Комбинированная энергетическая установка модульного типа мобильного и стационарного исполнения, включающая возобновляемые источники энергии
COMBINED POWER PLANT OF MODULAR TYPE OF MOBILE AND STATIONARY DESIGN, INCLUDING RENEWABLE ENERGY SOURCES

Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии и может быть использована для выработки электроэнергии.
Известен патент РФ на полезную модель №124742, МПК F03G 6/06 «Автономный пост зарядки электромобилей». Полезная модель относится к возобновляемым источникам энергии и может быть использована для выработки электроэнергии и электрической зарядки гибридных и электрических автомобилей, а также автомобилей, имеющих двигатели с маховичными накопителями энергии. Как вариант автономный пост зарядки электромобилей можно использовать в качестве автономной электростанции для нужд различных производственных и бытовых потребителей в городской и сельской местности. Автономный пост зарядки электромобилей содержит: тандемные фотоэлектрические солнечные модули, которые размещены на крыше поста зарядки и по ее бокам под углом 45° к плоскости крыши; одну и более роторную ветроэнергетическую установку с вертикальной осью вращения; многополюсной тихоходный магнитоэлектрический генератор с ротором-маховиком; хранилище аккумуляторных батарей; рабочие места для зарядки аккумуляторных батарей электрических и гибридных автомобилей контактным и бесконтактным способами; лифт для транспортировки аккумуляторных батарей из хранилища к рабочим местам для зарядки аккумуляторных батарей электрических и гибридных автомобилей; робот-транспортер для доставки аккумуляторных батарей к рабочим местам для зарядки аккумуляторных батарей электрических и гибридных автомобилей; устройства для беспроводной зарядки электромобилей; гелиопрожекторы для дополнительного освещения тандемных фотоэлектрических солнечных модулей с целью повышения их коэффициента полезного действия; системы слежения за положением солнцестояния; автоматизированное рабочее место оператора автономного поста зарядки электромобилей. Требуемый технический результат достигается в результате совместного использования энергии Солнца, ветра и Земли с целью обеспечения автономного поста зарядки электромобилей электроэнергией для целевых нужд и дополнительно горячего водоснабжения независимо от традиционных источников энергии. Недостатком данного технического решения является отсутствие альтернативного источника энергии (дизель-генераторной установки), громоздкость, сложность транспортировки и установки, а также отсутствие мобильности.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ на полезную модель №162099, МПК F03G 6/00 «Гибридная автономная контейнерная электростанция». Гибридная автономная контейнерная электростанция относится к возобновляемым источникам энергии и может быть использована для выработки электроэнергии для нужд различных производственных и бытовых потребителей. Гибридная автономная контейнерная электростанция выполнена с обеспечением возможности компактной сборки и транспортировки в контейнере и содержит: солнечные панели, каждая из которых имеет свой контроллер; ветрогенераторы, каждый из которых имеет свой контроллер; дизель-генераторную установку со шкафом управления дизель-генераторной установкой и топливным баком; аккумуляторные батареи; контроллер системы управления; распределительный щит управления. Контроллеры имеют выход на аккумуляторные батареи, которые соединены с инвертором, связанным, в свою очередь, с распределительным щитом управления и контроллером системы управления, который также связан с дизель-генераторной установкой через шкаф управления дизель-генераторной установкой, при этом контроллер системы управления связан с внешней сетью и с выходной сетью нагрузки, причем все устройства электростанции размещены в контейнере с обеспечением термоизоляции, который снабжен окнами для ввода внешней сети и выходной сети нагрузки, а также окнами для вентиляции, причем контроллер системы управления связан с выходной сетью нагрузки через распределительный щит управления. Сущность полезной модели заключается в эффективном совместном использовании энергии, вырабатываемой солнечными панелями, ветрогенераторами и дизель-генераторной установкой с целью обеспечения потребителей электроэнергией для целевых нужд.
Недостатками данного технического решения являются:
1. Отсутствие альтернативного источника получения электроэнергии с использованием микрогидроэлектростанций.
2. Дизель-генераторная установка поставляет выработанную им из органического топлива электроэнергию исключительно напрямую в электросеть, а не в накопитель электрической энергии (аккумуляторные батареи), что приводит к затратам электрической энергии на поддержание нагрузочной сети, даже без функционирования в ней необходимой полезной нагрузки.
