ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ ДЛЯ РАБОТЫ В НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ УСЛОВИЯХ И/ИЛИ УДАЛЕННЫХ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯХ
HYBRID POWER SOURCE LIGHTING AND ENERGY SYSTEM FOR OPERATION IN HARSH AND/OR REMOTE LOCATIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к передвижной (смонтированной на полозьях, колесной и/или складной) гибридной системе освещения и управления потреблением энергии, рассчитанной на неблагоприятные, отдаленные и/или высокоширотные условия. В системе объединены источник питания от двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и система управления для снабжения энергией системы освещения. В систему также может входить аккумуляторный блок батарей (батарея аккумуляторов), система обогрева ДВС и/или системы использования возобновляемой энергии солнца и/или ветра, за счет чего повышается эффективность и надежность эксплуатации в таких условиях с одновременным сохранением и улучшением функциональных возможностей при эксплуатации и значительным снижением необходимости воздействия оператора во время установки и эксплуатации.
Уровень техники
Для освещения в разнообразных условиях, включая строительные площадки, нефтяные и газовые буровые площадки, стадионы, шахты, военные зоны и множество других объектов и применений, широко применяются передвижные осветительные вышки.
В тех случаях, когда эти системы применяются в отдаленных условиях, эффективность развертывания и эксплуатации такого оборудования обусловлена двумя основными факторами, включающими а) стоимость доставки топлива и б) надежность цепочки поставки топлива. Иными словами, доставка топлива в отдаленный пункт существенно повышает стоимость топлива часто в несколько раз по сравнению с развертыванием такого же оборудования в не являющихся отдаленными условиях. Ясно, что увеличение стоимости доставки связано с увеличением затрат на оборудование и персонал, требуемых для транспортировки и доставки топлива в отдаленные пункты, для достижения которых необходимо время и специализированное оборудование. Аналогичным образом, надежность цепочки поставки топлива в различные пункты, такие как военные зоны, отдаленные буровые площадки и шахты, может влечь прямые и косвенные издержки из-за невозможности и/или срока физической доставки топлива в определенный пункт для применения оборудования на месте.
Исторически осветительные вышки питаются от двигателей внутреннего сгорания (ДВС), которые потребляют топливо для выработки электроэнергии, требуемой для питания вышек. Обычно эти осветительные вышки с приводом от двигателя помимо обеспечения освещения в ночное время также могут использоваться для генерирования энергии (мощности) собственных нужд для другого оборудования без доступа к питающей энергосети. Во многих из этих систем осветительные вышки с приводом от ДВС управляются вручную оператором, который должен по необходимости включать и выключать систему. Кроме того, в некоторых системах оператору приходится контролировать расход и обеспечивать подачу топлива, регулярно осуществлять замену масла, а также выполнять другое техническое обслуживание, которое требуется в связи с большой продолжительностью работы двигателя. В отрасли обычно принято рассматривать большую продолжительность работы двигателя просто как стоимость эксплуатации в отдаленном пункте по причине отсутствия альтернативы.
Типичная известная из техники передвижная осветительная вышка имеет прицеп и/или раму, на которой установлен ДВС и его топливный бак, и одну или несколько опор, которые поворачиваются относительно прицепа с целью подъема одного или нескольких осветительных приборов над землей. В прошлом на таких осветительных вышках применялись преимущественно лампы наливания различных типов.
Как известно, помимо более высоких затрат на эксплуатацию оборудования в отдаленном пункте эти системы освещения имеют несколько других недостатков. Они включают:
шумную работу в ночное время;
высокий расход топлива;
неработоспособность при недостатке топлива или задержке поставок; влияние погоды на график заправки в отдаленных или высокоширотных условиях;
большой углеродный след; токсичные выбросы;
отсутствие контроллера, вместо которого используются переключатели, тумблеры и кнопки;
эксплуатационные требования к двигателю, в частности, с учетом большого числа наработанных часов и/или эксплуатации в условиях холодного климата;
повышенные затраты на техническое обслуживание вследствие применения в отдаленном пункте;
неэффективность, в частности, в период холодной погоды, когда может требоваться работа ДВС в дневное время для сохранения его теплоты и обеспечения надежной работы в ночное время; и
высокие затраты на персонал с учетом сложности установки системы и времени, требуемого для ручного управления и/или контроля со стороны оператора.
С целью преодоления недостатков, связанных с расходом топлива, затратами на топливо и выбросами, предпринимались попытки уменьшения углеродного следа и снижения расхода топлива в передвижных системах освещения за счет применения энергии солнца и/или ветра. Тем не менее, хотя системы, в которых предусмотрены вспомогательные источники питания, способны обеспечивать определенную локальную экономию, эффективность и/или надежность этих вспомогательных источников энергии может создавать другие осложнения при эксплуатации. Кроме того, на практике такие системы обычно не способны обеспечивать достаточную мощность для питания металлогалогенных ламп, которые обычно применяются в традиционных передвижных системах освещения с приводом от ДВС.
Недавние разработки в области светоизлучающих диодов (СИД) и повышение эффективности технологий на основе использования энергии солнца и ветра обеспечивают более широкое и экономичное применение таких вспомогательных или возобновляемых источников энергии для эксплуатации осветительных вышек. В частности, существуют СИД, которые способны обеспечивать такое же освещение в люменах и/или световой поток, но потребляют долю энергии, потребляемой лампой накаливания. Иными словами, для СИД обычно требуется на 70-85% меньше энергии, чем эквивалентной лампе накаливания. Тем не менее, хотя СИД снижают отбор энергии, если они просто установлены на стандартной осветительной вышке вместо металлогалогенных ламп, снижение затрат на топливо обычно составляет всего приблизительно 30-40%, поскольку работа ДВС остается неэффективной относительно потребности ламп в энергии и относительно общего управления потреблением энергии в отдаленном пункте.
Это можно проиллюстрировать типичным примером эксплуатации. Согласно типичному сценарию, в котором для обеспечения освещения в ночное время требуется отбор энергии в течение 12 часов, ДВС, питающие СИД, остаются включенными, в течение 12-часового ночного периода. Известно, что в системе освещения, в которой СИД заменяют лампы накаливания, экономия расхода топлива в результате снижения нагрузки по мощности за счет минимального порогового уровня топлива, требуемого для работы ДВС в холостом режиме, составляет всего около 30%. Иными словами, экономия топлива не находится в линейной зависимости от снижения мощности за счет применения СИД. Кроме того, в этом примере период работы ДВС вообще не сокращается, и соответственно, не достигается снижение затрат на техническое обслуживание или амортизацию или на персонал при эксплуатации осветительной вышки с СИД.
Важно, что эффективность солнечных батарей и ветряных турбин продолжает повышаться, что позволяет более эффективно рекуперировать энергию этих возобновляемых источников с разумными затратами. Иными словами, себестоимость единицы энергии солнца или ветра в пересчете на капитальные затраты значительно снизилась.
В результате, в отрасли ведется разработка светодиодных осветительных вышек, оснащенных солнечными батареями или ветряными турбинами, которые при определенных обстоятельствах в зависимости от местонахождения, доступности солнечного света или ветра, длительности отбора энергии в ночное время и т.д. могут служить автономной системой освещения. К сожалению, у этих систем имеется ряд недостатков, которые делают их ненадежными или неприменимыми в определенных условиях эксплуатации, в частности, в отдаленных районах, в условиях сурового и холодного климата.
Например, для эксплуатации систем освещения с использованием возобновляемого источника энергии как в высокоширотных, так и в низкоширотных условиях важна долгота дня в каждое время года. Иными словами, в регионах вблизи экватора во время сезона дождей в течение полугода часто преобладает облачность, или оборудование может находиться в условиях высокой влажности или тропических джунглей. Аналогичным образом, в более высоких широтах в зимнее время долгота дня слишком мала для генерирования энергии (с разумными затратами и углеродным следом) для обеспечения работы систем освещения с питанием от солнечных батарей в течение соответственно более длинных ночей, когда происходит отбор энергии, а также существуют ограничения на максимальное количество энергии, которое может накапливаться в аккумуляторном блоке экономичного размера. Кроме того, поскольку эти системы освещения являются передвижными и должны транспортироваться в отдаленные пункты часто по очень плохим дорогам, существуют ограничения на размеры всех компонентов, что не позволяет операторам просто увеличивать размер оборудования для накопления энергии возобновляемого источника. Иными словами, поверхность конструкции имеет ограниченную площадь, доступную для солнечных батарей, что тем самым ограничивает количество солнечной энергии, которая может накапливаться в течение заданного периода времени. По существу, системы с питанием от солнечных батарей в целом неприменимы в климате с неблагоприятным соотношением количества часов генерирования энергии освещением и часов отбора энергии в ночное время, или там, где в определенные периоды года, такие как сезон дождей, ограничено количество солнечного света. Аналогичным образом, надежность энергии ветра во многих регионах недостаточна для обеспечения долговременного применения этого источника энергии.
Кроме того, что касается солнечной энергии, местные погодные условия могут являться неблагоприятными в течение длительных периодов, поскольку периодически может преобладать значительная облачность и/или выпадать осадки. В холодном климате на поверхности солнечных батарей может накапливаться большое количество снега, который мешает солнечным лучам достигать солнечной панели или уменьшает их количество. Географические элементы конкретной местности также могут являться неблагоприятными. Иными словами, при отсутствии ветра облачность и/или географические элементы, такие как деревья или возвышенности, могут затруднять или значительно уменьшать генерирование энергии в дневное время, когда должна происходить зарядка аккумуляторного блока батарей.
Это в особенности важно на буровых площадках в северных или горных регионах. Например, если буровая площадка находится на северном склоне холма или горы, в условиях высоких широт прямой солнечный свет может не достигать ее. Другим примером служат буровые площадки на территории густого леса, когда, в особенности, в зимние месяцы из-за очень коротких дней и низко поднимающегося над линией горизонта солнца прямой солнечный свет также может не достигать основания системы освещения, в котором установлены солнечные батареи.
Поскольку буровое оборудование на таких отдаленных территориях обычно перемещают с одной площадки на другую, оператору часто приходится выбирать более высокие затраты на приобретение как системы с приводом от ДВС, так и системы с питанием от солнечных батарей (чтобы иметь возможность использовать солнечную энергию, когда она доступна, но иметь ДВС в качестве надежного резерва) или иметь только систему с приводом от ДВС, которая надежно действует в любых условиях (но без возможности использования возобновляемой энергии, когда она доступна).
Кроме того, во многих случаях желательно, чтобы системы освещения также обеспечивали мощность собственных нужд. Тем не менее, существующие системы с питанием от солнечных батарей не способны обеспечивать мощность для работы вспомогательного оборудования. Иными словами, отчасти из-за ограниченного доступного пространства в передвижной системе для солнечных батарей даже летом в период длинных солнечных дней осветительная вышка может в течение заданного дня поглощать достаточно энергии только для обеспечения освещения в течение следующей ночи, в результате чего почти не остается или не остается дополнительной энергии для питания вспомогательного оборудования. Соответственно, поскольку осветительные вышки традиционно имеют двойное назначение и питают осветительный прибор, а также обеспечивают питанием и/или резервным питанием вспомогательное оборудование, значительным недостатком осветительных вышек с питанием от солнечных батарей или ветродвигателя является то, что они способны обеспечивать только освещение, только в определенных географических местоположениях и только в определенных условиях окружающей среды. Этот недостаток не позволяет операторам уменьшать их углеродный след, поскольку для этого им пришлось бы пожертвовать функциональными возможностями.
Как отмечено выше, системы с питанием от солнечных батарей или ветродвигателя не способны надежно обеспечивать освещение, в особенности, в отдаленных районах, в суровом и/или холодном климате. Кроме того, в суровых условиях северных широт (например, на севере Канады или на Аляске), в особенности, в зимнее время при коротком световом дне возникает еще одно затруднение при эксплуатации, поскольку на таких системах часто сказывается ухудшение характеристик батарей из-за холода, образования на них снежного покрова и/или опасности замораживания (например) передвижных частей ветряной турбины. Расход накопленной энергии для нагревательного устройства внутри системы, которое может обеспечивать надежную работу таких систем в холодном климате, почти всегда превышает энергию, доступную из одних только возобновляемых источников.
