Гибридный энергетический комплекс
HYBRID ENERGY COMPLEX

Изобретение относится к энергетике, в частности к гибридным энергетическим комплексам, и предназначено для бесперебойного электро-, тепло- и холодоснабжения локальных объектов, удаленных от систем централизованного электро- и теплоснабжения, до которых экономически нецелесообразно строить традиционные линии электропередачи, и может быть использовано на объектах нефтедобычи, на промыслах, производственных объектах и на нефтяных скважинах при добыче нефти и газа на забалансовых месторождениях, а также может быть использовано как альтернативный автономный источник электрической и тепловой энергии в различных отраслях народного хозяйства, например, фермерских хозяйствах и др. с использованием возобновляемых источников 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, а также путем прямого преобразования тепловой энергии Земли или Солнца.
Известна 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, известная из пат. РФ №2382900 система электроснабжения не может 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 генераторная установка этой системы, преобразующая энергию возобновляемого источника в электрическую (ветроэлектрическая установка), имеет только один вход - механический (вал ротора ветроэлектрической установки). Поэтому известная из пат. РФ №2382900 система электроснабжения может преобразовывать в электрическую энергию только один вид возобновляемой энергии - механическую (например, энергию ветра). Кроме того, она не может осуществлять теплоснабжение потребителей.
Известен комбинированный многофункциональный энергетический комплекс (пат. РФ №95434, авторы Матвеев Н.В., Переводчиков В.И. и др.), относящийся к гибридным энергетическим комплексам и содержащий разнородные источники и накопитель электроэнергии, присоединенные к входам сетевого и автономного преобразователей, входы которых подключены к нагрузке, выходы датчиков которой присоединены к входам агрегатных систем автоматического управления каждого преобразователя, а выходы указанных систем присоединены к цепям управления каждого преобразователя, при этом сетевой преобразователь выполнен на высоковольтных вакуумных приборах, а выходы агрегатных систем управления преобразователей подсоединяются к входу блока системы управления верхнего уровня, выходы которого соединены с цепями управления вентилей каждого преобразователя.
Однако такой энергетический комплекс не может осуществлять теплоснабжение потребителей.
К гибридным энергетическим комплексам можно отнести систему автономного электроснабжения (САЭ) (пат. РФ №2698864 RU. автор Кашин Я.М.), так как она преобразует в электроэнергию механическую, световую и тепловую энергию. Эта система из известных технических решений является наиболее близкой к заявляемому изобретению по технической сущности. Она содержит 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, 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.
Однако, мощность вырабатываемая известной САЭ зависит от направления ветра, так как входящая в ее состав трехвходовая аксиальная генераторная установка получает механическую энергию от ветротурбины, скорость вращения которой зависит от направления ветра. Кроме того, известная САЭ не может осуществлять теплоснабжение потребителей.
Задачей изобретения является создание гибридного энергетического комплекса, обеспечивающего электро-, тепло- и холодоснабжение локальных объектов.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение независимости вырабатываемой мощности от направления ветра, а также обеспечение возможности снабжения потребителей теплом и холодом.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом гибридном энергетическом комплексе (ГЭК), содержащем 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, тепловой преобразователь, трехвходовую аксиальную генераторную установку, механически связанную с приводным дизелем и имеющую механический, световой и тепловой входы, при этом выход фотоэлектрического преобразователя соединен со световым входом трехвходовой аксиальной генераторной установки, при этом аккумуляторная батарея выполнена с возможностью подключения через выпрямитель к выходу трехвходовой аксиальной генераторной установки, а приводной дизель сообщен с блоком утилизации тепла, дополнительно устанавливают солнечную тепловую панель, холодильный аппарат, преобразователь «тепло-холод» и тепловой аккумулятор, выполненный с первым и вторым входами и первым и вторым выходами, при этом его первый вход подключают к солнечной тепловой панели, а его второй вход подключают к выходу блока утилизации тепла, его первый выход выполняют возможностью подключения к потребителям тепловой энергии, а его второй выход подключают ко входу преобразователя «тепло-холод», выход которого выполняют с возможностью подключения к потребителям холода, при этом трехвходовую аксиальную генераторную установку выполняют вертикально-осевой, а выход теплового преобразователя подключают к тепловому входу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки, при этом вход холодильного аппарата выполняют с возможностью подключения к выходу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки, аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и инвертора, а выход выполняют с возможностью подключения к потребителям холода.
Количество солнечных тепловых панелей определяют их единичной мощностью и расчетной мощностью нагрузки.
Предлагаемое изобретение, в отличие от прототипа, позволяет обеспечить потребителей теплом и холодом, а также обеспечить независимость вырабатываемой мощности от направления ветра.
Возможность обеспечения независимости вырабатываемой мощности от направления ветра достигается за счет того, что трехвходовую аксиальную генераторную установку выполняют вертикально-осевой. Это позволяет производить вращение ее ротора всегда в одну сторону, независимо от направления ветра. При этом скорость вращения ротора ВО ТАГУ не зависит от направления ветра, а зависит только от его скорости.