3. Аккумуляторные батареи (накопитель электрической энергии) не имеют системы внутреннего подогрева, которая позволяет снизить энергетические затраты, направляемые на собственные нужды энергетической установки.
4. Небольшая эффективность использования энергии ветра, так как ветроэнергетическая установка располагается на фиксированной высоте, что не позволяет одновременно собирать приземные стелящиеся ветровые потоки и надземные ветровые потоки.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание комбинированной энергетической установки на основе возобновляемых источников энергии с обеспечением модульности, мобильности и возможности стационарного использования.
Технический результат достигнут за счет того, что комбинированная энергетическая установка модульного типа мобильного и стационарного исполнения, включающая возобновляемые источники энергии, содержит три автономных энергетических модуля (№1, №2 и №3), первый и второй из которых формируется на базе отдельного блок-контейнера арктического исполнения, и каждый из трех модулей размещены на автомобильном прицепе. При использовании комбинированной энергетической установки с автономными энергетическими модулями без автомобильных шасси, она может входить (в качестве модуля электропитания, в той или иной конфигурации) в состав различных быстро разворачиваемых мобильных комплексов стационарного применения, изготовленных на базе стандартных или специальных контейнеров.
Внешний вид автономных энергетических модулей в транспортном и рабочем положениях представлен соответственно на фиг. 1 и фиг. 2.
Автономный энергетические модуль №1 размещается в блок-контейнере арктического исполнения, установленном на автомобильном прицепе с домкратами-аутригерами, обеспечивающими выравнивание модуля в горизонтальной плоскости и защиту от опрокидывания при воздействии больших ветровых нагрузок, и представляет собой модуль выработки, преобразования и хранения энергии, который включает в свой состав фотоэлектрическую генерирующую систему, дизельный электроагрегат, накопитель электрической энергии, систему автоматического пожаротушения, систему вентиляции и кондиционирования, аппаратно-программный модуль управления энергией и диагностики, блок инверторов, коммутационный модуль, преобразователи - зарядные устройства от фотоэлектрических генерирующих систем, ветроэнергетических установок, микрогидроэлектростанций, дизельного электроагрегата, силовую шину и выносной блок питания, предназначенный для обеспечения потребителя постоянным током с напряжениями 12 В и 24 В на удалении от автономного энергетического модуля №1 до 50 метров. Причем дизель-генератор работает (вырабатывает и передает электроэнергию) исключительно в накопитель электрической энергии. Данное принципиальное решение позволяет избежать потерь вырабатываемой дизель-генератором электроэнергии, которая при ином его подключении (напрямую в цепь «нагрузка») в определенной степени затрачивались бы на подержание нагрузочной сети, когда в ней отсутствует необходимый объем полезной нагрузки. Основным связующим электросиловым элементом автономного энергетического модуля №1 является силовая шина (шина 48 В), к которой подключаются накопители электрической энергии и преобразователи - зарядные устройства от фотоэлектрических генерирующих систем, ветроэнергетических установок, микрогидроэлектростанций, дизельного электроагрегата. По цепям коммутационного модуля входящая энергия поступает на преобразователи - зарядные устройства от фотоэлектрических генерирующих систем, ветроэнергетических установок, микрогидроэлектростанций, дизельного электроагрегата, и после ее преобразования по силовой шине направляется на накопители электрической энергии, что позволяет заряжать накопители электрической энергии и подавать энергию потребителям одновременно. При отсутствии входной энергии (солнечной, ветровой и водной) передача электроэнергии потребителям осуществляется от накопителя электрической энергии, а после его разряда (критический уровень разряда определяется заданным в программном обеспечении аппаратно-программного модуля параметром) электропитание осуществляется от дизель-генератора (переходящего в режим выработки электроэнергии) через накопитель электрической энергии, функционирующий в данном случае в «буферном режиме». Для обеспечения получения генерирующих мощностей от автономных энергетических модулей №2 и №3, а также для передачи электроэнергии потребителям, используется коммутационный модуль.
