СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ, ВЫРАБАТЫВАЕМОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
SYSTEM ELECTRICAL ENERGY CONTROL, WHICH IS GENERATED BY PHOTOVOLTAIC ELEMENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области эффективного использования возобновляемых энергетических ресурсов, когда солнечное излучение преобразуется с помощью фотоэлектрического устройства в электрическую или тепловую энергию, и касается разработки системы управления электрической энергией, вырабатываемой фотоэлектрическими элементами, причем эта система содержит взаимосвязанные электронные компоненты, которые позволяют управлять получаемой энергией, потреблять и аккумулировать ее.
Уровень техники
Номенклатура систем, которые потребляют энергию, вырабатываемую фотоэлектрическими элементами, в целом известна. Например, в файлах документов US 4,873,480 A, FR 2485827 A1, US 4,649,334 A описаны разные системы, которые с помощью взаимосвязанных электронных компонентов дают возможность управлять электрической энергией и передавать электрическую выходную мощность из фотоэлектрических панелей в электрораспределительную систему, к бытовым электроприборам или устройствам, предназначенным для аккумулирования энергии. Есть также известные энергетические системы, в которых, когда полностью используется лишь энергия, получаемая от фотоэлектрических панелей, избыточная энергия - в конце концов - аккумулируется в аккумуляторах или других средствах хранения энергии. Одним из наиболее распространенных решений по управлению электрической энергией является установка инвертора в систему. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный ток и дает возможность последующего подсоединения этой системы в электрическую систему, а в конечном счете энергия потребляется в некотором бытовом электроприборе так, будто он подсоединен к распределительной системе. Известны инверторы, в которых для повышения эффективности используется мониторинг точки максимальной нагрузки (слежение за точкой максимальной мощности, MPPT). Системы, оснащенные этими инверторами, способны работать в рабочем режиме без соединения с электрической системой, когда либо вся вырабатываемая энергия потребляется и во внешнюю распределительную систему не подключается никакая нагрузка, либо получаемая нагрузка подключается в электрическую систему и сочетается с ее собственным потреблением. Недостаток этих систем заключается в том, что на инверторах возникают потери из-за преобразования энергии.
Из файла документа CZ20110582 A3 известен способ эффективного превращения нагрузки фотоэлектрического генератора в резистивную нагрузку, а также устройство для осуществления этого способа, в котором выходная нагрузка фотоэлектрического генератора аккумулируется в конденсатор, и эта нагрузка в дальнейшем превращается в резистивную нагрузку посредством переключения преобразователя постоянного тока в постоянный. Переключение преобразователя постоянного тока в постоянный осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), управляемой по некоторому алгоритму в зависимости от величины напряжения переменного тока на выходе фотоэлектрического генератора, тогда как мгновенное значение нагрузки определяется непрерывно. Недостатком этого решения является матрица этой системы, когда конденсатор в основном непрерывно соединяют с источником, а затем преобразователь постоянного тока в постоянный - с помощью регулирования ШИМ - соединяют с резистивной нагрузкой. С точки зрения помех очень невыгодно, когда возникает нагрузка в виде напряжения и тока почти прямоугольной формы, задаваемых частотой ШИМ и значением напряжения на конденсаторе относительно нагрузки. Настроечные параметры ШИМ выводятся из входного напряжения на панелях и резистивной нагрузки. Если потребуется изменить значение сопротивления, то используемый алгоритм оказывается довольно неточным. Более того, обрабатываемая таким образом энергия практически не используется иначе, чем для преобразования в тепло на резистивной нагрузке. Последнее, но не менее важное замечание относится к механическому напряжению высокого напряжения конденсатора, которое негативно влияет на срок его службы. Дополнительным недостатком этой системы является отсутствие каких-либо схем регулирования, которые дали бы возможность дополнительного использования получаемой таким образом энергии.
Весьма подходящей средой для аккумулирования вырабатываемой энергии является вода. Например, чтобы подготовить горячую воду для технических целей, в жилых домах используются электрические нагреватели, которые основаны на принципе емкости для воды и отопительного блока, который подогревает воду. В файлах документов CZ25157 U1, CZ22505 U1, CZ22504 U1, US7,429,719 B1 и FR2604322 A1 описаны устройства, в которых для нагревания воды используется электрическая энергия, получаемая из фотоэлектрических панелей. Недостаток этих решений заключается в том, что отсутствует мониторинг точки максимальной нагрузки MPPT, а это приводит к значительным потерям в связи с тем, что сопротивление бытового электроприбора не регулируется в соответствии сопротивлением источника и энергосистема не может использовать получаемую нагрузку эффективно. В файле документа US5,293,447 описана система с мониторингом максимальной нагрузки, который осуществляется путем переключения резистивной нагрузки в два значения, но это устройство не может работать в так называемом автономном режиме, когда используется только энергия, получаемая из фотоэлектрических панелей.
