СПОСОБ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ГУСАРОВА В.А. Российский патент 2005 года по МПК H02J3/28 

Изобретение относится к энергетике, в частности к способу бесперебойного энергоснабжения потребителей, как подключенных, так и не подключенных к централизованной энергосистеме, а также к системам, работающим с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Изобретение может быть использовано при организации бесперебойного снабжения электричеством и теплом ответственных потребителей.

Известны устройство и способ снабжения потребителей электричеством и теплом от ветроэлектрической установки, содержащей электрический генератор переменного тока, выпрямитель с зарядным устройством, аккумуляторную батарею (АБ), инвертор напряжения и электрический нагреватель (Дж.Твайдел, А.Уэйр “Возобновляемые источники энергии”, М., Энергоатомиздат, 1990 г., стр.234). Энергия ветра преобразуется сначала в электрическую энергию переменного тока, а затем постоянного тока, которая накапливается в АБ, а после вторичного преобразования постоянного тока в переменный подается потребителю. Избыток электрической энергии от электрического генератора переменного тока идет на электрический нагреватель для получения тепловой энергии.

Однако при таком способе электропитания возникают проблемы, связанные с надежностью электропитания в связи с нестабильностью потока ветровой энергии.

Известен способ электропитания, использующий сочетание нескольких видов ВИЭ (ветер, солнце и микроГЭС), где накопление энергии происходит в АБ, обладающей емкостью, соответствующей суточному потреблению нагрузки.

Однако в случае большой мощности потребления размеры и стоимость АБ оказываются слишком большими, кроме того, не во всех районах Земли имеются достаточные ресурсы указанных видов ВИЭ (Патент РФ №2153752, Н 02 J 3/28, 2000 г., БИ №21).

Известен, выбранный в качестве прототипа, способ бесперебойного энергоснабжения, использующий ветроэлектрическую установку с генератором переменного тока в сочетании с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), тоже имеющим генератор переменного тока (П.П.Безруких, А.К.Сокольский, Б.П.Харитонов “Системы гарантированного электроснабжения автономных потребителей на основе возобновляемых источников энергии” Труды 3-й Международной научно-технической конференции “Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве”. 14-15 мая 2003 г. Москва, Часть 4, стр.3). При низкой скорости ветра выработка энергии идет за счет работы ДВС, вращающего электрический генератор, от которого электроэнергия может напрямую поступать на нагрузку или через выпрямитель и зарядное устройство запасаться в АБ. С помощью инвертора постоянное напряжение преобразуется в переменное, обеспечивая питание нагрузки от АБ во время остановки ДВС.

Однако при пуске ДВС электрический генератор переменного тока создает всплески перенапряжения, часто приводящие к нарушениям работы электронного блока инвертора, причем инвертор вырабатывает переменный ток, не синхронизированный по фазе с генератором переменного тока ДВС, и поэтому их нельзя использовать совместно на питание одной нагрузки. Кроме того, далеко не вся мощность ДВС используется для заряда АБ, снижая КПД системы и увеличивая продолжительность заряда АБ. Еще одним недостатком является то, что автоматический режим пуска ДВС требует использования дорогого электронного оборудования и специального электромотора в качестве стартера ДВС.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности и снижение стоимости энергоснабжения потребителей.

Техническим результатом является полная автоматизация процесса работы комплекса, снижение расхода топлива, использование дешевого газового топлива, увеличение срока эксплуатации и повышение эффективности работы ДВС.

Технический результат достигается тем, что в способе бесперебойного энергоснабжения, включающем преобразование энергии разных видов в электроэнергию, в том числе с помощью возобновляемых источников энергии, а также с помощью периодически включаемого двигателя внутреннего сгорания и передачи вращения на электрогенератор, накопление выработанной электрогенератором энергии в аккумуляторных батареях, преобразование и передачу потребителю с помощью инвертора напряжения накопленной электроэнергии и отвод от двигателя выделяющейся тепловой энергии, согласно изобретению, с помощью мотор-генератора постоянного тока и ДВС энергию углеводородного топлива превращают в электроэнергию постоянного тока и накапливают в аккумуляторных батареях, а избыток электроэнергии направляют в инвертор напряжения, причем начало подачи топлива в двигатель и одновременное включение мотор-генератора для вращения двигателя с последующим переходом в режим генератора проводят с помощью автоматического блока управления и силового коммутатора, исходя из условий поддержания рабочего диапазона напряжения на аккумуляторных батареях, при этом вращение двигателя во время автоматического пуска осуществляют за счет электропитания мотор-генератора от аккумуляторных батарей.