Фотоэлектрическая генерирующая система, входящая в состав автономного энергетического модуля №1, может транспортироваться как внутри так и снаружи контейнера, в рабочем положении крепится на корпусе контейнера, имеет в своем составе мониторинговый фотоэлектрический датчик для оценки ее эффективности и состоит из ламинированных солнечных панелей, имеющих малый вес и закрепленных на верхней и нижней сторонах рамки, посредством перфорированной металлической ленты, встроенной в солнечные панели, в свою очередь верхняя и нижняя стороны рамки крепятся к друг другу при помощи боковых стоек, внутри которых установлены пружины, обеспечивающие надежное закрепление солнечных панелей между верхней и нижней сторонами рамки, а также самоочистку поверхности солнечных панелей от снега и льда, обусловленную малыми изгибами и микровибрацией, вызванными воздействием ветра на поверхность солнечных панелей и растяжением (сжатием) пружин, установленных в боковых стойках рамки.
Блок инверторов обеспечивает выдачу однофазного и (или) трехфазного напряжения переменного тока, параллельную работу с сетью однофазного и (или) трехфазного напряжения переменного тока, заряд накопителя электрической энергии от сети однофазного и (или) трехфазного напряжения переменного тока.
Аппаратно-программный модуль управления энергией и диагностики, входящий в состав автономного энергетического модуля №1, представляет собой комплекс технических и программных средств, предназначенных для управления энергией и диагностики комбинированной энергетической установки. Аппаратно-программный модуль управления энергией и диагностики имеет в своем составе центральную ЭВМ, средство визуального отображения информации, электронный компас, Wi-Fi, 3G, GPRS-модем, терминал спутниковый связи, приемник сигналов систем ГЛОНАСС, NAVSTAR, GPS и, посредством цифровых интерфейсов (шины RS-485), связан с накопителем электрической энергии, дизельным электроагрегатом, системой автоматического пожаротушения, системой вентиляции и кондиционирования, преобразователями - зарядными устройствами от фотоэлектрических генерирующих систем, ветроэнергетических установок, микрогидроэлектростанций, дизельного электроагрегата, мониторинговыми фотоэлектрическими датчиками, цифровым анемометром, инверторами и обеспечивает контроль и отображение режимов заряда и разряда накопителя электрической энергии, измерение и отображение мощности, поступающей от первичных источников энергии и мощности, отдаваемой в нагрузку, автоматический запуск и останов электроагрегата по запрограммированному алгоритму, контроль параметров электроагрегата, контроль и поддержание заданной температуры внутри контейнера, прогнозирование количества энергии вырабатываемой первичными источниками энергии, в зависимости от времени суток, времени года, координат расположения комбинированной энергетической установки, прогноза погоды, а также удаленный контроль, диагностирование и управление за работой комбинированной энергетической установки посредством специального программного обеспечения, установленного на смартфон, планшет или ЭВМ.
Каждый взаимодействующий с аппаратно-программным модулем управления энергией и диагностики объект оснащается контроллером, которые обеспечивают аппаратно-программный модуль управления энергией и диагностики информацией о состоянии и параметрах функционирования объекта. Контроллеры также обеспечивают самодостаточность объектов, что позволяет реализовать их работу в автономном режиме.
Модуль удаленного доступа обеспечивает выдачу информации о состоянии и функционировании комбинированной энергетической установки удаленному пользователю (системе), позволяет дистанционно вводить план потребления электроэнергии и прогноз погоды, а также выводить диагностическую информацию и данные о параметрах функционирования объекта.
Внешний вид автономного энергетического модуля №1 в рабочем положении представлен на фиг.3.
Автономный энергетические модуль №2 размещается в блок-контейнере арктического исполнения, установленном на автомобильном прицепе с домкратами-аутригерами, обеспечивающими выравнивание модуля в горизонтальной плоскости и защиту от опрокидывания при воздействии больших ветровых нагрузок, и включает в свой состав фотоэлектрическую генерирующую систему, микрогидроэлектростанции в модульно-мобильном исполнении и коммутационный модуль. При этом фотоэлектрическая генерирующая система автономного энергетического модуля №2 полностью идентична фотоэлектрической генерирующей системы автономного энергетического модуля №1.
Внешний вид автономного энергетического модуля №2 в рабочем положении представлен на фиг. 4.
