АВТОНОМНАЯ МУЛЬТИМОДУЛЬНАЯ УСТАНОВКА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ОГРАНИЧЕННОЙ МОЩНОСТИ
SELF-CONTAINED MULTI-MODULE ELECTRIC POWER GENERATION PLANT OF LIMITED POWER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергетики и электротехники, в частности, к устройствам для преобразования термодинамической энергии в электрическую, и может быть использовано в качестве источника электрической энергии в системах электропитания автономных электроэнергетических комплексах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Система электропитания, являясь одной из основных частей автономных объектов, определяет их надежность, эффективность, ремонтопригодность и сроки активного функционирования.
Перспективным направлением является разработка и широкое внедрение энергетических установок на основе двигателей Стирлинга. Свободно поршневой двигатель Стирлинга (СПДС) является теплодинамической системой наружного сгорания, предназначенной для преобразования тепловой энергии в механическую энергию возвратно-поступательного движения. СПДС характеризуется двумя главными движущимися частями: вытеснителем и рабочим поршнем. Оба работают в замкнутой среде гелия, снабжаются тепловой энергией и не связаны механически друг с другом.
Преимуществом таких систем является:
- низкий уровень шума и вибрации;
- малая токсичность отработавших газов;
- работа на различных видах топлива, как традиционных - газ, нефтепродукты, так и нетрадиционных - биогаз, уголь, отходы лесной промышленности, а также солнечной и радиоизотопной энергии тепла;
- большой ресурс работы без обслуживания, т.к. не требуется масляная смазка, отсутствует шатунно-кривошипный механизм и редуктор.
Двигатель Стирлинга, относящийся к классу двигателей с внешним подводом теплоты, является уникальной тепловой машиной. Циклические процессы сжатия и расширения в таком двигателе происходят при различных значениях температуры, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.
В уровне техники известны устройства генерирования электрической энергии на основе свободнопоршневого двигателя Стирлинга с интегрированным в его структуру линейным генератором с постоянными магнитами при возвратно-поступательном движении индуктора.
Известна система для генерирования электроэнергии (RU 2444633 С2, 10.03.2012), содержащая устройство для преобразования термодинамической энергии в электрическую, выполненное таким образом, что процесс преобразования энергии выполняют с одинаковым кпд, независимо от того, какое количество раз его выполняют в единицу времени.
Также известна электрическая схема, используемая совместно с двигателем Стирлинга с интегрированным линейным генератором, для преобразования энергии (US 8559197 В2, 15.10.2013), содержащая в одном из вариантов выполнения настроечную емкость, выпрямитель и инвертор. Недостатком известного устройства является отсутствие возможности наращивания мощности нагрузки за счет параллельной работы генераторов.
Наиболее близким по технической сущности является гибридный источник электрической энергии, состоящий из двигателя Стирлинга и линейного генератора (US 2009/0206667 А1, 20.08.2009), содержащий два свободнопоршневых двигателя Стирлинга с интегрированными линейными генераторами, выпрямители, аккумуляторную батарею, регулируемый балластный резистор и преобразователь DC/DC.
Указанное устройство выполнено на основе двухмодульной системы, каждая из которых содержит линейные генераторы и выпрямительные блоки, включенные в параллель. Недостатком известного устройства является ограниченное число генерирующих модулей системы.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей, представленной изобретением, является наращивание полезной мощности за счет использования "n" идентичных модулей генерации, которые формируют энергетический блок требуемой мощности, при этом каждый из модулей генерации содержит свободнопоршневой двигатель Стирлинга с интегрированным линейным генератором, выпрямительный блок и блок регулируемой балластной нагрузки.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности установки и стабильности напряжения на шине постоянного тока.
Поставленный технический результат достигается тем, что установка снабжена модулем общего внешнего пускового устройства, обеспечивающим одновременный запуск всех модулей генерации, что исключает индивидуальные пусковые устройства в каждом модуле генерации и тем самым повышает надежность и улучшает массогабаритные показатели установки.
Включение двух обмоточных уравнительных дросселей в модуль общей шины питания полезной нагрузки установки с четным числом модулей генерации обеспечивает стабильность напряжения и улучшает показатели электромагнитной совместимости устройства.
Модуль общей системы управления установкой обеспечивает необходимый алгоритм работы модулей генерации и нагрузки по их включению и выключению.
