Автономная солнечная фотоэлектрическая установка

Предлагаемая установка относится к малой распределенной энергетике на основе возобновляемых источников энергии и может быть применена для автономного электроснабжения потребителей, в том числе сельскохозяйственных, имеющих преимущественно неравномерный суточный график электрической нагрузки с пиковым потреблением в дневные часы.
Известен источник электропитания импульсного потребителя [патент RU 2030083, опубл. 27.02.1995], содержащий параллельно соединенные аккумуляторную батарею и емкостный накопитель на базе энергоемких конденсаторов, предназначенный для систем с кратковременным или импульсным отбором мощности. Однако данное изобретение не предусматривает подключения дополнительных источников питания, в частности, возобновляемых источников энергии, а также возможности подключения нагрузок переменного тока.
Известен комбинированный источник электропитания [патент RU 43699, опубл. 27.01.2005], содержащий импульсный энергоемкий конденсатор, предусматривающий подключение солнечных модулей. К недостаткам известного источника можно отнести отсутствие аккумуляторных батарей и инвертора для питания нагрузок переменного тока.
Известна гибридная система накопления энергии [патент RU 121646, опубл. 27.10.2012], содержащая накопитель из аккумуляторных батарей и суперконденсаторов, имеющая подключение к сети централизованного электроснабжения. Недостаток - не учтена возможность подключения дополнительной генерации от возобновляемых источников.
Известна система бесперебойного энергоснабжения [патент RU 137642, опубл. 20.02.2014], содержащая емкостный накопитель, работающая совместно с ВИЭ и позволяющая повысить надежность энергоснабжения автономных потребителей при сбоях в работе основного источника питания. Недостатками предлагаемой системы являются: наличие инвертора перед емкостным накопителем; не учтена возможность подлючения аккумуляторной батареи для долговременного накопления электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими преобразователями и основным источником питания; отсутствует устройство, обеспечивающее оптимальный заряд и разряд емкостного накопителя; отсутствует преобразователь, обеспечивающий отбор максимальной мощности от фотоэлектрического преобразователя, согласование рабочего напряжения фотопреобразователя, рабочего напряжения емкостного накопителя, а также входного напряжения инвертора.
Известно устройство для управления электромагнитным насосом [патент RU 2257660, опубл. 27.07.2005] с накопительным конденсатором электроэнергии для подъема воды с использованием возобновляемых источников энергии - ветроэлектрических или солнечных фотоэлектрических генераторов. Однако данное устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что отсутствуют аккумуляторные батареи с соответствующим контроллером заряда-разряда для отбора максимальной мощности от генераторов на возобновляемых источниках и оптимального заряда накопителей; к тому же не предусмотрена совместная работа накопительных конденсаторов и аккумуляторных батарей (для случаев круглосуточного использования электромагнитной водоподъемной насосной установки).
В качестве наиболее близкого прототипа выбрана полезная модель преобразователя солнечной энергии [патент RU 143104, опубл. 10.07.2014], используемого в системах автономного электроснабжения и содержащего: блок солнечных модулей; регулятор точки максимальной мощности с преобразователем, измерительным блоком и микропроцессорной системой управления; демпфирующую систему, включающую в себя коммутационный блок, аккумуляторы и блок суперконденсаторов; преобразователь постоянного тока; силовой инвертор.
К недостаткам указанного прототипа следует отнести: демпфирующая система подключается к солнечной батарее посредством общего регулятора точки максимальной мощности, при этом не содержит отдельного устройства заряда-разряда батареи суперконденсаторов; отсутствует система балансировки напряжения суперконденсаторов; не предусмотрены элементы защиты от обратных токов.
Частичное решение указанных проблем возможно с помощью предлагаемого технического решения.
Техническим результатом является повышение эффективности использования энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими модулями, повышение срока службы аккумуляторов, продление времени работы установки и повышение надежности электроснабжения автономного потребителя за счет использования электрохимических суперконденсаторов, работающих совместно с аккумуляторными батареями и подключаемых через специальное устройство заряда.
Технический результат достигается тем, что автономная солнечная фотоэлектрическая установка, содержащая солнечную батарею, контроллер заряда-разряда аккумуляторов, аккумуляторную батарею, батарею электрохимических суперконденсаторов с двойным электрическим слоем, автономный инвертор напряжения, согласно полезной модели имеет гибридный накопитель энергии, состоящий из устройство заряда суперконденсаторов, системы балансировки их напряжений, силовые защитные полупроводниковые диоды, при этом устройство заряда суперконденсаторов имеет электронно-механический коммутатор с защитным диодом во входной цепи и соединено с батареей суперконденсаторов, на выход которых включен один из силовых защитных диодов, а второй диод подключен к электрическому узлу, соединяющему выходы контроллера заряда-разряда, аккумуляторной батареи и вход устройства заряда суперконденсаторов, при этом второй вход этого устройства соединен с выходом солнечной батареи, выходы силовых защитных диодов соединены со входом автономного инвертора напряжения.
