АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к энергетическим установкам, вырабатывающим электроэнергию с использованием возобновляемых источников, способным обеспечить электроснабжение в удаленных районах, где отсутствуют линии электропередачи (ЛЭП) и подведенное сетевое электроснабжение.
Автономная энергетическая установка может быть использована для обеспечения бесперебойной работы различных объектов - систем автоматики и телемеханики, метеорологических станций, детекторов лавин и оползней, детекторов сейсмоактивности, охранных систем, систем наблюдения на транспорте и других систем с малым энергопотреблением.
Автономные энергетические установки, использующие источники возобновляемой энергии, например, солнечную и/или энергию ветра, получили широкое распространение в настоящее время. Такие установки позволяют обеспечивать потребителя электроэнергией с минимальными затратами, не наносят вреда окружающей среде. Однако, мощность установки и надежность ее работы зависят от климатических условий, требуют наличия аккумуляторной батареи большой мощности, способной обеспечивать электроснабжение в периоды снижения солнечной активности или недостаточной энергии ветровых потоков. В автономной энергетической установке может быть использован вторичный источник энергии, в качестве которого могут быть использованы генераторы различного типа, что повышает надежность ее работы.
Известно техническое решение в соответствии с патентом РФ №77948 на полезную модель «Автономная энергоустановка» (опубл. 10.11.2008 г., МПК F24J 2/42). Автономная энергоустановка содержит возобновляемые источники энергии - ветроустановку и/или фотоэлектрическую батарею, аккумуляторную батарею, систему автоматического управления, обеспечивающую различные алгоритмы работы установки и подключения потребителя, а также водородный генератор. Данное техническое решение позволяет повысить эффективность использования первичных источников энергии и снизить уровень загрязнения окружающей среды. Однако, наличие водородного генератора создает опасность для потребителя, связанную с использованием и хранением водорода, как взрыво- и пожароопасного вещества, а также требует значительных затрат на его транспортировку.
Известно техническое решение в соответствии с заявкой Великобритании №2508577 на изобретение «Гибридная энергетическая установка» (опубл. 11.06.2014 г., МПК H02J 7/34). Описана энергетическая установка, содержащая генератор постоянного тока и другие источники энергии и накопительные устройства. В качестве генератора постоянного тока может быть дизельный, газовый или генератор на биотопливе, источники энергии могут быть возобновляемые, такие, например, как солнце или ветер, а также топливные элементы или электрическая сеть, в качестве накопительных устройств могут быть использованы аккумуляторные батареи. Генератор может подключаться только для зарядки аккумулятора. Установка предназначена для обеспечения постоянной подачи энергии и максимального использования возобновляемой энергии. Система управления температурой может быть представлена тогда, когда оборудование размещается в различных температурных зонах внутри корпуса. Установка может быть размещена в безопасном корпусе. Данное техническое решение предназначено для выработки энергии и питания потребителей большой мощности, что не всегда бывает необходимо. Для различного вида объектов может быть достаточно установок, способных большую часть времени обеспечивать выработку энергии с помощью первичных - возобновляемых источников, и требующих подключения вторичных источников только в небольшой период. Однако, в условиях низких температур запуск топливного генератора может быть затруднен из-за замерзания в топливном патрубке конденсата. Эта проблема легко преодолевается при использовании генераторов большой мощности, например, дизельных, но для установок малой мощности является серьезной проблемой.
Для установок небольшой мощности эффективно использование топливных генераторов на топливных ячейках, так называемых, электрохимических генераторов, напрямую использующих энергию преобразования химической энергии топлива в электрическую в процессе электрохимической реакции. На сайте компании SFC Energy (http://www.efoy-pro.com/page/solar-hybrid-solution) имеется описание автономной энергетической установки EFOY Pro Solar Hybrid Solution, включающей первичный источник энергии в виде солнечных батарей, вторичный источник энергии в виде генератора с электрохимическими топливными ячейками, также аккумуляторную батарею. Функциональные блоки установки размещены в термозащитном корпусе. Данное устройство принято в качестве ближайшего аналога. Проблема запуска генератора, описанная выше, является причиной недостаточно надежной работы автономной установки электроснабжения при низких температурах.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение надежности работы автономной энергетической установки.