Технический результат обеспечивается тем, что автономная мультимодульная установка генерирования электрической энергии ограниченной мощности состоит из четного количества "n" идентичных модулей генерации, при этом выходы каждых двух модулей генерации попарно соединены с модулем общей шины питания полезной нагрузки (8), подключенной к модулю полезной нагрузки, модуля общей системы управления (9), модуля общего внешнего пускового устройства (7), подключенного к модулю общей шины питания полезной нагрузки, при этом каждый модуль генерации включает, по меньшей мере, последовательно соединенные свободнопоршневой двигатель Стирлинга (1) с интегрированным линейным генератором с постоянными магнитами (2), настроечную резонансную емкость (3) и выпрямительный блок (4), параллельно подключенные к линейному генератору (2) и настроечной резонансной емкости (3) блок балластной нагрузки (5), вторичную цепь модуля общего внешнего пускового устройства (7); собственную систему управления (6), выполненную с возможностью контроля тока и напряжения генератора, тока выпрямительного блока, температуры тепловой головки двигателя Стирлинга, управления включением вторичной цепи модуля общего внешнего пускового устройства в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга (16), регулирования блока балластной нагрузки (5), управления включением выпрямительного блока (4) при достижении температуры, при которой линейный генератор вырабатывает номинальную мощность, при этом выходы выпрямительного блока (4) являются выходами модуля генерации, выходы отрицательной полярности всех выпрямительных модулей (4) объединены, формируя шину отрицательного потенциала модуля общей шины питания полезной нагрузки (8), выходы положительной полярности каждого из двух выпрямительных блоков (4) модулей генерации соединены с первым (24) и вторым (25) крайним выводами уравнительного дросселя (27), а средний вывод (26) уравнительного дросселя подключен к общей точке положительного потенциала модуля общей шины питания полезной нагрузки (8), модуль общей системы управления (9) выполнен с возможностью контроля собственных систем управления (6) каждого модуля генерации, тока модуля общей шины питания полезной нагрузки (8), напряжения модуля полезной нагрузки, управления включением питанием модуля полезной нагрузки, управления включением модуля общего внешнего пускового устройства (7) и управления первичной цепью модуля общего внешнего пускового устройства (7) в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга, при этом модуль общего внешнего пускового устройства выполнен с возможностью одновременного запуска каждого модуля генерации.
В некоторых вариантах реализации модуль общего внешнего пускового устройства содержит инвертор (19), управляемый ШИМ-сигналом от модуля общей системы управления (9), при этом входы инвертора подключены к модулю общей шины питания полезной нагрузки (8), а выходы подключены к первичной цепи модуля общего пускового устройства (7), являющейся первичной обмоткой многообмоточного трансформатора (20), каждая вторичная обмотка (21) которого является вторичной цепью модуля общего внешнего пускового устройства (7).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Признаки и преимущества настоящего технического решения станут очевидными из приводимого ниже подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых изображено:
на фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого изобретения.
На фиг. 2. представлена структурная схема примера реализации заявляемого устройства на примере четырехмодульной (n=4) системы генерации.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
МГ1, МГ2, МГ3, МГ4 - Модули генерации
ОСУ - Общая система управления
Uг - Напряжение генератора
Iг - Ток генератора
Iн - Ток нагрузки выпрямительного блока
Iаб - Ток аккумуляторной батареи
Uн - Напряжение шины постоянного тока
Т - Температура тепловой головки двигателя Стирлинга
1 - Двигатель Стирлинга
2 - Линейный генератор с постоянными магнитами
3 - Настроечная резонансная емкость
4 - Выпрямительный блок
5 - Блок балластной нагрузки
6 - Собственная система управления модуля генерации
7 - Модуль общего внешнего пускового устройства
8 - Модуль общей шины питания полезной нагрузки
9 - Модуль общей системы управления
10 - Аккумуляторная батарея (АБ)
11 - Первый вывод настроечной резонансной емкости
12 - Второй вывод настроечной резонансной емкости
13 - Входное реле подключения выпрямительного блока
14 - Датчик тока генератора
15 - Датчик переменного напряжения модуля генерации
16 - Сигнал датчика температуры
17 - Реле подключения нагрузки
18 - Полезная нагрузка
19 - Инвертор модуля общего внешнего пускового устройства
20 - Многообмоточный трансформатор инвертора
21 - Вторичная обмотка трансформатора инвертора
22 - Реле общего внешнего пускового устройства
23 - Датчик тока аккумуляторной батареи (АБ)
24, 25, 26 - Выводы уравнительного дросселя
27 - Уравнительный дроссель
28 - Реле питания инвертора
29 - Сигнал управления реле подключения нагрузки
30 - ШИМ-сигнал управления инвертором
31 - Сигнал управления реле питания инвертора
32 - Датчик напряжения постоянного тока
33 - Сигнал управления реле пуска
34 - Сигнал управления блоком балластной нагрузки
35 - Сигнал включения выпрямительного блока
36 - Датчик тока нагрузки выпрямительного блока
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Автономная установка генерирования электрической энергии ограниченной мощности представляет собой модульный вариант исполнения, который можно транспортировать в собранном виде и который представляет собой энергетическую единицу. Это микроэнергосистема, расположенная в погодозащищенных контейнерах на раме открытого исполнения и предназначенная для использования как основной автономный источник электроснабжения, работающий на любых видах топлива: природный газ, пропан-бутан, дизельное топливо, дрова, опилки, пеллеты, уголь и т.д.
