Система автономного электроснабжения
AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике и энергетике, в частности, к системам автономного электроснабжения и предназначено для бесперебойного электроснабжения локальных объектов, удаленных от систем централизованного электроснабжения, при использовании возобновляемых видов энергии путем суммирования кинетической энергии (например, энергии ветра), световой энергии (например, световой энергии Солнца, с предварительным преобразованием ее фотоэлектрическими преобразователями в электрическую энергию постоянного тока) и тепловой энергии (например, тепловой энергии Земли или Солнца, с предварительным преобразованием ее тепловым преобразователем в электрическую энергию постоянного тока) с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию переменного и постоянного тока высокого качества и может быть использовано для генерирования электрической энергии для нужд локальных объектов, например, фермерских хозяйств и др.
Известна автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии (пат. РФ №2262790, авторы Медведев Е.НИ., Сердобинцев Ю.П., Рыбников А.С. опубл. 20.10..02.2005 г.), содержащая, по крайней мере, одну ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока; вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока устройством регулирования мощности; дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, при этом в системе сформировано два независимых источника электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности.
Известна также система для автономного электроснабжения потребителей (пат. РФ №2382900, авторы Шерьязов С.К., Шелубаев М.В., Аверин А.А., Чернов Н.А., опубл. 27.02.2010 г.), содержащая ветроэлектрическую установку, подключенную через стабилизатор, реле обратного тока, выпрямитель и инвертор к общим шинам электрической энергии, аккумуляторную батарею, подключенную между выпрямителем и инвертором, автономный источник питания, снабженный синхронизатором и регулятором вырабатываемой мощности, присоединенный к общим шинам, при этом к управляющей и входной цепи инвертора подключен блок формирования сигналов, генерирующий управляющие сигналы определенной формы, к аккумуляторной батарее подключен блок управления режимами работы источников питания, содержащий промежуточное реле и реле времени, рабочие контакты реле тока и напряжения, стабилизатор и реле обратного тока установлены за инвертором, аккумуляторная батарея дополнительно в цепи соединения с инвертором содержит диод и заряжается от двухступенчатого зарядного устройства, подключаемого к общим шинам через контактор, в цепях автономного источника питания, потребителя электроэнергии и цепи заряда установлены реле тока, а за выпрямителем - реле напряжения, аккумуляторная батарея и выпрямитель подключены к инвертору через контакторы.
Однако, известные из пат. РФ №2262790 и №2382900 системы электроснабжения не могут использовать световую и тепловую энергию от возобновляемых источников, например Земли и Солнца, а соответственно -суммировать энергию разного вида (механическую, световую и тепловую), поступающую от трех различных источников с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию, так как генераторные установки этих систем, преобразующие энергию возобновляемого источника в электрическую (ветротурбина переменной скорости вращения, жестко связанная с генератором переменного тока (пат. РФ №2262790) и ветроэлектрическая установка (пат. РФ №2382900)), имеют только один вход - механический (вал ротора ветротурбины (пат. РФ №2262790) или вал ротора ветроэлектрической установки (пат. РФ №2382900)). Поэтому известные из пат. РФ №2262790 и №2382900 системы электроснабжения могут преобразовывать в электрическую энергию только один вид возобновляемой энергии - механическую (например, энергию ветра).
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является система автономного электроснабжения (САЭ) на базе аксиальных электромагнитных устройств (Система автономного электроснабжения на базе аксиальных электромагнитных устройств / Гайтова Т.Б., Кашин Я.М., Кашин А.Я., Копелевич Л.Е. Ясьян Ю.П. / Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2011. №33. С. 205-209), содержащая ветротурбину (ВТ) переменной скорости вращения, жестко связанную с механическим входом (валом ротора) аксиальной двухвходовой электрической машины-генератора (АДЭМ-Г), фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), преобразующие световую энергию в электрическую энергию постоянного тока и соединенные с электрическим входом АДЭМ-Г, приводной дизель (мотор М), механически связанный с аксиальным многофазным бесконтактным синхронным генератором (АМБСГ), образующие дизель-генераторную установку, которая совместно с АДЭМ-Г образует энергоблок, аварийный источник питания - аккумуляторную батарею (АБ), выполненную с возможностью соединения через выпрямитель (В) с выходом АДЭМ-Г и АМБСГ и имеющую возможность подключения к потребителям постоянного тока и через инвертор (И) - к потребителям переменного тока.
