АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ С КИНЕТИЧЕСКИМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM WITH KINETIC ENERGY STORAGE

Область техники
Изобретение относится к автономным энергетическим системам, предназначенным для электроснабжения объектов, удаленных от централизованных электрических сетей.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известна автономная энергетическая установка (РФ патент №2686844), предназначенная для энергоснабжения объектов, удаленных от центрального энергоснабжения, которая содержит аппаратный и топливный отсек, расположенные внутри корпуса, первичный источник энергии в виде источника возобновляемой энергии, вторичный источник энергии в виде топливного генератора с воздушным охлаждением, расположенного на теплопроводящей подложке с нагревательным элементом в термоизолированном шкафу топливного отсека, накопители энергии в виде аккумуляторных батарей и блок управления установкой, расположенные в климатическом шкафу аппаратного отсека.
Недостатком данной автономной энергетической установки является низкая стабильность покрытия недостатка генерируемой энергии фотоэлектрической батареей и ветроустановкой вследствие ухудшения характеристик аккумуляторных батарей при отрицательных температурах, уменьшения в процессе эксплуатации емкости аккумуляторной батареи и малое количество циклов разряд-заряд аккумуляторной батареи по сравнению с другими накопителями энергии.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является автономная энергоустановка (патент РФ №77948), которая содержит энергоустановку на возобновляемых источниках энергии, состоящую из ветроустановки и/или фотоэлектрической батареи, и аккумуляторную батарею, систему автоматического управления, обеспечивающую различные алгоритмы работы установки и подключения потребителя в зависимости от нагрузки, к устройствам, входящим в автономную энергоустановку, водородный накопитель, подсоединенный к системе автоматического управления и включающий соединенные между собой электролизер воды, подключенный к энергоустановке на возобновляемых источниках энергии, ресивер водорода, ресивер кислорода и батарею топливных элементов, подключенную к потребителю.
Недостатком данной автономной энергетической установки является низкая стабильность покрытия недостатка генерируемой энергии фотоэлектрической батареей и ветроустановкой вследствие ухудшения характеристик аккумуляторных батарей при отрицательных температурах, уменьшения в процессе эксплуатации емкости аккумуляторной батареи и малое количество циклов разряд-заряд аккумуляторной батареи по сравнению с другими накопителями энергии, а также низкой скорости выхода топливных элементов на максимальную мощность.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение стабильности функционирования энергоустановки, использующей в качестве генераторов энергии солнечную батарею и ветроустановку, а в качестве накопителей энергии электрохимические аккумуляторные батареи и водородный накопитель.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение обеспечения потребителей электроэнергией с необходимой мощностью при любых температурах в периоды отсутствия или недостатка генерации электроэнергии от фотоэлектрической батареи и ветроустановки.
Для достижения технического результата предложена автономная система энергоснабжения с кинетическим накопителем энергии, состоящая из ветроустановки и фотоэлектрической батареи, образующих систему генерации энергии, аккумуляторной батареи, электролизера, емкости для хранения водорода и кислорода, топливного элемента, образующих систему накопления энергии, системы автоматического управления, обеспечивающей различные алгоритмы работы установки и подключения потребителя в зависимости от нагрузки к устройствам, при этом, она дополнительно содержит кинетический накопитель энергии, соединенный с системой автоматического управления, устройство контроля и распределения энергии, соединенное с системами генерации и накопления энергии, системой автоматического управления и устройством контроля и преобразования энергии, устройство контроля и преобразования энергии, соединенное с системой накопления, устройством контроля и распределения энергии, системой автоматического управления и потребителем, устройство преобразования и перераспределения энергии между накопителями, соединенное с кинетическим накопителем энергии, аккумуляторной батареей, водородным накопителем и системой автоматического управления.
В светлое время суток электроэнергия, генерируемая фотоэлектрической батареей и ветроустановкой (в случае наличия ветра) передается потребителю. В случае если суммарная генерирующая мощность фотоэлектрической батареи и ветроустановки выше мощности потребителя, избыточная часть генерируемой электроэнергии поступает в кинетический накопитель энергии, аккумуляторную батарею, электролизер. В случае если суммарная генерирующая мощность генерации фотоэлектрической батареи и ветроустановки ниже мощности потребителя, ее недостаток компенсируется кинетическим накопителем энергии, топливным элементом, аккумуляторной батареей в перечисленном порядке приоритета.
