ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ
POWER SYSTEM ON RENEWABLE SOURCES OF ENERGY

Изобретение относится к энергетике, в частности к электроснабжению потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), и может быть использовано при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного тока.
Известна конструкция электроэнергетической системы электроснабжения потребителей, содержащая возобновляемый источник энергии, который подключен к электрогенератору, выход которого соединен с электронагревательным элементом, выпрямитель, вход которого подключен к выходу электрогенератора, а выход подключен к аккумуляторной батарее, инвертор, вход которого соединен с выходом выпрямителя, а к выходу подключена нагрузка [Дж.Твайделл, А.Уэйр. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с. 234].
Это устройство не позволяет полностью использовать всю энергию ВИЭ, так как аккумуляторная батарея может компенсировать только кратковременные провалы в работе генератора, вызванные колебанием мощности ВИЭ, переключениями и пусковыми токами нагрузки. Это приводит к уменьшению длительности режима потребления пиковых нагрузок и снижению надежности электроснабжения.
Известна конструкция электроэнергетической системы на возобновляемых источниках энергии, выбранная в качестве прототипа, содержащая два возобновляемых источника энергии, два генератора, два выпрямителя, два стабилизатора напряжения и два инвертора, при этом вход каждого генератора соединен с соответствующим возобновляемым источником энергии, а выход с одним из выпрямителей, вход каждого стабилизатора напряжения соединен с соответствующим выходом выпрямителя, а выходы двух стабилизаторов напряжения подключены к аккумуляторной батарее, к выходу которой подключены два инвертора, выходы которых соединены с соответствующей нагрузкой [Патент РФ №2153752, МПК H02J 3/28, H02J 3/32, опубл. 27.07.2000].
Это устройство не позволяет утилизировать текущую избыточную мощность первичных возобновляемых источников, в случаях, когда она превышает суммарную текущую мощность нагрузки и мощность, которую может запасти аккумуляторная батарея. Например, в случае, когда аккумуляторная батарея заряжена, а мощность нагрузки невелика.
Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности и улучшение технико-экономических характеристик электроэнергетической системы.
Решение поставленной задачи достигается тем, что электроэнергетическая система на возобновляемых источниках энергии, также как в прототипе, содержит два генератора, два выпрямителя, аккумуляторную батарею и инвертор, при этом вход первого генератора соединен с ветродвигателем, а выход первого генератора с первым выпрямителем, вход второго генератора соединен с гидротурбиной, а выход второго генератора связан со вторым выпрямителем.
Изобретение в отличие от прототипа снабжено тремя контроллерами заряда, солнечными панелями, двумя системами управления, регулятором балласта, балластной нагрузкой, а также датчиками ветра, воды, температуры и солнечной радиации. При этом датчики ветра, воды, температуры и солнечной радиации подключены к входу первой системы управления, к выходу которой подключены входы трех контроллеров заряда и один из входов второй системы управления, вход первого контроллера заряда соединен с солнечными панелями, вход второго контроллера заряда соединен с выходом первого выпрямителя, вход третьего контроллера заряда соединен с выходом второго выпрямителя, выходы трех контроллеров заряда подключены к входу аккумуляторной батареи и входу инвертора, выход которого соединен с нагрузкой, выход которой подключен к входу второй системы управления вместе с выходом аккумуляторной батареи, при этом к выходу второй системы управления подключен вход регулятора балласта, выход которого связан с балластной нагрузкой.
Именно заявленное выполнение конструкции электроэнергетической системы на возобновляемых источниках энергии обеспечивает возможность повышения энергетической эффективности и улучшения технико-экономических характеристик электроэнергетической системы, тем самым выполняется задача изобретения. Это достигается за счет того, что датчик воды измеряет скорость потока воды, поступающей на гидротурбину, датчик ветра измеряет текущую скорость ветра, датчик температуры измеряет температуру окружающей среды, датчик солнечной радиации определяет текущую мощность светового излучения, что позволяет определять в реальном масштабе времени текущую мощность первичных возобновляемых источников энергии: ветра, солнца и потока воды. Каждый датчик непрерывно преобразует текущие измеряемые величины в аналоговые сигналы, поступающие на первую систему управления, которая, на основании полученной информации, формирует управляющий сигнал, который поступает на контроллеры заряда аккумуляторной батареи и обеспечивает снятие максимальной текущей мощности возобновляемых источников. При этом первая система управления посылает сигнал, пропорциональный максимальной текущей мощности возобновляемых источников энергии, на вторую систему управления, которая проверяет баланс между мощностью, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, и мощностью, потребляемой нагрузкой и запасенной в аккумуляторной батарее. Если мощность источников превышает мощность, потребленную нагрузкой и аккумуляторной батареей, то вторая система управления выдает сигнал на регулятор балласта, при этом подключается балластная нагрузка, в которую сбрасывается излишек мощности.
На чертеже представлена структурная схема электроэнергетической системы на возобновляемых источниках энергии.
