СПОСОБ РАБОТЫ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ НА ВОЗОБНОВЛЯЕМОМ ИСТОЧНИКЕ ЭНЕРГИИ Российский патент 1997 года по МПК H02J15/00 F03D9/02 H02J7/35 

Изобретение связано с тепло-электроснабжением локальных жилых строений с помощью энергосистем на возобновляемых источниках энергии.

Известны энергетические системы, в которых электроэнергия, вырабатываемая установками на возобновляемых источниках энергии (ветровые, волновые, фотоэлектрические станции и др. ) отдается непосредственно в нагрузку (потребителю). При этом возникают проблемы обеспечения качества электроэнергии, вызванные нестабильностью потока энергии в источнике (изменяются сила ветра, интенсивность волнения, поток световой энергии и т.п.). Для сглаживания колебаний генерируемой мощности и согласования последней с режимом электропотребления используются аккумуляторы энергии: электрические батареи, воздухоаккумулирющие установки, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) и т.п. [1] В случае подачи электроэнергии от возобновляемого источника энергии (ВИЭ) на ГАЭС, а затем, если запасенную таким образом энергию воды использовать в гидрогенераторе, выдавая электроэнергию потребителю по мере надобности, то неизбежны потери энергии. Энергия, вырабатываемая установками на ВИЭ при слабом ветре, солнечном излучении, волнении и т.п. не используется, так как качество (синусоидальность, напряжение, частота и мощность) не удовлетворяет как условиям работы электродвигателей насосов (насосы не работают, выходят из строя электрические обмотки), так и потребителя, который должен непрерывно получать стабилизированную электроэнергию от гидрогенератора.

Использование способа резервирования установок на ВИЭ специальными электростанциями (например дизельными), работающими при недостаточной интенсивности возобновляемого источника энергии сильно удорожает отпускаемую электроэнергию (капитальные вложения на дублирующую мощность, затраты на топливо).

Известен способ работы установки на ВИЭ с аккумулированием электроэнергии в аккумуляторе и последующей ее выдачи, когда аккумулятор дозаряжают в период провала графика электрических нагрузок от полупиковых электростанций энергетической системы (ЭЭС) при условии подключения ее в общую электроэнергетическую сеть (например бытовую сеть 220 В, 50 Гц). [2] Однако необходимость применения технических средств для синхронизации нескольких источников энергии, электрических переключателей тока, а также обеспечение специальной линией электропередачи, например труднодоступных или удаленных от ЭЭС объектов для реализации такого способа работы установки на ВИЭ, неизбежно приведет к неоправданно высоким затратам.

Проблему энергоснабжения удаленных от ЭЭС жилых строений (когда необходимо одновременно и тепло-и электроэнергия) можно решить с помощью установок на ВИЭ за счет резервирования электроэнергии только в электрических аккумуляторах, учитывая суточную цикличность графика электрических нагрузок и климатические (сезонные) колебания потока вырабатываемой энергии. В этом случае значительные провалы мощности от установки на ВИЭ (нет ветра, солнца и т.д.) приведут к сильному увеличению уставной емкости электрического аккумулятора, кроме того, неизбежны потери при двойном преобразовании энергии, когда необходимо получить от электрических аккумуляторов тепловую энергию, расходуемую на обогрев объекта (строения).

Наиболее близким к предлагаемому является способ работы установки на ВИЭ, включающий преобразование солнечной энергии в электрическую, аккумулирование ее в аккумуляторной батарее до полной зарядки и подачу потребителю от аккумуляторной батареи и ВИЭ [3]
Недостатком известного способа является невозможность автономного энергообеспечения жилого дома (объекта) при постоянном потреблении электроэнергии на отопление и бытовые электроприборы высокого токопотребления (например электроплиты, стиральные машины и т.п.), поскольку известная схема работы установки предусматривает ограниченное накапливание энергии, недостаточное для обеспечения электроэнергией современного жилого дома, так как отопительные и электроприборы питаются от одного аккумулятора.

Техническая задача заключается в создании способа энергоснабжения локальных жилых объектов от автономной энергетической установки на ВИЭ мощностью от 0,5 до 16 кВт с раздельным резервированием тепловой и электрической энергии и возможностью перераспределения энергии между двумя типами резервирования в зависимости от состояния потребления.

Поставленная задача решается таким образом, что в способе работы автономной энергетической установки на возобновляемом источнике энергии мощностью 0,5 16 кВт, включающем непрерывное преобразование энергии источника в электрическую, аккумулирование ее в аккумуляторной батарее до полной зарядки, подачу потребителю, согласно изобретению, при минимальной мощности потребления в период интенсивного излучения энергии источником, при вырабатываемой установкой мощности от 4 до 16 кВт параллельно с аккумулированием электроэнергии в аккумуляторной батарее ее подают в тепловой аккумулятор, а в период неинтенсивного излучения энергии источником, при вырабатываемой установкой мощности от 0,5 до 4 кВт, электроэнергию в тепловой аккумулятор подают от аккумуляторной батареи, при этом при полной зарядке аккумуляторной батареи и теплового аккумулятора электроэнергию подают от аккумуляторной батареи на установку.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что при минимальной мощности потребления (до 5% от установочной) при вырабатываемой установкой мощности от 4 до 16 кВт параллельно с аккумулированием электроэнергии в аккумуляторной батарее ее подают в тепловой аккумулятор, обеспечивающий резервирование энергии в виде тепла для обогрева жилых объектов, а в период неинтенсивного излучения энергии источником при вырабатываемой установкой мощности от 0,5 до 4 кВт электроэнергию в тепловой аккумулятор подают от аккумуляторной батареи, что обеспечивает непрерывность процесса накопления тепловой энергии при условии оптимальной емкости аккумуляторной батареи.