Другим фактором, влияющим на внедрение систем с питанием от солнечных батарей и/или ветродвигателя, является экономичность применения новой технологии для уменьшения углеродного следа. Хотя операторы могут желать уменьшить углеродный след, чтобы добиться значимого результата, обычно требуются непомерно высокие затраты. Например, при существующей технологии операторам пришлось бы вложить средства в приобретение как системы с приводом от ДВС для обеспечения работы вспомогательного оборудования и/или надежной работы системы зимой, так и солнечной/ветровой системы в попытке снижения затрат на топливо и уменьшения углеродного следа.
Помимо этого, для операторов желательны передвижные системы осветительных вышек, компактные при транспортировке, а также легко и быстро монтируемые и демонтируемые с минимальными требованиями к знаниям, подготовке и затраченному времени со стороны оператора. Ветряные турбины обычно имеют очень прочную и устойчивую конструкцию, чтобы выдерживать сильный ветер. По существу, ветряные турбины обычно не рассчитаны на транспортировку, а их монтаж и демонтаж может являться сложным и трудоемким. Оператору часто приходиться выполнять множество трудоемких операций, что установить и разобрать ветряную турбину. Суровые погодные условия, включая сильный ветер, низкую температуру и дождь/снегопад, могут делать обращение с ветряной турбиной еще более сложным и опасным.
Кроме того, холодная погода отрицательно влияет на запуск системы с приводом от ДВС, в частности, дизельного двигателя. Поскольку дизельные двигатели нагревают топливно-воздушную смесь путем сжатия, с падением температуры окружающего воздуха становится все сложнее достигать температуры воспламенения. Помимо этого, дизельное топливо часто застывает при низкой температуре, а смазочные масла становятся более вязкими и могут создавать помехи движущимся частям вместо того, чтобы смазывать их. По существу, при температурах значительно ниже нуля системы с приводом от ДВС становится практически невозможно запустить, и по этой причине в холодную погоду они часто длительное время работают в режиме холостого хода. Очевидно, что длительная работа двигателя в режиме холостого хода не является топливосберегающей, поскольку постоянно требует топлива, что увеличивает углеродный след и повышает токсичные выбросы, а также усиливает шумовое загрязнение окружающей среды.
Низкая температура также может отрицательно влиять на аккумуляторные блоки батарей, сокращая период времени, в течение которого батарея (аккумулятор) способна сохранять свою зарядку, и уменьшая срок службы батарей. Желательная рабочая температура для свинцово-кислотной батареи обычно составляет от 25°C до 40°C, а для ионно-литиевой батареи - от 0°C до 40°C. При температуре -15°C типичная батарея с абсорбированным электролитом (AGM), рассчитанная на циклы глубокой зарядки-разрядки, может терять 30-50% или более своего заряда. Это важно, поскольку при уже ограниченной солнечной энергии из-за занимаемой солнечными батареями площадью поверхности или условий окружающей среды, потери во всех системах из-за воздействия холода на батареи (или другие потери, такие как потери в линии и т.д.) могут сводить на нет выгоды затрат на источник солнечной энергии.
Таким образом, существует потребность в передвижных (транспортабельных) системах освещения, в которых преодолены многие из перечисленных недостатков и, в частности, обеспечивается возможность развертывания осветительных вышек в более отдаленных и/или высокоширотных районах с более высокой надежностью, меньшим временем работы ДВС, меньшим расходом топлива без ущерба для освещения на рабочей площадке, меньшей потребностью в воздействии пользователя, меньшим углеродным следом, более высокой общей надежностью и меньшими текущими расходами на эксплуатацию. В частности, существует потребность в системах освещения, в которых требуется меньшее вовлечение оператора, используется интеллектуальная система управления (ИнтСУ), которая позволяет работать передвижной системе освещения и регулировать потребления энергии таким образом, чтобы улучшать соотношение между снижением расхода топлива с уменьшением отбора мощности (энергии) светодиодами. Кроме того, существует потребность в передвижной системе освещения с ИнтСУ с применением возобновляемых источников энергии и предотвращением потерь в системе, которые в противном случае свели бы на нет ценность затрат на солнечную энергии или энергию ветра в суровых природных условиях, отдаленных и/или высокоширотных/низкоширотных районах.
Помимо этого, существует потребность в системах, в которых для питания системы освещения и/или нагрева могут в основном применяться источники возобновляемой энергии всякий раз, когда они доступны, в сочетании с системами сжигания топлива для генерирования энергии, которая используется дополнительно или по необходимости для питания как системы освещения и/или нагрева, так и вспомогательного оборудования. Важно, что такие системы обеспечивают выгоды, включающие:
меньший период работы ДВС;
меньшую потребность в персонале/зависимость от персонала и/или условий окружающей среды при пополнении запаса топлива;
меньшую потребность в персонале/зависимость от персонала, а также ухода/обслуживания двигателя;
меньшие затраты на топливо за счет IEMS и ИнтСУ;
меньшие затраты на топливо за счет эффективного применения возобновляемых источников энергии;
меньшие затраты на топливо за счет альтернативных систем обогрева;
меньшие затраты на персонал за счет функций ИнтСУ, кодирования, алгоритмов и процессов обратной связи;
уменьшение углеродного следа за счет доведения до максимума ценности возобновляемых источников энергии и СИД и тем самым снижения расхода топлива;
увеличение срока службы системы за счет меньшего периода работы двигателя, что приводит к уменьшению износа и текущих расходов на эксплуатацию;
повышение эксплуатационной надежности за счет автоматизированного интеллектуального выбора используемого источника и/или выбора источника питания на основании потребностей нагрузки;
облегчение установки и разборки системы;
меньшие затраты на персонал за счет обратной связи/обмена данными с оператором посредством ИнтСУ (например, вместо "несосредоточенного и общего контроля", "навязываемого" системе человеком, система "поддерживает" "сосредоточенное и конкретное вмешательство" только при необходимости);
увеличение срока службы старых бывших в эксплуатации осветительных вышек путем оснащения новым оборудованием, и
более тихую или бесшумную работу в ночное время за счет эффективной зарядки аккумуляторного блока батарей в течение дня, обеспечивающей бесшумную ночную работу.
Кроме того, существует потребность в способе менее частой эксплуатации ДВС с соблюдением требований общей годовой световой отдачи по сравнению со стандартными осветительными вышками с металлогалогенными лампами без использования солнечной энергии и гибридного источника питания. В частности, существует потребность в способе более эффективной зарядки и/или подачи импульсов энергии от ДВС в накопитель, такой как аккумуляторный блок батарей, что позволяет ДВС заряжать аккумуляторный блок, накапливать энергию и по мере необходимости подавать ее на нагрузку или осветительные приборы.
К тому же, существует потребность в системе с различными автоматизированными возможностями, включая возможности пользовательского интерфейса, которые снижают уровень вовлеченности персона в работу системы. В качестве примера, в известных системах от операторов требуется частый контроль известных осветительных вышек как стандартных, так и с питанием от солнечных батарей. По существу, для управления известными системами требуется рабочая сила, что делает их громоздкими, неэффективными и не исключает ошибок оператора, которые могут приводить к отказу системы. Например, в различных известных системах требуется, чтобы оператор постоянно проверял наличие топлива во избежание остановки ДВС в незапланированный момент. Согласно другому примеру в известных системах может требоваться, чтобы оператор не забывал включать и выключать освещение и/или ДВС через определенные промежутки времени в течение суток, что в противном случае к потерям топлива и периода работы ДВС. Согласно другому примеру в различных известных вышках с питанием от солнечных батарей может требоваться, чтобы оператор вручную устанавливал график включения освещения с помощью таймеров, которые также может требоваться настраивать в соответствии с изменением времени восхода и захода солнца в определенных регионах.
Соответственно, существует потребность в системе, имеющей интеллектуальный пользовательский интерфейс, который вместо того, чтобы требовать от оператора "навязывать" системе применение рабочей силы, "поддерживает" конкретное и сосредоточенное применение рабочей силы в системе только при необходимости и тем самым сокращает затраты времени и затраты на персонал. Это выгодно для устранения различных недостатков, включая потери энергии из-за израсходования топлива и адаптации графика освещения.
Анализ уровня техники показывает, что известны системы, которые обеспечивают определенные функции, но не существует систем, обеспечивающих эффективную работу в отдаленных, высокоширотных районах и/или условиях сурового климата. Например, в заявках US 2012/0206087 А1, US 2012/0201016 А1, US 2010/0232148 А1 и патенте US 7988320 описаны примеры систем освещения с питанием от солнечных батареей, а в патентах US 6805462 В1, 5806963 описаны примеры традиционных вышек с приводом от ДВС. В патенте US 8350482, заявках US 2010/0220467 и US 2009/0268441 описаны примеры непередвижных гибридных систем освещения с использованием как солнечной энергии, так и энергии ветра. В патенте US 7988320, заявке US 2010/0236160 и патенте US 8371074 описаны ветряные мачты, которые могут опускаться на землю. В патенте US 5003941, заявках US 2012/0301755 и US 2006/0272605 описаны системы обогрева двигателей и/или батарей.
Раскрытие изобретения
В изобретении предложена передвижная гибридная система освещения, в которую входит: система управления, имеющая по меньшей мере один контроллер; по меньшей мере одна система светильников, при работе поддерживаемая мачтой и функционально связанная с системой управления; двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который имеет генератор энергии (электрогенератор), функционально связан с системой управления и генератором энергии для выработки электроэнергии; аккумуляторный блок батарей (далее также называемый для краткости, как аккумуляторный блок/батареи), функционально связанный с системой управления для накопления электроэнергии ДВС и обеспечения батарейного питания, при этом система управления имеет средства: контроля текущего состояния заряда (СЗ)
аккумуляторного блока; включения ДВС с целью выработки электроэнергии, когда текущее СЗ находится ниже нижнего порога СЗ, или на основании запрограммированного оператором времени запуска; выключения ДВС, когда текущее СЗ превышает верхний порог СЗ или по истечении
запрограммированного оператором периода работы; использования энергии ДВС для зарядки аккумуляторного блока между нижним и верхним порогами СЗ или запрограммированными оператором периодами работы; и, при необходимости, использования энергии ДВС или батарей в системе светильников, при этом система управления выполнена с возможностью регулирования зарядки аккумуляторного блока посредством ДВС, используя алгоритм зарядки батарей, в котором верхний и нижний пороги СЗ находятся в пределах стадии активной зарядки аккумуляторного блока, так что зарядка аккумуляторного блока происходит только в пределах стадии активной зарядки аккумуляторного блока.
Таким образом, верхний и нижний пороги СЗ являются стадией активной зарядки алгоритма зарядки батарей, согласно которому зарядка аккумуляторного блока происходит только в пределах стадии активной зарядки алгоритма зарядки батарей, определяемого как цикл активной зарядки.
В одном из вариантов осуществления система управления инициирует цикл профилактической зарядки после заданного числа циклов активной зарядки или наступления конкретного времени технического обслуживания, при этом за цикл профилактической зарядки происходит зарядка аккумуляторного блока до 100% СЗ.
В одном из вариантов осуществления система управления контролирует число циклов активной зарядки и инициирует цикл профилактической зарядки после заданного числа циклов активной зарядки. Заданное число циклов активной зарядки может составлять 10-100. В одном из вариантов осуществления система управления инициирует цикл профилактической зарядки по истечении заданного периода времени.
В одном из вариантов осуществления система управления допускает зарядку аккумуляторного блока в интервале между нижним порогом СЗ и 100% СЗ.