Целью данного изобретения является внедрение новой системы управления электрической энергией, которую вырабатывают фотоэлектрические элементы, что может обеспечить эффективное использование получаемой электрической энергии, особенно в режиме постоянного тока, который не приводит к потерям энергии вследствие преобразования из постоянного тока в переменный. Система настроена на мониторинг точки максимальной нагрузки MPPT избыточной энергии и снабжена электронными компонентами, которые - в случае необходимости - служат для преобразования постоянного тока в переменный. Система также выполнена с возможностью управления со стороны системы более высокого уровня, и ее можно эксплуатировать в автономном энергетическом режиме.
Сущность изобретения
По большому счету, поставленная задача, решаемая с помощью изобретения, состоит в том, чтобы разработать систему управления электрической энергией, вырабатываемой фотоэлектрическими элементами, содержащую взаимно соединенные блок управления потреблением энергии, блок управления и нагревательный блок, оснащенный блоком измерения температуры и, по меньшей мере, одним нагревательным элементом, модифицированным для нагревания жидкости, при этом сущность изобретения заключается в том, что блок управления потреблением энергии содержит блок управления постоянного тока и блок управления переменного тока и частично соединен с источником питания переменного тока, либо непосредственно, либо через вторичный источник напряжения переменного тока, и частично соединен с фотоэлектрическим блоком, который выдает постоянный ток именно через первичный источник напряжения постоянного тока и/или через последовательно соединенные выходной блок измерения тока и напряжения, преобразователь постоянного тока в постоянный и входной блок измерения тока и напряжения, при этом блок управления также соединен не только через гальванически развязанный вторичный источник напряжения постоянного тока с фотоэлектрическим блоком, но и через гальванически развязанный первичный источник напряжения переменного тока с источником питания переменного тока.
Выгодно, когда блок управления постоянного тока блока управления потреблением энергии, который работает в режиме постоянного напряжения, состоит из плавкого предохранителя постоянного тока и реле постоянного тока, которое соединено с контроллером температуры постоянного тока, тогда как плавкий предохранитель постоянного тока соединен через выходной блок измерения с преобразователем постоянного тока в постоянный, а реле постоянного тока взаимосвязано с нагревательным блоком.
Точно так же выгодно, когда блок управления переменного тока блока управления потреблением энергии, который работает в режиме переменного напряжения, состоит из плавкого предохранителя переменного тока и реле переменного тока, которое соединено с контроллером температуры переменного тока, тогда как плавкий предохранитель переменного тока соединен с источником питания переменного тока, а реле переменного тока взаимосвязано с нагревательным блоком.
В оптимальном случае плавкий предохранитель постоянного тока и плавкий предохранитель переменного тока блока управления потреблением энергии взаимно соединены через сегмент защиты управления, а с сегментом защиты управления соединены блок измерения температуры, предохранитель, реле мощности постоянного тока и реле мощности переменного тока.
В преимущественной конструкции преобразователь постоянного тока в постоянный частично соединен с первичным источником напряжения постоянного тока, частично - с блоком управления и частично содержит взаимно соединенные первичный переключатель и вторичный переключатель, а около вторичного переключателя сформирована параллельная цепочка со встроенным индуктивным элементом, с которым соединены параллельные конденсатор и нагрузка.
Точно так же выгодно, когда блок управления потреблением энергии оснащен зарядным блоком, который частично образован зарядным реле и зарядным контроллером и частично соединен, по меньшей мере, с одним аккумулятором энергии, а аккумулятор энергии взаимосвязан с инвертором, который модифицирован с возможностью подачи энергии в сеть.
В оптимальном случае с блоком управления потреблением энергии и при этом также с блоком управления соединен дополнительный модуль, который состоит из реле источника бесперебойного питания (ИБП), а параллельно с ним соединены входной элемент для измерения тока и блок управления ИБП, тогда как входной элемент для измерения соединен с источником питания переменного тока, а реле ИБП взаимосвязано с инвертором, который - в предпочтительной конструкции - реализован как блок типа ИБП с двойным преобразованием.
