АВТОНОМНАЯ ГИБРИДНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И БЛОК И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ
STAND-ALONE HYBRID POWER SUPPLY SYSTEM FOR ELECTRIC EQUIPMENT AND SYSTEM CONTROL UNIT AND METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к автономной гибридной системе электропитания для электрооборудования, в частности телекоммуникационной станции, такой как базовая станция сотовой сети. Система электропитания может являться передвижной.
Уровень техники
В настоящее время телекоммуникационные операторы вынуждены внедрять телекоммуникационные сотовые сети в странах и регионах без доступа к электрораспределительной сети. Станция в данной телекоммуникационной сети должна быть автономной в плане потребления электроэнергии и не должна требовать какого-либо обслуживания. В дополнение к автономности, станция должна соответствовать требованиям мобильности, доступности и защищенности, если она используется спасательными командами во время стихийных бедствий, массовых конфликтов и/или в изолированных районах; кроме того, стоимость ее обслуживания должна способствовать ее доступности в бедных регионах.
Известные автономные гибридные системы электропитания не в полной мере соответствуют данным требованиям. Они в целом включают возобновляемый вырабатывающий электричество источник энергии, гарантирующий относительную автономность, модуль накопления электроэнергии, и контрольный блок, обеспечивающий относительно постоянное электропитание телекоммуникационной станции.
Наиболее часто возобновляемый источник энергии включает несколько возобновляемых энергетических элементов и является гибридным, таким как ветряной генератор или фотогальванические солнечные панели. Данное решение обладает недостатками. Например, слишком высокая мачта ветряной турбины, на вершине которой расположена телекоммуникационная станция, делает ее нетранспортабельной, при этом станция является труднодоступной. В соответствии с другим примером, большое количество ветряных станций и/или слишком больших или слишком многочисленных солнечных панелей является неподходящим для использования в передвижной системе электропитания.
Модуль накопления электроэнергии может включать свинцово-кислотную электробатарею, обладающую недостатками, связанными с большим размером и весом, что усложняет ее защиту в передвижном контейнере, таком как "укрытие". Более того, срок службы батареи сокращается при увеличении температуры на месте установки питающей системы, при этом батарея обладает склонностью к раздуванию при нагреве.
Модуль накопления электроэнергии чаще всего связан с электрогенерирующей установкой, которой может являться дизельный генератор или топливный элемент. Электрогенерирующая установка позволяет избегать разряда батареи, связанного с недостаточностью возобновляемой энергии, например в течение периодов отсутствия ветра и/или солнечного света, включая ночь, в течение нескольких дней. Электрогенератор является шумным, вырабатывает вредный для окружающей среды дым и является дорогим в плане топлива. Он требует частого обслуживания и установки бака, содержащего топливо, которое может быть украдено.
В целях преодоления недостатков генератора последний может быть заменен топливным элементом, обеспечивающим бесперебойность электропитания. Топливом элемента может быть метанол или водород. В метаноловом топливном элементе метанол регенерируется для получения водорода, питающего топливный элемент без попадания в него углекислого газа. Метанол не может быть получен на месте, его запас должен храниться и пополняться. Аналогично, водород в водородном топливном элементе должен храниться при высоком давлении в баллонах для перезаправки.
Водород может вырабатываться на постоянной основе через электролиз воды для исключения необходимости пополнения запаса топлива. В данном случае водород, выработанный электролизной установкой, должен быть сжат при очень высоком давлении и храниться в баллонах на месте, что требует тяжелого, сложного и дорогостоящего оборудования, являющегося несовместимым с передвижной системой электропитания. Более того, регламентация, связанная с хранением водорода под высоким давлением, является ограничивающей, при этом должна быть обеспечена безопасность хранения водорода, например путем обслуживания. Должно быть обеспечено наличие источника воды на месте для работы электролизной установки.
В целях преодоления недостатков хранения водорода в баллонах недавно были разработаны водородные баки на основе обратимой реакции гидратации. Тем не менее электрохимическая энергетическая установка, включающая водородный топливный элемент, электролизную установку и водородный бак данного типа, не обеспечивает автономность электролизной установки в плане воды.
Во всех системах электропитания энергетическая установка, включающая топливные элементы, обладает высокой стоимостью, продолжительностью работы несколько тысяч часов и низким выходом.
Сущность изобретения
Изобретение предусматривает автоматическое управление системой электропитания электрооборудования, одинаково способного получать питание от нестабильного источника электропитания, модуля накопления электроэнергии и газовой электрохимической энергетической установки с максимальным уменьшением степени использования электрохимической энергетической установки для питания оборудования и, таким образом, с увеличением продолжительности срока службы электрохимической энергетической установки и автономности системы электропитания и снижением интенсивности ее обслуживания.
С этой целью способ обеспечения бесперебойности электропитания электрооборудования, то есть способ, предусматривающий использование модуля накопления электроэнергии и газовой электрохимической энергетической установки, характеризуется тем, что электропитание указанного электрооборудования преимущественно обеспечивается нестабильным источником питания и включает:
питание оборудования за счет модуля накопления электроэнергии и электрохимической энергетической установки для получения и накопления топлива в электрохимической энергетической установке, когда мощность источника превосходит рабочую мощность оборудования, а модуль накопления электроэнергии достигает первого порогового значения мощности, такого как значение мощности при полном заряде, и
расход топлива в электрохимической энергетической установке, питание оборудования за счет электрохимической энергетической установки и заряд модуля накопления электроэнергии за счет электрохимической энергетической установки, когда мощность модуля накопления электроэнергии достигает второго порогового значения мощности, находящегося ниже первого порогового значения, до достижения модулем накопления электроэнергии, заряжаемым за счет электрохимической энергетической установки, первого порогового значения мощности.
