необходимых ресурсов возобновляемых источников (солнца, ветра, и пр.) всю необходимую для потребителей электрическую мощность для локального потребителя энергии 18 обеспечивает батарея - 12. Однако накопленная в батареи энергия, а с ней и напряжение на ее выходных клеммах заметно теряет свой потенциал в период длительной работы, запасы энергии в батарее снижаются и достигают минимально допустимого уровня по критериям энергетической безопасности автономного потребителя. Устройство 15 в этом случае формирует сигнал для информационно-измерительной и управляющей системы 13 о приближающемся дефиците энергии для локального потребителя. Этот же сигнал также транслируется на вход устройства преобразования и интеллектуального анализа измерительной информации 14. Устройство преобразования и
интеллектуального анализа измерительной информации 14 с учетом постоянно получаемой измерительной информации, регистрируемой датчиками 8-11, формирует сигнал для подачи сжатого природного газа из криобака 3, в топливный элемент 7, путем открытия клапанной системы 4, через эжектор 5 и трубопровод 6. Устройство преобразования и интеллектуального анализа измерительной информации 14 формирует сигналы выбора одного из вариантов, заранее сформированной рабочей программы или регламента функционирования системы энергоснабжения локальных потребителей в целом. Эти сигналы поступают в устройство управления функционированием топливного элемента - 16, и устройство управления безопасным функционированием криобака - 17. Информационно-измерительная система 13 формирует аварийный управляющий сигнал на закрытие клапанной системы 5 и отключения из работы топливного элемента 7, использующего в качестве топлива сжатый природный газ, по отклонению за установленные проектные пределы измеряемых показателей, установленных для нормальных условий эксплуатации по крайней мере для 3-х из 4 измеряемых параметров информации с датчиков регистрации температуры 8, акустической эмиссии 9, давления 10 и механических напряжений 11. При нормальных проектных условиях эксплуатации системы в топливном элементе 7 начинается электрохимическая реакция окисления природного газа, в результате которой генерируется электрическая энергия и выделяется тепло. При необходимости тепловая энергия, которая генерируется в топливном элементе 7, может быть использована на собственные нужны энергоснабжения самой системы или по какой-то другой надобности. Например, она может быть использована для обогрева батареи или энергопотребляющей информационно-измерительной и управляющей аппаратуры. Работа топливного элемента 7 будет продолжаться с расходом запасенного в криобаке 3 запаса сжатого газа до тех пор, пока во внешней среде не будет открыт доступ генераторов к возобновляемым ресурсам энергии, и (или) запас энергии, вольтовое напряжение на батареи 12 не достигнет проектных значений. Запас сжатого природного газа для топливного элемента находится в криобаке 3 и его остаточный объем определяется по показателям датчиков 8, 9, 11, за счет соответствующих автоматизированных вычислений в устройстве преобразования и интеллектуального анализа измерительной информации 14. При возможном повышении температуры и давления газа в криобаке за установленные проектные пределы безопасности, с одновременным автоматизированным анализом дополнительной измерительной информации с датчиков 9 и 10, управляющее устройство 17 обеспечивает процесс аварийного снижения высокого уровня внутреннего давления сжатого газа внутри криообака до проектных безопасных показателей за счет клапанной системы 4. С помощью этого же устройства 17 происходит отключение подачи сжатого природного газа в топливный элемент, когда появляется доступ генератора 1 и (или) генератора 2 к возобновляемым ресурсам энергии. При этом в эжекторе 5 одновременно закрывается канал (на фигуре не показан) забора кислорода воздуха (окружающей систему парогазовой смеси) для окисления газового топлива Объем топливного криобака определяется расчетом для конкретных программ регламентной эксплуатации. В состав системы энергоснабжения локальных потребителей малой мощности для распределения энергии, а также регулирования доли использования установленной мощности между источниками ее генерации - 1, 2, 7 и автономным потребителем - 18, аккумуляторной батареей 12, включено управляющее устройство 15. Устройство 15 содержит необходимое количество входов (по числу генераторов энергии) и выходов (по числу потребителей и накопителей энергии и для устойчивого энергоснабжения потребителя и собственных нужд системы. В частности энергообеспечение собственных нужд системы включает поставку электроэнергии, необходимой для устойчивой работы электронной аппаратуры, и т.д. Это устройство 15 в составе информационно-измерительной и управляющей системы 13 в форме программно-аппаратного комплекса в автоматизированном режиме обеспечивает безопасное ведение главного технологического процесса - снабжение энергией ее накопителя 12 и потребителя - 18. В качестве устройства управления передачи энергии - 15 может быть использован контроллер, на базе технического решения, защищенного патентом №118134 RU от 10.09.2012. Это же управляющее устройство 15 защищает батарею 12 от перезаряда.
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение за счет использования в системе нескольких компонентов - источников электроэнергии разных типов, технологически реализует, главный процесс энергоснабжения локальных потребителей. Совместная работа компонентов этой системы обеспечивается информационно-измерительной и управляющей системой - 13 ив ходящими в ее состав устройствами 14-17. Блок 14 - устройство преобразования и интеллектуального анализа измерительной информации может быть выполнен в форме программированного аппаратного комплекса, на базе межвидового компьютера. Это обстоятельство и особенность решения позволяет повысить энергетическую безопасность локального потребителя энергии, улучшить качество его энергоснабжения, улучшить комфортность жизнедеятельности.