Источник питания для маломощных удалённых необслуживаемых электронных приборов

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве источника питания на автономных удаленных необслуживаемых объектах, не имеющих подключения к центральным сетям электроснабжения (объекты контроля и сбора информации, объекты связи в северных, заболоченных и труднодоступных районах).
Актуальной проблемой при развитии и ведении хозяйственной деятельности в труднодоступных отдаленных регионах является обеспечение электроснабжением объектов, не подключенных к центральным сетям электроснабжениям. И если на доступных для обслуживания участках могут быть использованы, к примеру, высокоэффективные дизельные станции электроснабжения, то электроснабжение удаленных недоступных для частого периодического обслуживания электроснабжение электронных приборов до сих пор представляет серьезную проблему, особенно в климатических зонах с существенными изменениями погодных условий от сезона к сезону, а также в северных районах, где температура окружающей среды достигает уровня -45°С и ниже.
Известны источники питания, включающие аккумулятор, модуль заряда аккумулятора и клеммы подключения источников и потребителей энергии, которые могут быть использованы для организации электроснабжения маломощных автономных объектов и отдельных приборов. При этом потребители электроэнергии получают ее из аккумулятора, а аккумулятор в свою очередь накапливает в себе электроэнергию за счет ее периодического или постоянного поступления от одного из источников энергии. Такие источники питания чаще всего основаны на извлечении электроэнергии из солнечной энергии, к примеру, автономный блок питания SA-50-12 [http://www.solnechnye.ru/gotovye-resheniya/blok-pitaniya-12V-na-solnechnoi-bataree.htm], реже - на извлечении электроэнергии из энергии ветра [https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветрогенератор], при этом в случае использования энергии ветра в состав источника питания дополнительно включают электрогенератор, осуществляющий преобразование энергии вращения лопастей ветрогенератора в электрическую энергию. Однако такие традиционные источники питания не могут быть использованы на удаленных необслуживаемых объектах. В частности, солнечные панели нуждаются в периодической очистке поверхности летом - от пыли и грязи, а зимой - от снега, иначе их эффективность будет снижена вплоть до нуля. В свою очередь, ветрогенераторы не могут быть использованы в районах с нестабильными ветрами, а также существенно затруднено их использование при сильно отрицательных температурах, когда не обеспечивается требуемая консистенция смазки в узлах вращающихся частей ветрогенераторов (обычно при температурах окружающего воздуха от -20°С и ниже). При этом даже совместное использование указанных источников энергии, например, ветро-солнечные системы электроснабжения производства компании "Свет-ДВ" [http://svetdv.ru/veter/price.shtml], не может обеспечить стабильное круглогодичное электроснабжение во многих климатических зонах.
Известно также применение в качестве источника питания для маломощного прибора (датчика) электрического потенциала катодной защиты [Патент GB №2431058 В]. При этом в данном техническом решении отсутствует возможность использования альтернативных источников электроэнергии.
В качестве прототипа выбрано устройство, раскрытое в патенте RU 118134 U1.Такое устройство содержит источники электроэнергии и накопители электроэнергии, связанные с выводами (клеммами) потребителей энергии.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей источника питания, способного получать энергию как от природных источников энергии, так и от альтернативных источников энергии, не зависящих от периодических изменений погодных условий. Такой многоканальный источник питания должен обеспечивать стабильное электроснабжение маломощных удаленных автономных электроприборов при периодическом обслуживании на месте не чаще 1 раза в год.
Указанная техническая проблема решается источником питания для маломощных удаленных необслуживаемых электронных приборов, включающим накопители энергии и клеммы подключения источников и потребителей энергии, который, согласно предложению, содержит модуль заряда, выполненный дополнительно с возможностью подключения к электрическому потенциалу катодной защиты.
В качестве накопителя энергии в заявленном источнике питания использовать аккумуляторную батарею, или электрический конденсатор, или реверсивный топливный элемент.
Другими источниками электроэнергии могут совместно служить:
- источники солнечной энергии (солнечные панели);
- источники ветряной энергии (ветрогенераторы);
- термальные источники энергии;
- источники вибрации (виброгенераторы);
- источники на химических и топливных элементах питания;
- пьезоэлектрические источники энергии;
- пироэлектрические источники энергии;
- источники электромагнитной индукции;
- источники энергии течения жидкостей.
Как отмечено, в качестве одного непременного источника энергии в предлагаемом устройстве используют электрический потенциал катодной защиты, используемый для защиты от коррозии металлических объектов, к примеру, металлических трубопроводов. При этом разность потенциалов между трубой и землей составляет от 0,85 до 1,2 В [Евгений Рабинович. Катодная защита объектов с применением программируемых источников питания TDK-Lambda / "Электронные компоненты", №8, 2010 г. - с. 72-74. URL: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/micro/doc/52995/] и поддерживается стабильной в указанном диапазоне, что достаточно для организации электроснабжения маломощных электронных приборов (систем телеметрии и телеуправления на удаленных участках протяженных трубопроводов и т.п.).
Для реализации возможности использования источника энергии, получаемой от электрического потенциала катодной защиты, в модуле заряда аккумулятора, входящем в состав источника питания, предусматривают использование повышающего преобразователя напряжения, построенного, к примеру, по принципу Energy harvesting [https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_harvesting], к примеру, с использованием серийных преобразователей в интегральном исполнении производства компаний Texas Instrument [http://www.ti.com/lsds/ti/power-management/energy-harvesting-and-solar-charging-overview.page], Maxim Integrated [https://www.maximintegrated.com/en/products/power/battery-management/MAX17710.html] и др.
Подключение предлагаемого источника питания (модуля заряда) к катодной защите может быть осуществлено любым известным способом в зависимости от условий эксплуатации, в том числе гальваническим, механическим и другими способами.
Использование других источников энергии не представляет сложной инженерной задачи и может быть реализовано любым известным способом, в том числе и аналогичным указанному выше [https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_harvesting].
Для реализации возможности использования нескольких источников энергии в модуле заряда аккумулятора, входящем в состав источника питания, предусматривают коммутацию нескольких входов модуля заряда аккумулятора любым известным способом, например, как в прототипе, с использованием коммутирующих диодов [или см.: http://toshiba.semicon-storage.com/ru/product/diode/switching-diode.html].
В зависимости от исполнения разработанное устройство может дополнительно содержать следующие узлы и блоки, не влияющие на принцип действия разработанного устройства, но требуемые в отдельных применениях:
- электрические предохранители, устройства автоматического выключения и устройства защитного отключения, необходимые для обеспечения безопасности эксплуатации электрических установок;
- преобразователи напряжения и инверторы, необходимые для обеспечения возможности подключения к источнику питания различных приборов с различными требованиями по электропитанию.
Таким образом, разработанное устройство может обеспечивать круглогодичное электроснабжение маломощных электронных приборов на удаленных, недоступных для частого обслуживания позициях в любых климатических зонах, в том числе в зонах с нестабильными ветрами и в зонах, где солнечные панели в течение длительного времени могут быть покрыты слоем снега и потому не могут обеспечивать круглогодичную выработку электроэнергии. При этом использование в качестве одного из источников энергии электрического потенциала катодной защиты обеспечивает возможность обеспечения непрерывного электроснабжения вне зависимости от погодных условий и времени года, а сам указанный источник энергии не требует периодического обслуживания, проверки или замены.