Автономный энергетический модуль №3 размещается на автомобильном прицепе с домкратами-аутригерами, обеспечивающими выравнивание модулей в горизонтальной плоскости и защиту от опрокидывания при воздействии больших ветровых нагрузок, и включает в свой состав три ветроэнергетические установки вертикального или горизонтального типа или их сочетание (одна центральная ветроэнергетическая установка и две крайние ветроэнергетические установки), балластную нагрузку, анемометр и коммутационный модуль.
Для наиболее полного использования ветровых потоков в модуле используются два вида ветроэнергетических установок - две крайние установки с роторами диаметром 800 мм и одна центральная установка с ротором диаметром 1 600 мм. Две крайние установки имеют меньшую площадь ометания лопаток ротора в сравнении с центральной установкой, но отличаются более высокой чувствительностью к ветровым потокам. Роторы диаметром 800 мм имеют большую скорость вращения. В рабочее положение две крайние ветроэнергетические установки поднимаются на высоту четырех метров от уровня земли ручными подъемными устройствами блочного типа, выполненным по принципу построения полиспаста, с обеспечением надежной фиксации турбин в верхнем положении. Такой тип конструкции подъемного устройства позволяет, при минимальных габаритах подъемного устройства, обеспечивать быстро и надежно, приведение крайних ветроэнергетических установок из транспортного положения в рабочее и обратно, усилиями двух человек путем вращения рукоятки червячного редуктора, без отбора генерируемой электрической энергии. Эта конструктивная возможность позволяет производить отрыв вращающегося ротора турбины от уровня снежных заносов и обеспечивает большую эффективность преобразования энергии радиальных ветровых потоков и защищает от воздействия экранирования днища прицепа. Центральная ветроэнергетическая установка обладает большей площадью ометания, но менее динамична. В рабочее положении она поднимается на два метра от уровня земли ручным подъемным механизмом рамного типа с использованием винтового рычажного подъемного механизма, с обеспечением надежной фиксации в верхнем положении. Основное назначение центральной ветроэнергетической установки заключается в собирании низовых стелящихся ветровых потоков, характерных для северных и арктических побережий.
Коммутационный модуль служит для соединения ветроэнергетических установок автономного энергетического модуля №3 с накопителями электрической энергии, расположенными в автономном энергетическом модуле №1, а также для передачи информации в аппаратно-программный модуль управления энергией и диагностики о скорости и направлении ветра.
Ветроэнергетические установки, входящие в состав автономного энергетического модуля №3, имеют в своем составе цифровой анемометр для измерения направления и скорости ветра.
Внешний вид автономного энергетического модуля №3 с ветроэнергетическими установками вертикального типа в рабочем положении представлен на фиг. 5.
В целом конструкция комбинированной энергетической установки строится по модульному принципу, позволяющему применять ее в различных комбинациях сочетания модуля №1 с модулями №2 и №3 или использовать только модуль №1, который в данной конфигурации и будет представлять из себя комбинированную энергетическую установку.
Система связей между устройствами комбинированной энергетической установки модульного типа мобильного и стационарного исполнения, включающей возобновляемые источники энергии, представлена на фиг. 6.
