Ветросолнечная установка автономного электроснабжения
WIND AND SUN PLANT OF AUTONOMOUS POWER SUPPLY

Область, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к области ветроэнергетики, гелиоэнергетики и электротехники, в частности к ветроэнергетическим и солнечным установкам и может быть использовано в автономных системах электроснабжения, использующим энергию ветра и солнца.
Уровень техники.
Известна «Гелиоветростанция», содержащая центральный вертикальный ствол, солнечные батареи и ветродвигатели, к стволу через радиальные кронштейны прикреплен треугольник, в вершинах которого прикреплены оси, связанные с ветродвигателями (патент RU 2182674 С2 F03D3/00).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием нескольких ветродвигателей, что приводит к необходимости использования нескольких генераторов электрической энергии и согласования их работы, солнечные батареи установлены стационарно и не имеется возможность их ориентации по солнцу, что снижает эффективность их использования, невозможность выработки электрической энергии при отсутствии ветра и в пасмурную погоду, громоздкость и металлоемкость конструкции.
Известна «Автономная солнечная фотоэлектрическая установка», содержащая электрохимические суперконденсароты, аккумуляторные батареи, специальное устройство заряда, солнечную батарею, контроллер заряда-разрадя аккумуляторов, автономный инвертор напряжения, гибридный накопитель энергии, электронно-механический коммутатор с защитным диодом (патент RU 168497 U1 H02J 7/34).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующей сложного технического решения, связанного с использованием электрохимических суперконденсаторов, имеющих низкую плотность энергии и высокий саморазряд, применением электронно-механического коммутатора, снижающего надежность системы автономного электроснабжения в целом, высокая стоимость в связи с необходимостью применения дорогостоящих элементов, таких как электрохимические суперконденсаторы, необходимостью обслуживания и ограниченным сроком службы аккумуляторных батарей, также в системе не предусмотрен резервный источник энергии, обеспечивающий потребителей электроэнергией в пасмурную погоду.
Известна «Автономная ветродизельэлектрическая установка», содержащая асинхронную электрическую машину с короткозамкнутой обмоткой ротора, ветродвигатель, автоматический выключатель, датчик частоты вращения ветродвигателя и автоматическую систему регулирования угла поворота лопастей, дизель-генераторную установку с синхронной электрической машиной и инерционным маховиком, управляемую разобщительную муфту, реле пуска и включения, регулятор мощности ДВС, балластную нагрузку с регулятором ее величины. Датчики активной мощности, задатчик максимальной мощности, реле, сумматоры, компараторы (RU 2174191 С1 F03D 9/00).
Ее недостаток - сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием асинхронного генератора с короткозамкнутой обмоткой ротора, причем ротор асинхронного генератора напрямую соединен с валом ветродвигателя, что при уменьшении скорости ветра приведет к срыву генерации напряжения на его фазах, угловая скорость вращения ветродвигателя обычно меньше номинальной угловой скорости асинхронного генератора с короткозамкнутой обмоткой ротора, поэтому запуск асинхронного генератора будет затруднен при прямом соединении ротора и вала ветродвигателя, использование маховика увеличивает металлоемкость системы автономного электроснабжения и ее стоимость, требуются повышенные прочностные характеристики для узла с маховиком, использование системы автоматического регулирования угла поворота лопастей ветродвигателя снижает коэффициент использования энергии ветра, как ветродвигателем, так и системой автономного электроснабжения в целом, большое количество элементов системы, использование управляемой разобщительной муфтой, синхронной машины, как правило имеющей щеточный узел уменьшает надежности системы.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, принятая авторами за прототип является «Система для автономного электроснабжения потребителей», состоящая из ветроколеса, синхронного генератора, выпрямителя, реле напряжения, контактора, инвертора, стабилизатора, реле обратного тока, аккумуляторной батареи, блока формирования сигналов, диода, потребителя электроэнергии, токового реле, автономного источника питания, зарядного устройства, управляемого контактора, блока управления режимами работы источников питания (RU 2382900 F03D 9/02, Н02K 7/18, H02J 7/34).