В соответствии с данным изобретением, электрохимическая энергетическая установка производит и накапливает топливо лишь в том случае, если соблюдено конкретное двойное условие, связанное с превышением мощностью нестабильного источника рабочей мощности оборудования и мощности модуля накопления электроэнергии, являющейся, по меньшей мере, равной первому пороговому значению мощности, такому как пороговое значение при полном заряде. Электрохимическая энергетическая установка активируется лишь в том случае, если соблюдено одно конкретное условие, связанное с достижением мощностью модуля накопления электроэнергии, включающего, по меньшей мере, одну батарею, второго порогового значения мощности, такого как пороговое значение при разряде. Данные два условия позволяют минимизировать использование топливной электрохимической энергетической установки и максимизировать использование нестабильного источника питания и модуля накопления электроэнергии для питания оборудования. Срок службы топливного элемента, являющегося частью энергетической установки, не зависит от вырабатываемой им мощности, однако зависит от количества включений и отключений элемента, в то время как батарея, являющаяся частью модуля накопления электроэнергии, обладает долгим сроком службы вплоть до нескольких лет, даже если она подвергается большому количеству циклов заряда и разряда. Вышеупомянутые условия также снижают необходимую частоту обслуживания питающей системы, в частности электрохимической энергетической установки.
Нестабильный источник питания может быть возобновляемым питающим устройством или электрораспределительной сетью с малой надежностью.
В дополнение к вышеупомянутым этапам, способ управления в соответствии с изобретением также включает следующие этапы, подлежащие осуществлению в случае, если мощность модуля накопления электроэнергии не достигает второго порогового значения мощности, без использования энергии, накопленной в электрохимической энергетической установке, и заключающиеся в:
питании оборудования за счет источника и заряде модуля накопления электроэнергии за счет нестабильного источника питания, когда мощность источника превосходит рабочую мощность оборудования, а мощность модуля накопления электроэнергии находится между первым и вторым пороговым значением мощности, и
питании оборудования за счет, по меньшей мере, модуля накопления электроэнергии, когда мощность нестабильного источника питания находится ниже уровня рабочей мощности оборудования, а мощность модуля накопления электроэнергии находится между первым и вторым пороговым значением мощности.
На втором описанном выше этапе питание оборудования за счет, по меньшей мере, модуля накопления электроэнергии, означает, что оборудование может одновременно питаться за счет модуля накопления электроэнергии и нестабильного источника или исключительно за счет модуля накопления электроэнергии, если соблюдены следующие два условия: мощность нестабильного источника находится ниже рабочей мощности оборудования и, таким образом, может быть нулевой, а мощность модуля накопления электроэнергии превышает второе пороговое значение мощности, находясь между двумя пороговыми значениями мощности.
Управление бесперебойностью электропитания оборудования может быть автоматически осуществлено с помощью блока управления для управления питанием электрохимической энергетической установки в зависимости от заряда модуля накопления электроэнергии. В данном случае, в целях поддержания автономности системы электропитания, питание блока управления синхронизировано с питанием оборудования, при этом оборудование и блок управления компенсируют заряд системы, бесперебойность электропитания которой должна быть гарантирована.
Электрохимическая энергетическая установка может быть предусмотрена в самостоятельном виде или доукомплектована еще одной электрохимической энергетической установкой в целях увеличения производительности модуля накопления электроэнергии и достижения желаемой скорости подзарядки последнего. В соответствии с конкретным вариантом осуществления изобретения, предусматривающим использование топливного элемента, например водородного топливного элемента, в отношении каждой электрохимической энергетической установки могут быть предусмотрены этапы, заключающиеся в:
производстве топлива электролизной установкой и накапливании полученного топлива в баке, когда электролизная установка питается за счет источника, и
переносе топлива из бака в топливный элемент, когда мощность модуля накопления электроэнергии достигает второго порогового значения мощности, и до тех пор, пока мощность модуля накопления электроэнергии, обеспечивающаяся топливным элементом, достигнет первого порогового значения мощности.
В соответствии с другой характеристикой изобретения, автономность в плане воды, подаваемой в электролизную установку, обеспечивается за счет конденсации пара из наружного воздуха в водоконденсат при расходе водорода. Накопление водорода может включать адсорбцию водорода с помощью сплава с образованием гидрида, а конденсация может осуществляться за счет переноса тепла из воздуха с паром в эндотермическую реакцию гидрида в сплаве.
Изобретение также относится к блоку управления для обеспечения бесперебойности питания электрооборудования, способного получать питание преимущественно от нестабильного источника питания, при этом оборудование может быть дополнительно снабжено модулем накопления электроэнергии и газовой электрохимической энергетической установкой. Блок управления характеризуется тем, что он включает следующие средства в связи с вышеупомянутыми конкретными условиями:
средства питания оборудования за счет источника, то есть модуль накопления электроэнергии и электрохимическую энергетическую установку для получения и хранения топлива в электрохимической энергетической установке, когда источник способен вырабатывать мощность, превосходящую рабочую мощность оборудования, а мощность модуля накопления электроэнергии, по меньшей мере, равна первому пороговому значению мощности, и
средства для расхода топлива в электрохимической энергетической установке, питание оборудования за счет электрохимической энергетической установки и заряд модуля накопления электроэнергии за счет электрохимической энергетической установки, когда мощность модуля накопления электроэнергии равна второму пороговому значению мощности, находящемуся ниже первого порогового значения, до достижения модулем накопления электроэнергии, заряжаемым за счет электрохимической энергетической установки, первого порогового значения мощности.
В целях контроля работы данных средств контрольными средствами типа программируемого контроллера, блок управления может включать переключатели, соединенные с источником и электрохимической энергетической установкой, а также конвертеры тока, соединенные с модулем накопления электроэнергии, оборудованием и электрохимической энергетической установкой. Контрольные средства могут быть способны контролировать переключатели и конвертеры таким образом, что электрохимическая энергетическая установка способна питать оборудование и модуль накопления электроэнергии, когда мощность модуля накопления электроэнергии равна второму пороговому значению мощности, и до тех пор, пока мощность модуля накопления электроэнергии, заряжаемого за счет электрохимической энергетической установки, не достигнет первого порогового значения, так что, по меньшей мере, модуль накопления электроэнергии способен питать оборудование, когда мощность нестабильного источника питания составляет меньше рабочей мощности оборудования, а мощность модуля накопления электроэнергии лежит в диапазоне от первого до второго порогового значения мощности.