Согласно другой особенности система содержит возобновляемый источник энергии, который функционально связан с системой управления и которым может являться любое из следующего: источник солнечной энергии или энергии ветра или их сочетание.
По меньшей мере одной системой светильников предпочтительно является система светоизлучающих диодов (СИД).
Система также может содержать систему обогрева, функционально связанную с ДВС и/или системой управления и служащую для обогрева ДВС, когда он выключен.
Система также может содержать систему обогрева батарей, функционально связанную с аккумуляторным блоком и служащую для обогрева аккумуляторного блока с целью поддержания температуры аккумуляторного блока в определенном интервале. Системой обогрева может являться нагреватель теплоносителя (охлаждающей жидкости) для подвода нагретого теплоносителя к ДВС и аккумуляторному блоку.
В одном из вариантов осуществления система обогрева содержит клапан между нагревателем теплоносителя и аккумуляторным блоком, служащий для регулирования потока нагретого теплоносителя между нагревателем теплоносителя и аккумуляторным блоком. Клапан может являться терморегулируемым.
В одном из вариантов осуществления система управления содержит средство контроля температуры ДВС и/или аккумуляторного блока и включения и выключения системы обогрева, когда достигнута одна или нескольких пороговых температур или согласно регулируемому таймером графику.
В одном из вариантов осуществления система содержит мачту, на которую опирается ветряная турбина, имеющая телескопический вал, который втягивается внутрь мачты. В одном из вариантов осуществления ветряная турбина содержит: ротор, имеющий по меньшей мере одну лопасть и с возможностью вращения шарнирно установленный на телескопическом вале; шток, прикрепленный к ротору; и угловую пластину, прикрепленную к мачте и содержащую прорезь, в которую входит шток и которая предотвращает поворот ротора, когда телескопический вал втянут, при этом угловая пластина рассчитана на то, чтобы направлять шток в прорезь, побуждая шток и ротор поворачиваться. Угловая пластина может содержать по меньшей мере один выступающий упор, предназначенный для контакта по меньшей мере с одной лопастью по мере втягивания телескопического вала и предотвращения вращения по меньшей мере одной лопасти и ротора.
В одном из вариантов осуществления ротор содержит по меньшей мере две лопасти, а угловая пластина содержит по меньшей мере один выступающий упор для контакта с одной из по меньшей мере двух лопастей, когда ветряная турбина втянута.
В одном из вариантов осуществления система содержит основание, на которое опирается по меньшей мере одна солнечная батарея, способная поворачиваться на основании вокруг горизонтальной оси, предпочтительно две солнечные батареи с противоположных сторон основания. В одном из вариантов осуществления основание имеет по меньшей мере одну наклонную стенку, на которой поворотно установлена по меньшей мере одна солнечная батарея.
В различных вариантах осуществления система может содержать фотоэлемент, соединенный по меньшей мере с одним светильником и служащий для определения уровней окружающего света (внешней освещенности) и выключения или включения по меньшей мере одного светильника, исходя из уровня окружающего света, теплообменник, соединенный с ДВС и служащий для захвата и рециркуляции выделяемого ДВС тепла с целью обогрева ДВС, разъем вспомогательной нагрузки для подсоединения и подвода энергии к вспомогательной нагрузке, сетевой разъем для подсоединения гибридной системы освещения к электрической сети с целью получения и подвода энергии к системе светильников и/или вспомогательной нагрузке, и систему подключения к сети для подсоединения контроллера к удаленному компьютеру.
В другом варианте осуществления система дополнительно содержит пользовательский интерфейс, функционально связанный с системой управления и имеющий переключатель для подъема и опускания мачты, при нахождении которой в нижнем положении отключен любой или все двигатели, светильники или любой из компонентов системы управления.
В одном из вариантов осуществления пользовательский интерфейс дополнительно содержит переключатель двигателя, функционально связанный с системой управления и имеющий положение автоматического запуска системы управления с целью приведения в действие ДВС на основании заданных эксплуатационных параметров.
В одном из вариантов осуществления система содержит по меньшей мере одну панель солнечной батареи и дополнительно содержит пользовательский интерфейс, функционально связанный с системой управления и имеющий переключатель для подъема и опускания мачты; по меньшей мере один переключатель панелей солнечных батарей для подъема и опускания каждой из одной или нескольких солнечных батарей; и переключатель ДВС, функционально связанный с системой управления и имеющий положение автоматического запуска системы управления с целью приведения в действие ДВС на основании заданных эксплуатационных параметров и положение ручного запуска ДВС, позволяющее оператору при необходимости вручную запускать ДВС; и переключатель светильников, функционально связанный с системой управления и имеющий положение приведения в действие светильников на основании заданных эксплуатационных параметров.
В одном из вариантов осуществления система содержит по меньшей мере панель солнечной батареи и дополнительно содержит пользовательский интерфейс, функционально связанный с системой управления и имеющий переключатель для подъема и опускания мачты; по меньшей мере один переключатель панелей солнечных батарей для подъема и опускания каждой из одной или нескольких солнечных батарей; и переключатель, функционально связанный с системой управления и имеющий положение автоматического запуска системы управления с целью приведения в действие ДВС на основании заданных эксплуатационных параметров и приведения в действие светильников на основании заданных эксплуатационных параметров и имеющий положение ручного запуска ДВС, который остается включенным при приведении в действие светильников на основании тех же заданных эксплуатационных параметров, что и в положении автоматического запуска.
Согласно другой особенности изобретения предложен способ управления потребляемой энергией и вырабатываемой энергией гибридной осветительной вышки, имеющей по меньшей мере один светильник, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), по меньшей мере один возобновляемый источник энергии, по меньшей мере один контроллер и по меньшей мере один аккумуляторный блок, при этом способ включает стадии: мониторинга энергии, доступной по меньшей мере из одного возобновляемого источника энергии и по меньшей мере одного аккумуляторного блока; включения ДВС при низкой энергии (мощности/напряжения), доступной из возобновляемого источника энергии, и/или энергии батареи; зарядки аккумуляторного блока при включенном ДВС; и зарядки аккумуляторного блока при энергии, доступной из возобновляемого источника энергии.
В одном из вариантов осуществления способ может включать стадию мониторинга температуры ДВС и/или по меньшей мере одного аккумуляторного блока и включения и выключения системы обогрева и/или охлаждения при достижении пороговых температур.
В другом варианте осуществления способ включает стадии: мониторинга текущего состояния заряда (СЗ) аккумуляторного блока; включения ДВС с целью выработки электроэнергии, когда текущее СЗ находится ниже нижнего порога СЗ; выключения ДВС, когда заряд батарей превышает верхний порог СЗ или по истечении запрограммированного периода работы; использования энергии ДВС для зарядки аккумуляторного блока между нижним и верхним порогами СЗ; и при необходимости подачи энергии ДВС или батарей в систему светильников, при этом система управления регулирует зарядку аккумуляторного блока с целью сведения к минимуму расхода топлива ДВС путем отдания приоритета зарядке аккумуляторного блока между нижним и верхним порогами СЗ.
Согласно другой особенности изобретения предложен способ управления оператором гибридной системой освещения, имеющей по меньшей мере один светильник, функционально связанный с мачтовой системой, способной перемещаться между нижним и верхним положениями, двигатель внутреннего сгорания (ДВС), по меньшей мере одну панель солнечной батареи, соединенных с гибридной системой освещения и способных перемещаться между развернутым и неразвернутым положениями, систему управления и по меньшей мере один аккумуляторный блок, функционально связанный с системой управления и ДВС, при этом способ включает стадии: установки панелей солнечных батарей в развернутое положение путем приведения в действие переключателя панелей солнечных батарей, соединенного с системой управления; установки мачтовой системы в верхнее положение путем приведения в действие переключателя мачты, соединенного с системой управления; приведения в действие гибридной системы освещения с приводом от ДВС с помощью переключателя, функционально связанного с системой управления и имеющего положение автоматического запуска системы управления с целью приведения в действие ДВС на основании заданных эксплуатационных параметров, при этом система управления предотвращает запуск ДВС, если мачта не находится в верхнем положении.
Согласно одной из дополнительных особенностей изобретения предложена передвижная гибридная система освещения, в которую входит: система управления, имеющая по меньшей мере один контроллер; по меньшей мере одна система светильников, при работе поддерживаемая мачтой и функционально связанная с системой управления; двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который имеет генератор энергии, функционально связан с системой управления и генератором энергии для выработки электроэнергии; при этом система управления имеет программируемый таймер, позволяющий оператору программировать периоды работы ДВС с целью подачи энергии по меньшей мере в одну систему светильников, включая период, когда ДВС и светильники включены, и период, когда ДВС и светильники выключены.
В одном из дополнительных вариантов осуществления система дополнительно содержит систему обогрева ДВС, которой может являться система подогрева теплоносителя, функционально связанная с ДВС и служащая для обогрева ДВС и поддержания температуры ДВС в определенном интервале до его запуска.
Краткое описание чертежей
Изобретение описано со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан вид с торца смонтированной на полозьях гибридной осветительной вышки, иллюстрирующий осветительную мачту в сложенном положении и одну панель солнечной батареи в развернутом положении согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 2 и 3 - перспективные виды сбоку и спереди смонтированной на полозьях гибридной осветительной вышки, иллюстрирующие осветительную мачту в сложенном положении и одну панель солнечной батареи в развернутом положении согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 4 - вид с торца смонтированной на полозьях гибридной осветительной вышки, иллюстрирующий осветительную мачту в поднятом положении и развернутую панель солнечной батареи,
на фиг. 4А - вид с торца смонтированной на прицепе гибридной осветительной вышки с ветродвигателем, иллюстрирующий осветительную мачту в поднятом положении и развернутую панель солнечной батареи.
на фиг. 4Б - вид в перспективе смонтированной на прицепе гибридной осветительной вышки, иллюстрирующий осветительную мачту в поднятом положении и развернутую панель солнечной батареи согласно варианту осуществления изобретения с использованием энергии ветра,
на фиг. 5 - вид в перспективе смонтированной на полозьях гибридной осветительной вышки, иллюстрирующий осветительную мачту в раздвинутом положении согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 5А - вид с торца смонтированной на прицепе гибридной осветительной вышки, иллюстрирующий осветительную мачту во втянутом положении согласно варианту осуществления изобретения с использованием энергии ветра,
на фиг. 5Б - вид в перспективе смонтированной на прицепе гибридной осветительной вышки, иллюстрирующий осветительную мачту во втянутом положении согласно варианту осуществления изобретения с использованием энергии ветра.
на фиг. 6 - вид с торца смонтированной на прицепе гибридной осветительной вышки, иллюстрирующий каждую панель солнечной батареи в максимальном развернутом положении,
на фиг. 7А, 7Б и 7В - схематические виды смонтированной на прицепе гибридной осветительной вышки, иллюстрирующие солнечные батареи во втянутом положении (7А), в положении развертывания при малой высоте Солнца над горизонтом (7Б) и в положении развертывания при большой высоте Солнца над горизонтом (7В).
на фиг. 8 - виды сбоку и спереди осветительной мачты в раздвинутом положении с ветряной турбиной,
на фиг. 9 - перспективные виды сзади втянутой осветительной мачты с ветряной турбиной,
на фиг. 10 - перспективный вид сзади гибридной осветительной вышки мачта во втянутом положении с ветряной турбиной,
на фиг. 11 - вид сзади гибридной осветительной вышки мачта во втянутом положении с ветряной турбиной,
на фиг. 12 - блок-схема различных подсистем гибридной осветительной вышки, имеющей интеллектуальная система управления (ИнтСУ) согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 13 - блок-схема поступающих в интеллектуальную систему управления (ИнтСУ) входных сигналов от датчиков, которые могут включать любой один или все из следующих датчиков: датчик ПЛК, датчик автозапуска ДВС, датчик GPS, контроллер солнечной батареи, датчик напряжения и/или зарядные устройства согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
на фиг. 14 - блок-схема системы обогрева согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 15 - диаграмма зависимости от времени состояния заряда аккумуляторного блока согласно одному из вариантов осуществления изобретения,
на фиг. 16 - блок-схема пульта управления согласно одному из вариантов осуществления изобретения.
