СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ПЛАВУЧИХ СРЕДСТВ НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СУДОВОЖДЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области энергетики и энергосбережения -генерации и накопления электроэнергии, необходимой для работы различной электронной и светооптической аппаратуры морских и речных плавучих средств навигационного обеспечения в виде плавучих маяков и светящих буев, устанавливаемых на якорях в определенных местах акваторий с известными координатами для ограждения морских и речных навигационных опасностей, обозначения морских и речных каналов и путей, различных водных районов и полигонов, мест якорных стоянок, подводных кабелей и трубопроводов других подобных целей.
Известны плавучие средства навигационного обеспечения в виде светящих буев, имеющие один или несколько электрохимических источников электроэнергии (одноразовые электрохимические элементы или многоразовые, перезаряжаемые аккумуляторы).
Известны также буи, выполняющие одну или несколько функций, например, обозначающие фарватер или опасные места и одновременно собирающие, обрабатывающие и передающие на берег различные данные (например, данные о метео- и гидрографической обстановке). Такие буи комплектуются различными энергопотребляющими устройствами, такими как:
- фонарь светодиодный навигационный
- радиомаяк
- сонар
- телекамера
- радиационный детектор
- метео- и гидрографические датчики различного типа
- автоматическая радиостанция или приемопередатчик информации GSM
- спутниковый приемопередатчик (в том числе возможно GPS или ГЛОНАСС).
Как правило, в таких буях также имеется один или несколько электрохимических источников электроэнергии, которые необходимо подзаряжать (аккумуляторы) или заменять (одноразовые химические источники тока) при периодическом обслуживании буя. Известны буи, которые комплектуются не только электрохимическими источниками, но также и автономными генераторами, использующими возобновляемые источники энергии (ВИЭ), такими как солнечные батареи (СБ), преобразующие энергию солнечного излучения в электричество, или устройствами, преобразующими энергию волн в электричество. Электроэнергия, выработанная с помощью СБ в солнечные периоды и от волн - во время сильного волнения, запасается в электрохимических аккумуляторах -накопителях.
Затем, когда ВИЭ в совокупности не могут покрыть текущую потребность в электроэнергии, накопители отдают аккумулированную электроэнергию указанным выше энергопотребляющим устройствам. В настоящее время наиболее распространенным видом накопителей электроэнергии являются аккумуляторные батареи (АБ).
Известен буй для мониторинга акватории морского порта, в состав которого помимо служебных устройств (датчиков и средств связи) входит СБ, состоящая из нескольких модулей (например, от двух до четырех) использующих солнце как ВИЭ, и АБ как накопитель. Брошюра с описанием этого буя марки Intellicheck Mobilisa's Aegeus (EE-GEE-US) доступна на сайте http://www.icmobil.com/product/access-control
Недостатками этой системы энергоснабжения являются:
1. Нестабильность поступления солнечной энергии, например, при пасмурной погоде или в период полярной ночи в высоких северных широтах, например в Баренцевом море;
2. Для поддержания работоспособности аппаратуры в случае длительного отсутствия солнца необходимо иметь АБ весьма большой емкости, что приводит в свою очередь к увеличению массы АБ, которая, в свою очередь, ограничена грузоподъемностью буя.
Наиболее близким к предложенной полезной модели является автономная система энергоснабжения буя Monitoring Buoy System (Patent US 8149275 от 03.04.2012). В систему энергоснабжения этого буя помимо нескольких солнечных модулей и АБ, входит один или несколько генераторов, приводимых в действие энергией волн (WAG). Наличие последних уменьшает зависимость работоспособности буя от поступления солнечной энергии, но приводит к необходимости более частого периодического обслуживания, т.к. продолжительность нормальной работы WAG в морской воде ограничена процессами коррозии, заиливания и зарастания водорослями и ракушками. Другим недостатком является то, что условиях штиля и отсутствия волн эти генераторы не вырабатывают электроэнергию.
Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является повышение стабильности энергоснабжения указанной выше электропотребляющей аппаратуры навигационного устройства, что повышает надежность его функционирования в целях навигационной безопасности мореплавания.
Для достижения этого результата для плавучих средств навигационного обеспечения предлагается автономная система энергоснабжения, состоящая из:
- генераторов на возобновляемых источниках электроэнергии (не менее двух и разного типа),
- генераторов на не возобновляемых источниках электроэнергии,
- накопителей (одного или нескольких типов) электроэнергии,
- управляющего устройства с распределителем мощности, оснащенного дистанционными средствами контроля и управления со стороны удаленного оператора береговой навигационной службы.
Таким образом, предложена следующая совокупность признаков полезной модели: система энергоснабжения плавучих средств навигационного обеспечения, состоящая из генератора на основе возобновляемого источника электроэнергии - солнечных батарей, накопителей электроэнергии и управляющего устройства, вход которого соединен с источником электроэнергии, а выходы соединены с накопителями и энергопотребляющим оборудованием плавучего средства навигационного обеспечения, при этом система дополнительно содержит второй генератор на основе возобновляемого источника электроэнергии - вертикально-осевой ветрогенератор и третий генератор на основе не возобновляемого источника энергии - топливный элемент, соединенные с входами управляющего устройства.