Технический результат достигается за счет того, что в автономной энергетической установке, содержащей первичный источник энергии, преимущественно, в виде источника возобновляемой энергии, вторичный источник энергии, преимущественно, в виде топливного генератора на топливных элементах, накопитель энергии, блок управления установкой, выполненный с возможностью обеспечения различных режимов работы установки, размещенные в корпусе с возможностью термоизоляции от воздействия внешней среды, патрубок отвода выхлопных газов топливного генератора снабжен нагревательным элементом, размещенным вблизи наружного края патрубка.
Размещение нагревательного элемента в патрубке отвода выхлопных газов позволяет прогреть патрубок перед запуском топливного генератора и ликвидировать замерзший конденсат в нем. Наличие замерзшего конденсата препятствует запуску топливного генератора. Таким образом, обеспечивается повышение надежности работы автономной энергетической установки.
На чертежах представлены следующие виды установки
Фиг. 1 - общий вид автономной энергетической установки;
Фиг. 2 - укрупненное изображение выхлопного патрубка, фронтальный разрез;
Фиг. 3 - поперечное сечение выхлопного патрубка.
Автономная энергетическая установка содержит первичный источник энергии, в качестве которого использована солнечная батарея, вторичный источник энергии, в качестве которого использован топливный генератор 1, накопитель 2 заряда (аккумуляторная батарея), а также органы 3 контроля и управления установкой размещены в корпусе 4, внутренний объем которого термоизолирован от внешней среды. Топливный генератор 1 имеет патрубок 5 для отвода газов, образующихся при его работе. Патрубок 5 выведен через стенку корпуса 4 во внешнюю среду. На патрубке 5 размещен нагревательный элемент. В качестве нагревательного элемента использованы плоские резисторы 6 большой мощности, помещенные в теплопроводящий 7 корпус, такая форма выполнения резисторов 6 позволяет обеспечить эффективную передачу тепла теплопроводящему 7 корпусу. Теплопроводящий 7 корпус имеет внутри отверстие, диаметр которого равен диаметру выпускной трубки 8. Для защиты нагревательного элемента от перегрева последовательно с резисторами 6 включен термостат 9, размыкающий цепь при достижении температуры более 80°. Дополнительно, для контроля температуры нагревательного элемента посредством телеметрии, на теплопроводящий 7 корпус установлен термодатчик 10. Патрубок 5 выполнен в виде пластиковой оболочки и внутри покрыт слоем нетеплопроводного компаунда 11. Для подключения к контроллеру автономной энергетической установки использованы жгут 12 и клеммник 13.
Процесс работы автономной энергетической установки осуществляется следующим образом. В период времени, когда солнечная батарея обеспечивает достаточный уровень выработки электроэнергии, органы 3 контроля и управления осуществляют контроль за уровнем заряда аккумуляторной батареи 2, и когда уровень выработки электроэнергии первичным источником падает, дают команду на запуск топливного генератора 1. В условиях пониженных температур перед подачей команды на запуск топливного генератора 1 включается нагревательный 6 элемент, размещенный на патрубке 5 для отвода выхлопных газов. Замерзший конденсат оттаивает, удаляется из патрубка и не может препятствовать запуску топливного генератора.
Данная установка с обозначением «САЭ-110» успешно прошла испытания и эксплуатируется на крановой площадке в качестве основного источника электроэнергии для системы телемеханики.
В качестве первичного источника электроэнергии использована солнечная батарея мощностью 245 Вт. Вторичным источником электроэнергии является топливный генератор на метаноле, мощностью 110 Вт. Топливные генераторы на метаноле вырабатывают электроэнергию напрямую в процессе электрохимической реакции. Они обладают высоким КПД, способны длительно работать без обслуживания, обладают низким уровнем шума и вибрации, высокой экологичностью, компактны. В качестве накопителя заряда использован литий-ионный аккумулятор, обладающий способностью к быстрому заряду, долговечностью, способностью работать в широком диапазоне температур (от -40° до +70°), экологичностью. Сбор и обработку информации от узлов установки, а также управление установкой осуществляет системный контроллер, Узлы установки помещены в защитный корпус, т.н. термошкаф. Практика использования САЭ показала ее высокую эффективность применения в экстремальных внешних условиях с минимальным участием человека в обслуживании системы (кроме плановых ТО) в течение длительных сроков эксплуатации. Также был выявлен значительный потенциал в части развития и модернизации установки: увеличения мощности установки, увеличения сроков эксплуатации без дозаправки, повышения эффективности алгоритмов работы установки и т.д.