Подробное описание изобретения
Далее со ссылкой на чертежи описана передвижная, смонтированная на полозьях, колесная и/или складная система 10 освещения от гибридного источника питания и управления потреблением энергии (называемая далее гибридной системой освещения или ГСО) для эксплуатации в отдаленных районах, в условиях сурового и/или холодного климата. В систему входит блок аккумуляторных батарей (аккумуляторный блок) и двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с генератором энергии для питания система освещения, а также интеллектуальная система управления (ИнтСУ), которая эффективно регулирует потребление и подачу энергии. В различных вариантах осуществления в сочетании с энергией ДВС в системе используется солнечная энергия и/или энергия ветра, а также могут быть предусмотрены системы обогрева и/или обеспечения энергии собственных нужд. В целом, в вариантах осуществления с использованием возобновляемых источников энергии система отдает приоритет использованию энергии ветра и/или солнечной энергии, когда она доступна, но может расходовать генерируемую ДВС энергию и/или накопленную энергию батарей, если ни энергия ветра, ни солнечная энергия недоступны в достаточных количествах для питания системы освещения и/или обеспечения энергии собственных нужд. В том случае, когда питание от возобновляемых источников энергии не предусмотрено, или система развернута в условиях, в которых питание от источников солнечной энергии и/или энергии ветра недоступно, система освещения по-прежнему способна сокращать период работы ДВС, расход топлива и вовлеченность оператора за счет функций ИнтСУ и других компонентов, таких как светодиодное освещение. Кроме того, система регулирует различные энергозатраты таким образом, чтобы максимально эффективно использовать каждый временной отрезок работы ДВС, когда система применяется как автономная система освещения. Иными словами, система в целом рассчитана на сведение к минимуму расхода топлива и периода работы ДВС в сочетании с эффективным управлением блоком аккумуляторных батарей. Кроме того, система взаимодействует с пользовательским интерфейсом, который уменьшает потребность в мониторинге и/или контакте с системой со стороны пользователя.
Общий обзор
Далее со ссылкой на фиг. 1-11 описаны различные варианты осуществления гибридной системы 10 освещения. На фиг. 11-16 показаны различные схемы управления, иллюстрирующие различные варианты осуществления, которые могут быть реализованы при эксплуатации системы. Различные варианты физического осуществления включают смонтированную на полозьях систему, смонтированную на прицепе систему, а также системы с необязательной солнечной батареей и/или ветряной турбиной. При описании системы в контексте настоящего изобретения указано, что она содержит панель солнечной батареи, хотя подразумевается, что может быть спроектирована система, в которой не используется возобновляемый источник энергии. По существу, система 10 в целом содержит основание 12 в виде прицепа или полозьев, на которое опирается корпус 13, систему 14 освещения, систему 16 солнечных батарей, двигатель 32 внутреннего сгорания (ДВС), аккумуляторный блок 30 батарей, систему 26 обогрева, мачту 27 и интеллектуальную систему 28 управления (ИнтСУ), в которую может входить один или несколько датчиков и/или управляющих устройств, взаимодействующих с целью управления потреблением энергии в системе. Как указано, основанием 12 может являться автомобильный прицеп, который позволяет перемещать систему в желаемый пункт, или распространенное в нефтяной и газовой отраслях основание типа полозьев, которое позволяет с помощью промышленного погрузчика или вилочного погрузчика осуществлять погрузку системы на грузовой автомобиль с безбортовой платформой и разгрузку с него.
Осветительная вышка способна перемещаться между сложенным положением (например, фиг. 1-3) хранения и транспортировки и поднятым положением (например, фиг. 4, 4А, 4Б и 5), когда система находится в действии. Далее более подробно описана конструкция и работа осветительной вышки и сопутствующих систем.
Мачта 27
К основанию 12 прикреплена мачта 27, на которую опирается система 14 освещения и необязательная ветряная турбина 20. В одном из вариантов осуществления может быть предусмотрено несколько мачт в качестве отдельных опор для системы освещения и ветряной турбины, но в контексте настоящего описания светильники 14 и ветряная турбина 20 (если она предусмотрена) опираются на одну мачту. Мачту посредством телескопического средства можно перемещать между раздвинутым и втянутым положениями в целях транспортировки и регулировки высоты мачты. В другом варианте осуществления мачту также можно поворачивать между вертикальным и горизонтальным положениями для облегчения транспортировки и хранения при некоторых конфигурациях. Мачта может устанавливаться с использованием нескольких тросов и соответствующей системы приводов для постепенного выдвижения секций мачты. В одном из вариантов осуществления с мачтой соединен выключатель, реагирующий на приближение объекта, концевой выключатель или другой такой выключатель или датчик, также соединенный с системой, чтобы отключать некоторые компоненты ИнтСУ, когда мачта находится во втянутом положении, таком как во время транспортировки. В предыдущем примере осуществления автоматическое отключение ПЛК и/или автозапуска ДВС в результате втягивания мачты по команде оператора
предотвращает самозапуск системы во время транспортировки и/или хранения без необходимости дополнительной команды отключения системы со стороны оператора. Тем самым ограничивается влияние человеческого фактора на неправильное управление системой или ее повреждение.
Система 14 освещения
Как показано на фиг. 1, система 14 освещения в целом содержит крепежный элемент 14а для светильников, прикрепленный к мачте 27, и одну или несколько панелей 14 с освещения, установленных на крепежном элементе 14а для светильников. Угол и ориентация светильников могут регулироваться автоматически и/или вручную. Для регулировки угла светильники могут поворачиваться вокруг крепежного элемента для светильников. Крепежный элемент для светильников также может поворачиваться или вращаться вокруг мачты с целью ориентации светильников. Светильниками предпочтительно являются панели светоизлучающих диодов. В одном из вариантов осуществления интенсивность света СИД может регулироваться автоматически и/или вручную. Светильники обычно работают от тока, имеющего напряжение 12-96 вольт, хотя в предпочтительном варианте осуществления напряжение составляет 24-48 вольт с целью снижения потерь в линии. Номинальная мощность светильников системы в целом может составлять от нескольких сотен до нескольких тысяч ватт в зависимости от потребности или сравнения с величиной коррекции. Для сравнения, если типичная стандартная система осветительной вышки потребляет 4000 ватт, эквивалентная система светодиодного освещения может иметь потребляемую мощность 700-1500 ватт.
Система освещения может также содержать фоторезистор/фотоэлемент 36b (фиг. 13), который может использоваться для определения уровня окружающего света и автоматического включения или выключения в заданные пороговые моменты.
Система солнечных батарей
В предпочтительном варианте осуществления система 16 солнечных батарей содержит одну или несколько батарей (панелей) 16а, 16b, скомпонованных на корпусе 13 с помощью соответствующих монтажных систем, шарниров, подъемных механизмов и/или подмостов. Как показано на фиг. 1, система содержит две солнечные батареи 16а, 16b, каждая из которых состоит из нескольких панелей, установленных с противоположных сторон корпуса. Когда солнечные батареи прикреплены к корпусу, обычно светочувствительная сторона каждой панели обращена наружу.
Как показано на фиг. 6 и фиг. 7А-7В, солнечные батареи 16а, 16b могут поворачиваться относительно корпуса 13 вокруг горизонтальной оси посредством поворотного элемента 16 с между полностью втянутым положением а), полностью раздвинутым положением г) и промежуточными положениями б) и в). В одном из вариантов осуществления солнечные батареи могут поворачиваться и фиксироваться через заданные интервалы, например, через каждые 10 градусов, между положениями а) и г) с помощью различных систем опоры и фиксации, известных специалистам в данной области техники. В одном из вариантов осуществления система содержит один или несколько исполнительных механизмов 17, которые позволяют оператору вручную раздвигать и убирать солнечные батареи под любым желаемым углом.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления, рассчитанном на холодный климат, противоположные стороны корпуса 13 прицепа находятся под углом θ к вертикали для уменьшения накопления снега на корпусе прицепа и солнечных батареях при нахождении в положении а) и обеспечения ориентации на низко поднимающееся над линией горизонта солнце в высоких широтах. Оптимальный угол θ отклонения составляет приблизительно 15°, тем не менее, в других вариантах осуществления угол θ может составлять от 0° до 45°. На фиг. 6 и фиг. 7А-7В проиллюстрированы солнечные батареи, способные поворачиваться приблизительно на 150° между положением а) и положением г), что является желаемым интервалом ориентации в большинстве случаев развертывания. В других вариантах осуществления солнечные батареи могут быть способны поворачиваться более или менее, чем на 150°, если это требуется или предпочтительно для конкретного случая развертывания.
На фиг. 7А, 7Б и 7В проиллюстрированы различные ориентации первой и второй батарей 16а, 16b, чтобы продемонстрировать, как можно наиболее эффективно захватывать солнечную энергию, исходя из угла солнца относительно горизонта. На фиг. 7Б показана возможная желаемая установка для высокоширотных регионов северного полушария в зимнее время, когда световой день является коротким, и солнце смыкается с линией горизонта на южной стороне. В это время года снег не будет накапливаться на солнечных батареях за счет их угла наклона. Кроме того, в этом варианте осуществления за счет угла наклона корпуса 13 сохраняется срок службы исполнительных механизмов или поршней, которые устанавливают батареи в заданное положение. Поскольку во время установки корпус 12 ориентирован по линии восток-запад, одна сторона корпуса с батареей обращена на юг (в северном полушарии). Таким образом, первая сторона 13а корпуса с батареей 16а обращена на юг. Соответственно, вторая сторона 113b корпуса обращена на север.
На фиг. 7А показаны обе солнечные батареи 16а, 16b в положении а) хранения и транспортировки. На фиг. 7Б показаны солнечные батареи 16а, 16b, соответственно, в положениях а) и г), используемых для наиболее эффективного захвата энергии солнечных лучей 17 при малом угле лучей к линии горизонта, таком как в высоких широтах (обычно 50° или более) и/или в зимнее время. На фиг. 7В показаны солнечные батареи 16а, 16b, соответственно, в положениях б) и в), используемых при большем угле солнечных лучей 17 к линии горизонта, таком как в средних широтах или в летнее время в высоких широтах. По существу, в одном из вариантов осуществления оператор, исходя из известной ему широты и времени года, разворачивает солнечные батареи таким образом, чтобы они были ориентированы под углом, максимально близким к 90 градусам к падающему свету. В зимнее время, когда солнце не поднимается высоко над линией горизонта, в течение дня обычно требуется минимальная регулировка или вообще не требуется регулировка солнечных батарей. При большей долготе дня может быть предпочтительным устанавливать солнечные батареи под углом к солнцу в середине утра и в середине дня, чтобы средний угол падения в течение дня был близок к 90 градусам.
В другом варианте осуществления солнечные батареи могут быть установлены на датчике солнечного света, таком как система 36b слежения за солнцем (фиг. 13), которое автоматически устанавливает батареи в оптимальное положение в течение дня, недели или месяца, что позволяет максимально обеспечивать систему солнечной энергией. Система слежения за солнцем также может быть объединена в одно целое с базой данных GPS, как подробнее описано далее, чтобы динамически перемещать батареи, исходя из географического местоположения и времени года.
Различные солнечные батареи могут развертываться, как известно специалистам в данной области техники, например, система может содержать две группы по 4-12 батарей номинальной мощностью 100 ватт каждая. В других вариантах осуществления может использоваться одна или несколько групп солнечных батарей номинальной мощностью 100-500 ватт каждая. Занимаемая площадь, форма и номинальная мощность солнечных батарей обусловлены любым или всеми из следующих факторов, включающих расчетную доступность солнечной энергии, размер ДВС, нагрузку, отбираемую светодиодными светильниками, способы управления потреблением энергии, функцию ИнтСУ и/или допустимые уровни годового расхода топлива среди прочих факторов. Обычно чем меньше площадь поверхности солнечных батарей и чем больше отбираемая светодиодами нагрузка, тем выше должен быть расход топлива.