Сборка комбинированной энергетической установки модульного типа мобильного и стационарного исполнения, включающей возобновляемые источники энергии, сводится к следующему. После прибытия установки на место эксплуатации производится монтаж оборудования входящих в состав изделия автономных энергетических модулей №1, №2 и №3. Монтаж производится силами двух работников. На месте установки производят следующие работы:
1. Проводится установка фотоэлектрических генерирующих систем. Для установки автономных энергетических модулей №1 и №2 контейнеры с прицепами устанавливаются таким образом, чтобы рабочие стороны фотоэлектрических генерирующих систем были ориентированы на юг. После этого происходит выравнивание контейнеров аутригерами, монтируются конструкции фотоэлектрических генерирующих систем и производится заземление модулей. Монтаж опорной конструкций фотоэлектрических генерирующих систем осуществляется на плоской поверхности на земле рядом с контейнером и осуществляется посекционно. Каждая секция содержит по 4 ячейки, располагающиеся друг под другом. Для монтажа каждой секции используют 2 несущие балки, снабженные соответствующими крепежными узлами. Внутри каждой балки проложен кабель для вывода электроэнергии (в одной положительный провод, в другой - отрицательный). Для электрической коммутации секций балки снабжены ответными разъемами, закрепленными в теле балки. Таким образом исключаются работы по прокладке кабелей на месте монтажа, обеспечивая быструю и надежную сборку всей конструкции. Монтаж производится с верхней ячейки последовательно. После установки трех ячеек осуществляется подъем балок с зафиксированными ячейками на контейнер и закрепление их на контейнере. Для облегчения подъема монтаж последней ячейки осуществляется уже на закрепленных балках. Крепление несущих балок к контейнеру осуществляется посредством фиксации балок упорами, один конец которых надежно закреплен через ухо к контейнеру, а второй - к балке секции. Упоры состоят из двух частей, что позволяет менять их длину для выбора угла наклона фотоэлектрических генерирующих систем. Электрический контакт фотоэлектрических генерирующих систем с накопителем электрической энергии осуществляется посредством коммутационного модуля, расположенного в стенке контейнера, и силового кабеля. Демонтаж фотоэлектрических генерирующих систем осуществляется в обратном порядке.
2. Производится перевод микрогидроэлектростанций из состава автономного энергетического модуля №2 из транспортного положение в рабочее состояние путем блочной сборки.
3. Производится перевод ветроэнергетических установок из состава автономного энергетического модуля №3 из транспортного положения в рабочее состояние с помощью механизмов подъема.
4. После установки автономных энергетических модулей №2 и №3 производятся их подключения соответствующими кабелями через коммутационный модуль к автономному энергетическому модулю №1. После чего осуществляется подключение устройств и оборудования потребителей к выходным разъемам 220 В и 380 В коммутационного модуля.
5. Производится включение комбинированной энергетической установки, проверка работы оборудования и начало ее эксплуатации.
После завершения монтажа установка не требует дополнительного управления и обслуживания. Управление накоплением энергии осуществляется аппаратно-программным модулем. После окончания эксплуатации производится демонтаж оборудования и перевод его в транспортное положение.
Комбинированная энергетическая установка модульного типа мобильного и стационарного исполнения, включающей возобновляемые источники энергии, работает следующим образом:
1. Электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрической генерирующей системой автономного энергетического модуля №1 через коммутационный модуль, преобразователь - зарядное устройство и силовую шину поступает на накопитель электрической энергии.
2. Электроэнергия, вырабатываемая фотоэлектрической генерирующей системой и микрогидроэлектростанциями автономного энергетического модуля №2 через коммутационный модуль, преобразователь - зарядное устройство и силовую шину поступает на накопитель электрической энергии.
3. Электроэнергия, вырабатываемая ветроэнергетическими установками автономного энергетического модуля №3 через коммутационный модуль, преобразователь - зарядное устройство и силовую шину поступает на накопитель электрической энергии.
4. Если имеется возможность подключения к внешней сети, то ток передает через коммутационный модуль, блок инверторов и силовую шину на накопитель электрической энергии.
5. При прекращении генерации энергии от фотоэлектрической генерирующей системы, ветрогенераторов и микрогидроэлектростанций, а также отсутствия возможности подключения к внешней сети, то автоматически (по сигналу аппаратно-программного модуля) включается дизельный электроагрегат и начинает вырабатывать энергию и передавать ее через преобразователь - зарядное устройство и силовую шину на накопитель электрической энергии.
6. Накопитель электрической энергии накапливает энергию, переданную от фотоэлектрических генерирующих систем, ветроэнергетических установок, микрогидроэлектростанций, дизельного электроагрегата или внешней сети.
7. С накопителя электрической энергии постоянный ток через силовую шину передается на блок инверторов, где идет его преобразование в переменный ток, а затем переменный ток через коммутационный модуль подается в выходную сеть нагрузки.
