ИНТЕГРИРОВАННАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА НА ОСНОВЕ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах и может найти применение при создании батареи топливных элементов для автономных источников питания мощностью до 10 кВт и выше.
Известна интегрированная энергоустановка, содержащая первичный источник энергии (ветрогенераторная установка и/или батарея, например, солнечных элементов), шины постоянного напряжения, DC/AC преобразователи, к выводам переменного тока которых подключены нагрузки, электролизер с преобразователем напряжения на входе, батарею топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе, батарею топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе, системы хранения водорода и кислорода (Патент США 7000345).
В известной интегрированной энергоустановке преобразователи напряжения по входам и выходам не имеют общей точки соединения, что существенно усложняет схему электрооборудования и приводит к понижению надежности. Кроме того, известная интегрированная энергоустановка не обеспечивает реализацию максимальной мощности и отбор максимальной энергии от первичного источника при заданных условиях (например, скорость ветра или уровень освещенности батарей солнечных элементов).
В заявляемой интегрированной энергоустановке все преобразователи напряжения соединены шинами постоянного напряжения, что упрощает схему и приводит к повышению надежности. Кроме того, обеспечивается максимальный отбор мощности и энергии для заданных условий от первичного источника энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что интегрированная энергоустановка содержит первичный источник энергии, шины постоянного напряжения, преобразователи постоянного тока в переменный, к выводам переменного тока которых подключены нагрузки, электролизер с преобразователем напряжения на входе, батарею топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе, согласно полезной модели в нее введены последовательно соединенные аккумуляторная батарея и зарядно-разрядное устройство, датчик максимально возможной мощности источника энергии,
датчик тока нагрузки, включенный между шинами постоянного напряжения и преобразователями постоянного тока в переменный, причем выходы преобразователя напряжения источника энергии, преобразователя батареи топливных элементов и зарядно-разрядного устройства соединены с шинами постоянного напряжения, входы системы управления соединены с выходами датчика тока нагрузки и датчика максимально возможной мощности источника энергии, а выходы соединены с управляющими входами преобразователя напряжения, зарядно-разрядного блока, электролизера с преобразователем напряжения на входе и батареи топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе.
На фиг.1 приведена схема интегрированной энергоустановки. Интегрированная энергоустановка на основе топливных элементов содержит первичный источник 1 электроэнергии, преобразователь 2 напряжения, шины 3 постоянного напряжения, аккумуляторную батарею 4, зарядно-разрядный блок 5, включенный между выводами аккумуляторной батареи и шинами постоянного напряжения, электролизер 6 с преобразователем напряжения на входе и батарею топливных элементов 7 с преобразователем напряжения на выходе, силовые выводы которых соединены с шинами 3 постоянного напряжения, преобразователи 8 постоянного тока в переменный, выводы постоянного тока которых соединены с шинами 3 постоянного напряжения, а выводы переменного тока предназначены для подключения нагрузок. Энергоустановка также содержит систему 9 управления, выходы которой соединены с управляющими входами преобразователя 2 напряжения, зарядно-разрядного блока 5, электролизера 6 с преобразователем напряжения на входе и батареи 7 топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе. Энергоустановка содержит датчик 10 тока нагрузки, включенный между шинами 3 постоянного напряжения и выводами постоянного тока преобразователей 8 постоянного тока в переменный, датчик 11 предельной мощности первичного источника 1 электроэнергии, причем выходы датчика 11 предельной мощности первичного источника 1 и датчика 10 тока нагрузки соединены с входами системы 9 управления. Энергоустановка также содержит системы хранения водорода и кислорода, соединенные соответствующей вентильно-запорной аппаратурой с электролизером и батареей топливных элементов. Первичный источник 1 электроэнергии может быть выполнен в виде солнечной батареи, ветрогенератора или иного источника электроэнергии. Датчик 11 максимально возможной мощности может быть выполнен в виде датчика солнечной радиации для солнечной батареи, датчика частоты вращения для ветрогенераторной или водогенераторной установок.
Интегрированная установка работает следующим образом.
В процессе работы первичного источника 1 энергии система 9 управления обеспечивает работу преобразователя 2 напряжения в режиме максимальной мощности. Регулирование осуществляется по сигналу датчика максимальной мощности. Одновременно система 9 управления сравнивает текущую мощность, потребляемую нагрузками и величину максимально возможной мощности источника 1 энергии. Текущая мощность определяется по сигналу на выходе датчика 10 тока, который пропорционален суммарному току нагрузок и суммарным мощностям нагрузок. Если разность между максимально возможной мощностью источника 1 и текущей мощностью нагрузок ниже заданного уровня, то этот избыток энергии поступает в аккумуляторную батарею 4 через зарядно-разрядное устройство 5. Если разность между максимально возможной мощностью источника 1 и текущей мощностью нагрузок выше заданного уровня, то избыток энергии поступает на вход преобразователя электролизера 6. Причем мощность, потребляемая преобразователем электролизера, регулируется таким образом, чтобы обеспечить баланс мощностей и отдачу максимальной мощности от источника 1 энергии. Если максимально возможная мощность источника 1 энергии меньше текущей мощности нагрузок, то преобразователь батареи 7 топливных элементов и/или зарядно-разрядное устройство обеспечивает отдачу недостающей энергии нагрузкам, причем мощность, отдаваемая преобразователем электролизера и/или зарядно-разрядным устройством 5, регулируется таким образом, чтобы обеспечить баланс мощностей всех источников и потребителей энергии. Зарядно-разрядное устройство 5 или преобразователь батареи 7 топливных элементов обеспечивают стабилизацию напряжения на шинах 3 постоянного напряжения на заданном уровне при всех режимах работы энергоустановки.
Таким образом, интегрированная энергоустановка обеспечивает эффективный и оптимальный отбор мощности от первичного источника 1 энергии. Кроме того, наличие общих шин постоянного напряжения, объединяющих соответствующие входы и выходы преобразователя напряжения и зарядно-разрядного устройства, обеспечивает упрощение схемы электрооборудования, облегчение режимов работы преобразовательных устройств, повышение качества переходных процессов и повышение надежности интегрированной энергоустановки в целом.