Ветряная турбина
В одном из вариантов осуществления на корпусе 13 установлена ветряная турбина 20 для захвата энергии ветра для системы 10 осветительной вышки (фиг. 4А, 4Б, 5А, 5Б и фиг. 8-11. Ветряная турбина предпочтительно содержит вал 20с, который телескопически соединен с мачтой 27 и позволяет ветряной турбине перемещаться между поднятым положением, показанным на фиг. 8, и втянутым положением, показанным на фиг. 11.
Как показано на фиг. 8, ветряная турбина 20 содержит ротор 24, соединенный с несущим элементом 20а и имеющий ступицу 24а и лопасти 24b, которые вращаются на ветру относительно несущего элемента. Несущий элемент соединен с валом 20 с посредством подшипника рыскания или аналогичного приспособления, которое позволяет несущему элементу и ротору поворачиваться вокруг вала. С несущим элементом соединен флюгер 20d, который побуждает ротор самоориентироваться по отношению к валу, чтобы наиболее эффективно захватывать энергию ветра, исходя из текущего направления ветра. Ветряная турбина содержит необходимые компоненты и схемы для преобразования энергии ветра в электричество, включая электрогенератор, коробку передач, управляющую электронику и т.д. (не показанные).
Ветряная турбина имеет ряд средств, обеспечивающих легкое и/или автоматическое и/или осуществляемое одним нажатием клавиши развертывание и втягивание. Эти свойства лучше всего показаны на фиг. 8-11 по мере перемещения ветряной турбины из полностью раздвинутого положения (на фиг. 8) в полностью втянутое положение (на фиг. 9-11).
Как показано на фиг. 8 и 9, средства втягивания/развертывания включают шток 50 и угловую пластину 52 с прорезью 54, в которую входит шток и которая предотвращает поворот ветряной турбины во втянутом положении. Верхний конец 50b штока прикреплен к ротору, а пластина 52 прикреплена к мачте 27. Когда вал 20 с втянут внутрь мачты, нижний конец 50а штока соприкасается с угловой пластиной и побуждает несущий элемент 20а и ротор 24 поворачиваться, в результате чего шток входит в прорезь 54. Когда шток входит в прорезь, несущий элемент и соединенный с ним ротор перемещаются в конкретное положение, такое как фронтальная ориентация, и фиксируются в нем, предотвращая поворот ветряной турбины во время хранения и транспортировки. К мачте ниже прорези и пластины прикреплено фиксирующее устройство 52а или другое соответствующее крепежное средство для размещения, направления и обеспечения стабилизации нижнего конца 50а штока, выходящего через низ прорези 54.
Как показано на фиг. 10 и фиг. 11, ветряная турбина также содержит по меньшей мере один упор 56а для предотвращения вращения ротора, когда ветряная турбина находится во втянутом положении, и для обеспечения защиты лопасти. К угловой пластине предпочтительно прикреплен по меньшей мере один упор, при этом когда вал 20 с втягивается, и шток 50 входит в прорезь 54, одна из лопастей 24b соприкасается с упором 56а, который предотвращает вращение лопасти и ротора. Упоры предпочтительно изготовлены из резины или другого амортизирующего и пружинящего материала для амортизации и предотвращения повреждения лопастей при втягивании ветряной турбины и во время хранения и транспортировки.
Компоненты втягивания/развертывания ветряной турбины, в частности, шток 50, пластина 52, прорезь 54 и упор 56а, обеспечивают автоматическое и легкое втягивание и развертывание ветряной турбины. В этом варианте осуществления оператору не требуется вручную вращать и фиксировать поворачивающийся ветродвигатель и лопасти при втягивании ветряной турбины, поскольку это происходит автоматически за счет складывания телескопической мачты 27. Аналогичным образом, во время развертывания ветряной турбины оператору не требуется вручную разблокировать компоненты втягивания/развертывания, поскольку это также происходит автоматически. Система развертывания и втягивания
После компоновки пользователь доставляет систему 10 осветительной вышки в определенный пункт, и ориентирует прицеп или полозья в надлежащем направлении для захвата солнечной энергии. Обычно первую сторону 13а или вторую сторону 13b корпуса прицепа ориентируют на юг (при развертывании в северном полушарии). Солнечные батареи и светильники 14с ориентируют по желанию на месте до, во время или после установки мачты. Ветряную турбину 20, если она имеется, разблокируют по мере выдвижения мачты 27.
Важно, что в одном из предпочтительных вариантов осуществления, проиллюстрированном на фиг. 16, система имеет пульт 100 управления, который служит для взаимодействия с оператором и позволяет оператору развертывать и приводить в действие систему за минимальное время и с минимальным числом физических нажатий клавиш. В одном из вариантов осуществления оператор может развернуть систему всего тремя нажатиями клавиш. Система пользовательского интерфейса устройства управления тремя нажатиями клавиш, объединенная с компонентами системы, включая компоненты ИнтСУ, которые в одном из вариантов осуществления могут включать ПЛК с предварительно установленной внутренней, выгодно сводит к минимуму риск ошибки оператора при развертывании системы, которая могла бы повлечь неэффективную работу и/или нанести ущерб системе. Иными словами, имеет первую пару тумблеров 100а и 100b для развертывания солнечных батарей пульт управления, которые позволяют оператору поднимать каждую панель солнечной батареи под желаемым углом (первое нажатие). Второй тумблер 100 с обеспечивает выдвижение мачты (второе нажатие), а для переключения системы в автоматический режим работы, выключенное состояние или ручной режим работы от ДВС служит переключатель 102 питания (третье нажатие), подробнее поясненный далее.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
ДВС 32, включая необходимую сопутствующую электронику, генератор энергии и топливные баки, установлен на корпусе 13 прицепа и предпочтительно помещается внутри крытой рамы 18, обеспечивающей защиту двигателя от атмосферных воздействий. ДВС обеспечивает энергию для зарядки аккумуляторного блока батарей посредством преобразующих переменный ток в постоянный ток зарядных устройств, питания системы освещения и/или обеспечения энергии собственных нужд по мере необходимости и под управлением ИнтСУ 28. ДВС предпочтительно представляет собой дизельный двигатель и генератор и имеет отдельную стартерную батарею 33 для запуска ДВС. Хотя дизельное топливо является предпочтительным, может применяться топливо других видов в зависимости от ДВС.
В различных вариантах осуществления и, в особенности, в условиях холодного климата ДВС имеет систему обогрева для поддержания его температуры в рабочем диапазоне, чтобы ДВС мог в случае необходимости надежно запускаться при низкой температуре без необходимости его работы в холостом режиме просто для поддержания теплоты двигателя.
Система обогрева может быть оснащена различными функциональными возможностями, описанными далее.
В одном из вариантов осуществления система обогрева предварительно нагревает ДВС только после того, как оператором или ИнтСУ дана команда запуска.
Когда желательна или передана команда запуска ДВС, в одном из вариантов осуществления ИнтСУ может в зависимости от температуры окружающего воздуха, температуры ДВС, климатических условий или времени года задерживать передачу ДВС команды запуска и вместо этого передавать команду запуска системе обогрева, чтобы предварительно нагреть ДВС в течение установленного времени или до заданной пороговой температуры, и по его истечении или после ее достижения ИнтСУ или оператор передают команду выключения системе обогрева и команду запуска нагретому ДВС.
В другом варианте осуществления ИнтСУ может по мере необходимости включать и выключать ДВС в течение всего дня и/или ночи для поддержания температуры ДВС в оптимальном интервале, в особенности, в условиях холодного климата, чтобы гарантировать постоянную готовность ДВС, если оператору потребуется запустить ДВС в ручном режиме с целью выработки вспомогательной энергии. При этом через двигатель и/или аккумуляторный блок батарей подаются импульсы электроэнергии и/или тепловые импульсы, в результате чего снижается потребность в системе обогрева ДВС, такой как система подогрева теплоносителя или нагрева блока цилиндров ДВС.
В одном из вариантов осуществления тепло, генерируемое ДВС во время работы, захватывает и возвращает в повторный цикл теплообменник 44. В другом варианте осуществления ДВС питает электрические нагревательные и/или охлаждающие устройства, такие как вентилятор, для различных компонентов системы во время их работы.
В одном из вариантов осуществления графиком работы ДВС управляют компоненты ИнтСУ, такие как таймеры, которые могут вручную устанавливаться конечным пользователем (оператором) и действовать в течение 24 часов. В другом варианте осуществления графиком работы ДВС управляет ПЛК, который не позволяет конечному пользователю (оператору) корректировать график на рабочем месте. В других различных вариантах осуществления графиком работы ДВС управляет любое сочетание таймеров и ПЛК. Все перечисленные функции могут быть объединены с автозапуском ДВС.
Одним из соображений для оператора при выборе размера используемого ДВС является максимальная нагрузка и/или размер преобразующих переменный ток в постоянный зарядных устройств, выбранных для зарядки, подачи импульсов и/или непрерывной подзарядки аккумуляторного блока батарей. При типичном развертывании размер ДВС выбирается из расчета питания генератора мощностью 15-20 киловатт, что достаточно для обеспечения большинства вспомогательных нагрузок. В одном из вариантов осуществления тепло, генерируемое ДВС во время работы, захватывает и возвращает в повторный цикл теплообменник 44.
Основной аккумуляторный блок батарей (РВВ) и стартерная батарея ДВС (ISB)
Основной аккумуляторный блок батарей (или батарейная система) РВВ (от англ. Primary Battery Bank) 30 и/или ISB (от англ. Starting Battery) 33 установлен на корпусе 13 внутри кожуха 18 и служит для накопления энергии, генерируемой системой 16 солнечных батарей, ветряной турбиной 20 (если она имеется), электрической сетью (если она доступна) и/или ДВС 32. РВВ и/или ISB также обеспечивает энергию для питания системы освещения и/или различных компонентов ИнтСУ и системы. Как подробное описано далее, управления потреблением энергии батареи в сочетании с ИнтСУ обеспечивает множество эксплуатационных и функциональных преимуществ над известными системами.
Важно, что номинальные напряжение и ток РВВ проектируются с учетом общего кпд системы по энергии и имеют основной задачей повышение эффективности расхода топлива в конкретном случае эксплуатации.
Номинальное напряжение РВВ обычно проектируется в пределах 12-96 вольт, но предпочтительно от 24 вольт до 48 вольт во избежание потерь мощности (энергии) в системе из-за потерь в линии и с целью простой интеграции с готовыми компонентами системы. В одном из вариантов осуществления РВВ рассчитан на ток 800-900 ампер. В другом варианте осуществления РВВ рассчитан на ток 400-1600 ампер.
Общий номинальный ток РВВ выбирается с учетом светильников, зарядных устройств и желаемого способа использования батарей.
ISB может представлять собой 12-вольтовую свинцово-кислотную батарею, широко применяемую для запуска ДВС.
В одном из вариантов осуществления ISB используется для питания нагревателя 26а, мачты, солнечных батарей и/или компонентов ИнтСУ.
Система обогрева батарей
При развертывании в условиях холодного климата система предпочтительно содержит по меньшей мере одну систему 30е обогрева батарей для повышения эффективности работу системы батарей. За счет поддержания температуры батарей в предпочтительном интервале может повышаться эффективность СЗ и увеличиваться предельное количество циклов. Системой обогрева батарей может являться любое из следующего или сочетание электрической системы обогрева, такой как гальванический элемент или оболочка батареи, секционной изоляции батарей снаружи, которая позволяет тепловому импульсу зарядки оставаться в батарейном отсеке без необходимости подвода тепла извне, и/или системы подогрева теплоносителя, которая обеспечивает циркуляцию охлаждающей ДВС жидкости вокруг батарей. В более теплых климатических условиях система может содержать вентиляционную систему с вентилятором, позволяющим исключать превышение температурой батарей рекомендованных рабочих температур. В каждой из систем обогрева применяется соответствующий источник переменного или постоянного тока, управляемый посредством ИнтСУ.