Однако известная САЭ не может для преобразования в электрическую энергию использовать тепловую энергию от возобновляемых (например, Земли и Солнца) и других (например, утилизированную тепловую энергию дизеля) источников, а соответственно - суммировать энергию разного вида (механическую, световую и тепловую), поступающую от трех различных источников с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию, так как входящая в ее состав АДЭМ-Г, преобразующая энергию возобновляемых источников в электрическую, имеет только два входа - механический (вал ротора АДЭМ-Г), на который подается механическая энергия вращения от ВТ, и электрический (дополнительная обмотка возбуждения возбудителя), на которую подается электрическая энергия постоянного тока, полученная путем преобразования в ФЭП световой энергии Солнца в электрическую энергию постоянного тока. Поэтому известная САЭ может преобразовывать в электрическую энергию только два вида возобновляемой энергии - механическую (энергию ветра) и световую (световую энергию Солнца).
Задачей изобретения является усовершенствование системы автономного электроснабжения, позволяющее суммировать энергию, поступающую от трех разнородных источников энергии: механическую энергию, световую энергию и тепловую энергию с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию переменного и постоянного тока.
Техническим результатом заявленного изобретения является суммирование механической энергии, световой энергии и тепловой энергии с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию переменного и постоянного тока.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе автономного электроснабжения, содержащей ветротурбину переменной скорости вращения, фотоэлектрический преобразователь, преобразующий световую энергию в электрическую энергию постоянного тока, приводной дизель, механически связанный с аксиальным многофазным бесконтактным синхронным генератором, аккумуляторную батарею, выполненную с возможностью соединения через выпрямитель с выходом аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и имеющую возможность подключения к потребителям постоянного тока и через инвертор к потребителям переменного тока, при этом система автономного электроснабжения дополнительно содержит тепловой преобразователь, трехвходовую аксиальную генераторную установку, механически связанную с приводным дизелем и имеющую механический, световой и тепловой входы, и сумматор тепловой энергии с первым и вторым входами, выход которого подсоединен к тепловому входу трехвходовой аксиальной генераторной установки, при этом ветротурбина жестко связана с механическим входом трехвходовой аксиальной генераторной установки, выход фотоэлектрического преобразователя соединен со световым входом трехвходовой аксиальной генераторной установки, а выход теплового преобразователя подсоединен к первому входу сумматора тепловой энергии, при этом аккумуляторная батарея выполнена с возможностью подключения через выпрямитель к выходу трехвходовой аксиальной генераторной установки, а приводной дизель сообщен с блоком утилизации тепла, выход которого подключен ко второму входу сумматора тепловой энергии.
Предлагаемое изобретение, в отличие от прототипа, позволяет обеспечить с помощью одной САЭ суммирование энергии, поступающую от трех разнородных источников энергии: механической энергии, световой энергии (с предварительным преобразованием ее фотоэлектрическим преобразователем в электрическую энергию постоянного тока) и тепловой энергии (с предварительным преобразования ее тепловым преобразователем и блоком утилизации тепла в электрическую энергию постоянного тока) с одновременным преобразованием полученной суммарной энергии в электрическую энергию переменного и постоянного тока.
Возможность суммирования световой энергии с другими видами энергии также достигается за счет того, что предлагаемая система дополнительно содержит трехвходовую аксиальную генераторную установку, механически связанную с приводным дизелем и имеющую механический, световой и тепловой входы.
Возможность суммирования тепловой энергии с другими видами энергии достигается за счет того, что предлагаемая система дополнительно содержит тепловой преобразователь и сумматор тепловой энергии с первым и вторым входами, выход которого подсоединен к тепловому входу трехвходовой аксиальной генераторной установки, а приводной дизель (мотор М) сообщен с блоком утилизации тепла, при этом выходы теплового преобразователя и блока утилизации тепла подключены к соответствующим входам сумматора тепловой энергии и через него подсоединены к тепловому входу трехвходовой аксиальной генераторной установки.
