АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области автономных систем энергосбережения (АСЭС) отдельных зданий или объектов, удаленных от электрической сети линии электропередачи, а именно к АСЭС, которые включают в себя следующие основные элементы:
- возобновляемые источники энергии (ВЭИ) в качестве внешнего источника электроэнергии,
- аккумуляторы,
- электролизеры
- топливные элементы (ТЭ) с твердым полимерным электролитом (ТПЭ),
- емкости для хранения реагентов (водорода, кислорода и воды).
Известна автономная система (патент США №6610193 оп. 26.08.2003), содержащая внешний источник электроэнергии, электрохимический генератор (ЭХГ) на основе ТЭ с ТПЭ, аккумуляторную батарею, электролизер с ТПЭ и водородный и кислородный баллоны, соединенные посредством трубопровода и клапанов с соответствующими газовыми полостями ТЭ и электролизера.
Недостатком данной системы является ограниченная область ее использования, связанная с потребностью во внешнем источнике воды, также сложность ее конструкции и технологии эксплуатации, связанные с необходимостью очистки воды, потребляемой от внешнего источника воды, а также невысокая надежность, связанная с наличием одного единственного контура, имеющего устройства с ограниченным ресурсом работы: электролизер, ЭХГ. Отказ хотя бы одного из этих устройств приведет к падению общего количества запасенной энергии.
Из известных АСЭС наиболее близкой по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является АСЭС, включающая ВЭИ в качестве внешнего источника энергии, ЭХГ щелочного типа, аккумулятор, электролизер щелочного типа и баллоны для хранения реагентов (водорода и кислорода). Патент РФ № RU 2277273, МПК Н01М 8/06 «АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГОПИТАНИЯ».
Недостатком описанной АСЭС также является невысокая надежность. Это связано со следующими структурными особенностями системы:
1) наличие в системе только одной пары «электролизер + ЭХГ» при выходе из строя хотя бы одного устройства этой пары или одного из многочисленных элементов управления (датчиков, коммутирующих элементов, клапанов, циркуляционного насоса) приведет к потере работоспособности водородного цикла;
2) кроме того, в заявленной системе не предусмотрены средства защиты аккумулятора от избыточного перезаряда или от глубокого разряда, притом, что оба этих режима губительны для аккумуляторов;
3) еще одним фактором невысокой надежности является то обстоятельство, что электролизер во время работы питается непосредственно от ВЭИ (солнечной батареи или ветрогенератора или одновременно от обоих устройств). Для этих источников, как известно, характерна существенная нестабильность производимой мощности, которая нередко резко меняется с изменением солнечной инсоляции и скорости ветра. Даже кратковременное отключение энергопитания электролизера может нарушить нормальное течение процесса электролиза.
Задачей полезной модели является повышение надежности энергоснабжения за счет использования, по меньшей мере, шести внешних возобновляемых источников электроэнергии, образующих в совокупности с другими, нижеперечисленными устройствами трехфазную сеть. Другой задачей полезной модели является объединение нескольких накопителей электроэнергии разного типа, автоматическое (без участия оператора) подключение и отключение накопителей электроэнергии и подключение при необходимости резервного источника. Применение трехфазной сети также расширяет выбор энергопотребляющих устройств и позволяет сохранить работоспособность однофазных устройств потребителя при обесточивании одной или даже двух токопроводящих шин. Еще одной задачей является возможность устранения в автоматическом режиме несимметрии фазных токов и напряжений («перекоса» фаз), возникающей при подключении однофазного потребителя большой мощности. Кроме того, полезная модель обеспечивает экологическую безопасность окружающей среды.