В типичной системе поддерживается оптимальный интервал рабочих температур РВВ и ISB обычно 25-27°С +/-10°С.
Интеллектуальная система управления (ИнтСУ) На фиг. 12 и 13 показаны блок-схемы интеллектуальной системы управления или контроллера, которые описаны далее применительно к другим компонентам системы согласно одному из вариантов осуществления. В ИнтСУ 28 поступает энергия ДВС 32 и/или электрической сети 40. Другие источники питания могут включать возобновляемые источники энергии, в том числе источник 36 солнечной энергии и/или источник 34 энергии ветра. ИнтСУ управляет энергией, подаваемой в систему 14 освещения и основной аккумуляторный блок 30 батарей (РВВ), а также энергией, отдаваемой РВВ. ИнтСУ также может регулировать систему 26 обогрева, включая или выключая ее, когда температура ДВС и/или РВВ достигает определенных порогов или на основании программируемого расписания. Важно, что ИнтСУ (или системой управления) может являться единственный компонент, содержащий различные процессоры и датчики, или множество объединенных компонентов с различными процессорами и датчиками. Хотя на фиг. 12 и фиг. 13 проиллюстрирована ИнтСУ в качестве единственного компонента, подразумевается, что в собирательном значении ИнтСУ может состоять из множества объединенных компонентов, таких как программируемый логический контроллер (ПЛК) и/или контроллер автозапуска ДВС и/или контроллер таймера и/или устройство контроля/контроллер напряжения и/или зарядные устройства с соответствующим алгоритмическим контроллером и/или контроллер зарядки солнечных батарей, при этом функциональные интеллектуальные средства распределены среди различных компонентов.
Кроме того, и, в особенности, при развертывании в условиях сурового и холодного климата требуется управления потреблением энергии из доступного возобновляемого источника, чтобы обеспечить эффективную работу системы. В частности, как описано выше, захват тепла и/или сведение к минимуму потерь тепла системы может оказывать значительное влияние на СЗ батарей и их общую эффективность. В одном из вариантов осуществления, проиллюстрированном на фиг. 12, система содержит РВВ 30 и/или стартерную батарею 33 ДВС. Поскольку эффективность батарей в целом снижается со снижением температуры, в этом варианте осуществления система сконфигурирована на циркуляцию тепла из нагревателя теплоносителя и/или ДВС в РВВ и/или стартерную батарею с целью поддержания ее температуры в предпочтительном интервале рабочих температур в течение максимально возможного времени. В другом варианте осуществления ДВС оснащен нагревательной оболочкой или элементами, которые нагревают РВВ во время работы ДВС. В другом варианте осуществления для поддержания желаемых температур батарей достаточно обшитого изоляцией кожуха, температуру которого обеспечивает или поддерживает тепловая энергия, выделяющаяся при зарядке.
Кроме того, система выхлопа ДВС также может быть оснащена теплообменником 44, который захватывает выделяемое выхлопной системой тепло, направляемое в основной аккумуляторный блок батарей и/или батареи ДВС и/или блок цилиндров ДВС.
Как показано на фиг. 13, в ИнтСУ 28 могут поступать сигналы от множества датчиков, обеспечивающие эффективное регулирование потребления энергии в системе. В одном из вариантов осуществления ИнтСУ контролирует доступное напряжение 34а и 36а питания, соответственно, возобновляемого источника энергии ветра и солнечной энергии и/или доступное напряжение 40а электрической сети. ИнтСУ обычно ведет поиск источников питания, исходя из текущего режима нагрузки и времени суток. При наличии осветительной нагрузки в одном из вариантов осуществления ИнтСУ сначала проверяет доступность питания от энергии ветра. Если энергия ветра недоступна, ИнтСУ проверяет, доступность питания от аккумуляторного блока. Если батарея имеет заряд ниже порогового СЗ, ИнтСУ полагается на ДВС и/или зарядные устройства 30f в качестве источника питания.
Обычно ДВС питает зарядные устройства 30f, которые в свою очередь заряжают РВВ и/или ISB и одновременно обеспечивают энергией светильники и/или другие нагрузки, такие как нагреватели, ПЛК, датчики и т.д., а также любую вспомогательную нагрузку переменным током, включая светильники, не питающиеся от зарядных устройств или батарей, такие как осветительные приборы с питанием от переменного тока. Как подробнее описано далее, ИнтСУ обычно управляет работой ДВС с целью сведения к минимуму расхода топлива и оптимизации характеристик батарей и предельного количества циклов. Тем не менее, следует отметить, что система обычно позволяет оператору оставлять ДВС работающим до тех пор, пока существует отбираемая нагрузка, которая требует работы ДВС. Когда нагрузка больше не существует, в одном из вариантов осуществления ИнтСУ обычно не выключает ДВС, чтобы обеспечить желаемое СЗ аккумуляторного блока батарей, после чего ИнтСУ передает ДВС команду автоматического выключения. В другом варианте осуществления оператор выключать ДВС вручную после того, как обеспечена потребность во вспомогательной энергии.
В одном из вариантов осуществления предпочтительно контролируется температура 30d батарей с целью обеспечения ее поддержания в предпочтительном рабочем диапазоне. ДВС может быть оснащен датчиком 32b температуры блока цилиндров, датчиком 32 с давления масла в ДВС, датчиком 32d уровня топлива и датчиком 32е температуры выхлопных газов. Каждый из этих датчиков обеспечивает общую информацию о работе ДВС для контроля технического обслуживания и рабочих характеристик.
Кроме того, стартерная батарей ДВС и/или ISB и/или РВВ 33 предпочтительно оснащена датчиком 33b, 30b напряжение батареи, датчиком 33c, 30c температуры батареи для обеспечения контроля технического обслуживания и рабочих характеристик. Теплообменник 44 обычно оснащен соответствующими датчиками 44а, 44b температуры окружающего воздуха, поступающего в теплообменник и выходящего из теплообменника в отсек ДВС. Иными словами, ИнтСУ контролирует характеристики теплообменника, чтобы гарантировать обеспечение им чистой выгоды при регулировании общего потребления тепла.
Система 26 обогрева, такая как система подогрева теплоносителя (нагреватель охлаждающей жидкости), может быть оснащена соответствующими датчиками 26е уровня топлива, датчиками 26f уровня и/или датчиками 26g температуры теплоносителя (охлаждающей жидкости). Эти датчики обеспечивают общую информацию о работе системы подогрева теплоносителя и позволяют контролировать его рабочие характеристики.
Если ИнтСУ обнаруживает, что температура аккумуляторного блока и/или ДВС упала ниже порогового уровня, в одном из вариантов осуществления ИнтСУ может автоматически включать нагреватель 26а теплоносителя на определенный период времени, обеспечивающий поддержание предпочтительной температуры системы. В экстремально холодных погодных условиях это автоматическое включение/выключение может осуществляться несколько раз на протяжении дня и/или ночи с целью поддержания минимальной пороговой температуры системы. В другом варианте осуществления ИнтСУ может включать нагреватель 26а теплоносителя с целью предварительного нагрева ДВС, когда ДВС должна быть передана команда включения. В этом примере ИнтСУ задерживает запуск ДВС на соответствующее время, на протяжении которого нагреватель 26а теплоносителя предварительно нагревает ДВС. В другом варианте осуществления ИнтСУ может передавать нагревателю 26а теплоносителя команду предварительного нагрева ДВС, исходя из показаний таймеров и/или временного кодирования, а не температуры.
Если ИнтСУ обнаруживает падение температуры аккумуляторного блока и/или ДВС ниже порогового уровня, в другом варианте осуществления ИнтСУ может автоматически включать ДВС на протяжении дня и/или ночи на промежутки времени, достаточные для поддержания температуры ДВС в интервале, гарантирующем его надежный запуск. Как описано далее применительно эффективной зарядке батарей, за счет циклов периодической зарядки и разрядки повышается общая эффективность системы.
В одном из вариантов осуществления ИнтСУ может содержать фотоэлемент 36b, позволяющий ИнтСУ автоматически включать или выключать систему освещения, если желательна работа в автоматическом режиме.
В одном из вариантов осуществления система также контролирует ток 42а вспомогательной нагрузки и ток 14е светильников с целью расчета потребления энергии.
В одном из вариантов осуществления ИнтСУ управляет графиком работы системы освещения. Это может осуществляться ПЛК и/или таймерами, которые позволяют конечному пользователю вручную регулировать время работы системы освещения и/или ДВС в течение 24 часов. Например, пользователь может позволять таймеру включать и выключать систему освещения каждое утро и вечер в зависимости от местного времени восхода и захода солнца. В одном из вариантов осуществления может применяться второй таймер, позволяющий конечному пользователю программировать график работы таким образом, чтобы ДВС и система освещения ежедневно включались и выключались в одно и то же время или в различное время по желанию конечного пользователя. В другом варианте осуществления могут применяться три таймера, позволяющие конечному пользователю устанавливать время работы системы 26 обогрева, системы освещения и/или ДВС в зависимости от географического положения и местных погодных условий. Например, в системе, рассчитанной на условия холодного северного климата, конечный пользователь может устанавливать таймеры на включение нагревателя 26а за 15 минут до захода солнца, чтобы к моменту захода солнца, когда таймеры позволяют включаться системе освещения и ДВС, ДВС был уже предварительно нагрет и мог надежно запускаться без участия оператора. Вышесказанное служит примерами, и подразумевается, что различные таймеры, входящие в ИнтСУ, могут устанавливаться множеством способов, обеспечивающих желаемое время включения и выключения ДВС, светильников и нагревателя. В одном из предпочтительных вариантов осуществления, рассчитанном на конкретный географический район, может применяться ПЛК, программируемый на основании времени восхода и захода солнца, чтобы конечному пользователю не требовалось устанавливать таймеры вручную. Это может быть выгодным, когда системой освещения на определенном месте проведения работ управляют различные пользователи, поскольку при этом может устраняться потребность в участии человека в управлении системой освещения с изменением долготы дня и ночи в течение года. В другом варианте осуществления ПЛК может применяться в сочетании с одним или несколькими таймерами.
Управление РВВ с помощью ИнтСУ
Как описано выше, ИнтСУ 28 осуществляет контроль и управление различными подсистемами, а также потоком энергии через систему. Как отмечено, ее основными задачами является: а) доведение до максимума эффективности расхода топлива, б) управление зарядкой батарей с целью доведения до максимума эффективности использования топлива и оптимизации срока службы батарей, в) обеспечение управляемой подачи энергии на нагрузку и г) сокращение времени работы ДВС.
Что касается срока службы батарей, обычно он продлевается за счет управления их зарядкой и разрядкой таким образом, чтобы скорости зарядки и разрядки поддерживались в желаемых интервалах. В типичном блоке свинцово-кислотных батарей или батарей с абсорбированным электролитом (AGM) эффективность зарядки зависит от СЗ батареи и алгоритма зарядных устройств. Иными словами, эффективность зарядки заданным доступным током с определенным зарядным напряжением по сравнению с расходом топлива и временем работы ДВС варьирует в зависимости от СЗ, которое определяется путем выборочного контроля напряжения, вычисления входного/выходного тока или другим способом определения остающейся энергии в блоках батарей или процента остающегося заряда, известным специалистам в данной области техники. Кроме того, в зависимости от конструкции батареи на ее предельное количество циклов влияют используемые скорости зарядки и разрядки.
Например, батареи, рассчитанные на глубокую разрядку, обычно допускают отбор меньшего тока до более низкого СЗ. Если скорость разрядки поддерживается в предпочтительном интервале, и батарея заряжается с предпочтительной скоростью, может обеспечиваться оптимальное число циклов зарядки. Аналогичным образом, срок службы батарей большой мощности, рассчитанных на обеспечение сильных токов, может сокращаться в случае многократной разрядки батареи до уровня ниже рекомендуемого СЗ.