Возможность суммирования механической энергии с другими видами энергии достигается за счет того, что ветротурбина жестко связана с механическим входом (валом ротора) трехвходовой аксиальной генераторной установки.
Возможность суммирования световой энергии с другими видами энергии достигается за счет того, что выход фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) соединен со световым входом трехвходовой аксиальной генераторной установки, механически связанной с приводным дизелем.
Возможность преобразования полученной суммарной энергии в электрическую энергию переменного тока достигается за счет того, что САЭ содержит трехвходовую аксиальную генераторную установку, механически связанную с приводным дизелем и имеющую механический, световой и тепловой входы, которая суммирует три вида энергии и преобразует суммарную энергию в электроэнергию переменного тока.
Возможность преобразования полученной суммарной энергии в электрическую энергию постоянного тока достигается за счет того, что аккумуляторная батарея выполнена с возможностью подключения через выпрямитель к выходу трехвходовой аксиальной генераторной установки. Переменное напряжение, генерируемое трехвходовой аксиальной генераторной установкой, выпрямляется выпрямителем и подается потребителям и на аккумуляторную батарею.
На фиг. 1 изображена структурная схема заявленной системы автономного электроснабжения.
ЭI
ЭII
ЭIII
Э
На фиг. 1. обозначено: ВТ - ветротурбина; ФЭП - фотоэлектрический преобразователь; ТП - тепловой преобразователь; И - инвертор; В - выпрямитель; АБ - аккумуляторная батарея; ТАГУ - трехвходовая аксиальная генераторная установка; М - приводной дизель (мотор); АМБСГ - аксиальный многофазный бесконтактный синхронный генератор; СУТ - система утилизации тепла приводного дизеля; СТЭ - сумматор тепловой энергии; ~П, ~П и ~П - потребители, электрической энергии трехфазного переменного синусоидального тока I, II, и III категорий соответственно; =П - потребители электрической энергии постоянного тока.
Система автономного электроснабжения (САЭ) содержит ветротурбину (ВТ) 1 переменной скорости вращения, фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) 2, преобразующий световую энергию в электрическую энергию постоянного тока, приводной дизель (мотор М) 7, механически связанный с аксиальным многофазным бесконтактным синхронным генератором (АМБСГ) 6, аккумуляторную батарею (АБ) 11, выполняющую роль аварийного источника питания и выполненную с возможностью соединения через выпрямитель (В) 4 с выходом аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора (АМБСГ) 6 и имеющую возможность подключения к потребителям постоянного тока и через инвертор (И) 3 к потребителям переменного тока (в состав заявляемой системы не входят).
САЭ дополнительно содержит тепловой преобразователь (ТП) 5, трехвходовую аксиальную генераторную установку (ТАГУ) 10, механически связанную с приводным дизелем (М) 7 и имеющую механический, световой и тепловой входы, и сумматор тепловой энергии (СТЭ) 9 с первым и вторым входами, выход которого подсоединен к тепловому входу трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10.
Ветротурбина (ВТ) 1 жестко связана с механическим входом (валом ротора) трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10.
Выход фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 2 соединен с световым входом трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10.
Выход теплового преобразователя (ТП) 5 подсоединен к первому входу сумматора тепловой энергии (СТЭ) 9.
Аккумуляторная батарея (АБ) 11 выполнена с возможностью подключения через выпрямитель (В) 4 к выходу трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10.
Приводной дизель (мотор М) 7 сообщен с блоком утилизации тепла (БУТ) 8, выход которого подключен ко второму входу сумматора тепловой энергии (СТЭ) 9.
Предлагаемая САЭ преобразует в электрическую энергию следующие виды энергии:
- химическую энергию топлива, преобразуемую приводным дизелем (М) 7 в механическую энергию вращательного движения ротора аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора (АМБСГ) 6 и трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10;
- кинетическую энергию ветра, преобразуемую ветротурбиной (ВТ) 1 в механическую энергию вращения ротора трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10;
- световую энергию Солнца, преобразуемую фотоэлектрическим преобразователем (ФЭП) 2 в электрическую энергию постоянного тока для запаса ее аккумуляторной батареей (АБ) 11, подачи на вход инвертора И 3 и на световой вход трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10;
- тепловую энергию Солнца (или другого источника тепла), преобразуемую тепловым преобразователем (ТП) 5 в электрическую энергию постоянного тока и подаваемую на первый вход сумматора тепловой энергии (СТЭ) 9 с последующей передачей на тепловой вход трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10;
- часть энергии топлива в виде тепловых потерь приводного дизеля (М) 7, которые целенаправленно утилизируются блоком утилизации тепла (БУТ) 8, подаваемая на второй вход сумматора тепловой энергии (СТЭ) 9 с последующей передачей на тепловой вход трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10.