Новый технический результат достигается тем, что предусмотрен пуск двигателя в ручном режиме управления независимо от значения напряжения внутри рабочего диапазона для аккумуляторных батарей.

Кроме того, в АБ энергия поступает, по крайней мере, от одного из ВИЭ, например солнечной батареи (СБ), и от электросети переменного тока, а их присоединение к АБ происходит с помощью автоматического блока управления и силового коммутатора.

Еще один технический результат достигается тем, что тепловую энергию выхлопных газов двигателя направляют на нагрев жидкого теплоносителя, который собирают в соответствующей емкости. Кроме того, в двигатель подают газовое топливо и мощность двигателя и инвертора выбирают больше мощности мотор-генератора.

Использование в системе бесперебойного энергоснабжения мотор-генератора постоянного тока с величиной напряжения, превышающей величину рабочего напряжения на АБ и соответствующей входному напряжению инвертора, позволяет по сравнению с прототипом повысить эффективность работы ДВС, поскольку при работе инвертора на нагрузку и при заряде АБ отсутствует необходимость применения какой-либо дополнительной преобразовательной аппаратуры, что неминуемо создает потери мощности. Кроме того, мотор-генератор постоянного тока позволяет простым способом обеспечить автоматический пуск ДВС путем подключения мотор-генератора к АБ и выхода ДВС и мотор-генератора на режим генерации мощности, когда мотор-генератор начинает выполнять функцию электрического генератора постоянного тока. Причем, в отличие от прототипа, мощность инвертора и мощность ДВС выбирают больше мощности мотор-генератора, что повышает возможную мощность нагрузки, снижает расход топлива, увеличивает ресурс работы ДВС и повышает эффективность системы в целом. Использование блока управления и силового коммутатора позволяют обеспечить автоматический пуск ДВС в зависимости от величины напряжения на АБ и тем самым продлить срок службы АБ и обеспечить бесперебойность энергоснабжения. В случае применения автомобильных АБ пуск ДВС происходит при снижении напряжения на АБ до величины, соответствующей отбору 20% электрической мощности, а остановка ДВС происходит при увеличении напряжения до величины, соответствующей свыше 95% электрической емкости. С помощью ручного режима включения пуска ДВС можно на длительное время повысить мощность нагрузки до предельной мощности инвертора, при этом выходная мощность мотор-генератора суммируется с электроэнергией, поступающей от АБ.

Использование тепла выхлопных газов для нагрева жидкого теплоносителя и сбор теплоносителя в соответствующей емкости почти в 2 раза повышает эффективность ДВС по сравнению с эффективностью выработки только электроэнергии и позволяет обеспечить потребителя тепловой энергией, достаточной для горячего водоснабжения и отопления помещения.

Применение газового топлива для ДВС позволяет упростить систему автоматического управления, снизить токсичность выхлопных газов и уменьшить стоимость эксплуатации комплекса.

Включение в систему энергоснабжения дополнительных источников энергии в виде СБ и электросети переменного тока позволяет заряжать АБ от этих источников и тем самым уменьшить суточную продолжительность работы ДВС, снизить количество расходуемого топлива, повысить срок службы АБ и ДВС.

Предложенный способ бесперебойного энергоснабжения поясняется блок-схемами, где на фиг.1 изображена блок-схема с одним источником энергии в виде ДВС; на фиг.2 блок-схема дополнительно содержит в качестве ВИЭ СБ и электросеть, работающую с перебоями; на фиг.3 изображена блок-схема с использованием тепловой энергии выхлопных газов ДВС.