В целях соблюдения вышеупомянутых условий, а именно зависимости от значений различных мощностей, блок управления в соответствии с изобретением может включать средства для измерения вырабатываемой источником мощности, средства измерения вырабатываемой электрохимической энергетической установкой мощности, когда электрохимическая энергетическая установка способна обеспечивать заряд модуля накопления электроэнергии, средства управления напряжением электролизной установки, включенной в электрохимическую энергетическую установку, средства для измерения рабочей мощности оборудования и средства для измерения мощности модуля накопления электроэнергии.
Изобретение также относится к системе электропитания электрооборудования, контролируемого блоком управления в соответствии с данным изобретением. Система включает нестабильный источник питания, модуль накопления электроэнергии и газовую электрохимическую энергетическую установку и характеризуется тем, что нестабильный источник питания представляет собой возобновляемый источник энергии, способный включать один или несколько ветряных генераторов и/или одну или несколько солнечных панелей.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, система включает модуль накопления электроэнергии и газовую электрохимическую энергетическую установку и характеризуется тем, что нестабильный источник питания представляет собой электрораспределительную сеть. В данном варианте осуществления система работает в качестве экстренной вспомогательной системы, когда электрораспределительная сеть не работает или когда поступающая к последней мощность слишком мала для питания оборудования.
В данных двух вариантах осуществления изобретения система электропитания может быть полностью автономной в плане электричества, топлива и воды, отключенной, модулируемой и не оказывающей негативного влияния на окружающую среду, обладать сроком службы, по меньшей мере, около пятнадцати лет и требовать незначительного обслуживания.
В целях увеличения срока службы системы модуль накопления электроэнергии может включать, по меньшей мере, одну литий-ионную батарею.
В случае, если электрохимическая энергетическая установка включает топливный элемент, данный топливный элемент способен питать оборудование и заряжать модуль накопления электроэнергии, когда мощность модуля накопления электроэнергии равна второму пороговому значению мощности, и до тех пор, пока мощность модуля накопления электроэнергии, заряжаемого за счет электрохимической энергетической установки, достигает первого порогового значения мощности. Пополнение запасов топлива не требуется в случае, если электрохимическая энергетическая установка также включает электролизную установку для получения топлива, когда мощность источника превосходит рабочую мощность оборудования, а мощность модуля накопления электроэнергии, по меньшей мере, равна первому пороговому значению мощности, бак для накопления топлива, полученного с помощью электролизной установки, и расходование топлива в топливном элементе.
Если топливом является водород, электрохимическая энергетическая установка может включать конденсатор для конденсации пара из наружного воздуха в водоконденсат с одновременным переносом водорода из бака в топливный элемент и бак для сбора водоконденсата с одновременным расходованием водорода и переносом водоконденсата в электролизную установку в случае, если электролизная установка может питаться за счет источника. В зависимости от климатических условий на месте установки системы, конденсатор может быть способен конденсировать пар, вырабатываемый топливным элементом.
Наконец, изобретение относится к компьютерной программе для встраивания в блок управления в соответствии с данным изобретением. Программа характеризуется тем, что она включает инструкции, осуществляющие способ изобретения при ее выполнении в блоке управления.
Краткое описание чертежей
Дополнительные характеристики и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из нижеследующего описания и нескольких вариантов осуществления этого изобретения, приведенных в виде неограничивающих примеров со ссылками на сопроводительные фигуры, где:
- Фиг.1 представляет собой схематичную блок-схему системы электропитания в соответствии с этим изобретением;
- Фиг.2 представляет собой блок-схему включенной в систему газовой электрохимической энергетической установки; а
- Фиг.3 представляет собой алгоритм способа управления электропитанием в соответствии с этим изобретением.
Подробное описание изобретения
На Фиг.1 система электропитания 1 в соответствии с данным изобретением включает блок управления электропитанием 2, модуль накопления электроэнергии 3 и, по меньшей мере, одну газовую электрохимическую энергетическую установку 4, например две электрохимические энергетические установки. Система 1 приспособлена для питания электрооборудования 5 электроэнергией и может быть соединена с нестабильным источником питания 6.
Электрооборудование 5 работает, получая питание от питающей системы, и представляет собой, например, телекоммуникационную станцию, работающую в качестве излучателя и приемника для оконечных мобильных устройств. Оборудование 5 постоянно питается от системы питания 1, при этом рабочая электрическая энергия Р5 меняется в зависимости от сервисов, обеспечиваемых оборудованием. Например, оборудование питается при постоянном напряжении 48V, соответствующем номинальному напряжению на выходе модуля накопления электроэнергии 3.
В соответствии с первым вариантом использования, приведенном на Фиг.1, на которую приведены дальнейшие ссылки, нестабильный источник питания 6 представляет собой устройство для получения возобновляемой энергии, включающий, например, модуль для получения энергии ветра и модуль для получения солнечной энергии. Модуль для получения энергии ветра включает, например, по меньшей мере, один ветрогенератор 61 для генерирования нестабильного меняющегося трехфазного выходного тока в соответствии с вариантом осуществления изобретения на Фиг.1 или нестабильного постоянного тока. Модуль для получения солнечной энергии включает, по меньшей мере, одну фотогальваническую солнечную панель 62. Например, две или три фотогальванические солнечные панели 62 параллельно подключены к блоку 2. Солнечные панели генерируют нестабильный постоянный ток.
В целом, источник питания 6 способен вырабатывать извлекаемую мощность Р6 в зависимости от географического расположения места установки системы 1.
Модуль накопления электроэнергии 3 включает электробатареи 31 и обладает номинальным напряжением, например, 48V. Батареи относятся, например, к литий-ионному типу для обеспечения срока службы в несколько лет для большого количества циклов заряда и разряда.