Недостатком данного устройства является сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием контактора, отключающего синхронный генератор от системы электроснабжения, что приводит к уменьшению коэффициента использования ветрового потока системой, использование диода, подающего напряжение от аккумуляторной батареи к инвертору приводит к постоянному отключению и подключению синхронного генератора в системе при близких уровнях напряжения на синхронном генераторе и аккумуляторной батарее, что негативно сказывается на работе инвертора и стабилизатора напряжения, не предусмотрено использование энергии солнца, что влечет за собой повышение уровня расхода органического топлива автономным источником питания, прямое соединение вала ветродвигателя и ротора синхронного генератора не позволяет произвести согласование их угловых скоростей вращения, отсутствие обгонной муфты между ветродвигателем и ротором синхронного генератора приводит к уменьшению энергетических показателей синхронного генератора при резком уменьшении скорости ветра. Раскрытие изобретения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента использования ветрового потока за счет более полного использования выработанной энергии генератором электрической энергии, сокращение потребления органического топлива за счет использования энергии солнца, упрощение схемы электроснабжения за счет отказа от некоторых элементов прототипа, повышение надежности, энергоемкости, мощности, КПД ветросолнечной установки автономного электроснабжения за счет использования генератора электрической энергии, в качестве которого применен синхронный генератор с двухконтурной магнитной системой, использование гибких солнечных панелей позволяет создать из них концентратор солнечной энергии, что повышает коэффициент использования солнечной энергии.
Технический результат достигается с помощью ветросолнечной установки автономного электроснабжения, содержащей ветродвигатель, генератор электрической энергии, диодные мосты, инвертор, стабилизатор напряжения, систему управления, аккумуляторные батареи, солнечные панели, бензогенератор, реле, ветродвигатель механически соединен с мультипликатором, который через обгонную муфту механически соединен с генератором электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, при этом первый диодный мост связан с инвертором, соединенным с стабилизатором напряжения, соединенным с реле обратного тока, подключенного к однофазной сети переменного напряжения, к которой подключена система управления, соединенная с инвертором, контроллером заряда аккумуляторных батарей, системой ориентации гибких солнечных панелей, управляющей устройством ориентации по солнцу, бензогенератором и реле, подключающим бензогенератор к однофазной сети переменного напряжения, при этом к контроллеру заряда аккумуляторных батарей подключены гибкие солнечные панели, контроллер заряда аккумуляторных батарей соединен с балластной нагрузкой в виде электрических нагревательных элементов и аккумуляторными батареями, причем второй диодный мост соединен с компаратором напряжения, имеющим петлю гистерезиса, выход которого соединен с системой управления и с базой силового транзистора, через который идет подключение аккумуляторных батарей к инвертору.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволила выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 представлена структурная схема ветросолнечной установки автономного электроснабжения.
На фиг.2 представлена схема работы компаратора напряжения со встроенной петлей гистерезиса.
Осуществление изобретения.
Ветросолнечная установка автономного электроснабжения состоит из ветродвигателя 1, механически соединенного с мультипликатором 2, который через обгонную муфту 3 механически соединен с генератором 4 электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, к которому подключены первый и второй диодные мосты 5 и 6, соответственно, при этом первый диодный мост 5 связан с инвертором 7, соединенным с стабилизатором 8 напряжения, соединенным с реле 9 обратного тока, подключенного к однофазной сети 10 переменного напряжения, к которой подключена система управления 11, соединенная с инвертором 7, с системой 12 ориентации солнечных батарей, управляемой устройством 13 ориентации по солнцу, на котором расположены гибкие солнечные панели 14 подключенные к контроллеру 15 заряда аккумуляторных батарей, который соединен с балластной нагрузкой 16, в виде электрических нагревательных элементов и аккумуляторными батареями 17, при чем второй диодный мост 6 соединен с компаратором 18 напряжения, имеющим петлю гистерезиса и выход которого соединен с системой 11 управления и с базой силового транзистора 19, через который идет подключение аккумуляторных батарей 17 к инвертору 7 напряжения, к системе 11 управления подсоединены бензогенератор 20 и реле 21 подключения бензогенератора 20 к однофазной сети 10 переменного напряжения, к однофазной сети 10 переменного напряжения подключены потребители 22 электрической энергии. Ветродвигатель 1 пропеллерного типа, генератор 4 электрической энергии, являющийся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой (заявка №2016152824/07(084656)), гибкие солнечные панели 14 с возможностью изгиба на определенный угол, что позволяет сконцентрировать солнечную энергию, в качестве балластной нагрузки 16 используется электрические нагревательные элементы, аккумуляторные батареи 17 применяют гелиевого типа, компаратор 18 напряжения со встроенной петлей гистерезиса.
Ветросолнечная установка автономного электроснабжения работает следующим образом.