Обслуживание комбинированной энергетической установки модульного типа мобильного и стационарного исполнения, включающей возобновляемые источники энергии, сводится к следующему. Всем оборудованием управляет аппаратно-программный модуль, который посредством цифровых интерфейсов (шины RS-485) связан с накопителем электрической энергии, дизельным электроагрегатом, системой автоматического пожаротушения, системой вентиляции и кондиционирования, преобразователями - зарядными устройствами от фотоэлектрических генерирующих систем, ветроэнергетических установок, микрогидроэлектростанций, дизельного электроагрегата, мониторинговыми фотоэлектрическими датчиками, цифровым анемометром, блоком инверторов и обеспечивает контроль и отображение режимов заряда и разряда накопителя электрической энергии, измерение и отображение мощности, поступающей от первичных источников энергии и мощности, отдаваемой в нагрузку, автоматический запуск и останов дизельного электроагрегата по запрограммированному алгоритму, контроль параметров дизельного электроагрегата, контроль и поддержание заданной температуры внутри контейнера, прогнозирование количества энергии вырабатываемой первичными источниками энергии, в зависимости от времени суток, времени года, координат расположения комбинированной энергетической установки, прогноза погоды, а также удаленный контроль, диагностирование и управление за работой комбинированной энергетической установки посредством специального программного обеспечения, установленного на смартфон, планшет или ЭВМ, при этом блок инверторов обеспечивает выдачу однофазного и (или) трехфазного напряжения переменного тока, параллельную работу с сетью однофазного и (или) трехфазного напряжения переменного тока, заряд накопителя электрической энергии от сети однофазного и (или) трехфазного напряжения переменного тока.
Исходя из вышеизложенного, обслуживание комбинированной энергетической установки модульного типа мобильного и стационарного исполнения, включающей возобновляемые источники энергии, в рабочем режиме заключается только в поддержании необходимого уровня топлива.
Предлагаемая конструкция имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
1. Для обеспечения мобильности, автономные энергетические модули №1, №2 и №3 размещаются на автомобильном прицепе (шасси) высокой проходимости, оборудованных механическими домкратами-аутригерами, обеспечивающими выравнивание модулей в горизонтальной плоскости и защиту от опрокидывания при воздействии больших ветровых нагрузок.
2. Автономные энергетические модули №1 и №2 имеют в своем составе контейнеры арктического исполнения для размещения и транспортировки в них составных частей, при этом фотоэлектрическая генерирующая система, входящая в состав автономных энергетических модулей №1 и №2, может транспортироваться как внутри так и снаружи контейнеров, в рабочем положении крепится на корпусе контейнеров, имеет в своем составе мониторинговый фотоэлектрический датчик для оценки ее эффективности и состоит из ламинированных солнечных панелей, имеющих малый вес и закрепленных на верхней и нижней сторонах рамки, посредством перфорированной металлической ленты, встроенной в солнечные панели, в свою очередь верхняя и нижняя стороны рамки крепятся к друг другу при помощи боковых стоек, внутри которых установлены пружины, обеспечивающие надежное закрепление солнечных панелей между верхней и нижней сторонами рамки, а также самоочистку поверхности солнечных панелей от снега и льда, обусловленную незначительными изгибными микровибрациями, вызванными воздействием ветра на поверхность солнечных панелей и растяжением (сжатием) пружин, установленных в боковых стойках рамки.
3. Дизельный электроагрегат, входящий в состав автономного энергетического модуля №1, вырабатывает и передает электроэнергию исключительно в накопитель электрической энергии, что позволяет избежать потерь вырабатываемой дизель-генератором электроэнергии, которая при ином его подключении (напрямую в цепь «нагрузка») в определенной степени затрачивались бы на подержание нагрузочной сети, когда в ней отсутствует необходимый объем полезной нагрузки.
4. Ветроэнергетические установки, входящие в состав автономного энергетического модуля №3 выработки энергии, имеют в своем составе цифровой анемометр для измерения направления и скорости ветра, подъемные устройства, обеспечивающие подъем ветрогенераторов на разную высоту с целью использования энергии приземных и надземных ветров, а также транспортировку ветроэнергетических установок в сложенном положении, при этом ветроэнергетические установки транспортируются внутри контейнера в разобранном виде, собираются снаружи контейнера в горизонтальном положении, а затем, при помощи лебедок, установленных на контейнере, поднимаются в вертикальное положение и закрепляются на торцевых стенках контейнера.
Все вышесказанное говорит о выполнении поставленной технической задачи и о промышленной применимости заявленной установки.