Изобретение будет лучше понятно после ознакомления с нижеследующим свободным описанием работы установки с использованием ссылок на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого изобретения. Установка содержит четное число модулей генерации и модуль общей системы управления установкой (9), осуществляющий управление одновременным запуском всех модулей генерации, реализуемое модулем общего внешнего пускового устройства (7), которое включает в себя первичную цепь и вторичную цепь.
При этом каждый модуль генерации предназначен для преобразования вида электрической энергии, вырабатываемой генератором. В его состав (фиг. 1) могут входить по меньшей мере последовательно соединенные свободнопоршневой двигатель Стирлинга (1) с интегрированным линейным генератором с постоянными магнитами (2), настроечная резонансная емкость (3) и выпрямительный блок (4), преобразующий переменное напряжение линейного генератора в постоянное напряжение. Настроечная резонансная емкость (3) настроена на частоту 50 Гц, что обеспечивает коррекцию коэффициента мощности модуля генерации, компенсируя падение напряжения на индуктивности статорной обмотки линейного генератора (2).
К линейному генератору (2) и настроечной резонансной емкости (3) параллельно подключены блок балластной нагрузки (5) и вторичная цепь модуля общего внешнего пускового устройства (7). В состав каждого модуля генерации входит также собственная система управления (6), которая осуществляет определенный алгоритм работы модуля генерации и выполнена с возможностью контроля тока и напряжения линейного генератора (2), тока выпрямительного блока (4), температуры тепловой головки двигателя Стирлинга (1).
Собственные системы управления (6) модулей генерации выполнены с возможностью контроля и управления модулем общей системы управления установкой (9). Собственная система управления (6) каждого модуля генерации выполнена с возможностью управления включением вторичной цепи модуля общего внешнего пускового устройства в функции температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга (16), регулирования блока балластной нагрузки (5), управления включением выпрямительного блока (4) при достижении температуры, при которой линейный генератор (2) вырабатывает номинальную мощность.
В частности, на основании полученных параметров модуля генерации (температуры тепловой головки двигателя Стирлинга) при достижении температуры 200°С подается сигнал управления с модуля общей системы управления установкой (9) на модуль общего внешнего пускового устройства (7), который на время 1 с подключает вторичную цепь модуля общего внешнего пускового устройства (7) к первичной. Одновременно с этим, по сигналу модуля общей системы управления установкой (9) к модулю общего внешнего пускового устройства (7) подключается аккумуляторная батарея (10), вырабатывается переменное напряжение с частотой 50 Гц. Это напряжение со вторичной цепи модуля общего внешнего пускового устройства (7) прикладывается к обмотке статора линейного генератора (2), переводя линейный генератор в двигательный режим. Магнитная система генератора получает первоначальный пусковой толчок, приводящий к возвратно-поступательному движению индуктора генератора с частотой 50 Гц за счет собственной резонансной частоты механической системы двигателя Стирлинга.
По мере роста температуры тепловой головки двигателя увеличивается электрическая мощность линейного генератора, который нагружается в это время балластной нагрузкой с блока балластной нагрузки (5). При достижении температуры 500-550°С линейный генератор вырабатывает номинальную мощность.
При этом собственная система управления (6) вырабатывает сигнал включения выпрямительного блока (4) к линейному генератору (2). Блок регулируемой балластной нагрузки (5) управляется сигналом с собственной системы управления (6) в функции разности тока генератора и тока нагрузки выпрямительного блока. Чем больше ток нагрузки, тем меньше ток балластной нагрузки. Таким образом, каждый модуль генерации вырабатывает электрическую энергию с постоянной мощностью, соответствующей номинальной величине 1 кВт, а суммарная мощность нагрузки будет определяться суммой номинальных мощностей "n" модулей генерации.
Выходы выпрямительных блоков (4) каждого модуля генерации являются выходами модулей генерации, при этом выходы отрицательной полярности объединены и формируют шину отрицательного потенциала модуля общей шины питания полезной нагрузки (8), в то время как выходы положительной полярности каждых двух выпрямительных блоков (4) модулей генерации соединены с первым (24) и вторым (25) крайними выводами уравнительного дросселя (27), а средний вывод дросселя (26) подключен к общей точке положительного потенциала модуля общей шины питания полезной нагрузки (18).
К положительной и отрицательной шинам подключена аккумуляторная батарея, обеспечивающая питание систем управления и других элементов устройства на период пуска модулей генерации и питание нагрузки при переходных процессах.