Емкость батарей такова, что цикл заряда и разряда занимает приблизительно 24 часа при постоянном питании оборудования 5. Они обеспечивают постоянно измеряемую мощность Р3 в диапазоне между мощностью минимального заряда P3m, называемой мощностью при разряде, и мощностью при максимальном заряде Р3М, называемой мощностью при полном заряде. Батареи заряжаются за счет источника питания 6 в течение периодов с достаточным ветром и/или солнечным светом и работают в качестве буфера в течение периодов отсутствия ветра и/или солнца в месте установки системы 1 для питания оборудования 5 электроэнергией вплоть до достижения мощностью Р3 значения мощности при разряде P3m. Мощность при разряде P3m является достаточной для питания блока управления 2 и оборудования 5 и для запуска топливных элементов в электрохимических энергетических установках 4 в соответствии с циклом способа управления указанной системой электропитания 1, описанным ниже. В течение длительных периодов отсутствия ветра и солнца, составляющих приблизительно более 24 часов и потенциально достигающих более 10 суток, электрохимические энергетические установки 4 активируются блоком управления 2 каждый раз, когда мощность Р3 достигает значения мощности при разряде P3m, для быстрой подзарядки батарей 31, обычно приблизительно за 3 часа. Установки 4 также обеспечивают питание электроэнергией оборудования 5 в то время, когда батареи подзаряжаются или в случае, если мощность последних является недостаточной.
В соответствии с вариантом реализации системы питания, как показано на Фиг.1, две электрохимические энергетические установки 4 являются идентичными и используют водород в качестве топлива. Одна из них описана далее со ссылкой на Фиг.2.
Каждая электрохимическая энергетическая установка 4 включает в качестве модулей водородный топливный элемент 40, электролизную установку 41, бак для накапливания водорода 42, конденсатор 43 и бак для сбора воды 44 и водоочиститель 45. С другой стороны, бак для накапливания водорода, конденсатор, бак для сбора воды и водоочиститель являются обычными частями установок 4, каждая из которых включает отдельную электролизную установку 41 и отдельный водородный топливный элемент 40.
Водородный топливный элемент 40 основан, например, на технологии РЕМ (протонообменная мембрана). Водород в виде диводорода переносится из бака для накапливания водорода 42 через трубку 46 с соленоидным клапаном 46EV, открытым под контролем блока управления 2, для окисления на аноде 40А топливного элемента. Кислород, поступающий из окружающего воздуха, таким образом, способствует окислению на катоде 40С элемента благодаря ионному обмену для образования электрического тока на выходе топливного элемента 40 и наполненного паром воздуха в трубке 47Р, которая, в соответствии с альтернативным вариантом, может быть соединена с конденсатором 43.
Под контролем блока управления 2 электролизная установка 41 питается электроэнергией от источника 6 и водой от коллектора 44 через трубку 48 с соленоидным клапаном 48EV, открытым под контролем блока управления 2, и через водоочиститель 45. Электролизная установка работает при низком давлении и низкой температуре для поступления сверху воды, собираемой и очищаемой с разложением на кислород и водород. На аноде 41А электролизной установки кислород улетучивается в воздух. На катоде 41C электролизной установки вырабатывается водород при низком давлении для накапливания в баке 42, поступая через трубку 49 с соленоидным клапаном 49EV, открытым под контролем блока управления 2. Электролизная установка 41 является, к примеру, компактной и включает электролит в твердом состоянии в качестве полимерной мембраны РЕМ. Электролиз воды запускается в электролизной установке 41 за счет поступления электричества на выходе блока управления 2, управляющего продолжительностью электролиза и открытием соленоидных клапанов 48EV и 49EV, до наполнения бака для накопления водорода 42.
Бак для накопления водорода 42 и пароконденсатор 43 предпочтительно имеют форму, по меньшей мере, одного контейнера.
Бак 42 содержит контейнеры 42С, которые могут иметь форму баллонов и храниться вертикально в соответствии с проиллюстрированным вариантом осуществления изобретения. Каждый контейнер 42С имеет вход 42S, соединенный с трубкой 49 для непосредственного накопления водорода, образованного на катоде 41C электролизной установки 41, и выход 42D, соединенный с трубкой 46 для непосредственного выхода водорода на анод 40А топливного элемента 40. Альтернативно, вход 42S и выход 42D собраны в единую горловину контейнера.
Конденсатор 43 имеет, к примеру, форму полой металлической колонны со входом 43 АЕ для воздуха в верхней части для впуска окружающего воздуха 47Е, являющегося внешним по отношению к энергетической установке, и выход 43 S для вывода воздуха наружу в нижней части и выход 43ЕС для вывода водоконденсата по направлению к баку для сбора воды 44. Конденсатор 43 содержит конвекционную систему принудительного типа и теплообменник. Конвекционная система, к примеру, включает электрический вентилятор 43V, контролируемый блоком управления 2, и расположенный перед воздухом вход 43АЕ, установленный в ее верхней части. Теплообменник имеет форму, к примеру, радиатора 43R с ребрами, расположенными по направлению к внутренней части конденсатора 43, для контакта с выдуваемым воздухом и образующим теплопроводящую стенку основанием, изготовленным, например, из графита, являющегося обычным материалом для конденсатора, и контейнерами 42С бака 42.
Бак для сбора воды 44 включает сосуд для сбора водоконденсата 43 ЕС, вырабатываемого конденсатором 43, за счет гравитации. В бак для сбора воды 44 необязательно собирается дождевая вода 44р. Бак для сбора воды 44 подключен через трубку 48, соленоид 48EV которой открыт под контролем блока управления 2 для поступления воды в очиститель 45 и электролизную установку 41, когда в последнюю поступает электропитание от нестабильного источника питания 6, для образования подлежащего накоплению водорода. Очиститель 45 очищает собранную воду для приведения качества воды в соответствие с требованиями для электролизной установки 41.
Бак для накопления водорода 42 непосредственно накапливает водород, вырабатываемый электролизной установкой 41, и непосредственно направляет водород в качестве энергетического потока в водородный топливный элемент 40. Бак 42 наполняется выработанным водородом при низком давлении обычно в размере около 10 бар электролизной установкой 41 через соленоидный клапан 49EV, открытый под контролем блока управления 2 в трубке 49. Каждый контейнер 42С в баке 42 содержит сплав редкоземельного и обычного металла, такой как сплав лантана и никеля, в контакте с основанием радиатора 43R.
5
6
При запасании водорода, являющегося экзотермическим, сплав с высокой способностью к обратимой адсорбции массы адсорбирует водород, вырабатываемый электролизной установкой 41, с образованием гидрида, такого как гидрид LaNiH, и выделением тепла. Данное непосредственное накопление вырабатываемого водорода не основано на сжатии водорода при давлении в несколько сотен бар, как при накоплении газообразного или жидкого водорода в баллонах, и обладает очень высоким выходом энергии.