Кроме того, предлагаемый способ отличается тем, что при полной зарядке аккумуляторной батареи и теплового аккумулятора электроэнергию подают от аккумуляторной батареи на установку, что позволяет регулировать заряд аккумуляторной батареи и более полно использовать вырабатываемую энергию.

Предлагаемая схема накопления и потребления энергии позволяет увеличить диапазон использования энергии возобновляемого источника от 0,5 до 16 кВт и эффективно обеспечивать энергией отдельный жилой объект.

Способ поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема автономной энергетической установки на возобновляемом источнике энергии, реализующая предлагаемый способ,
где I установка на возобновляемом источнике энергии;
B электрическая аккумуляторная батарея;
P потребитель (отдельно стоящий жилой объект);
T тепловой аккумулятор;
R электротехническое распределительное устройство;
двойными линиями со стрелками показаны каналы энергетического потока (1a, 1b, 1c, 2, 4a, 4 b); одинарными линиями со стрелками показаны каналы электрической связи между P и R (3a), B и R (3b).

В качестве установки на возобновляемом источнике энергии 1 используются ветровые, солнечные, речные и другие энергетические установки.

Уставная электрическая емкость аккумуляторной батареи B для конкретного жилого объекта P зависит от типа аккумулятора и определяется с учетом цикличности суточного электропотребления, пиковых электрических нагрузок, а также климатических особенностей региона.

Тепловой аккумулятор T служит для цикличного преобразования электрической энергии, полученной по каналу 2 (заряд), и резервирования ее в виде тепловой энергии (разряд). T используют для получения тепла, необходимого на обогрев жилого объекта и поддержания комфортной температуры, приготовления пищи и горячего водоснабжения, T применяют в виде переносной отопительной батареи, кухонной плиты, водонагревательной колонки. Принцип действия T основан на использовании теплоты фазового перехода плавления специального состава сердечников T, благодаря чему достигается высокая теплоаккумулирующая способность T.

Распределительное устройство R служит для перераспределения энергии между B и T в зависимости от состояния потребления P и степени интенсивности I.

Автономная энергетическая установка в штатном режиме функционирует таким образом, что всю энергию (кинетическая ветра, световая и т.п.), преобразованную установкой I в электрическую энергию, через распределенное устройство R подают потребителю P непрерывно от электрической аккумуляторной батареи B, постоянно работающей в буфере с установкой I (1a-1b-1c) (1s - эквивалент электрической бытовой сети: 220 В, 50 Гц). При полной зарядке B энергию подают от I к P по каналам 1a 2.

При минимальной мощности потребления P и в период интенсивного излучения энергии в I от 4 до 16 кВт R направляет поток энергии по каналу 2 в интервалы параллельной работы T с B. А при помощи от 0,5 до 4 кВт зарядку T осуществляют от B по каналам 4a 2. Баланс энергии между T и B достигается путем организации обратной связи (технически реализованной в виде электрических датчиков), фиксирующей состояние потребителя P и T (3a), аккумулятора B (3b) и установки I (опосредованно по 1a). При мощности, вырабатываемой установкой, от 4 до 16 кВт происходит параллельное аккумулирование энергии в B и T так, что, если T полностью заряжен, то B заряжается быстрее и активнее за счет увеличения потока энергии в канале 1b и уменьшения в канале 2 (и наоборот), а от 0,5 до 4 кВт при заряженном T и B R часть запасенной энергии B по каналам 4a 4b направляет на установку I для регулирования вырабатываемой энергии (например электромеханическое торможение лопастей ветроустановки).

В остальных случаях автономная энергетическая установка на возобновляемом источнике энергии работает в штатном режиме.

Область использования: в энергетике на возобновляемых источниках энергии; тепло-электроснабжение локальных жилых строений. Сущность изобретения: возобновляемый источник энергии мощностью 0,5 - 16 кВт преобразует энергию (ветра, солнца, воды) в электрическую и она непрерывно аккумулируется в аккумуляторной батарее и подается потребителю. При этом при минимальной мощности потребления в период интенсивного излучения энергии источником, при вырабатываемой установкой мощности от 4 до 16 кВт параллельно с аккумулированием электроэнергии в аккумуляторной батарее ее подают в тепловой аккумулятор, а в период неинтенсивного излучения энергии источником, при вырабатываемой установкой мощности от 0,5 до 4 кВт электроэнергию в тепловой аккумулятор подают от аккумуляторной батареи, а при полной зарядке аккумуляторной батареи и теплового аккумулятора электроэнергию подают от аккумуляторной батареи на установку. 1 ил.

Способ работы автономной энергетической установки на возобновляемом источнике энергии мощностью 0,5-16,0 кВт, включающий непрерывное преобразование энергии источниика в электрическую, аккумулирование ее в аккумуляторной батарее до полной зарядки, подачу потребителю, отличающийся тем, что при минимальной мощности потребления в период интенсивного излучения энергии источником при вырабатываемой установкой мощности 4 16 кВт параллельно с аккумулированием электроэнергии в аккумуляторной батарее ее подают в тепловой аккумулятор, а в период неинтенсивного излучениия энергии источником при вырабатываемой установкой мощности 0,5 4,0 кВт электроэнергию в тепловой аккумулятор подают от аккумуляторной батареи, при этом при полной зарядке аккумуляторной батареи и теплового аккумулятора электроэнергию подают от аккумуляторной батареи на установку.