Для решения поставленных задач предложена автономная система энергоснабжения (АСЭС), включающая средства накопления и генерации энергии, имеющие, по меньшей мере, три близких по составу, электрически коммутируемых между собой подсистемы, включающие не менее двух разных в каждой подсистеме, возобновляемых источников энергии, аккумуляторные батареи, а также имеющие общие для всех подсистем и потребителя, резервный источник энергии, устройство управления и соединительные токопроводящие шины, при этом источники энергии снабжены сетевыми инверторами и двунаправленными инверторами-выпрямителями для подключения к остальным элементам подсистем, подсистемы электрически соединены между собой таким образом, что в совокупности образуют трехфазную локальную электросеть, с возможностью взаимодействия с устройством управления, с обеспечением синхронизации всех инверторов, питающих одну и ту же фазу, и с заданием сдвига 120 градусов между фазами.
Также, электрогенерирующие и накопительные части АСЭС включают двунаправленные инверторы-выпрямители, аккумуляторные батареи и водородный накопитель, состоящий из электролизера с ТПЭ, соединенного посредством трубопроводов с блоком водоподготовки и с емкостями для хранения водорода и кислорода, выпрямителя, питающего электролизер, и топливного элемента с ТПЭ, подключенного через инвертор к одной из шин трехфазной сети и соединенного с емкостями для хранения водорода и кислорода и через циркуляционный насос с блоком водоподготовки.
Кроме того, АСЭС может быть снабжена средствами для соединения между собой дополнительно введенных водородных накопительных емкостей, а также снабжена средствами для соединения между собой дополнительно введенных кислородных накопительных емкостей.
Известно, что одним из основных путей повышения надежности является дублирование (мультиплексирование) узлов или элементов системы. В предлагаемой полезной модели применена трехфазная схема на переменном токе, в которой каждая из трех токопроводящих шин служит независимой цепью питания для подсоединенных однофазных потребителей. Дополнительное повышение надежности достигается путем включения в состав системы резервного невозобновляемого источника электроэнергии и устройства управления.
На фиг.1 дана структурная схема общей компоновки АСЭС,
На фиг.2 показан для примера вариант группы устройств 23, питающих одну из трех токопроводящих шин,
На фиг.3 показана структура и состав одной из трех систем водородного цикла накопления и генерации энергии 24.
Где позициями обозначены:
1, 2, 3 - возобновляемые источники энергии
4 - сетевые инверторы
5 - инверторы-выпрямители
6 - группа аккумуляторных батарей
7 - инвертор
8 - выпрямитель
9 - электролизер с ТПЭ
10, 12, 13, 17, 18, 21 - трубопроводы
11 - блок водоподготовки
14 - емкость для хранения водорода
15 - емкость для хранения кислорода
16 - топливный элемент с ТПЭ
19 - устройство управления
20 - резервный источник
22 - циркуляционный насос
23 - электрогенерирующая группа устройств
24 - система водородного цикла
25 - потребители.
Для решения поставленной задачи предлагается трехфазная схема локальной электросети АСЭС, структурная схема общей компоновки которой показана на фиг.1. В упомянутой структурной схеме имеется три аналогичных по составу группы устройств 23, причем в каждой группе устройств 23 имеется не менее двух разных ВЭИ, т.е. - по меньшей мере, одна солнечная батарея и, по меньшей мере, один ветрогенератор (состав группы устройств 23 - см. фиг.2). В качестве ВЭИ могут также применяться гидроэлектростанция, геотермальный генератор и другие известные возобновляемые источники. Каждый ВЭИ подключен через свой сетевой инвертор 4 к одной из токонесущих шин (L1-L3) трехфазной локальной электросети, причем все инверторы одной группы нагружены на одну и ту же фазу. Другой (нулевой) вывод инвертора присоединен к нейтрали N. К пой же фазе через двунаправленные инверторы-выпрямители 5 подключены от одной до трех аккумуляторных батарей 6. В качестве такого инвертора-выпрямителя можно использовать, например, инвертор ЩМК 10.200.063.002. [http://www.].
Нa фиг.2 показан для примера вариант группы 23, питающей провод (шину) L1 и состоящей из трех ВЭИ: двух солнечных батарей 1 и 2 и ветрогенератора 3, трех инверторов 4, двух инверторов-выпрямителей 5 и двух аккумуляторных батарей 6. Аналогично укомплектованы группы 23 для питания токонесущих шин L2 и L3, хотя типы и количество ВЭИ, и батарей в группах может отличаться. Для электро-безопасности все устройства, имеющие гальваническую связь с токонесущим кабелем, могут быть заземлены путем присоединения к нулевому защитному проводнику РЕ.