Кроме того, управляющее устройство снабжено распределителем мощности между накопителями энергии и энергопотребляющим оборудованием плавучего средства навигационного обеспечения.
Также, в качестве топлива для топливного элемента используют метанол или этанол, или водород, или метан.
На фигурах 1 и 2 показана схема полезной модели (фигура 1 - общий вид и вид сверху) в состав которой входят:
два принципиально разных генератора на основе ВИЭ:
- солнечные батареи СБ 1, может быть, например, четыре, вертикально или наклонно расположенных, ориентированных по горизонтали с шагом 90 угловых градусов,
- вертикально-осевой ветрогенератор ВГ 2.
(Выбор числа СБ и углов их установки определяется географическим расположением буя. Предпочтительными типами ВГ являются модели, защищенные патентами №122450 RU от 27.11.2012, №123468 RU от 27.12.2012, №125264 RU от 27.02.2013;),
- а также один генератор на основе не возобновляемого источника - топливный элемент (ТЭ) 6, с топливным резервуаром для жидкого или газообразного топлива 7 и заправочным узлом 8. На практике можно применить ТЭ, в котором в качестве жидкого топлива используется метанол, но также возможны и ТЭ других типов, в частности, ТЭ на этаноле, ТЭ на водороде и т.п..
Также на фигуре 1 показаны накопители энергии 3, в качестве которых могут быть АБ или другие известные накопители, управляющее устройство 4 с распределителем мощности 9, обеспечивающее связь с генераторами на возобновляемых источниках энергии 1, 2, с ТЭ 6 на не возобновляемом источнике энергии метаноле или этаноле, а также подачу электроэнергии к перечисленному выше энергопотребляющим устройствам навигационного устройства 5, например, буя.
Система, схематически показанная на фигурах 1 и 2, функционирует следующим образом.
Солнечные модули, из которых состоит СБ 1, преобразуют солнечный свет в электрический ток, который протекает через управляющее устройство 4. Последнее, во-первых, за счет выбора рабочей точки на вольт-амперной характеристике СБ обеспечивает съем максимальной мощности, во-вторых, формирует постоянное напряжение, необходимое для подзарядки накопителей энергии, например, АБ 3 и для питания энергопотребляющей аппаратуры 5.
Это же управляющее устройство 4 имеет второй независимый вход, к которому подключается ВГ 2. Его мощность суммируется с мощностью солнечных модулей, а в отсутствие солнца он служит основным источником электроэнергии. Управляющее устройство 4 дополнительно защищает АБ от перезаряда.
При неблагоприятном стечении метеоусловий, когда долгое время нет ни солнца, ни достаточно сильного ветра, всю необходимую для потребителей электрическую мощность обеспечивает АБ. При этом запасенная в АБ энергия, а с ней и напряжение на клеммах АБ монотонно снижаются и могут упасть до минимально допустимого уровня.
Управляющее устройство 4 в этом случае детектирует падение напряжения АБ ниже порогового уровня и выдает команду на запуск не возобновляемого источника - ТЭ 6. В нем начинается электрохимическая реакция окисления топлива, в результате которой генерируется электрическая энергия и выделяется тепло. В холодное время это тепло может быть использовано для обогрева АБ или энергопотребляющей аппаратуры. Работа ТЭ продолжается до тех пор, пока не возобновится поступление энергии солнца и ветра, и напряжение на АБ не повысится до номинального значения. Запас топлива для ТЭ находится в топливном резервуаре 7 и контролируется соответствующим датчиком (на фигуре не показан). При необходимости пополнения запаса топлива через заправочный узел 8 система информирует об этом удаленного оператора береговой службы по используемым каналам связи (на фигуре не показаны). Объем топливного резервуара выбирается таким образом, чтобы свести к минимуму число дозаправок жидким топливом - метанолом или этанолом. Дозаправка топлива может осуществляться специальным кораблем/катером - дозаправщиком.
Для нескольких накопителей энергии используется соответствующее управляющее устройство 4, имеющее необходимое количество входов (по числу генераторов энергии) и выходов (по числу накопителей энергии +1 выход на энергопотребляющую аппаратуру), и снабженное распределителем мощности между накопителями и потребителями. В качестве распределителя может быть использован контроллер, защищенный патентом №118134 RU от 10.09.2012. Такое управляющее устройство обеспечивает энергоснабжение энергопотребляющей аппаратуры, направляя им энергию, вырабатываемую от ВИЭ и ТЭ или накопленную в АБ.
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение за счет использования в системе нескольких источников электроэнергии разных типов, работа которых контролируется единым управляющим устройством, позволяет повысить стабильность энергоснабжения электропотребляющей аппаратуры буя, что самым непосредственным образом связано с повышением надежности его функционирования в целях навигационной безопасности мореплавания. Дополнительным преимуществом описанного решения является возможность использования «бросового» тепла, выделяющегося при работе СБ, ВГ и ТЭ, для поддержания необходимого температурного режима оборудования, размещенного в трюме буя.