3
С учетом того, что реакция гидратации является обратимой, бак 42 расходует накопленный водород путем десорбции за счет переноса тепла из воздуха 47Е, присутствующего в конденсаторе 43, при эндотермической реакции, разлагая гидрид на сплав и водород. Водород расходуется при низком давлении и высокой температуре через выходную трубку 46 с соленоидным клапаном 46EV, открытым блоком управления 2. Давление при расходовании, составляющее несколько бар, является более низким, чем давление, при котором хранится водород, и значительно более высоким, чем атмосферное давление, и соответствует давлению топливного элемента 40. Металл затем переходит из гидридного состояния в свое первоначальное состояние, являясь снова способным накапливать образованный водород. При расходовании водорода блоком управления 2 запускается вентилятор 43V, так что количество тепла, необходимое для десорбции, поступает из достаточно влажного наружного воздуха 47Е. Воздух 43F направляется вентилятором 43V в конденсатор 43, например со скоростью потока приблизительно 1м/c, и охлаждается при контакте с ребрами радиатора 43R, от которых гидрид получает тепло, необходимое для эндотермического расходования водорода.
В то время как направленный в конденсатор воздух 43F охлаждается в течение теплообмена с гидридом через радиатор 43R, температура воздуха достигает температуры приблизительно на 1°С выше температуры росы воздуха без достижения водоконденсатом температуры замораживания для конвертации насыщенного пара в жидкую воду 43ЕС, запасаемую в баке 44. Контроллер 20 в блоке управления 2 соединен с термометром в конденсаторе 43 для проверки того, что температура на поверхности радиатора 43R не достигает 0°С.
Размеры бака 42 и конденсатора 43 подобраны таким образом, что из конденсатора поступает достаточное количество воды в электролизную установку через очиститель 45, а из электролизной установки поступает достаточное количество водорода для накопления, так что электроэнергия из топливного элемента 40 быстро поступает на батареи 31 для подзарядки обычно в течение нескольких часов, одновременно питая оборудование 5. Циклически под контролем блока управления 2 батареи 31 быстро заряжаются от топливного элемента 40 и медленно разряжаются при питании оборудования 5 в течение длительного периода отсутствия ветра и солнца, например в течение приблизительно 10 суток, когда нестабильный источник питания 6 неактивен.
3
3
Количество тепла, отобранного баком для накопления водорода 42, превосходит потребность электролизной установки в воде для образования водорода, необходимого для работы топливного элемента во время подзарядки батарей, чья мощность увеличивается от значения мощности при разряде P3m до значения мощности при полном заряде Р3М. Например, при расходовании водорода могут быть получены приблизительно 3 литра водоконденсата в течение всего лишь приблизительно 60 минут, которые будут использованы для получения 3,75 Нм (нормальных кубических метра) водорода электролизной установкой. Потребление водорода топливным элементом для получения 4 кВт за 3 часа составляет приблизительно 11 Нм и позволяет получить приблизительно 9 литров водоконденсата, а также 12 кВт/ч для быстрой подзарядки батарей.
Альтернативно, если гигрометрия и/или температура воздуха на месте установки системы 1 являются слишком низкими или становятся слишком низкими, тепло, поступающее из наружного воздуха 47Е и отбираемое баком 42 через радиатор 43R при расходовании, может быть дополнено потоком горячего воздуха 47Р, обогащенного паром, выделенным при химической реакции в топливном элементе 40, работающим при расходовании. В данном альтернативном варианте насыщенный паром горячий воздух 47Р подается из топливного элемента 40 по трубке на вход 43АР конденсатора 43 перед вентилятором 43V. Пар, полученный в результате работы водородного топливного элемента 40, не обеспечивает достаточного количества водоконденсата 43ЕС для достаточного накопления в баке 42 водорода, выработанного электролизной установкой 41, для выработки топливным элементом 40 электричества, необходимого для подзарядки батарей 31. В данном альтернативном варианте может быть предусмотрен возобновляемый источник воды для ежегодного обслуживания энергетической установки 4.
Возвращаясь к Фиг.1, блок управления 2 построен вокруг центрального контроллера 20 и также включает переключатели 21 и 23, конвертеры тока 22 и 24 и контроллер заряда 25, соединенные центральным контроллером 20. Выходы каждого конвертера 22 и 24 соединены бифилярной шиной 26 с напряжением 48 вольт или электрической электрораспределительной шиной с включенными в блок управления элементами от 20 до 25, модулем накопления электроэнергии 3, электрооборудованием 5 и электрохимическими энергетическими установками 4. Каждый конвертер тока 22 и 24 является программируемым для адаптации к переменным или постоянным токам на выходе ветрогенератора 61 и солнечных панелей 62 и включает регулятор заряда, управляемый центральным контроллером 20 для регулирования потребления тока оборудованием 5, батареями 31 и электролизными установками 41 в установках 4. Количество конвертеров 22 и 24 зависит, соответственно, от максимальной мощности ветрогенератора 61 и солнечных панелей 62.
Способ цикличного управления системой электропитания реализован в виде компьютерной программы в контроллере 20. Контроллер 20 автоматически поддерживает бесперебойность электропитания оборудования 5 и элементов блока 2, обеспечивает заряд батарей 31 от нестабильного источника 6 или от электрохимической энергетической установки, накапливание электроэнергии в батареях 31, когда нестабильный источник 6 вырабатывает избыток электроэнергии, и, предпочтительно, отслеживает функционирование системы 1, ретранслируя связанные с ее работы сигналы и оповещения через телекоммуникационную станцию, являясь частью оборудования 5.
Выходы ветрогенератора 61 соединены, соответственно, через первые переключатели 21 с двумя возможными положениями со входами конвертеров 22 для конвертирования импульсных токов на выходе ветрогенератора 61 в постоянный ток с номинальным постоянным напряжением 48V.