К этой же трехфазной сети через инверторы 7 и выпрямители 8 подключены три идентичных системы водородного цикла накопления и генерации энергии 24.
Состав и структура такой системы 24 показаны на фиг.3.
Каждая из трех систем водородного цикла 24 включает в себя блок водоподготовки 11, соединенный посредством трубопровода 10 с электролизером 9 с ТПЭ.
2
2
Для осуществления электролиза на электролизер с ТПЭ 9 через выпрямитель 8 подается постоянное напряжение требуемой величины. Так же электролизер 9 соединен трубопроводами 12 и 13 с емкостью для хранения водорода 14 (Н) и емкостью для хранения кислорода 15 (O), которые соединены с топливным элементом 16 трубопроводами 17 и 18. В свою очередь каждый топливный элемент с ТПЭ 16 через соответствующий инвертор 7 подключен к одной из токонесущих шин (L1-L3) трехфазной локальной электросети, а также к нейтрали N. Кроме того, топливный элемент с ТПЭ 16 соединен трубопроводом 21 с блоком водоподготовки 11. Циркуляция воды обеспечивается циркуляционным насосом 22.
Имеется резервный источник энергии 20 (см. структурная схема общей компоновки фиг.1), которым может служить дизельный, или бензиновый, или паровой, или термоэлектрический генератор, или химический одноразовый источник тока, или другой известный не возобновляемый источник. Фигуры 1 и 2 показывают способ подключения трехфазного резервного источника 20. Если же в качестве резервного источника используется источник постоянного тока, его следует подключать ко входу инвертора-выпрямителя 5 параллельно аккумуляторной батарее 6. Имеется также устройство управления 19, обеспечивающее контроль напряжения в каждой из трех фаз и напряжения на каждой аккумуляторной батарее 6. В зависимости от величины указанных напряжений устройство 19 управляет процессами заряда и разряда, выполняет включение и отключение резервного источника энергии 20, включение и отключение циркуляционного насоса, электролизеров и топливных элементов, а также синхронизацию нескольких инверторов, подключенных к одной и той же шине, и задает стандартный для трехфазных сетей сдвиг фаз 120° между напряжением в разных шинах. В состав системы входят также следующие, не показанные на рисунках элементы: коммутирующие, защитные и заземляющие устройства, датчики давления, вентили и клапаны.
Работает предлагаемая АСЭС следующим образом.
Электроэнергия, выработанная каждым из ВЭИ 1, 2, 3, входящих в группы 23, подается на соответствующий инвертор 4, который преобразует напряжение источника в стандартное сетевое напряжение, например, 220 В, 50 Гц. Этим напряжением посредством токонесущих шин (L1-L3) трехфазной локальной электросети осуществляется энергообеспечение потребителей 25. Это же напряжение подается на инверторы-выпрямители 5, которые в режиме заряда аккумуляторов 6 регулируют силу зарядного тока, а также отключают аккумуляторы при достижении максимального заряда либо при предельно глубоком разряде. В режиме разряда, когда мощности ВЭИ недостаточно для работы потребителей 25, инверторы-выпрямители 5 поддерживают в сетевых токонесущих шинах (L1-L3) переменное рабочее напряжение за счет энергии аккумуляторов.
При достижении на каком-либо аккумуляторе максимально допустимого заряда соответствующий инвертор-выпрямитель отключает этот аккумулятор, а также передает сигнал об отключении в устройство управления 19. По этому сигналу к соответствующей шине (L1-L3) подключается одна из систем накопления электроэнергии на основе водородного цикла 24, чем достигается утилизация «избыточной» энергии.