В темное время суток и/или в отсутствие генерации от фотоэлектрической батареи электропитание потребителя осуществляется от ветроустановки (в случае наличия ветра), кинетического накопителя энергии, топливного элемента, аккумуляторной батареи в перечисленном порядке приоритета.
Порядок приоритета заряда и разряда накопителей энергии реализуется системой автоматического управления. Кинетический накопитель энергии является краткосрочным накопителем энергии (хранение энергии от нескольких секунд до нескольких часов), потребляющим в том числе кратковременные пики генерации возобновляемых источников энергии (например, вследствие порывов ветра и переменной облачности) и, затем, передающим энергию потребителю и/или аккумуляторной батарее и/или водородному накопителю, водородный накопитель - долгосрочным (хранение энергии от нескольких часов до нескольких месяцев), что позволяет наиболее эффективно использовать данные устройства. Аккумуляторная батарея используется в качестве резервного накопителя энергии ввиду проблемы ее зарядки при отрицательных температурах, а также ограниченного количества циклов заряд-разряд.
В зависимости от мощности потребителя, его местоположения и параметров функционирования, автономная система энергоснабжения с кинетическим накопителем энергии может масштабироваться.
Краткое описание чертежей
На фигуре приведена схема автономной системы энергоснабжения с кинетическим накопителем, где:
1 - система автоматического управления;
2 - фотоэлектрическая батарея;
3 - ветроустановка;
4 - потребитель;
5 - устройство контроля и распределения энергии;
6 - устройство преобразования и перераспределения энергии между накопителями;
7 - кинетический накопитель энергии;
8 - аккумуляторная батарея;
9 - электролизер;
10 - емкость для хранения водорода;
11 - емкость для хранения кислорода;
12 - топливный элемент;
13 - устройство контроля и преобразования энергии.
Осуществление изобретения
Фотоэлектрическая батарея 2 и ветроустановка 3 образуют систему генерации энергии.
Аккумуляторная батарея 8, кинетический накопитель энергии 7 на основе маховика и водородный накопитель энергии, включающий электролизер 9, емкости для хранения водорода 10 и кислорода 11 образуют систему накопления энергии.
Фотоэлектрическая батарея 2 и ветроустановка 3, посредством токопроводящих линий (на фигуре сплошная линия) соединена с устройством контроля и распределения энергии 5, которое посредством токопроводящих линий соединено с устройством контроля и преобразования энергии 13, а также с кинетическим накопителем энергии 7, аккумуляторной батареей 8, водородным накопителем, который состоит из соединенных электролизера 9, емкости для хранения водорода 10, емкости для хранения кислорода 11 и топливного элемента 12, которые посредством токопроводящих линий также соединены с устройством контроля и преобразования энергии 13, которое посредством токопроводящих линий соединено с потребителем 4. Кинетический накопитель энергии 7 соединен токопроводящими линиями с устройством преобразования и распределения энергии между накопителями 6, которое посредством токопроводящих линий соединено с аккумуляторной батареей 8 и электролизером 9. Система автоматического управления 1 соединена с элементами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 посредством информационно-управляющих линий (на фигуре пунктирная линия).
Ввиду стохастического характера генерируемой мощности возобновляемыми источниками энергии 2, 3 при приеме данной мощности существенна скорость приема заряда накопителей энергии 7, 8, 9. Кинетический накопитель энергии 7 обладает наименьшим временем заряда по сравнению с остальными накопителями, представленными в данной системе, однако также имеет наименьшее время саморазряда. Кроме того, кинетический накопитель энергии 7 обладает высоким коэффициентом полезного действия при краткосрочном хранении энергии.
Исходя из вышеперечисленных фактов, предлагается использовать кинетический накопитель энергии 7 для приема, в том числе кратковременных пиков генерации возобновляемых источников энергии 2, 3, затем эта энергия может передаваться потребителю 4 и/или аккумуляторной батарее 8 и/или электролизеру 9 для генерации водорода.