Таким образом, предлагается использование гибридного накопителя электроэнергии, включающего в себя аккумуляторы и электрохимические суперконденсаторы с двойным электрическим слоем. Недостатками электрохимических суперконденсаторов являются относительно низкая плотность энергии и высокий саморазряд. Однако они имеют большую выходную мощность, что позволяет использовать их вместе с аккумуляторами, объединяя их достоинства и компенсируя недостатки.
Новизна заявляемого технического решения заключается в том, что гибридный накопитель электроэнергии с электрохимическими суперконденсаторами в автономных фотоэлектрических установках позволяет эффективно покрыть пиковые нагрузки, пусковые токи электроприемников; стабилизировать напряжение на стороне постоянного тока; увеличить ресурс и, следовательно, продлить срок службы аккумуляторов; снизить время отклика на нагрузки импульсного характера, на короткие пики генерации или потребления.
Также гибридный накопитель электроэнергии с электрохимическими суперконденсаторами позволяет снизить пиковые нагрузки на аккумуляторы либо на резервный генератор, за счет чего повышается эффективность использования электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими преобразователями, а также повышается эффективность функционирования автономной установки в переходных режимах работы.
Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 представлена блок-схема автономной солнечной фотоэлектрической установки.
Автономная солнечная фотоэлектрическая установка содержит солнечную батарею 1, контроллер заряда-разряда аккумуляторов 2, аккумуляторные батареи 3, устройство заряда 4 суперконденсаторов, батарею электрохимических суперконденсаторов с двойным электрическим слоем 5; систему балансировки напряжений 6 на суперконденсаторах, силовые защитные полупроводниковые диоды 7 и 8. Установка имеет гибридный накопитель энергии 9 состоящий из устройства заряда 4 суперконденсаторов, системы балансировки 6 их напряжений, силовых защитных полупроводниковых диодов 7 и 8, при этом устройство заряда 4 суперконденсаторов имеет электронно-механический коммутатор 10 с защитным диодом 11 во входной цепи и соединено с батареей суперконденсаторов 5, на выход которых включен один из силовых защитных диодов 7, а второй диод 8 подключен к электрическому узлу, соединяющему выходы контроллера заряда-разряда, аккумуляторной батареи и вход устройства заряда суперконденсаторов, при этом второй вход этого устройства соединен с выходом солнечной батареи, выходы силовых защитных диодов 7 и 8 соединены со входом автономного инвертора напряжения 12.
Установка работает следующим образом.
В периоды солнечной активности электроэнергия, вырабатываемая первичным источником электроэнергии - солнечной батареей 1, поступает на аккумуляторную батарею 3 через контроллер заряда-разряда 2. В случае полной зарядки аккумуляторов избыточная энергия поступает в нагрузку напрямую или через автономный инвертор напряжения 12. К солнечной батарее через соответствующий преобразователь постоянного тока - устройство заряда 4 подключена батарея электрохимических суперконденсаторов 5 с системой балансировки напряжения 6. В устройстве заряда 4 предусмотрена функция коммутации и защиты входной цепи. Силовые защитные полупроводниковые диоды 7 и 8 включены в разрядные цепи аккумуляторной батареи и батареи суперконденсаторов соответственно. Диоды 7 и 8 не позволяют разряжаться батарее суперконденсаторов на аккумуляторную батарею и, к тому же, защищают накопители от взаимных обратных токов.
При подключении через автономный инвертор напряжения 12 мощных электроприемников, например электродвигателей, пусковые токи поступают на батарею суперконденсаторов, а далее основная энергия поступает от аккумуляторной батареи. Пиковые кратковременные нагрузки небольшой продолжительности возлагаются преимущественно на суперконденсаторы. Таким образом, в гибридном накопителе энергии 9 суперконденсаторам отводится роль источников мощности, а аккумуляторам - источников энергии.
Устройство заряда электрохимических суперконденсаторов 4 в виде преобразователя постоянного тока выполняет функции контроля, коммутации и защиты зарядной цепи при помощи электронно-механического коммутатора 10 с защитным диодом 11 во входной цепи.
Для выполнения требований по эксплуатации суперконденсаторов для них предусмотрена соответствующая система балансировки напряжений 6, состоящая из электронных ключей на основе тиристоров и балластных резисторов.