Возможность обеспечения потребителей теплом достигается за счет того, что ГЭК содержит солнечную тепловую панель, и тепловой аккумулятор, выполненный с первым и вторым входами и первым и вторым выходами, при этом первый вход подключен к выходу блока утилизации тепла, а второй вход подключен к солнечным тепловым панелям, первый выход выполнен возможностью подключения к потребителям тепловой энергии,
Подключение выхода теплового преобразователя к тепловому входу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки позволяет осуществить преобразование тепловой энергии от любого источника в электрическую.
Возможность обеспечения потребителей холодом достигается за счет того, что ГЭК содержит солнечную тепловую панель, холодильный аппарат, преобразователь «тепло-холод» и тепловой аккумулятор, выполненный с первым и вторым входами и первым и вторым выходами, при этом первый вход подключен к выходу блока утилизации тепла, а второй вход подключен к солнечным тепловым панелям, второй выход подключен ко входу преобразователя «тепло-холод», выход которого выполнен с возможностью подключения к потребителям холода, при этом вход холодильного аппарата выполнен с возможностью подключения к выходу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки и аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и инвертора, а выход выполнен с возможностью подключения к потребителям холода,
На фиг. 1 изображена структурная схема заявленного гибридного энергетического комплекса.
ЭI
ЭII
ЭIII
э
На фиг. 1. обозначено: ФЭП - фотоэлектрический преобразователь; СТП - солнечная тепловая панель; ТП - тепловой преобразователь; И - инвертор; В - выпрямитель; АБ - аккумуляторная батарея; ВО ТАГУ - вертикально-осевая трехвходовая аксиальная генераторная установка; М - приводной дизель (мотор); АМБСГ - аксиальный многофазный бесконтактный синхронный генератор; БУТ - блок утилизации тепла приводного дизеля; ~П, ~П и ~П - потребители, электрической энергии трехфазного переменного синусоидального тока I, II, и III категорий соответственно; =П - потребители электрической энергии постоянного тока; Пт - потребители тепловой энергии; Пх - потребители холода; ХА - холодильный аппарат,  - электрическая связь;  - тепловая связь;  - холодосвязь; - механическая связь;  - электрический выключатель.
Гибридный энергетический комплекс (ГЭК) содержит фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) 1, преобразующий световую энергию в электрическую энергию постоянного тока, приводной дизель (мотор М) 11, механически связанный с аксиальным многофазным бесконтактным синхронным генератором (АМБСГ) 6, аккумуляторную батарею (АБ) 13, выполняющую роль аварийного источника питания и выполненную с возможностью соединения через выпрямитель (В) 3 с выходом аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора (АМБСГ) 6 и имеющую возможность подключения к потребителям постоянного тока (в состав заявляемого ГЭК не входят) и через инвертор (И) 2 к потребителям переменного тока, тепловой преобразователь (ТП) 5, вертикально-осевую трехвходовую аксиальную генераторную установку (ВО ТАГУ) 12, механически связанную с приводным дизелем (М) 11 и имеющую механический, световой и тепловой входы.
Выход фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 1 соединен со световым входом вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12.
Аккумуляторная батарея (АБ) 13 выполнена с возможностью подключения через выпрямитель 3 к выходу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12, а приводной дизель 11 сообщен с блоком утилизации тепла (БУТ) 10.
Дополнительно ГЭК содержит солнечную тепловую панель (СТП) 4, холодильный аппарат (ХА) 9, преобразователь «тепло-холод» (Т-Х) 8 и тепловой аккумулятор (ТА) 7, выполненный с первым и вторым входами и первым и вторым выходами.
Первый вход теплового аккумулятора (ТА) 8 подключен к солнечной тепловой панели (СТП) 4, а его второй вход подключен выходу блока утилизации тепла (БУТ) 10. Первый выход теплового аккумулятора (ТА) 7 выполнен возможностью подключения к потребителям тепловой энергии (Пт), а его второй выход подключен ко входу преобразователя «тепло-холод» (Т-Х) 8, выход которого выполнен с возможностью подключения к потребителям холода (Пх).
Выход теплового преобразователя (ТП) 5 подключен к тепловому входу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12.
Вход холодильного аппарата (ХА) 9 выполнен с возможностью подключения к выходу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12, и аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора (АМБСГ) 6 и инвертора (И) 2, а его выход выполнен с возможностью подключения к потребителям холода (Пх).