Кроме того, при заданном входном напряжении и токе скорость зарядки варьирует в зависимости от СЗ. Иными словами, оптимальный зарядный ток в типичной батарее AGM варьирует для различных СЗ, которые могут быть охарактеризованы как а) фаза активной зарядки, б) фаза поглощения и в) фаза поддержки.
Обычно фаза активной зарядки обеспечивает наиболее эффективную и самую высокую скорость зарядки (т.е., когда батарея заряжается самым сильным током) и длится до достижения СЗ около 80%. При переходе зарядки на стадию поглощения (например, при СЗ 80-95%) скорость зарядки снижается, и в батарею поступает меньший ток, что приводит к увеличению времени зарядки и времени работы ДВС при меньшем увеличении СЗ в процентах. Скорость зарядки еще больше снижается на стадии поддержки (например, при СЗ около 95-100%), когда в батарею может поступать лишь еще меньшее количество тока. Специалисты в данной области техники поймут, что интервалы каждой из стадий активной зарядки, поглощения и поддержки могут варьировать, а приведенные выше интервалы являются лишь пояснительными.
В одном из вариантов осуществления большая часть времени зарядки занимает активная фаза алгоритма зарядного устройства, который способен сводить к минимуму время работы ДВС и оптимизировать скорость зарядки батарей. В этом варианте осуществления срок службы батарей и другие характеристики батарей могут быть улучшены за счет цикла профилактической зарядки с целью периодического доведения СЗ до 100%
Важно, что в соответствии с изобретением ИнтСУ поддерживает равновесие между описанными параметрами системы и общей эксплуатационной задачей снижения расхода топлива на месте проведения работ. Иными словами, ИнтСУ принимает от системы текущие данные с целью контроля ее существующего статуса и определения краткосрочных действий, и при этом также принимает более долгосрочные меры с целью увеличения длительности работы и улучшения состояния системы.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления ИнтСУ управляет ежедневной зарядкой РВВ в зависимости от времени суток и предполагаемой или фактической нагрузки и зарядкой с более длительным циклом с целью оптимизации предельного количества циклов батарей. Режимы зарядки в целом определяются как суточный цикл и цикл профилактической зарядки.
В течение суточного цикла или фазы активной зарядки обычно происходит зарядка и разрядка РВВ в определенном интервале СЗ с учетом суточной нагрузки на систему. Обычно в течение суточного цикла ИнтСУ инициирует зарядку РВВ, когда СЗ составляет менее около 50%-60%, и прекращает зарядку РВВ, когда СЗ достигает около 75-80%. Согласно типичному сценарию суточный цикл включает период времени, на протяжении которого происходит разрядка РВВ за счет нагрузки (период времени, зависящий от фактической нагрузки), за которым следует цикл зарядки в течение 1-2 часов. Суточный цикл может повторяться несколько на протяжении суток или заданного периода времени в течение суток по команде ИнтСУ и/или в зависимости от сс программирования.
В течение цикла профилактической зарядки обычно происходит полная зарядка РВВ по истечении более длительного периода времени. В течение цикла профилактической зарядки обычно происходит полная зарядка РВВ в течение 4-8 часов, которая осуществляется периодически, например, каждые две недели работы или приблизительно через 20-100 зарядных циклов. В зависимости от РВВ до начала цикла профилактической зарядки СЗ может быть снижено до более низкого уровня, чем во время суточного цикла.
Важно, что, поскольку на протяжении суточного цикла эффективность преобразования топлива в электроэнергию является наивысшей при СЗ около 80%, во время работы ДВС не сжигается избыток топлива. Иными словами, на протяжении суточного цикла для непосредственной зарядки РВВ используется более высокая процентная доля доступной энергии ДВС, что означает, что система получает наибольшее количество энергии в пересчете на литр потребленного топлива. Иначе говоря, за счет работы ДВС только при СЗ батареи, при котором зарядные устройства способны обеспечивать ток стадии активной зарядки в отличие от фазы поглощения или поддержки, в систему поступает максимум энергии в результате преобразования ископаемого топлива в электроэнергию. Напротив, во время цикла профилактической зарядки, когда РВВ заряжается до 100% СЗ на протяжении всех трех фаз зарядки, степень преобразования литра топлива снижается, поскольку в фазах поглощения и поддержки, требующих меньшего количества доступной энергии ДВС, двигатель может работать преимущественно в холостом режиме. Соответственно, выгодно, чтобы СЗ батареи циклически изменялось в интервале, например, от 55% до 75% за период времени, в течение которого происходит отбор энергии РВВ. Напротив, если бы приходилось заряжать РВВ на 100% всякий раз, когда ее СЗ становится меньшим, чем 55%, пришлось бы значительно увеличить время работы ДВС, что привело бы к увеличению расхода топлива. В одном из вариантов осуществления в течение светового дня, когда не происходит отбора энергии светильниками, ИнтСУ не допускает работы ДВС, обеспечивая преобладание зарядки РВВ от солнечных батарей.
На фиг. 15 проиллюстрирован репрезентативный суточный зарядный цикл (зарядный цикл импульсного типа) РВВ в течение типичного 12-часового темного времени суток, когда может требоваться ДВС. Как показано, если темное время суток наступает в 18 часов и длится до 6 часов утра, в одном из вариантов осуществления предпочтительно, чтобы батареи могли разряжаться до СЗ около 50%, а затем подзаряжаться до СЗ около 80% в течение приблизительно 1,5-2-часового зарядного цикла. Соответственно, если в 18 часов, когда включаются светильники, СЗ батарей составляет около 80%, светильники будут отбирать энергию батарей в течение определенного периода времени (возможно, в течение 4-5 в зависимости от нагрузки). Когда СЗ батарей достигнет около 50%, включится ДВС с целью зарядки батарей и одновременного питания светильников. Когда СЗ батарей достигнет около 80%, ДВС выключится, и цикл будет повторяться до утра, когда светильники выключатся. Важно, что это циклическое изменение СЗ батарей импульсного типа обеспечивает минимальное время работы ДВС в ночное время для обеспечения достаточной энергии для зарядки и/или питания нагрузки. Например, на фиг. 15 показаны два цикла разрядки в течение 4 часов (например, с 18 до 22 часов) и 1,5-часовой цикл зарядки (например, с 22 часов до 23 часов 30 минут). В результате, сводится к минимуму расход топлива. В одном из вариантов осуществления периоды зарядки могут регулироваться вручную посредством устанавливаемого ручным способом контроллера(-ов), такого как таймер, во взаимодействии с устройством автозапуска ДВС и/или контроля напряжения, или в одном из предпочтительных вариантов осуществления с помощью ПЛК посредством внутреннего временного кодирования в сочетании автозапуском ДВС с функциональными возможностями контроля напряжения. Последний из этих двух вариантов осуществления может являться предпочтительным, поскольку в одном из примеров в случае отказа зарядного устройства система осуществит автоматическую коррекцию и просто станет расходовать дополнительное количество топлива в результате увеличения времени работы ДВС в связи с уменьшением подводимой электроэнергии, что может контролироваться, чтобы обнаруживать выход времени работы ДВС за базовый уровень. После его обнаружения у оператора есть время на ремонт без риска простоя.
Как отмечалось, цикл профилактической зарядки осуществляется на регулярной основе, когда ДВС работает достаточно долго (обычно 4-8 часов в случае свинцово-кислотной или AGM аккумуляторного блока) для полной зарядки РВВ до 100% СЗ.
В других вариантах осуществления в ИнтСУ запрограммированы различные длительности цикла профилактической зарядки в зависимости от месяца года. Например, в высоких широтах, где много солнечного света летом и мало зимой, в ИнтСУ может быть запрограммирован 3-часовой цикл профилактической зарядки летом и 7-часовой цикл профилактической зарядки зимой. В качестве альтернативы, может быть выгодным, чтобы зарядные устройства продолжали зарядку до достижения порогового напряжения, равного 100% СЗ, после чего ИнтСУ передает ДВС команду останова.
В других вариантах осуществления цикл профилактической зарядки, выбор времени работы зарядного устройства и/или параметры напряжения во всех случаях в соответствии с методом зарядки импульсного типа могут регулироваться вручную и/или путем автоматического кодирования, отвечающего конкретной потребности.
Могут быть реализованы другие режимы зарядки на основании конкретных рабочих характеристиках РВВ и/или зарядных устройств. Например, некоторые аккумуляторные блоки могут эффективно обеспечивать активную зарядку в более широком интервале значений СЗ (например, СЗ 30-80%). Аналогичным образом, цикл профилактической зарядки может включать разрядку батареи до более низкого СЗ (например, 0-10%) до полной зарядки. Если в заданных временных рамках желательно меньшее число зарядных циклов батареи, в другом варианте осуществления зарядка может происходить способом, в котором позволяют РВВ заряжаться и разряжаться в интервале между нижним порогом, например СЗ 20%, и верхним порогом СЗ 80%-100%. В этом варианте осуществления может быть предусмотрена всего одна зарядка в сутки, а цикл профилактической зарядки может не требоваться. В этом варианте осуществления ДВС может включаться вместе с системой освещения в ночное время и работать в течение запрограммированного периода времени или до достижения желаемого оператором верхнего порога СЗ.
Система подогрева теплоносителя (CHS) и система обогрева
В одном из вариантов осуществления, рассчитанном на холодный климат, и, как показано на фиг. 14, система содержит систему 26 подогрева теплоносителя - охлаждающей жидкости (CHS - от англ. Coolant Heating System), в которую входит нагреватель 26а теплоносителя (охлаждающей жидкости) для поддержания температуры запуска ДВС 32. В CHS содержится нагретый теплоноситель, который циркулирует через блок цилиндров ДВС, в особенности, когда ДВС не работает и не вырабатывает собственное тепло, и тем самым в ДВС поддерживается предпочтительная температура запуска двигателя и обеспечивается запуск ДВС при низких температурах окружающего воздуха. Это позволяет выключать ДВС, когда не требуется выработка электроэнергии, вместо того, чтобы он продолжал работать в холостом режиме, и тем самым снижать расход топлива в условиях холодного климата и уровень шума, связанного с работой ДВС, в большей степени, чем это иначе требуется, по сравнению с условиями более теплого климата. При работе CHS обычно сжигается небольшое количество топлива, достаточное для обогрева теплоносителя, по сравнению с расходом топлива ДВС в холостом режиме. За счет этого предварительного нагрева предотвращается избыточная работа ДВС в холостом режиме в холодную погоду просто с целью обеспечения готовности ДВС.
В одном из вариантов осуществления CHS 26а при необходимости также может подавать нагретый теплоноситель в аккумуляторный блок 30 батарей. В этом варианте осуществления поток теплоносителя между нагревателем теплоносителя и блоком батарей регулируется четырехходовым клапаном 26b, который поддерживает температуру аккумуляторного блока батарей в оптимальном рабочем диапазоне. В одном из вариантов осуществления четырехходовой клапан содержит терморегулируемый переключатель, который закрывает или открывает клапан, исходя из заданной минимальной пороговой температуры для аккумуляторного блока батарей, такой как 10-40°C.
Другие особенности интеллектуальной системы управления
ИнтСУ может иметь разнообразные особенности, обеспечивающие конкретные функциональные возможности, применимые или выгодные в конкретных случаях развертывания.
В одном из вариантов осуществления ИнтСУ выключает CHS, когда температура циркулирующего теплоносителя и/или блока цилиндров ДВС превышает заданный интервал температур, или когда температура циркулирующего теплоносителя является более низкой, чем заданный интервал температур, такой как от -5°C до +5°C. В этом варианте осуществления ИнтСУ может использовать терморегулируемый переключатель, указывающий состояние блока цилиндров ДВС и/или ДВС температуру теплоносителя.