Выходы фотогальванических солнечных панелей 62 соединены, соответственно, через первые входы вторых переключателей 23 с четырьмя возможными положениями со входами конвертеров 24 для конвертации импульсных токов на выходе панелей 62 в постоянный ток с номинальным постоянным напряжением. Выходы водородных топливных элементов 40 в установках 4 соединены, соответственно, через вторые входы двух переключателей 23 с входами конвертеров 24 для конвертации постоянного тока с меняющимся напряжением на выходе водородных топливных элементов в постоянный ток с номинальным постоянным напряжением.
Положение переключателей 21 и 23 контролируется контроллером 20. При первом положении переключателей 21 и 23 ветрогенератор 61 и солнечные панели 62 питают оборудование 5 и необязательно заряжают одну или две батареи 31 или питают электролизные установки 41 для вырабатывания водорода в течение периода с достаточным количеством ветра и солнечного света. Во втором положении указанных двух переключателей 23 водородные топливные элементы 40 быстро подзаряжают батареи 31, в то же время обеспечивая питание оборудования 5. Каждый конвертер 22 и 24 включает на входах электронный адаптер для адаптации к меняющимся токам и напряжениям, а также выходной стабилизатор напряжения. Каждый конвертер 22 и 24 осуществляет измерение выходного тока и контролируется центральным контроллером 20 в зависимости от определенного выходного тока, например для изменения выходного напряжения, поступающего к батареям 31 по шине 26, до достижения напряжения при полном заряде батарей. Контроллер 20, таким образом, контролирует мощность на выходах конвертеров и, с одной стороны, оценивает выходную мощность ветрогенератора 61 и фотогальванических солнечных панелей 62 и, таким образом, выходную мощность Р6 источника питания 6, и, с другой стороны, выходную мощность водородных топливных элементов 40 и, таким образом, выходную мощность Р4 электрохимических энергетических установок 4.
В соответствии с более защищенным альтернативным вариантом, переключатели 21 и 22 могут включать дополнительные положения для соединения вторых выходов переключателей с аварийным конвертером 2S, предназначенным для замены одного неисправного конвертера 22, 24 под контролем центрального контроллера 20. Например, конвертер является неисправным, если его выходная мощность является ненормально низкой в течение периода времени с сильным ветром или ярким солнечным светом. С этой целью контроллер 20 соединен с анемометром и фотометром (не показаны) для измерения и отслеживания силы ветра и яркости света на месте установки системы 1.
Центральный контроллер 20 с помощью регуляторов заряда, включенных в конвертеры 22 и 24, контролирует заряд батарей 31 в плане напряжения. В соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг.1, релейная цепь 27, соединенная с батареями 31, контролируется контроллером 20 для защиты батарей 31 от любой перезарядки и сильного разряда, в то же время обеспечивая нахождение заряда батарей в диапазоне между мощностью при разряде P3m и мощностью при полном заряде Р3М, и обеспечивает сильный ток для подзарядки батарей от источника 6 или топливных элементов 40. Альтернативно, релейная цепь не используется, при этом батареи включают электронный блок, обеспечивающий защиту от любой перезарядки и любого сильного разряда.
Контроллер заряда 25 соединен с батареями 31 и пропускает мощность заряда Р3, являющуюся напряжениями и токами, определенными по всем батареям 31, к центральному контроллеру 20. Альтернативно, контроллер заряда 25 интегрирован в электронный блок, включенный в батареи.
Центральный контроллер 20 также контролирует соленоидный клапан 46EV и вентилятор 43V, а также соленоидные клапаны 48EV и 49EV, при работе топливных элементов 40 и электролизных установок 41, соответственно, в рамках способа управления, как описано далее. Контроллер 20 также соединен с различными измерительными устройствами AM (не показаны), такими как анемометр, фотометр, расходометр, манометр, термометр для отслеживания работы нестабильного источника питания 6 и каждой электрохимической энергетической установки.
Как является очевидным из предыдущего описания Фиг.1 и Фиг.2, система электропитания 1 данного изобретения может быть реализована в виде нескольких компактных, малогабаритных и соединяемых модулей и быть, таким образом, подходящей для перевозки на вертолете для установки в изолированных местах или труднодоступных местах или в рамках спасательных операций при стихийных бедствиях или массовых конфликтах. Более того, система спроектирована для работы в течение 15 лет с необходимостью проведения обслуживания лишь раз в год.
Способ цикличного управления электропитанием в соответствии с данным изобретением основан на наблюдении, заключающемся в том, что водородный топливный элемент 40 и батарея 31 обладают заметно отличающимся сроком службы и рабочими характеристиками. Как правило, литий-ионные батареи 31 обладают сроком службы более приблизительно 15 лет и могут выдерживать, по меньшей мере, 7000 циклов заряда-разряда с мощностью в диапазоне от P3m до Р3М, разность которых составляет приблизительно 60% разницы между глубоким разрядом и избыточным зарядом батарей. Водородный топливный элемент 40 приспособлен для вырабатывания электроэнергии в диапазоне от минимальной мощности до максимальной мощности и обладает сроком службы приблизительно 5000 часов вне зависимости от его мощности; например, при напряжении 48V электрический ток, вырабатываемый топливным элементом, находится в диапазоне от 20А до 100А. Срок службы водородного топливного элемента, являющийся независимым от вырабатываемой им мощности, зависит от количества активации-деактивации последнего, составляющих более приблизительно 1000.
Для сбережения водородных топливных элементов 40 и, таким образом, максимального избегания активации топливных элементов, данные элементы активируются лишь при значительном разряде батарей, мощность которых достигает порогового значения мощности P3m, при этом топливные элементы никогда непосредственно не вырабатывают электропитание Р5, необходимое для работы оборудования 5, когда батареи заряжены или разряжаются. Другими словами, бесперебойность электропитания оборудования 5 обеспечивается контроллером 20 преимущественно за счет нестабильного источника электропитания 6, если последний вырабатывает достаточно электроэнергии для работы оборудования 5, или за счет модуля накопления электроэнергии 3 и источника 6, если источник 6 самостоятельно вырабатывает недостаточное электропитание для работы оборудования 5, или только за счет модуля накопления электроэнергии 3, если источник 6 более не вырабатывает электроэнергию, а доступная от батарей мощность не достигла значения мощности при разряде P3m. В качестве последнего варианта при достижении батареями значения мощности при разряде P3m активируются водородные топливные элементы 40 для вырабатывания ими максимальной мощности, быстрого заряда батарей 31 до уровня мощности при полном заряде P3M и обеспечения электропитания, необходимого для работы оборудования 5. Литий-ионные батареи 31 подзаряжаются очень быстро, в течение приблизительно трех часов, по сравнению с другими батареями, например цинково-кислотными батареями, требующими подзарядки в течение приблизительно 10 часов. После заряда батарей водородные топливные элементы 40 деактивируются, а батареи 31 медленно разряжаются, необязательно обеспечивая, наряду с источником 6, питание оборудования 5. Совокупная продолжительность активации топливных элементов 40, таким образом, снижается, как только батареи способны обеспечивать работу оборудования 5 самостоятельно или наряду с источником 6.