И, наконец, выгодно, когда блок управления снабжен детектором с функцией интеллектуального дистанционного управления для обнаружения непиковой электрической нагрузки и/или снабжен модулем связи, предназначенным для обеспечения связи с системой более высокого уровня, при этом он оснащен носителем данных для регистрации рабочих состояний системы.
По сравнению с известным уровнем техники с помощью этого изобретения достигается повышенная эффективность, поскольку система управления электрической энергией, вырабатываемой фотоэлектрическими элементами, предназначена для эффективного использования получаемой электрической энергии, особенно когда энергию используют в режиме постоянного тока, а с помощью преобразователя постоянного тока в постоянный можно осуществлять мониторинг точки максимальной нагрузки MPPT. Точно так же система предназначена для использования избыточной энергии, когда энергию распределяют в аккумуляторы и/или используют для нагревания жидкости и одновременно также для преобразования постоянного тока, который получают из фотоэлектрических панелей, в переменный ток.
Краткое описание чертежей
Конкретные примеры конструкции согласно изобретению схематически иллюстрируются на прилагаемых чертежах, где:
на фиг. 1 представлена блок-схема системы в конфигурации для нагревания воды;
на фиг. 2 представлена блок-схема системы в полной конфигурации;
на фиг. 3 представлена схема преобразователя постоянного тока в постоянный; и
на фиг. 4 представлена блок-схема плавких предохранителей.
Чертежи, которые иллюстрируют представленное изобретение и последовательно описываемые примеры конкретной конструкции, ни в коем случае не ограничивают как-либо объем защиты, о котором идет речь в описании, а лишь поясняют сущность изобретения.
Примеры осуществления изобретения
Система управления электрической энергией, вырабатываемой фотоэлектрическими элементами, содержит - в базовом автономном комплекте, соответствующем фиг. 1, - фотоэлектрический блок 1, который соединен параллельно с блоком 2 управления потреблением энергии, и это сделано частично через последовательно соединенные входной блок 3 измерения тока и напряжения, преобразователь 4 постоянного тока в постоянный и выходной блок 5 измерения тока и напряжения, а частично - через первичный источник 6 напряжения постоянного тока. Преобразователь 4 постоянного тока в постоянный выполнен в расчете на то, что максимальная нагрузка должна быть всегда постоянной, и дополнительно соединен с первичным источником 6 напряжения постоянного тока и с блоком 8 управления. Блок 8 управления далее соединен с блоком 2 управления потреблением энергии, а также - через гальванически развязанный вторичный источник 7 напряжения постоянного тока - с фотоэлектрическим блоком 1. Блок 2 управления потреблением энергии содержит два терморегулирующих блока 21, 22, которые соединены с нагревательным блоком 9. Нагревательный блок 9 образован блоком 91 измерения температуры и нагревательным элементом 92, который предназначен для нагревания жидкости, при этом нагревательный блок 9 соединен с блоком 8 управления. Блок 21 управления постоянного тока блока 2 управления потреблением энергии, который работает в режиме напряжения постоянного тока, образован плавким предохранителем 211 постоянного тока, реле 212 постоянного тока и контроллером 213 температуры постоянного тока и при этом соединен через выходной блок 5 измерения с преобразователем 4 постоянного тока в постоянный. Блок 22 управления переменного тока блока 2 управления потреблением энергии состоит из плавкого предохранителя 221 переменного тока, реле 222 переменного тока и контроллера 223 температуры переменного тока и соединен с источником 10 питания переменного тока. Далее, с источником 10 питания переменного тока соединен, частично - через гальванически развязанный первичный источник 11 напряжения переменного тока - блок 8 управления, а частично - через вторичный источник 12 напряжения переменного тока - блок 2 управления общим потреблением энергии.
Из фиг. 2 очевидно, что система, которая работает автономно, а также в «островном» энергетическом режиме, оснащена блоком 2 управления потреблением энергии со встроенным зарядным блоком 23, который образован зарядным реле 231 и зарядным контроллером 232 и соединен с аккумулятором 13 энергии, а аккумулятор 13 соединен с инвертором 15, который служит для подачи переменного тока. Точно так же с блоком 2 управления потреблением энергии соединен дополнительный модуль 14, который состоит из реле 141 ИБП, с которым параллельно соединены элемент 142 для измерения поступающего тока и блок 143 управления ИБП, а дополнительный модуль 14 точно так же соединен с инвертором 15 тока. Далее, блок 8 управления снабжен частично детектором 17 с функцией интеллектуального дистанционного управления для обнаружения непикового тока, частично - модулем 18 связи для обеспечения связи с системой более высокого уровня с помощью выбираемого интерфейса, например такого, как USB, Ethernet, RS232, RS485, WiFi, Bluetooth, и частично - с носителем 19 данных для регистрации рабочих состояний системы, например - величин значений вырабатываемой или потребляемой энергии, тока, напряжения или температуры.