Предлагаемый ГЭК преобразует в электрическую энергию следующие виды энергии:
- химическую энергию топлива, преобразуемую приводным дизелем (М) 11 в механическую энергию вращательного движения ротора аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора (АМБСГ) 6 и вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12;
- кинетическую энергию ветра, преобразуемую лопастями вертикально-осевой трехвходовой генераторной установки (ВО ТАГУ) 12 в механическую энергию вращения ротора ВО ТАГУ 12;
- световую энергию Солнца, преобразуемую фотоэлектрическим преобразователем (ФЭП) 1 в электрическую энергию постоянного тока для запаса ее аккумуляторной батареей (АБ) 13, подачи на вход инвертора И 2 и на световой вход вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12;
- тепловую энергию Солнца (или другого источника тепла), преобразуемую тепловым преобразователем (ТП) 5 в электрическую энергию постоянного тока и подаваемую на тепловой вход вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12;
Первичными источниками электроэнергии в ГЭК являются:
- вертикально-осевая трехвходовая аксиальная генераторная установка (ВО ТАГУ) 12, 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) 2, преобразующий электроэнергию постоянного тока, запасенную аккумуляторной батареей (АБ) 13 в электроэнергию переменного квазисинусоидального трехфазного переменного тока тех же параметров.
При этом «излишки» электрической энергии постоянного тока, генерируемой фотоэлектрическим преобразователем (ФЭП) 1, а также энергии переменного тока системы ВО ТАГУ 12 - М 11 - АМБСГ 6 (предварительно выпрямленного в выпрямителе (В) 3 аккумулируются в аккумуляторной батарее (АБ) 13.
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 ГЭК предусмотрено питание потребителей постоянного тока =П.
Первичными источниками тепловой энергии (тепло-холод) в ГЭК являются:
- тепловая энергия Солнца, преобразуемая солнечной тепловой панелью (СТП) 4 в тепловую энергию системы, которая затем аккумулируется в тепловом аккумуляторе (ТА) 7;
- часть энергии топлива в виде тепловых потерь приводного дизеля (М) 11, которые целенаправленно утилизируются блоком утилизации тепла (БУТ) 10, а затем передаются в тепловой аккумулятор (ТА) 7 для накопления тепловой энергии, ее преобразования (при необходимости) и дальнейшего использования потребителями тепла Пт и холода Пх.
ГЭК работает следующим образом.
1. Снабжение потребителей электрической энергией постоянного и переменного тока.
Воздушный поток (ветер) набегает на ветроколеса (механический вход ВО ТАГУ 12), установленные на вертикальном валу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12, которые преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения. Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП) 1 преобразует световую энергию Солнца в электрическую энергию постоянного тока. С выхода фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 1 электроэнергия постоянного тока поступает на световой вход вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12, на вход инвертора (И) 2 и на аккумуляторную батарею (АБ) 13 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 тепловой вход вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12. Вертикально-осевая трехвходовая аксиальная генераторная установка (ВО ТАГУ) 12 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) 3 на аккумуляторную батарею (АБ) 13 для ее подзарядки и к потребителям постоянного тока.
При слабом ветре приводной дизель (мотор М) 11 преобразует химическую энергию топлива в механическую энергию вращения, подаваемую на механические входы аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора (АМБСГ) 6 и вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12, которые преобразуют ее в электрическую энергию переменного тока и подают в сеть, а также через выпрямитель (В) 3 на аккумуляторную батарею (АБ) 13 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) 13 через инвертор (И) 3, а потребителей постоянного тока от аккумуляторной батареи (АБ) 13 напрямую.
2. Снабжение потребителей тепловой энергией.
Солнечная тепловая панель (СТП) 4 поглощает тепловую энергию Солнца и передает ее на первый вход теплового аккумулятора (ТА) 7. Кроме того, часть энергии топлива в виде тепловых потерь приводного дизеля (М) 11, которые целенаправленно утилизируются блоком утилизации тепла (БУТ) 10, и с его выхода подаются на второй вход теплового аккумулятора (ТА) 7. С первого выхода теплового аккумулятора (ТА) 7 тепловая энергия поступает потребителям тепла Пт.
3. Холодоснабжение потребителей.
Солнечная тепловая панель (СТП) 4 поглощает тепловую энергию Солнца и передает ее на первый вход теплового аккумулятора (ТА) 7. Кроме того, часть энергии топлива в виде тепловых потерь приводного дизеля (М) 11, которые целенаправленно утилизируются блоком утилизации тепла (БУТ) 10, подается с выхода (БУТ) 10 на второй вход теплового аккумулятора (ТА) 7. Со второго выхода теплового аккумулятора (ТА) 7 тепловая энергия поступает на вход преобразователя «тепло-холод» (Т-Х) 8, в котором осуществляется преобразование тепла в холод. С выхода преобразователя «тепло-холод» (Т-Х) 8 охлажденный теплоноситель поступает потребителям холода Пх.
Кроме того, в холодильном аппарате (ХА) 9 электроэнергия переменного тока, поступающая на его вход с выхода вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки (ВО ТАГУ) 12, аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора (АМБСГ) 6 или инвертора (И) 2, преобразуется в холод. С выхода холодильного аппарата (ХА) 9 охлажденный теплоноситель поступает потребителям холода Пх.