Например, для бесперебойного обеспечения постоянным током 20А оборудования 5 батареями 31 с емкостью 480 А/ч и мощностями при разряде и заряде P3m и Р3М, соответствующими минимальному и максимальному значениям тока 240А и 480А, так что продолжительность разряда и период автономности составляют (480-240)720=12 часов, водородные топливные элементы с максимальной мощностью Р4, соответствующей максимальному току 100А, включающему ток 20А для оборудования и ток 100-20=80А для заряда батарей, осуществляют заряд батарей в течение 240/80=3 часов, что соответствует циклу разряда/заряда, составляющему 12+3=15 часов. С учетом того, что топливные элементы используются 111 раз в год, срок службы системы электропитания 1 составляет 5000/(111×3)=15 лет для элементов со сроком службы более чем приблизительно полгода.
Относительно Фиг.3, способ цикличного управления в соответствии с данным изобретением включает стадии от Е1 до Е10, в основном осуществляемые в контроллере 20. Первоначально при установке системы 1 батареи 31 являются полностью заряженными, и при запуске системы нестабильный источник питания 6 соединяется с электрооборудованием 5 через переключатели 21 и 23 и конвертеры 22 и 24 и вырабатывает мощность, необходимую для работы оборудования 5 с/без питания батарей 31.
Как указано далее, на стадии постоянного измерения ЕМ центральный контроллер 20 оценивает электрическую мощность Р62, вырабатываемую солнечными панелями 62, или Р4, вырабатываемую топливными элементами 40 в зависимости от величины тока на входе конвертеров 24 и электроэнергии Р61, вырабатываемой ветрогенератором 61 в зависимости от количества оборотов ротора последнего; таким образом, источником 6 вырабатывается электроэнергия Р6=Р61+Р62. Контроллер 20 контролирует питающее напряжение V41 электролизных установок 41 в зависимости от доступной мощности, вырабатываемой нестабильным источником 6 для выработки водорода при заряде батарей. Контроллер 20 постоянно оценивает доступную мощность и ток, потребляемый оборудованием 5 и батареями 31, и, таким образом, мощность Р5, необходимую для работы оборудования 5 и блока 2, и мощность Р3 батарей через контроллер заряда 25 для контролирования кривой линейного нарастания напряжения электролизных установок 41 при заряде батарей. Контроллер 20 непрерывно получает значения физических величин от устройств измерения AM.
Оборудование 5 и блок управления 2 непрерывно получают электрическую мощность для своей работы через выходы конвертеров 22 и 24 через шину 26, как указано далее в описании стадии обеспечения бесперебойности электропитания ЕС. Указанные необходимые электрические мощности в целом определены далее как мощность заряда Р5, непрерывно измеряемая регулятором 25, значения которой передаются последним в контроллер 20. Термин "непрерывно" означает, что измерения осуществляются в очень короткий период времени продолжительностью несколько десятых секунды.
На стадии Е1 контроллер 20 сравнивает измеренную электрическую мощность Р6, вырабатываемую нестабильным источником 6, с мощностью Р5 заряда. Если мощность Р6 превосходит мощность Р5 заряда в течение периода времени с сильным ветром и/или солнечным светом, в течение которого источник 6 вырабатывает высокую мощность, контроллер 20 оценивает избыток доступной мощности Р6-Р5 для ее распределения для заряда батарей или вырабатывания водорода. На стадии Е2 контроллер 20 сравнивает мощность Р3 батарей 31 при их мощности при полном заряде Р3М.
Если Р3<Р3М, оборудование 5 и блок 2 обладают более низким импедансом, чем импеданс батарей, то электроэнергия Р6 от нестабильного источника 6 преимущественно используется для питания оборудования 5 и блока 2, а батареи 31 накапливают избыток мощности Р6-Р5, вырабатываемой источником 6 до достижения батареями мощности при полном заряде Р3М на стадии 3. В противном случае на стадии Е2, на которой батареи обладают мощностью при полном заряде Р3М, контроллер 20 контролирует питающее напряжение V41 электролизных установок 41, так что избыточная мощность Р6-Р5 также используется для питания электролизных установок 41, так что их катоды 41C вырабатывают водород, накапливаемый в баках 42 на стадии Е4. В данном случае контроллер 20 также контролирует открытие соленоидных клапанов 49EV, поскольку вырабатываемый водород должен быть помещен в баки 42 через трубки 49.
Возвращаясь к стадии Е1, если мощность Р6, вырабатываемая источником 6, является недостаточной, или даже нулевой, для питания оборудования 5 и блока 2 необходимой мощностью заряда Р5, контроллер 20 сравнивает мощность РЗ батарей 31 с пороговым значением их мощности при разряде P3m или, в соответствии с альтернативным вариантом, восстанавливает мощность Р3, вырабатываемую электронным блоком на стадии Е5.
Если на стадии Е5 батареи 31 являются разряженными после периода с недостаточным ветром и солнечным светом, даже при отсутствии ветра и света, что соответствует P3=P3m, контроллер 20 запускает вентиляторы 43V и контролирует открытие соленоидных клапанов 46EV, так что водород из баков 42 направляется на аноды 40А топливных элементов 40 по трубкам 46, а топливные элементы активируются на стадии Е7. Контроллер 20 контролирует переключатели 23 для соединения выхода водородных топливных элементов 40 с конвертерами 24, так что конвертеры очень быстро заряжают батареи 31 через шину 26 с избытком Р4-Р5 электроэнергии, вырабатываемой топливными элементами, до достижения мощности при полном заряде P3M. Мощность Р5, необходимая для работы оборудования 5 и блока 2, извлекается из мощности Р4, вырабатываемой топливными элементами 40, адсорбирующими определенное количество водорода в зависимости от потребления тока батареями и оборудованием 5.