Первичными источниками электроэнергии в САЭ являются:
- трехвходовая аксиальная генераторная установка (ТАГУ) 10, в обмотке якоря которой вырабатывается трехфазный переменный синусоидальный ток 220/380 В, 50 Гц;
- аксиальный многофазный бесконтактный синхронный генератор (АМБСГ) 6, также вырабатывающий многофазный (трехфазный) переменный синусоидальный ток тех же параметров.
Вторичным (резервным) источником электрической энергии переменного тока является инвертор (И) 3, преобразующий электроэнергию постоянного тока, запасенную аккумуляторной батареей (АБ) И в электроэнергию переменного квазисинусоидального трехфазного переменного тока тех же параметров.
При этом «излишки» электрической энергии постоянного тока, генерируемой фотоэлектрическим преобразователем (ФЭП) 2, а также энергии переменного тока системы ТАГУ 10 - М 7 - АМБСГ 6 (предварительно выпрямленного в выпрямителе (В) 4) аккумулируются в аккумуляторной батарее (АБ) 11.
ЭI
ЭII
ЭIII
Э
Потребители электрической энергии переменного тока согласно Правил устройства электроустановок (ПУЭ) подразделяются на потребители I, II и III категории (~П, ~П и ~П) и разделены между собой выключателями нагрузки. Помимо этого в системе предусмотрено питание потребителей постоянного тока =П.
САЭ работает следующим образом.
Ветротурбина (ВТ) 1 переменной скорости вращения преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения и подает ее на механический вход трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10. Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) 2 преобразует световую энергию Солнца в электрическую энергию постоянного тока. С выхода фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 2 электроэнергия постоянного тока поступает на световой вход трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10, на вход инвертора 3 и на аккумуляторную батарею (АБ) 11 для ее зарядки. Тепловой преобразователь (ТП) 5 преобразует тепловую энергию Солнца или другого источника тепла в электрическую энергию постоянного тока. С выхода теплового преобразователя (ТП) 5 электроэнергия постоянного тока поступает на первый вход сумматора тепловой энергии (СТЭ) 9. Блок утилизации тепла (БУТ) 8 утилизирует тепловые потери приводного дизеля (М) 7, преобразует их в электроэнергию постоянного тока и подает ее на второй вход сумматора тепловой энергии (СТЭ) 9. Сумматор тепловой энергии (СТЭ) 9 суммирует энергию, поступающую с теплового преобразователя (ТП) 5 и блока утилизации тепла (БУТ) 8, и подает суммарную энергию на тепловой вход трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10. Трехвходовая аксиальная генераторная установка (ТАГУ) 10 суммирует поступающую на ее механический, световой и тепловой входы соответственно механическую, световую и тепловую энергию, преобразует суммарную энергию в электрическую энергию переменного тока и подает ее в сеть для питания потребителей переменного тока, а также через выпрямитель (В) 4 на аккумуляторную батарею (АБ) 11 для ее подзарядки и к потребителям постоянного тока.
При слабом ветре приводной дизель (мотор М) 7 преобразует химическую энергию топлива в механическую энергию вращения, подаваемую на механические входы аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора (АМБСГ) 6 и трехвходовой аксиальной генераторной установки (ТАГУ) 10, которые преобразуют ее в электрическую энергию переменного тока и подают в сеть, а также через выпрямитель (В) 4 на аккумуляторную батарею (АБ) 11 для ее подзарядки и к потребителям постоянного тока.
При отсутствии ветра и топлива питание потребителей переменного тока осуществляется от аварийного источника питания - аккумуляторной батареи (АБ) 11 через инвертор (И) 4, а потребителей постоянного тока от аккумуляторной батареи (АБ) 11 напрямую.