СИСТЕМА ПИТАНИЯ ЭНЕРГИЕЙ И СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ СПОСОБЫ Российский патент 2011 года по МПК H01H33/28 H02H1/06 H02J7/34 H02J9/00 

Область техники

Первый аспект изобретения связан с системой электропитания для обеспечения электроснабжения собственных нужд оборудования на высоковольтной платформе.

Во втором аспекте изобретение связано с высоковольтной платформой, оборудованной такой системой электропитания.

В третьем аспекте изобретение относится к электрической сети, оборудованной подобной платформой.

В четвертом аспекте изобретение относится к способу передачи электропитания собственных нужд к оборудованию на высоковольтной платформе.

Уровень техники

Для оборудования на высоковольтных платформах вдоль высоковольтных линий передач является проблемой обеспечение электропитанием собственных нужд, даже когда линии электропередач не под напряжением. На сегодняшний день это можно осуществить с помощью излучения лазера, передаваемого с земли через оптоволокно наверх на платформу, но с помощью этого способа невозможно передать более чем приблизительно 0,5 Вт на оптоволокно. Оборудование должно иметь возможность работать, даже когда линия электропередачи без напряжения, например в течение обслуживания, или если на линии электропередачи произошла авария, для защиты оборудования от повреждения, вызванного ударом молнии. Существующие системы для обеспечения энергией не могут соответствовать данным требованиям.

В DE 1807 591 описан высоковольтный размыкатель, смонтированный на платформе.

Размыкатель снабжен приводом, питаемым исполнительным конденсатором. Исполнительный конденсатор заряжается преобразователем энергии, преобразующим химическую или механическую энергию в электроэнергию. Например, преобразователем энергии может быть топливный элемент. Проблемой снабжения устройств данного типа является то, что обычно применяемый конденсатор этого типа теряет энергию, поэтому он должен непрерывно перезаряжаться. Кроме того, когда конденсатор находится в использовании, он должен быть перезаряжен. Энергия от топливного элемента обычно мала для того, чтобы была возможность произвести перезарядку за разумное время. В качестве альтернативы могут использоваться особенно энергоемкие и дорогие топливные элементы.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является решение обозначенной выше проблемы и получение системы электропитания приводного конденсатора с возможностью работы в течение разумного времени и имеющую низкую стоимость.

Эта задача, соответствующая первому аспекту изобретения, достигается тем, что система электропитания данного типа, описанная в данном вопросе, содержит специфические особенности, которые система имеет в промежуточном накопителе и питающем модуле для хранения энергии от топливного элемента и передачи энергии исполнительному конденсатору и модуле преобразования энергии для передачи энергии от промежуточного накопителя и модуля питания к исполнительному конденсатору.

При помощи этого промежуточного накопителя и модуля питания вся энергия передается исполнительному конденсатору за короткое время, в то время как электрическая энергия передается в промежуточный накопитель в течение длительного времени. Таким образом, энергия, передаваемая в промежуточный накопитель, может вырабатываться источником малой мощности, тогда как электроэнергия, передаваемая от промежуточного накопителя, может иметь намного большую мощность. Модуль преобразования электроэнергии позволяет низкое напряжение от промежуточного накопителя и модуля питания преобразовать в высокое напряжение исполнительного конденсатора.

Подвод энергии от топливного элемента промежуточного накопителя и модуля питания может быть в известной степени низким настолько, что может использоваться топливный элемент с малой мощностью. Мощности топливного элемента более низкие, чем мощность модуля преобразования энергии, должны заряжать исполнительный конденсатор за определенное время.

Топливный элемент будет требовать всего несколько рабочих часов в год, если количество запусков ограниченно. Срок службы системы поэтому не будет ограничиваться сроком службы топливного элемента.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения устройство с промежуточным накопителем и модулем питания состоит из, по крайней мере, одного низковольтного конденсатора, имеющего большую емкость и низкую утечку.

Использование одного или более низковольтных конденсаторов данного типа оптимально по требованиям зарядки от топливного элемента для зарядки промежуточного конденсатора и для получения малых габаритов.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления промежуточный накопитель и модуль питания содержат, по крайней мере, один электрохимический двухслойный конденсатор.

Этот тип конденсатора, часто упоминаемый как ультраконденсатор или суперконденсатор, главным образом используется для промежуточного накопителя и модуля питания по причине его большой емкости и большой энергии, запасаемой в конденсаторе. Как правило, ультраконденсатор имеет емкость в сотни или тысячи фарад, тогда как рабочее напряжение мало, только несколько вольт. Энергия, запасаемая в конденсаторе, обычно приблизительно 10-20 кДж/кг.