На стадии Е8, осуществляемой одновременно со стадией Е7, работающие вентиляторы 43V направляют наружный воздух 47Е на радиаторы 43R в конденсаторах 43. Радиаторы 43R захватывают тепло нагнетаемого наружного воздуха 47Е и переносят его к водороду в контейнерах 42С баков для накопления водорода 42 в течение эндотермической десорбции, осуществляя преобразование гидрида с образованием сплава и водорода, для расходования водорода, необходимого для работы топливных элементов 40. Теплообмен через радиаторы 43R обеспечивает конденсацию пара из наружного воздуха 47Е с образованием водоконденсата 43ЕС, собираемого в баки для сбора воды 44. В соответствии с вышеописанным альтернативным вариантом, пар из теплого воздуха 47Р, выделенный работающими водородными топливными элементами 40, также конденсируется в воду 43ЕС. Одновременно со стадиями Е7 и Е8, контроллер 20 отслеживает ход подзарядки батарей 31 через контроллер заряда 25 или электронный блок, включенный в батареи, на стадии Е9.
При достижении батареями 31 мощности при полном заряде P3M на стадии Е9, контроллер 20 останавливает вентилятор 43V и закрывает соленоидные клапаны 46EV, деактивируя топливные элементы 40, и контролирует переключатели 23 для соединения выходов солнечных панелей 62 с конвертерами 24 на стадии Е10. После стадии Е10, как и после стадий Е4 и Е6, контроллер 40 возвращается на стадию Е1 способа, так что оборудование 5 и блок 2 питаются преимущественно за счет нестабильного источника питания 6 на стадиях от Е2 до Е4 или, по меньшей мере, за счет батарей 31 на стадии Е6.
В соответствии с альтернативным вариантом стадии Е7, контроллер 20 также контролирует переключатели 21, отключающие ветрогенератор 61 и конвертеры 22 до достижения батареями 31 мощности при полном заряде P3M.
В соответствии со вторым вариантом использования, нестабильный источник питания 6 представляет собой местную электрораспределительную сеть, заменяющую ветрогенератор 61 и солнечные панели 62, а система 1 работает в качестве аварийного электрогенератора в случае, если местная электрораспределительная сеть неисправна. В случае данного второго варианта использования, электросеть соединена с конвертерами 22 и/или 24 через переключатели 21 и/или 23. Конвертеры настроены контроллером 20. Способ управления электропитанием электрооборудования 5 и блока управления 2 аналогичен описанному выше.
На стадиях от Е1 до Е4, благодаря тому, что электросеть обеспечивает электропитание, оборудование 5 и блок управления 2 питаются за счет работающей электросети для вырабатывания водорода электролизными установками 41 на стадии Е4, если необходимо. При отключении электросети батареи 31 заменяют электросеть на стадии Е6. Если отключение сети осуществляется до достижения мощностью РЗ батарей порогового значения мощности при разряде P3m на стадии Е5, батареи подзаряжаются за счет активирования топливных элементов 40 на стадиях от Е7 до Е10.
Отключение местной электросети может происходить в связи с более или менее повторяющейся причиной, однако также может быть вызвано повреждением сети в связи со стихийным бедствием, таким как гроза, землетрясение или цунами.
В случае, если электрооборудование 5 представляет собой телекоммуникационную станцию, станция, электропитание которой управляется блоком управления 2, обеспечивает бесперебойную связь с оконечными мобильными устройствами вне зависимости от состояния нестабильного источника питания 6 в течение более чем около десяти дней подряд. Например, оконечными мобильными устройствами представляют собой устройства, используемые профессиональными группами для обеспечения общественной безопасности, организованные в глобальные радиокоммуникационные сети. Если телекоммуникационная станция установлена в изолированном месте, например на вершине труднодоступной горы, блок управления 2, в соответствии с данным изобретением, позволяет поддерживать работу станции в течение нескольких дней подряд, когда нестабильный источник питания не обеспечивает или обеспечивает недостаточное электропитание оборудования. В частности, если нестабильный источник питания представляет собой электрораспределительную сеть, система 1 позволяет на несколько дней отсрочить вмешательство обслуживающей команды для ремонта поврежденной сети.
В соответствии с другими вариантами использования, электрооборудование 5 представляет собой электромотор, такой как, например, помпу для откачивания воды из колодца, или систему мониторинга.
Описанное изобретение относится к способу и блоку управления электропитанием для обеспечения бесперебойности электропитания электрооборудования преимущественно за счет нестабильного источника электропитания. В соответствии с вариантом осуществления изобретения, стадии способа изобретения определяются инструкциями компьютерной программы, встроенной в блок управления, в частности в контроллер 20 блока управления 2. Программа, способная быть встроенной в блок управления по данному изобретению, включает программные инструкции, которые, когда указанная программа выполняется в блоке управления, работа которого затем контролируется выполняемой программой, осуществляет стадии способа в соответствии с данным изобретением.
Далее изобретение также предусматривает использование компьютерной программы, включая компьютерную программу, записанную на читаемый компьютером носитель или любое устройство для обработки данных, приспособленное для осуществления изобретения. Данная программа может быть написана на любом языке программирования и представлена в форме исходного кода, объектного кода или промежуточного кода между исходным кодом и объектным кодом, такой как частично скомпилированная форма или любая другая желаемая форма для осуществления способа в соответствии с данным изобретением. Программа может быть загружена в базовую станцию через коммуникационную сеть, такую как Интернет.
Носитель данных может быть любым объектом или устройством, способным хранить программу. Например, носитель может включать носитель данных, на который записана компьютерная программа в соответствии с данным изобретением, такой как ПЗУ, например CD-ROM или ПЗУ микроэлектронной цепи или даже USB-ключ или магнитный носитель, например флоппи-диск или жесткий диск.