В случае если скорость ветра, то есть мощность на валу ветродвигателя 1, достаточная для электроснабжения потребителей 22, то установка работает следующим образом. Вращающий момент от ветродвигателя 1 поступает на мультипликатор 2 и обгонную муфту 3, с которой передается генератору 4 электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, генерируемое напряжение с генератора 4 электрической энергии поступает на первый диодный мост 5, с которого постоянное напряжение поступает на инвертор 7, преобразуется в переменное и поступает на стабилизатор 8 напряжения, с которого стабилизированное переменное напряжение через реле 9 обратного тока поступает в однофазную сеть 10 переменного напряжения, от которой производится электроснабжение стабилизированным переменным напряжением потребителей 22 электрической энергии, а также производится заряд аккумуляторных батарей 17 через контроллер 15 заряда аккумуляторных батарей, управляемый системой 11 управления. К контроллеру 15 заряда аккумуляторных батарей подключены гибкие солнечные панели 14, получаемая энергия с которых также используется для зарядки аккумуляторных батарей 17, в случае, если аккумуляторные батареи 17 полностью заряжены, то излишки электроэнергии, получаемые от гибких солнечных панелей 14 поступают на балластную нагрузку 16, тем самым предотвращая перезаряд аккумуляторных батарей 17. Гибкие солнечные панели 14 изогнуты под определенным углом, тем самым образуя концентратор солнечной энергии, позволяющий максимально преобразовывать энергию солнца в электроэнергию, гибкие солнечные панели 14 расположены в устройстве 13 ориентации по солнцу, которое в течение дня следит за солнцем и изменяет свое положения с целью максимальной концентрации солнечной энергии на поверхности гибких солнечных панелей 14.
1
2
В случае, если скорость ветра не достаточная, то есть мощности на валу ветродвигателя 1 не достаточно для электроснабжения потребителей 22, установка работает следующим образом. Вращающий момент от ветродвигателя 1 поступает на мультипликатор 2 и обгонную муфту 3, с которой передается генератору 4 электрической энергии, а генерируемое напряжение с фаз (на фиг.1 не показан) генератора 4 электрической энергии поступает на второй диодный мост 6, с которого сигнал об уровне напряжения на фазах (на фиг.1 не показан) генератора 4 электрической энергии поступает на первый вход компаратора 18 напряжения, на второй вход компаратора 18 напряжения поступает сигнал об уровне напряжения на аккумуляторных батареях 17, если напряжение на фазах (на фиг. 1 не показан) генератора 4 электрической энергии больше напряжения на аккумуляторных батареях 17, то на выходе компаратора 18 напряжения будет логический ноль, и управляемый компаратором 18 напряжения силовой транзистор 19 будет закрыт, в случае, если напряжение на фазах (на фиг.1 не показан) генератора 4 электрической энергии меньше напряжения аккумуляторных батарей 17, то на выходе компаратора 18 напряжения появится логическая единица, при этом произойдет открытие перехода коллектор-эмиттер силового транзистора 19, напряжение с аккумуляторных батарей 17 через силовой транзистор 19 и напряжение с фаз (на фиг. 1 не показан) генератора 4 электрической энергии через диодный мост 5 одновременно поступит на инвертор 7 напряжения, таким образом, будет произведена одновременное электроснабжение потребителей 22 за счет энергии, вырабатываемой генератором 4 электрической энергии от ветродвигателя 1 и энергией, накопленной на аккумуляторных батареях 17. Преобразованное постоянное напряжение в переменное с помощью инвертора 7 напряжения поступает на стабилизатор 8 напряжения, и реле 9 обратного тока, затем в однофазную сеть 10 переменного напряжения. Сигнал с выхода компаратора 18 напряжения поступает в систему 11 управления, которая управляет работой контроллера 15 заряда аккумуляторных батарей, в случае логической единицы на выходе компаратора 18 напряжения производится отключение контроллера 15 заряда аккумуляторных батарей от однофазной сети 10 переменного напряжения и заряд аккумуляторных батарей 17 производится только от гибких солнечных панелей 14, в противном случае производится подключение контроллера 15 заряда аккумуляторных батарей к однофазной сети 10 переменного напряжения и заряд аккумуляторных батарей 17 производится как от однофазной сети 10 переменного напряжения, так и от гибких солнечных панелей 14 через контроллер 15 заряда аккумуляторных батарей. Компаратор 18 напряжения работает по алгоритму встроенной петли гистерезиса (фиг. 2), то есть подключение аккумуляторных батарей 17 производится при минимальном уровне напряжения (на фиг. 2 U) в зависимости от мощности подключенных в данный момент потребителей 22 электрической энергии на фазах (на фиг. 1 не показан) генератора 4 электрической энергии, а отключение аккумуляторных баратеей 17 посредством силового транзистора 19 производится при более высоком уровне напряжения (на фиг. 2 U) на фазах (на фиг. 1 не показан) генератора 4 электрической энергии, это позволяет избежать эффекта «дребезжания, залипания» при приблизительно одинаковых уровнях напряжения на фазах (на фиг. 1 не показан) генератора 4 электрической энергии и аккумуляторных батарей 17, что облегчает работу генератора 4 электрической энергии, контроллера 15 заряда аккумуляторных батарей.
