АВТОНОМНАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА

Предлагаемая полезная модель автономной энергоустановки относится к энергетическим установкам, работающим на основе использования в качестве первичного источника солнечной, ветровой энергии или их комбинации.
Известны автономные энергоустановки, работающие на базе дизельных или бензо-генераторов и использующие жидкое органическое топливо (см. Заддэ В.В., Никитин Б.А. Влияние состава автономной системы электропитания на эффективность использования бензо-дизель генератора. // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве.- М., 2003. -Ч.4. -СС. 96-100).
Основным недостатком известных энергоустановок при их работе непосредственно на потребителя является повышенный расход топлива, обусловленный переменностью нагрузки и связанным с этим отклонением от номинальных режимов работы. Принципиальным недостатком является также загрязнение окружающей среды выбросами продуктов сгорания топлива и топливными контейнерами. Для снижения расхода топлива и сокращения вредных выбросов автономные установки на органическом топливе снабжаются электрохимическими аккумуляторными батареями. В этом случае дизельный или бензо-генератор работает преимущественно на периодическую зарядку аккумулятора в режимах близких к номинальным с пониженным удельным расходом топлива, а электроснабжение потребителя осуществляется при пониженных нагрузках от аккумуляторной батареи, а при повышенных нагрузках совместно от генератора и аккумуляторной
батареи. Такое техническое решение позволяет существенно снизить затраты топлива и загрязнение окружающей среды.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является автономная энергоустановка, содержащая наряду с дизельным или бензогенератором и аккумуляторной батареей энергоустановку, использующую энергию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) (энергию ветра - ветроустановка, энергию солнца - фотоэлектрическая батарея или их комбинацию), преобразователи электрического тока, генерируемого ветроустановкой и/или фотоэлектрической батареей, обеспечивающие согласование параметров электрического тока, потребляемого нагрузкой и систему автоматического управления, обеспечивающую оптимальное управление режимами работы перечисленных компонентов автономной энергоустановки с учетом текущей электрической нагрузки (см. С.Dennis Barley, С.Byron Winn. Optimal Dispatch Strategy in Remote Hybrid Power Systems // Solar Energy. 1996. Vol 58, No 4-6. PP. 165-179).
Мощность включаемых в состав энергоустановки ветроустановки, фотоэлектрической батареи или их комбинации зависит от местных климатических условий, имеющихся ресурсов солнечной и ветровой энергии, и определяется на основе технико-экономической оптимизации, обеспечивающей минимальные затраты на энергоснабжение конкретного автономного потребителя.
Система автоматического управления работой данной автономной энергоустановки обеспечивает следующий оптимальный алгоритм электроснабжения потребителя, при котором энергоснабжение потребителя осуществляется с максимальной эффективностью преобразования энергии и, соответственно, с минимальными затратами.
В периоды времени, когда нагрузка потребителя меньше мощности генерируемой энергоустановкой на ВИЭ, питание нагрузки осуществляется от этой энергоустановки. Избытки генерируемой
энергоустановкой на ВИЭ мощности направляются на подзарядку аккумуляторной батареи.
В периоды времени, когда нагрузка потребителя больше мощности генерируемой энергоустановкой на ВИЭ, питание нагрузки осуществляется совместно от этой энергоустановки и аккумуляторной батареи.
В периоды времени, когда аккумуляторная батарея оказывается разряженной ниже определенного допустимого минимального уровня, который зависит от типа аккумуляторной батареи, ее зарядка осуществляется от генератора на органическом топливе. Максимальный уровень зарядки аккумуляторной батареи от генератора на органическом топливе, как правило, выбирается ниже предельно возможного с тем, чтобы обеспечить возможность дозарядки ее от энергоустановки на ВИЭ в период времени, когда генерируемая энергоустановкой на ВИЭ превышает нагрузку потребителя.
В данной автономной энергоустановке затраты топлива на энергоснабжение потребителя могут быть дополнительно снижены за счет использования энергии возобновляемых источников энергии, соответственно уменьшается и количество загрязняющих окружающую среду выбросов. Вместе с тем, сокращение потребления органического топлива за счет наращивания мощности энергоустановок на возобновляемых источниках энергии имеет пределы, обусловленные физическими причинами (сезонная изменчивость поступлений солнечной энергии и ветровых потоков), техническими проблемами, связанными со сложностью создания аккумуляторной батареи большой емкости для эффективного длительного (месяц и более) хранения энергии из-за саморазряда и снижения надежности аккумулятора, включающего большое число электрохимических ячеек, и экономическими соображениями (стоимость такой энергоустановки, начиная с некоторой доли замещения топлива энергией возобновляемых источников (60-70%),
резко возрастает). Таким образом, данная энергоустановка не может обеспечить решения задачи полного исключения использования органического топлива, его периодического завоза и прекращения загрязнения окружающей среды продуктами сгорания.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу обеспечения полностью автономного экологически чистого энергоснабжения потребителей на базе возобновляемых источников энергии (ветровые и/или фотоэлектрические установки) без использования органического топлива.