Комплекс бесперебойного энергоснабжения, представленный на фиг.1, содержит обычный бензиновый ДВС 1 с газовым редуктором 2 для работы на газовом топливе; мотор-генератор 3 постоянного тока, соединенный с ДВС 1 ременной передачей; электрохимическую АБ 4; электронный блок управления 5; силовой коммутатор 6; инвертор напряжения 7 и нагрузку 8 потребителя. Стрелки обозначают направление передачи электрической и тепловой энергии. Толстыми линиями выделены силовые участки передачи энергии.

Вариант комплекса бесперебойного энергоснабжения, изображенный на фиг.2, в дополнение к фиг.1 содержит СБ 9 и ненадежно работающую электросеть 10 с выпрямителем и зарядным устройством 11 от электросети, а также дополнительный силовой коммутатор 12.

Еще один вариант комплекса бесперебойного энергоснабжения, изображенный на фиг.3, содержит в дополнение к фиг.1 устройство для использования тепловой энергии выхлопных газов.

Способ бесперебойного энергоснабжения по блок-схеме фиг.1 реализуется следующим образом. Потребитель получает электроэнергию, запасенную в АБ 4, через инвертор напряжения 7, который преобразует постоянный ток в переменный. Блок управления 5 следит за величиной напряжения на АБ 4. Если эта величина снижается ниже допустимого для данного типа АБ значения (нижней границы рабочего диапазона, во избежание их глубокого разряда и выхода из строя), блок управления 5 посылает команду силовому коммутатору 6, который подключает мотор-генератор 3 к АБ 4 и одновременно включает устройство 2 подачи топлива в ДВС 1. В результате через механический привод от мотор-генератора 3 начинает вращаться ДВС 1 со скоростью 1100 об/мин и в течение 5-30 секунд происходит его автоматический пуск. При этом скорость вращения достигает 2200 об/мин, мотор-генератор 3 переходит в режим генерации электроэнергии, электрический ток меняет свое направление, поскольку напряжение на генераторе становится больше напряжения АБ 4, и в виде постоянного тока через силовой коммутатор 6 поступает на заряд АБ 4. В случае большой мощности нагрузки в инвертор 7 поступает одновременно электроэнергия, запасенная в АБ 4, и электроэнергия от работающего мотор-генератора 2, что предотвращает быстрый разряд АБ и позволяет получать на инверторе 7 и на нагрузке 8 мощность выше, чем способен дать один ДВС 1. Кроме автоматического предусмотрен ручной режим пуска ДВС 1 при напряжении на АБ 4, соответствующем рабочему диапазону. По мере работы ДВС 1 и заряда АБ 4 напряжение на АБ 4 увеличивается до максимального значения (верхняя граница рабочего диапазона), после чего блок управления 5 через силовой коммутатор 6 прекращает подачу топлива, останавливая ДВС 1, и отключает АБ 4 от мотор-генератора 3.

В предлагаемом способе, как представлено в блок-схеме на фиг.2, могут быть использованы помимо ДВС и другие источники энергии: в виде ВИЭ, например, СБ 9 и работающая с перебоями электросеть 10 переменного тока. СБ 9 имеет величину напряжения, необходимую для заряда АБ 4. Блок управления 5 через силовой коммутатор 6 соединяет СБ 9 с АБ 4. Электросеть 10 заряжает АБ 4 через выпрямитель и зарядное устройство 11. Силовой коммутатор 12 по команде блока управления 5 соединяет инвертор 7 с нагрузкой 8 и электросеть 10 с зарядным устройством 11. Автоматический пуск ДВС 1 произойдет, если случится непредвиденное отключение питания электросети 10, а энергии, поступающей от СБ 9, окажется недостаточно для поддержания в рабочем диапазоне напряжения на АБ 4 и она разрядится до своего нижнего предела.