В одном из вариантов осуществления ИнтСУ сконфигурирована на включение CHS только до передачи ДВС команды запуска.
Когда желательна и/или передана команда запуска ДВС, в одном из вариантов осуществления ИнтСУ может в зависимости от температуры окружающего воздуха, температуры ДВС, климатических условий или времени года задерживать передачу ДВС команды запуска и вместо этого передавать команду запуска системе обогрева, чтобы предварительно нагреть ДВС в течение установленного времени или до заданной пороговой температуры, и по его истечении или после ее достижения ИнтСУ или оператор передают команду выключения системе обогрева и команду запуска нагретому ДВС.
В одном из вариантов осуществления CHS управляется терморегулируемым переключателем. В этом варианте осуществления в ДВС постоянно поддерживается температура в заданном интервале, в результате чего ДВС находится в постоянной "готовности" к команде запуска независимо от температуры окружающего воздуха.
В одном из вариантов осуществления оператор может вручную запускать CHS до запуска ИнтСУ. В другом варианте осуществления оператор может управлять программируемым таймером, который управляет запуском и остановом CHS.
В различных вариантах осуществления, в качестве CHS может использоваться система Webasto™ или Espar™, размер которой выбран в зависимости от ДВС.
Преобразующие переменный ток в постоянный ток зарядные устройства РВВ
Как описано выше, для оптимизации расхода топлива важно, чтобы вся система регулировала и извлекала наибольшее количество полезной энергии во время работы двигателя.
В связи с этим с учетом размера ДВС, потребляемой энергии системы освещения и размера РВВ выбраны преобразующие переменный ток в постоянный ток зарядные устройства. Как отмечено выше, ИнтСУ регулирует, когда и как зарядные устройства снабжают энергией РВВ и обычно использует двухстадийный и трехстадийный способ или алгоритм зарядки.
На стадии активной зарядки зарядные устройства подают в батареи ток, близкий к своему максимальному номинальному подводимому току, который в одном из примеров составляет 40 ампер на зарядное устройство. На двух остальных стадиях (т.е. стадиях поглощения и поддержки) зарядные устройства подают в батарею меньший ток в амперах на час работы ДВС, который в этом примере может составлять 8 ампер на стадии поглощения и 4 ампера на стадии поддержки.
Другой особенностью уменьшения времени работы ДВС с помощью зарядных устройств является выбор размера зарядного устройства относительно аккумуляторного блока батарей и потребляемой энергии системы освещения таким образом, чтобы ограничить время работы двигателя. В качестве примера, в одном из вариантов осуществления ток, потребляемый светильниками, может составлять 40 ампер, а зарядная емкость РВВ составляет 800 ампер-час. В этом варианте осуществления в системе используются 4 зарядных устройства по 40 ампер. По мере отбора тока из РВВ светильниками СЗ снижается, пока ИнтСУ не обнаруживает, что СЗ достигло минимального порога, которым в этом случае может являться СЗ 50%. В этом момент ИнтСУ запускает ДВС, и все 4 зарядных устройства начинают подавать ток в общей сложности 160 ампер, из которых 40 ампер расходуют светильники, а остальные 120 ампер используются для зарядки РВВ. СЗ определяется путем выборочного контроля напряжения, вычисления входного/выходного тока или другим способом определения остающейся энергии в блоке батарей или процента остающегося заряда, известным специалистам в данной области техники.
Кроме того, за счет управления зарядными устройствами описанным выше способом достигается масштабируемость освещения при использовании заданной системы. Например, если пользователю потребовалось бы больше света, система могла бы обеспечить дополнительный ток для новых светильников, что автоматически приводит в увеличению времени работы двигателя. В то же время, если ИнтСУ была бы оснащена компонентами, позволяющими пользователю вручную устанавливать время работы двигателя, пользователю пришлось бы разбираться в том, как рассчитывать новое время работы двигателя, и/или знать алгоритмы работы солнечных батарей и/или зарядных устройств, а также другие особенности системы, чтобы исключить полную разрядку батарей вследствие недостаточного времени работы ДВС и/или недостаточной зарядки. Тем не менее, в другом варианте осуществления, в котором масштабируемость, гибкость или сокращение затрат на рабочую силу не имеют такого значения, ИнтСУ может быть оснащена контроллерами, в которых используются циферблаты, переключатели, кнопки, приводы, таймеры, цифровые таймеры или другие цифровые контроллеры, которые во всех случаях позволяют оператору вручную кодировать функции системы, исходя из известного отбора энергии и других известных характеристик. В другом варианте осуществления в основе графика работы ДВС может лежать сочетание ручного кодирования и автоматического определения СЗ.
Функциональные возможности в зависимости от географического положения
В одном из вариантов осуществления светильники включаются/выключаются в зависимости от закодированных в ИнтСУ моментов восхода/захода для различных географических районов. Это избавляет оператора от необходимости вручную устанавливать график работы светильников в зависимости от изменений долготы дня и времени восхода/захода солнца в течение года. В одном из вариантов осуществления система содержит главный глобальный алгоритм расчета времени восхода/захода, закодированный в ИнтСУ. В одном из вариантов осуществления оператор может использовать ручные тумблеры, циферблаты, приводы и т.п., чтобы сообщать ИнтСУ, какой график включения/выключения светильников следует использовать. В другом варианте осуществления ИнтСУ принимает сигналы обратной связи от бортовой GPS и управляет графиком включения/выключения светильников в соответствии с потребностями в данном географическом районе. Для снижения вовлеченности оператора в управление системой используется функция автозапуска ДВС и закодированный график включения/выключения светильников под управлением ИнтСУ.
Энергия собственных нужд
На случай потребности в энергии (мощности) собственных нужд в одном из вариантов осуществления ИнтСУ автоматически включает ДВС с целью обеспечения энергии собственных нужд, которая может потребоваться в схеме аккумуляторного блока батарей и/или точке отбора переменного и/или постоянного тока в системе. В другом варианте осуществления оператор может вручную управлять ДВС путем переключения ИнтСУ из автоматического режима в ручной режим с целью обеспечения энергии собственных нужд.
Система предпочтительно рассчитана на сведение к минимуму времени, в течение которого может работать ДВС в ночные часы, с целью уменьшения шумового воздействия на месте проведения работ, вблизи которого может находиться отдыхающий персонал.
Важно, что за счет использования в множества источников подводимой энергии и отдания приоритета возобновляемым источникам энергии система способна действовать более эффективно с меньшими требованиями к техническому обслуживанию с точки зрения как расхода топлива, так и затрат рабочего времени.
Объединение в сеть
В одном из вариантов осуществления система также содержит модем 62 или GPS (не показанный), позволяющий передавать центральному контролирующему компьютеру 60 данные, собранные в системе 10. Центральный компьютер может позволять объединять в сеть множество систем 10 на одном месте проведения работ и тем самым позволять персоналу контролировать характеристики множества устройств. Централизованный контроль может применяться с целью эффективного контроля уровней расхода топлива несколькими устройствами в целях планирования дозаправки и составления графиков доставки топлива. Аналогичным образом, может осуществляться контроль работы ДВС, нагревателя теплоносителя, ветряной установки, солнечной батареи и/или осветительной вышки в целях обеспечения их характеристик и технического обслуживания.
Данные, собранные компьютером 60, модемом 62 и/или GPS на месте проведения работ, также могут передаваться центральной системе по сети Интернет и/или по сети сотовой и/или спутниковой связи с целью контроля парка оборудования в пределах широкомасштабной сети. В связи с этим каждая система также может быть оснащена GPS для контроля местоположения оборудования и передачи данных.
Прочие конструктивные особенности
Следует отметить, что в некоторых климатических условиях с большим числом солнечных дней, когда солнечная батарея занимает большую поверхность, может обеспечиваться круглогодичное автономное освещение без расхода топлива; тем не менее, это обычно происходит только, если потребляемая мощность светоизлучающих диодов снижена до уровня, при котором может не обеспечиваться светоотдача, сравнимая со светоотдачей стандартной осветительной вышки с металлогалогенными лампами. Если при разумно выбранной площади поверхности, занимаемой солнечными элементами передвижной осветительной вышки, мощность СИД в ваттах выбрана из расчета обеспечения светоотдачи, сравнимой со светоотдачей стандартной осветительной вышки с металлогалогенными лампами, должен иметься источник вспомогательной энергии (т.е. ДВС) для дополнения годовой потребности в электроэнергии. Кроме того, при выборе мощности СИД в ваттах следует поддерживать равновесие между количеством света, обеспечиваемого СИД, и приемлемыми уровнями снижения экономии топлива. Например, может быть более целесообразным выбрать меньшую светоотдачу ради большей экономии топлива и времени работы ДВС, а в другом случае может требоваться больше света, в результате чего экономится меньше топлива, чем в иных случаях, но, тем не менее, больше, чем при использовании металлогалогенных ламп на стандартной осветительной вышке.
Также предпочтительно использовать систему, которая способна обеспечивать экономию топлива без ущерба для потребностей в освещении. Например, если СИД мощностью 1000 ватт обеспечивают такое же освещение, как стандартная осветительная вышка с металлогалогенными лампами мощностью 4000 ватт, т.е. потребление энергии снижено приблизительно на 75%, то в сочетании со стандартным источником солнечной энергии и/или энергии ветра для определенного географического положения расход топлива, затраты на обслуживание и износ системы могут снижаться на 60-95%.
Пользовательский интерфейс
В одном из вариантов осуществления предусмотрен пользовательский интерфейс 100, который упрощает развертывание и эксплуатацию системы. Как показано на фиг. 16, после установки системы на месте проведения работ оператор может полностью развертывать систему и управлять ей с использованием минимального числа физических нажатий клавиш. В одном из вариантов осуществления для управления всей системой может использоваться система трех переключателей, называемая трехклавишным установочным интерфейсом (3TSI, от английского - 3-Touch Setup Interface). Как показано на фиг. 16, интерфейс содержит переключатели 100а, 100b солнечных батарей, переключатель 100 с мачты и управляющий переключатель 102 ДВС/освещения. солнечные батареи могут развертываться и регулироваться с помощью простых тумблеров 100а, 100b, или в другом варианте осуществления солнечные батареи могут управляться с помощью одного тумблера или в другом варианте осуществления с помощью нескольких переключателей, обеспечивающих различный осевой наклон для ориентации солнечных батарей по солнцу. Установка мачты осуществляется с помощью аналогичного тумблера 100с. ДВС/светильники могут находиться в одном из трех состояний: выключенном состоянии, состоянии работы в автоматическом режиме, когда ИнтСУ полностью управляет работой системы, светильников и ДВС, и состоянии работы в ручном режиме, когда оператор может вручную включать ДВС, а светильники могут продолжать работать в автоматическом режиме под управлением ИнтСУ. В другом варианте осуществления за счет применения трехклавишного установочного интерфейса переключатель, управляющий светильниками и ДВС, может иметь более трех положений, что позволяет оператору варьировать выбор способа объединения интеграции функций светильников, ДВС и других функций системы, например, четыре или более положений. В другом варианте осуществления может быть предпочтительным четырехклавишный установочный интерфейс (4TSI), и в этом случае предусмотрен отдельный переключатель для управления функциями ДВС и отдельный переключатель для управления функциями светильников, при это оба переключателя имеют положения выключения, включения и автоматического включения, последнее из которых позволяет ИнтСУ управлять функционированием ДВС и/или светильников. В других вариантах осуществления система управления освещением может включать все светильники сразу или каждый светильник по отдельности. В другом варианте осуществления функционированием ДВС может управлять контроллер автозапуска ДВС, рассчитанный на выключенное состояние, включенное состояние или состояние работы в ручном режиме.
Хотя настоящее изобретение описано и проиллюстрировано на примере предпочтительных вариантов осуществления и их предпочтительных применений, его не следует ограничивать ими, поскольку в него могут быть внесены модификации и изменения, не выходящие за пределы полного предполагаемого объема изобретения в понимании специалистов в данной области техники.