Как изображено на фиг. 3, преобразователь 4 постоянного тока в постоянный содержит взаимно соединенные первичный переключатель 41 и вторичный переключатель 42, которые образованы полевыми транзисторами n-типа со структурой «металл - оксид - полупроводник», работающими в двух состояниях, т.е. они либо включены, либо выключены. Около вторичного переключателя 42 сформирована параллельная цепочка со встроенным индуктивным элементом 43, с которым соединены параллельные конденсатор 44 и нагрузка 45.
На фиг. 4 изображена конструкция термической защиты, которая образована взаимно объединенными плавким предохранителем 211 постоянного тока и плавким предохранителем 212 переменного тока блока 2 управления потреблением энергии. Плавкие предохранители 211, 212 содержат сегмент 100 защиты управления, который питается от первичного источника 6 напряжения постоянного тока и/или от вторичного источника 12 напряжения переменного тока, а с сегментом 100 защиты управления соединены блок 101 измерения температуры, предохранитель 102, реле 103 мощности постоянного тока и реле 104 мощности переменного тока.
FV
Постоянный ток, вырабатываемый в фотоэлектрическом блоке 1, частично течет во входной блок 3 измерения тока и напряжения, а потом - в преобразователь 4 постоянного тока в постоянный, частично проводится через вторичный источник 7 напряжения постоянного тока в блок 8 управления и частично проводится через первичный источник 6 напряжения постоянного тока в блок 2 управления потреблением энергии, а также в преобразователь 4 постоянного тока в постоянный. Функция синхронного преобразователя 4 постоянного тока в постоянный состоит в том, что входное напряжение проводится через два последовательно соединенных переключателя 41, 42; в случае положения «включен» первичного переключателя 41, ток не течет во вторичный переключатель 42, а проводится посредством параллельной цепочки через индуктивный элемент 43 в конденсатор 44 и нагрузку 45. Индуктивный элемент 43 действует подобно бытовому электроприбору, что приводит к линейному увеличению тока и росту напряжения на конденсаторе 44. В случае если первичный переключатель 41 находится в выключенном состоянии, наступает одновременное включенное состояние вторичного переключателя 42 и индуктивный элемент 43 начинает действовать подобно источнику, что соответствует переключению полярности напряжения, когда ток течет из индуктивного элемента 43 в конденсатор 44 и нагрузку 45, и при этом напряжение линейно убывает. Этот процесс периодически повторяется с частотой f. Изменяя период включения-выключения конкретных переключателей 41, 42, можно изменять напряжение на нагрузке 45 от 0 вплоть до U для нахождения точки максимальной эффективности, MPP. Из фотоэлектрического блока 1 находят действительное значение тока и напряжения и в каждый момент вычисляют выходную мощность, отбираемую из фотоэлектрического блока 1, а время пребывания переключателей 41, 42 во включенном состоянии изменяют таким образом, что выходное напряжение соответствует требованиям максимальной выходной мощности, генерируемой фотоэлектрическим блоком 1. Выходной ток из преобразователя 4 постоянного тока в постоянный проводится через выходной блок 5 измерения тока и напряжения в блок 21 управления постоянного тока блока 2 управления потреблением энергии. Обработанная таким образом энергия поступает в блок 2 управления потреблением энергии, а блок 8 управления принимает решение о дальнейшем использовании этой энергии. Первичным бытовым электроприбором, где находит применение энергия, подаваемая либо из фотоэлектрического блока 1, либо из блока 10 источника питания переменного тока, является нагревательный блок 9, при этом для развязки постоянного и переменного тока проводится гальваническая развязка во вторичном источнике 7 напряжения постоянного тока, а также в первичном источнике 11 напряжения переменного тока, да еще и в блоке 2 управления потреблением энергии, когда блок 21 управления постоянного тока и блок 22 управления переменного тока оснащены реле 212 постоянного тока и реле 222 переменного тока, которые гарантируют величину напряжения контактов. Контроллеры 213, 223 температуры в блоках 21, 22 управления гарантируют, что, когда температура в нагревательном блоке 9 ниже значения, заданного пользователем, реле переменного