В процессе электролиза воды в электролизере с ТПЭ 9 вырабатываются газообразные водород и кислород, которые по трубопроводам 12 и 13 поступают в емкость для хранения водорода 14 и в емкость для хранения кислорода 15, соответственно. Этот процесс может продолжаться до того момента, когда заряд отключенного аккумулятора снизится до уровня, позволяющего возобновить его заряд, либо когда давление в баллоне 14 или 15 достигнет предельно допустимого значения. В последнем случае по сигналам датчиков давления (не показаны) газов в баллонах устройство управления 19 сформирует сигнал на выключение электролизера 9, а сила тока в рассматриваемой шине будет ограничена сопротивлением нагрузки. Для повышения энергоемкости и надежности все три водородных баллона можно объединить в единую газовую сеть, соединив их дополнительными трубопроводами с клапанами и вентилями. Аналогично можно объединить и кислородные баллоны.
Предлагаемая трехфазная структура АСЭС обеспечивает целый ряд преимуществ перед однофазной. Во-первых, она позволяет при необходимости существенно повысить ее энергоемкость путем присоединения к трубопроводам 12 и 13 отводов, распределяющих газы на несколько дополнительных газонакопительных емкостей (на фигурах не показаны).
Во-вторых, она позволяет перераспределить потоки энергии от ВЭИ между фазами. Это бывает необходимо, если в сеть включен однофазный потребитель большой мощности, что приводит к несимметрии фазных токов и напряжений. Возникающий «перекос» фаз нежелателен, т.к. приводит к снижению КПД трехфазных устройств потребителя. Существуют двунаправленные инверторы, способные автоматически перераспределить потоки энергии от ВЭИ между фазами таким образом, чтобы свести перекос к минимуму, например, модель Solar Island 5048 немецкой фирмы SMA [Каталог продукции SMA 2012].
В третьих, если ВЭИ 1-3 совместно с аккумуляторами 6 окажутся неспособны обеспечить необходимую потребителю электрическую мощность, что вызовет падение напряжения хотя бы одной из фаз ниже допустимого уровня, устройство управления 19 выдаст на соответствующий водородный накопитель команду, по которой водород и кислород из емкостей 14 и 15 по трубопроводам 17 и 18 поступят на топливный элемент 16. В результате электрохимической реакции водорода с кислородом в топливном элементе 16 начнет вырабатываться электроэнергия, которая через инвертор 7 поступит потребителю, а также некоторое количество тепла, которое может быть использовано для бытовых или технических (отопительных) нужд. Продуктом реакции в топливном элементе 16 является химически чистая вода, которая направляется по трубопроводу 21 в блок водоподготовки 11 (т.е. реализуется замкнутый по воде цикл).
Если поступление энергии от ВЭИ хотя бы в одну из трех шин сети не восстановилось, аккумулятор полностью разряжен, и запас газов в баллонах 14 и 15 исчерпан, устройство управления формирует команду на включение резервного источника 20. Он будет работать до тех пор, пока какой-либо из возобновляемых источников не обеспечит поднаряд аккумулятора до приемлемого уровня, позволяющего возобновить его работу.
Технические преимущества использования предлагаемой схемы АСЭС.
1. АСЭС позволяет повысить надежность энергоснабжения, т.к. способна одновременно использовать, по меньшей мере, шесть внешних возобновляемых источников электроэнергии, устраняя в автоматическом режиме несимметрию фазных токов и напряжений («перекос» фаз), выполняя выбор накопителя электроэнергии и при необходимости осуществляя подключение резервного источника. Трехфазная сеть, кроме того, расширяет выбор энергопотребляющих устройств, а также позволяет сохранить работоспособность некоторых однофазных устройств потребителя даже при обесточивании одной или даже двух токопроводящих шин.
2. Использование устройств с твердым полимерным электролитом (ТПЭ) вместо жидкостного щелочного электролита повышает надежность, упрощает конструкцию АСЭС и делает ее экологически безопасной.
3. Переменное напряжение в сети позволяет использовать понижающие или повышающие, а также разделительные трансформаторы, что снижает омические потери и повышает электробезопасность.
4. Энергоемкость АСЭС может быть многократно повышена путем присоединения дополнительных емкостей для кислорода и водорода.