Электроэнергетическая система на возобновляемых источниках энергии содержит ветродвигатель 1, к выходу которого подключен первый генератор 2, выход которого соединен с входом первого выпрямителя 3. К выходу гидротурбины 4 подключен вход второго генератора 5, выход которого соединен с входом второго выпрямителя 6. Солнечные панели 7 подключены к входу первого контроллера заряда 8. Вход второго контроллера заряда 9 подключен к первому выпрямителю 3, а вход третьего контроллера заряда 10 подключен ко второму выпрямителю 6. К входу аккумуляторной батареи 11 подключены выходы трех контроллеров заряда 8, 9, 10. Вход инвертора 12 подключен к выходам трех контроллеров заряда 8, 9, 10, а выход соединен с входом нагрузки 13. К входу первой системы управления 14 подключены выходы датчика ветра 15, датчика воды 16, датчика температуры 17 и датчика солнечной радиации 18. К выходу первой системы управления 14 подключены входы трех контроллеров заряда 8, 9, 10. К входу второй системы управления 19 подключены выходы аккумуляторной батареи 11, нагрузки 13 и первой системы управления 14. Вход регулятора балласта 20 соединен с выходом второй системы управления 19, а выход - с балластной нагрузкой 21.
В данной схеме могут быть использованы многополюсные синхронные генераторы 2 и 5 с постоянными магнитами, стандартная свинцово-кремниевая аккумуляторная батарея 11 напряжением 12 В и емкостью от 100 до 230 А/ч, полупроводниковые выпрямители 3, 6 мостового типа. В качестве ветродвигателя 1 может быть выбрано крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения, а в качестве гидротурбины 4 - пропеллерная гидротурбина, которая устанавливается в свободном потоке воды. В качестве солнечных панелей 7 могут быть выбраны стандартные солнечные модули с рабочим напряжением 12 В. В качестве контроллеров заряда 8, 9, 10 можно выбрать контроллеры Morningstar TriStar MPPT. В качестве автономного инвертора 12 может быть использован инвертор Tripp Lite APSX6048 VR. В качестве нагрузки 13 могут использоваться любые электрические приборы. В качестве датчика ветра 15 может быть использован датчик ветра М-127М; в качестве датчика воды 16 - измеритель скорости течения ОТТ SLD; в качестве датчика температуры 17 - датчик температуры воздуха ИПТВ, а в качестве датчика солнечной радиации 18 - датчик солнечной радиации SP Lite. В качестве систем управления 14, 19 могут использоваться, например, микроконтроллеры Modicon Micro 612. Регулятор балласта 20 выполняется на основе биполярной тиристорной ячейки, обеспечивающей регулирование выходного напряжения на балластной нагрузке 21 от нуля до максимума. В качестве балластной нагрузки 21 могут использоваться нагрузки, не критичные к качеству электроэнергии, использование которых возможно в любое время суток, например, трубчатые электронагреватели.
Устройство работает следующим образом. В качестве возобновляемых источников энергии используется энергия ветра, воды и солнца. Ветродвигатель 1 под действием ветра приходит в движение, вращающий момент передается на вал первого генератора 2, вырабатывающего электрический ток, который поступает на первый выпрямитель 3. Свободопоточная гидротурбина 4 под действием воды вращает вал второго генератора 5, вырабатывающего электрический ток, поступающий на второй выпрямитель 6. Под действием солнечного излучения солнечные панели 7 вырабатывают постоянный электрический ток. Датчик ветра 15 измеряет текущую скорость ветра и преобразует ее в аналоговый сигнал, пропорциональный максимальной мощности, которую можно снять при данном ветре. Аналоговый сигнал с датчика ветра 15 поступает на первую систему управления 14. Датчик воды 16 измеряет текущую скорость потока воды, поступающей на гидротурбину 4, и преобразует ее в аналоговый сигнал, который поступает на первую систему управления 14. Аналоговый сигнал с датчика воды 16 пропорционален максимальной мощности, которую можно снять при данной скорости течения потока воды. Датчик температуры 17 и датчик солнечной радиации 18, измерив текущую температуру окружающей среды и мощность светового излучения, преобразуют их в аналоговые сигналы, пропорциональные максимальной мощности, которую можно снять в данном режиме. Сформированные аналоговые сигналы поступают на первую систему управления 14. На основании информации, поступающей от датчиков ветра 15, воды 16, температуры 17 и солнечной радиации 18, первая система управления 14 формирует управляющий сигнал, который поступает на контроллеры заряда 8, 9 и 10 аккумуляторной батареи 11 и обеспечивает снятие максимальной текущей мощности возобновляемых источников. Первая система управления 14 посылает сигнал на вторую систему управления 19, которая проверяет баланс между мощностью, вырабатываемой генераторами 2 и 5 и солнечными панелями 7, и мощностью, потребляемой нагрузкой 13 и запасенной в аккумуляторной батарее 11. Если текущая мощность, вырабатываемая генераторами 2 и 5 и солнечными панелями 7, не превышает мощность, потребляемую нагрузкой 13 и аккумуляторной батареей 11, то постоянный ток с выходов контроллеров заряда 8, 9, 10 подается на инвертор 12, с выхода которого переменное напряжение подается на нагрузку 13. Контроллеры заряда 8, 9, 10 обеспечивают зарядку аккумуляторной батареи 11. Если текущая мощность, вырабатываемая генераторами 2 и 5 и солнечными панелями 7, превышает мощность, потребляемую нагрузкой 13 и аккумуляторной батареей 11, то вторая система управления 19 выдает сигнал на блок регулятора балласта 20, при этом подключается балластная нагрузка 21, в которую утилизируется излишек мощности.