тока включается и в нагревательный элемент 92 подводится энергия из блока 10 источника питания переменного тока. При включении реле 212 постоянного тока таким образом в нагревательный элемент 92 подводится энергия из фотоэлектрического блока 1. Поэтому пользователь использует энергию из блока 10 источника питания переменного тока для нагревания воды в случае, если энергии солнца недостаточно или детектор с функцией интеллектуального дистанционного управления определил низкий тариф электрической энергии. Если температура в нагревательном блоке 9 достигает требуемого значения, нагревание посредством блока 10 источника питания переменного тока прекращается, а энергия, получаемая из фотоэлектрического блока 1, направляется для другого применения. Энергию, получаемую из фотоэлектрического блока 1 или из блока 10 источника питания переменного тока, можно подводить в блоке управления потреблением энергии к зарядному блоку 23 и/или направлять в дополнительный модуль 14. В зарядном блоке 23 энергия проводится в зарядное реле 231, которым управляет зарядный контроллер 232. При этом зарядное реле 231 заряжает подсоединенный аккумулятор 13 в виде батарей различных типов, когда аккумулятор 13 служит в качестве промежуточной схемы для подачи энергии в инвертор 15 и далее в сеть 16. В дополнительном модуле 14 энергия проводится через входной элемент 142 для измерения тока и реле 141 ИБП и далее в инвертор 15, а управление реле 141 ИБП осуществляет блок 143 управления ИБП. Дополнительный модуль 14 позволяет заряжать аккумулятор 13 с помощью преобразователя 4 постоянного тока в постоянный и при этом получать преимущество использования фотоэлектрического блока 1 в MPP. Следующей функцией дополнительного модуля 14 является мониторинг тока, который течет через одну фазу, и переключение инвертора 15 в случае превышения заданной нагрузки для переключения, и при этом исключаются потери нагрузки в инверторе 15. Инвертор 15 в этом случае реализован как блок типа ИБП с двойным преобразованием. Таким образом, система позволяет резервировать одну фазу с помощью ИБП и управлять потоком энергии, когда источник питания всех компонентов системы дублирован. Все управление системой берет на себя блок 8 управления, который передает и оценивает информацию из преобразователя 4 постоянного тока в постоянный, из блока 2 управления потреблением энергии, из дополнительного модуля 14 и из детектора 17 с функцией интеллектуального дистанционного управления.
Промышленная применимость
Представленное изобретение предназначено для внедрения в фотоэлектрические системы для достижения экономичного использования источников энергии, когда эффективно используется энергия, получаемая из фотоэлектрических элементов, и при этом возможно использование дешевой энергии из распределительной сети, а энергию, подаваемую в систему, можно использовать для нагревания воды или зарядки аккумуляторов.
Перечень позиций чертежей
1 Фотоэлектрический блок
2 Блок управления потреблением энергии
21 Блок управления постоянным током
211 Плавкий предохранитель постоянного тока
212 Реле постоянного тока
213 Контроллер температуры постоянного тока
22 Блок управления переменного тока
221 Плавкий предохранитель переменного тока
222 Реле переменного тока
223 Контроллер температуры переменного тока
23 Зарядный блок
231 Зарядное реле
232 Зарядный контроллер
3 Входной блок измерения тока и напряжения
4 Преобразователь постоянного тока в постоянный
41 Первичный переключатель
42 Вторичный переключатель
43 Индуктивный элемент
44 Конденсатор
45 Нагрузка
5 Выходной блок измерения тока и напряжения
6 Первичный источник напряжения постоянного тока
7 Вторичный источник напряжения постоянного тока
8 Блок управления
9 Нагревательный блок
91 Блок измерения температуры
92 Нагревательный элемент
10 Источник питания переменного тока
11 Первичный источник напряжения переменного тока
12 Вторичный источник напряжения переменного тока
13 Аккумулятор
14 Дополнительный модуль
141 Реле ИБП
142 Входной элемент для измерения тока
143 Блок управления ИБП
15 Инвертор
16 Сеть
17 Детектор с функцией интеллектуального дистанционного управления
18 Модуль связи
19 Носитель данных
100 Сегмент защиты управления
101 Блок измерения температуры
102 Предохранитель
103 Реле мощности постоянного тока
104 Реле мощности переменного тока