Модуль общей системы управления (9) осуществляет контроль за состоянием модулей генерации (контроль и управление собственных систем управления (6)), аккумуляторной батареи и управление нагрузкой, в частности управляет включением питания модуля полезной нагрузки (8), включением модуля общего внешнего пускового устройства (7) и управляет первичной цепью модуля общего внешнего пускового устройства (7) в функции температурного режима тепловой головки Стирлинга.
Один из примеров реализации предлагаемой автономной мультимодульной установки генерирования электрической энергии ограниченной мощности представлен на фиг. 2, структурно отражающей схему реализации устройства на примере четырехмодульной (n=4) системы генерации.
Каждый линейный генератор (2) подключен к первому выводу (11) настроечной резонансной емкости (3). Второй вывод настроечной резонансной емкости (12) подключен к первому входу выпрямительного блока (4) через входное реле (13), управляемое сигналом собственной системы управления (6) модуля генерации, а второй вход выпрямительного блока (4) подключен через датчик тока нагрузки (36) ко второму выходу линейного генератора (2), причем между вторым выводом настроечной резонансной емкости (12) и вторым выходом генератора включен датчик переменного напряжения (15) и датчик тока (14), сигналы с которых поступают на входы систем управления (6) и (9), причем на вход собственной системы управления (6) каждого модуля генерации поступает также сигнал температурного режима тепловой головки двигателя Стирлинга (16), а с выхода собственной системы управления (6) каждого модуля генерации поступает сигнал управления блоком регулируемой балластной нагрузки (5), входы которого подключены ко второму выводу настроечной резонансной емкости (12) и второму выходу линейного генератора (2). Отрицательные выходы всех выпрямительных модулей объединены и подключены через датчик тока аккумуляторной батареи (23) к отрицательному полюсу аккумуляторной батареи (10), формируя шину отрицательного потенциала модуля общей шины питания (8) полезной нагрузки (18). Положительный выход шины питания полезной нагрузки подключен к полезной нагрузке (18) и датчику напряжения постоянного тока (32).
На входы этих собственных систем управления (6) поступают сигналы с датчиков переменного напряжения (15) и тока генератора (14), датчика тока выпрямительного блока (36) и сигнал с датчика температуры тепловой головки двигателя (16).
При достижении температуры 200°С подается сигнал управления реле пуска (33) и контакт реле (22) на время 1 с подключает вторичную обмотку трансформатора инвертора (21) ко входу линейного генератора. При этом вход инвертора (19) через контакт реле (28) по сигналу (31) модуля общей системы управления (9) подключается к аккумуляторной батареи (10), и под воздействием сигнала (30) инвертор вырабатывает переменное напряжение с частотой 50 Гц. Это напряжение со вторичной обмотки (21) трансформатора инвертора (20) прикладывается к обмотке статора линейного генератора (2), переводя линейный генератор в двигательный режим. На втором выводе настроечной резонансной емкости (12) появляется переменное напряжение 240 В, 50 Гц, которое с датчика переменного напряжения (15) поступает на вход собственной системы управления (6). При достижении температуры 500-550°С генератор вырабатывает номинальную мощность и вырабатывается сигнал включения выпрямительного блока (35), подключая через контакт-реле (13) вход выпрямительного блока (4) к линейному генератору (2). Блок регулируемой балластной нагрузки управляется сигналом (34) с собственной системы управления (6).
Выходы выпрямительных блоков (4) каждого модуля генерации являются выходами модулей генерации, при этом выходы отрицательной полярности объединены и формируют шину отрицательного потенциала модуля общей шины питания полезной нагрузки (8), в то время как выходы положительной полярности каждых двух выпрямительных блоков (4) модулей генерации соединены с первым (24) и вторым (25) крайними выводами уравнительного дросселя (27), а средний вывод дросселя (26) подключен к общей точке положительного потенциала модуля общей шины питания полезной нагрузки (18).
К положительной и отрицательной шинам подключена аккумуляторная батарея, обеспечивающая питание систем управления и других элементов устройства на период пуска модулей генерации и питание нагрузки при переходных процессах.
Модуль общей системы управления (9) осуществляет контроль за состоянием модулей генерации, аккумуляторной батареи и управление нагрузкой.
Использование изобретения позволяет получить значительно большую электрическую мощность на выходе, что соответствует решению задачи повышения мощности энергоустановки и повышению надежности при запуске.
Вышеприведенное описание поясняет и никоим образом не ограничивает настоящее изобретение. Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на примерный вариант осуществления, следует понимать, что пояснения, использованные в данном документе, являются иллюстрационными, а не ограничивающими. Изменения могут быть сделаны в пределах компетенции прилагаемой формулы изобретения. Хотя настоящее изобретение описано в данном документе со ссылкой на конкретные средства, материалы и варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничивается частностями, раскрытыми в данном документе; скорее, настоящее изобретение распространяется на все функционально эквивалентные структуры, способы и применения, находящиеся в пределах объема прилагаемой формулы изобретения.