Технический результат, который может быть получен от использования заявленной полезной модели, заключается в повышении эффективности использования первичных источников энергии и снижении загрязнения окружающей среды.
Указанный технический результат достигается в автономной энергоустановке, содержащей энергоустановку на возобновляемых источниках энергии, состоящую из ветроустановки и/или фотоэлектрической батареи, аккумуляторную батарею, систему автоматического управления, обеспечивающую различные алгоритмы работы установки и подключения потребителя в зависимости от нагрузки к устройствам, входящим в автономную энергоустановку, при этом автономная энергоустановка дополнительно содержит водородный накопитель, подсоединенный к системе автоматического управления и включающий соединенные между собой электролизер воды, подключенный к энергоустановке на возобновляемых источниках энергии, ресиверы водорода и кислорода и батарею топливных элементов, подключенную к потребителю. Все входящие в автономную энергоустановку электрические устройства содержат преобразователи электрического тока.
Предлагаемая автономная энергоустановка позволяет обеспечить потребителя при различных нагрузках за счет подключения к нему по заданному алгоритму устройств, входящих в энергоустановку.
Водородный накопитель предназначен для длительного хранения водорода и кислорода, производимых в электролизере в периоды избытка мощности энергоустановки на ВИЭ, при температуре окружающей среды практически без потерь и позволяет генерировать электроэнергию в батарее топливных элементов в периоды недостатка энергии от других источников для питания потребителя. Алгоритм работы автономной энергоустановки может быть различным и устанавливается в зависимости от соотношения потребляемой и генерируемой различными компонентами энергоустановки мощности. Емкость ресиверов, номинальная мощность энергоустановки на ВИЭ, включая ветроустановку и/или фотоэлектрическую батарею, мощности электролизера и батареи топливных элементов определяются на основе оптимизационных технико-экономических расчетов с учетом климатических условий эксплуатации энергоустановки и графиков потребления электроэнергии потребителем, исходя из требуемой надежности энергообеспечения потребителя и минимальной стоимости производимой энергии.
В связи с тем, что батарея топливных элементов является относительно инерционным преобразователем, работающим с максимальной эффективностью в маломаневренных режимах, близких к номинальному, комбинация водородного накопителя с электрохимической аккумуляторной батареей обеспечивает покрытие переменной нагрузки потребителя с максимальной эффективностью. При этом аккумуляторная батарея играет роль краткосрочного (от нескольких часов до нескольких дней), а водородный накопитель - долгосрочного (от недель до нескольких месяцев) аккумулятора энергии.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом.
Автономная энергоустановка содержит энергоустановку 1 на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), включающую ветроустановку
2 и/или фотоэлектрическую батарею 3, аккумуляторную батарею 4, систему 5 автоматического управления, водородный накопитель 6, состоящий из электролизера воды 7, ресивера 8 водорода, ресивера 9 кислорода и батареи топливных элементов 10.
Электрические устройства, входящие в автономную энергоустановку, содержат необходимые преобразователи электрического тока, обеспечивающие согласование токов и напряжений при использовании общей электрической шины, связывающей их между собой и потребителем 11 электрической энергии.
Автономная энергоустановка может работать следующим образом. В периоды времени, когда нагрузка потребителя 11 меньше мощности, генерируемой энергоустановкой 1 на ВИЭ, система 5 автоматического управления обеспечивает питание потребителя 11 от этой энергоустановки, а избытки генерируемой энергоустановкой 1 на ВИЭ направляет на подзарядку аккумуляторной батареи 4. При обеспечении полного заряда аккумуляторной батареи 4 избытки генерируемой энергоустановкой 1 на ВИЭ мощности направляются на электролизер воды 7 с получением газообразных водорода и кислорода, которые аккумулируются соответственно в ресиверах 8 и 9. В периоды времени, когда нагрузка потребителя больше мощности, генерируемой энергоустановкой 1 на ВИЭ, питание нагрузки осуществляется совместно от энергоустановки 1 на ВИЭ и аккумуляторной батареи 4. При разряде аккумуляторной батареи 4 до предельно достижимого уровня включается электропитание потребителя 11 от батареи топливных элементов 10, в которую для этого направляется накопленный в ресиверах 8 и 9 водород и кислород.
Заявляемое техническое решение прошло проверку на основе динамического математического моделирования работы солнечно -
ветровой энергоустановки с водородным накопителем в различных климатических условия предполагаемого расположения потребителя.
Полученные результаты моделирования показали несомненные преимущества использования в составе полностью автономных солнечно - ветровых энергоустановок водородного накопителя и реализации различных алгоритмов управления процессами преобразования энергии.