В период времени, когда суммарная мощность генерации фотоэлектрической батареи 2 и ветроустановки 3 выше мощности потребителя 4, фотоэлектрическая батарея 2 и ветроустановка 3 генерируют электроэнергию, которая поступает на устройство контроля и распределения энергии 5. На основе данных по генерации электроэнергии фотоэлектрической батареей 2 и ветроустановкой 3 и энергопотреблению, полученных от фотоэлектрической батареи 2, ветроустановки 3 и потребителя 4 системой автоматического управления 1, система автоматического управления 1 осуществляет управление устройством контроля и распределения энергии 5, которое направляет необходимую часть электроэнергии потребителю 4 через устройство контроля и преобразования энергии 13, а невостребованную потребителем электроэнергию направляет на кинетический накопитель энергии 7, аккумуляторную батарею 8 и электролизер 9. Электролизер 9 генерирует водород, который запасается в емкости для хранения водорода 10. Количество энергии, передаваемое каждому накопителю, определяется и контролируется автоматической системой управления 1. После прекращения генерации энергии фотоэлектрической батареей 2 и/или ветроустановкой 3 и/или полной зарядки кинетического накопителя энергии 7, заряд кинетического накопителя энергии 7 перераспределяется на потребителя 4 через устройство контроля и преобразования энергии 13 и/или на аккумуляторную батарею и/или на электролизер 9 через устройство преобразования и перераспределения энергии между накопителями 6.
В период, когда мощность потребителя 4 выше суммарной мощности генерации фотоэлектрической батареи 2 и ветроустановки 3, ее недостаток компенсируется путем передачи необходимой энергии от кинетического накопителя энергии 7 и/или аккумуляторной батареи 8 и/или топливного элемента 12, мощность в котором генерируется превращением химической энергии водорода, запасенного в емкости для хранения водорода 10 и химической энергии кислорода, который хранится в емкости для хранения кислорода 11, потребителю 4 через устройство контроля и преобразования энергии 13 на основе данных, полученных от фотоэлектрической батареи 2, ветроустановки 3, накопителей и потребителя 4 автоматической системой управления 1. Количество энергии, передаваемое от каждого накопителя, определяется и контролируется автоматической системой управления 1.
При положительных температурах кинетический накопитель энергии 7 предлагается использовать в качестве краткосрочного накопителя, а водородный накопитель, состоящий из электролизера 9, емкости для хранения водорода 10, емкости для хранения кислорода 11 и топливного элемента 12 - в качестве долгосрочного накопителя. Ввиду меньшего количества циклов разряд-заряд аккумуляторной батареи 8 по сравнению с кинетическим накопителем энергии 7 и водородным накопителем, состоящим из электролизера 9, емкости для хранения водорода 10, емкости для хранения кислорода 11 и топливного элемента 12, она используется в качестве резервного краткосрочного накопителя.
При отрицательных температурах топливный элемент 12 непрерывно работает в маломаневренном режиме, близком к номинальному, что исключает возможность его замерзания. Кинетическим накопителем энергии 7 осуществляется покрытие дефицита мощности топливного элемента 12, а также передача энергии электролизеру 9 через устройство преобразования и перераспределения энергии между накопителями 6 для поддержания работы топливного элемента 12, либо полное обеспечение электроэнергией потребителя 4 при отключении топливного элемента 12. Аккумуляторная батарея 8 заранее заряжается и используется в качестве накопителя глубокого резерва, ввиду падения ее емкости и проблемы заряда при отрицательных температурах.
Значение КПД кинетического накопителя энергии 7 без учета хранения энергии достигает 98%, а также кинетический накопитель энергии имеет меньшее время заряда и разряда и большее количество циклов зарядка-разрядка в сравнении с аккумулятором. Температурный диапазон эксплуатации кинетического накопителя энергии 7 составляет от -60°С до +80°С. Количество циклов зарядка-разрядка кинетического накопителя энергии 7 за один час составляет не менее 7, время подхвата от 0,02 с до 2 с, а также КПД при хранении до 60 минут - >90% и КПД при хранении до 5 часов - >85%.
Таким образом, совокупность указанных выше технических признаков позволяет автономной системе энергоснабжения с кинетическим накопителем энергии обеспечивать надежное электроснабжение потребителя, в том числе в условиях как низких, так и высоких температур.