Представленный способ может быть также реализован для вырабатывания не только электрической, но и тепловой энергии. Как показано на фиг.3, используя тепло выхлопных газов ДВС 1, имеющих температуру около 150°С, к выхлопной трубе присоединяется теплообменник, через который пропускается жидкий теплоноситель 13. Теплоноситель 13, например вода, нагревается до температуры, близкой к 100°С, и аккумулируется в емкости достаточного объема (~100 л). Горячую воду можно использовать для отопления и горячего водоснабжения.

Сравнение заявленного изобретения с прототипом позволило установить, что оно отличается от последнего условиями аккумулирования в АБ электроэнергии постоянного тока, вырабатываемой мотор-генератором постоянного тока, способом управления и системой электропитания автоматического пуска ДВС, и, следовательно, соответствует критерию “новизна”.

Сравнение заявленного изобретения с другими известными решениями в данной области техники показало, что идентичные признаки по признакам, отличающим заявленное изобретение от прототипа, выявлены не были, и поэтому оно соответствует критерию “изобретательский уровень”.

Применение заявленного изобретения в энергетике при организации автономного энергоснабжения и электроснабжения ответственных потребителей с нагрузкой большой мощности обеспечивает ему критерий “промышленная применимость”.

Использование: при организации бесперебойного снабжения электричеством и теплом ответственных потребителей. Технический результат заключается в повышении надежности и снижении стоимости энергоснабжения потребителей. С помощью мотор-генератора постоянного тока и ДВС энергию углеводородного топлива превращают в электроэнергию постоянного тока и накапливают в аккумуляторных батареях, а избыток электроэнергии направляют потребителю с помощью инвертора напряжения, причем начало подачи топлива в двигатель и одновременное включение мотор-генератора для вращения двигателя, с последующим переходом в режим генератора, проводят с помощью автоматического блока управления и силового коммутатора, исходя из условий поддержания рабочего диапазона напряжения на аккумуляторных батареях, при этом вращение двигателя во время автоматического пуска осуществляют за счет электропитания мотор-генератора от аккумуляторных батарей, а от двигателя отводят выделяющуюся тепловую энергию. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ бесперебойного энергоснабжения, включающий преобразование разных видов энергии в электроэнергию, в том числе с помощью возобновляемых источников энергии, а также периодически включаемого двигателя внутреннего сгорания и передачи вращения на электрогенератор, накопление выработанной электроэнергии в аккумуляторных батареях, преобразование и передачу потребителю с помощью инвертора напряжения накопленной электроэнергии и отвод от двигателя выделяющейся тепловой энергии, отличающийся тем, что с помощью мотор-генератора постоянного тока и двигателя внутреннего сгорания энергию углеводородного топлива превращают в электроэнергию постоянного тока и направляют в аккумуляторные батареи, а избыток электроэнергии - в инвертор напряжения, начало подачи топлива в двигатель и одновременное включение мотор-генератора для вращения двигателя с последующим переходом в режим генератора проводят с помощью автоматического блока управления и силового коммутатора, исходя из условия поддержания рабочего диапазона напряжения на аккумуляторных батареях, при этом вращение двигателя во время автоматического пуска осуществляют за счет электропитания мотор-генератора от аккумуляторных батарей.2. Способ бесперебойного энергоснабжения по п.1, отличающийся тем, что в аккумуляторные батареи электроэнергию дополнительно подают, по крайней мере, от одного из возобновляемых источников энергии, например, солнечной батареи и от электросети переменного тока, а их присоединение к аккумуляторным батареям осуществляют с помощью автоматического блока управления и силового коммутатора.3. Способ бесперебойного энергоснабжения по п.1, отличающийся тем, что в двигатель подают газовое топливо и тепловую энергию выхлопных газов двигателя направляют на нагрев жидкого теплоносителя, который собирают в соответствующей емкости.4. Способ бесперебойного энергоснабжения по п.1, отличающийся тем, что мощности двигателя и инвертора выбирают больше мощности мотор-генератора.5. Способ бесперебойного энергоснабжения по п.1, отличающийся тем, что предусмотрен пуск двигателя в ручном режиме управления независимо от значения напряжения внутри рабочего диапазона для аккумуляторных батарей.