В случае, если ветра нет, то есть генератор 4 электрической энергии не вырабатывает электроэнергию, то установка работает следующим образом. На выходе компаратора 18 напряжения постоянно будет логическая единица, контроллер 15 заряда аккумуляторных батарей будет отключен от однофазной сети 10 переменного напряжения, заряд аккумуляторной батареи 17 будет производится за счет энергии, получаемой с гибких солнечных панелей 14. Силовой транзистор 19 в этом случае будет открыт и напряжение с аккумуляторных батарей 17 через переход коллектор-эммитер силового транзистора 19 подается на инвертор 7 напряжения, затем на стабилизатор 8 напряжения и реле 9 обратного тока, с которого стабилизированное переменное напряжение поступает в однофазную сеть 10 переменного напряжения.
В случае, если ветра нет, то есть генератор 4 электрической энергии не вырабатывает электроэнергию, и аккумуляторные батареи 17 полностью разряжены, то установка работает следующим образом. При достижении минимального напряжения на аккумуляторных батареях 17 (разряде) сигнал об этом поступает в контроллер 15 заряда аккумуляторных батарей и затем в систему 11 управления. Система 11 управления подает сигнал запуска бензогенератору 20 и подключает его к однофазной сети 10 переменного напряжения при помощи реле 21, при этом контроллер 15 заряда аккумуляторных батарей подключается к однофазной сети 10 переменного напряжения и производится заряд аккумуляторных батарей 17 за счет энергии бензогенератора 20 и энергии, получаемой с гибких солнечных панелей 14, также с системы 11 управления поступает сигнал на базу силового транзистора 19 и принудительно закрывает его, тем самым отключая аккумуляторные батареи 17 от инвертора 7 напряжения. Работа бензогенератора 20 производится до полной зарядки аккумуляторных батарей 17, затем сигнал с системы 11 управления на базу силового транзистора 19 убирается, производится отключение бензогенератора 20 от однофазной сети 10 переменного напряжения и его остановка, далее установка работает в одном из режимов, описанном выше. В случае, если в данный промежуток времени появится ветер, то есть генератор 4 электрической начнет вырабатывать электрическую энергию, то возможна совместная работа генератора 4 электрической энергии и бензогенератора 20 для электроснабжения потребителей 22 электрической энергии, накопленной в аккумуляторных батареях 17, при этом будет экономиться топливо, не только за счет энергии, получаемой с гибких солнечных панелей 14, но и за счет энергии, получаемой от ветродвигателя 1.
Результатом совокупности перечисленных элементов новизны обеспечивает повышение использования коэффициента ветрового потока за счет постоянного подключения генератора 4 электрической энергии в системе автономного электроснабжения, совместного использования энергии ветра и накопленной в аккумуляторных батареях 17 для электроснабжении потребителей 22 электрической энергии.
Применение гибких солнечных панелей 14, системы 12 ориентации солнечных батарей и устройством 13 ориентации по солнцу позволяет использовать энергию солнца, как для электроснабжения потребителей 22 электрической энергии, так и для экономии топлива для бензогенератора 20, увеличивает энергоемкость и мощность ветросолнечной установки автономного электроснабжения в целом.
Совместное использование энергии, получаемой с ветродвигателя 1, гибких солнечных панелей 14, бензогенератора 20 для электроснабжения потребителей 22 электрической энергии увеличивает КПД ветросолнечной установки автономного электроснабжения.
Использование компаратора 18 напряжения с силовым транзистором 19 позволяет оптимизировать работу, как генератора 4 электрической энергии и аккумуляторной батареи 17 с контроллером 15 заряда аккумуляторных батарей при их одновременной работе, так и ветросолнечной установки автономного электроснабжения в целом.
Введение в структурную схему мультипликатора 2 и обгонной муфты 3 позволяет согласовать обороты вращения вала ветродвигателя 1 и ротора генератора 4 электрической энергии.
Использование генератора 4 электрической энергии, являющего синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой (заявка №2016152824/07(084656)), увеличивает надежность и мощность ветросолнечной установки автономного электроснабжения.
Изготовлен опытный образец предлагаемого изобретения, в котором применен генератор 4 электрической энергии, являющийся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой (заявка №2016152824/07(084656)), позволивший увеличить мощность и надежность ветросолнечной установки автономного электроснабжения.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями обладает следующими преимуществами: достигается стабилизация выходных параметров системы автономного электроснабжения, повышение КПД, мощности, энергоемкости, надежности электроснабжения ветросолнечной установки автономного электроснабжения в целом, повышение коэффициента использования ветрового потока.