Поскольку ультраконденсатор имеет очень низкую утечку энергии, он зачастую не требует подзарядки по причине утечки. Подзарядка требуется только для компенсации потребления источника питания.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления напряжение находится в диапазоне от 1 и до 4 В, желательно в диапазоне 2-3 В, и энергия, запасенная в конденсаторе, находится в диапазоне от 5 и до 50 кДж на кг, желательно в диапазоне от 10 и до 20 кДж на кг.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления накопитель включает несколько ультраконденсаторов, включенных последовательно.

Использование нескольких ультраконденсаторов представляет собой удобный путь достичь необходимого уровня напряжения.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления топливный элемент имеет мощность зарядки в диапазоне то 15 до 100 Вт, желательно в диапазоне от 30 и до 50 Вт.

Таким образом, топливный элемент разработан для того, чтобы иметь возможность заряжать промежуточный накопитель в течение требуемого времени, составляющего обычно один час.

Низкая зарядная мощность топливного элемента означает, что он может быть маленьким и дешевым.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления топливный элемент и промежуточный накопитель и модуль питания находятся в изолированном корпусе.

Таким образом, возможно обеспечить для этих компонентов нормальные условия, например, требуемую температуру, необходимую для нормального функционирования.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления корпус делают с источником кондиционированного воздуха, подающего в корпус кондиционированный воздух.

Подача кондиционированного воздуха является удобным путем удержания температуры внутри корпуса в установленном диапазоне.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления топливный элемент имеет источник воздуха, который находится внутри источника кондиционированного воздуха.

Путем установки источника воздуха на катодной стороне топливного элемента температура воздуха всего этого источника может быть удержана в установленном диапазоне благодаря обмену теплом с подаваемым кондиционированным воздухом. В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления система содержит, по крайней мере, один вентилятор, предназначенный для подачи воздуха в корпус.

Эти предложения являются дополнительным или альтернативным путем, чтобы поддерживать температуру в корпусе в допустимом диапазоне.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления топливный элемент снабжается проходящей через катод трубой, предназначенной для протекания воды в нижнюю часть корпуса.

Путем протекания воды от катодной стороны топливного элемента в нижнюю часть корпуса, находящегося на платформе, избегают всех проблем высокого потенциала, которые могут возникнуть из-за утечки воды на землю.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления система включает контроллер топливного элемента, находящийся на платформе, и микропроцессор, находящийся на земле, которые предназначены для управления работой системы.

При помощи этого устройства система может автоматически адаптироваться к существующему состоянию и включать и останавливать компоненты системы, может принимать меры для работы автоматики в соответствии с посланными параметрами. Описанный выше предпочтительный вариант осуществления подробно описан в представленной формуле изобретения системы.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления система содержит средства измерения для измерения напряжения на промежуточном накопителе и модуле питания и/или, по крайней мере, на одном исполнительном конденсаторе.

Таким образом, уровень зарядки может контролироваться, и могут проводиться требуемые для включения подзарядки измерения.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления система включает первую систему связи, предназначенную для начала работы с топливным элементом в зависимости от средств измерения, и/или вторую систему связи, предназначенную для запуска разряда промежуточного накопителя и модуля питания в зависимости от данных со средств измерения.

Это наиболее легкий путь, позволяющий автоматически начинать требуемую операцию измерения для поддержания системы в требуемом во время ожидания состоянии.

Во втором аспекте изобретения объект, который находится на этой высоковольтной платформе, имеет специфические особенности, которые обеспечиваются системой, соответствующей изобретению и частично соответствующей любой из предпочтительных реализаций этого изобретения.

В третьем аспекте изобретения объект, находящийся на электрической сети, имеет специфические особенности, которые обеспечиваются с помощью высоковольтной платформы, в соответствии с изобретением.

В четвертом аспекте объект, использующий указанный метод снабжения оборудования на высоковольтной платформе электроэнергией собственных нужд, имеет характерные особенности передачи энергии от топливного элемента к промежуточному накопителю и модулю питания и передачи энергии от промежуточного накопителя и модуля питания к минимум одному исполнительному конденсатору.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления изобретенного способа энергия подается на промежуточный накопитель и модуль питания только тогда, когда напряжение на промежуточном накопителе и модуле питания ниже определенного уровня.

Таким образом, топливный элемент работает, только когда необходимо, таким образом, сберегается время работы топливного элемента.

В соответствии с предпочтительным в дальнейшем вариантом осуществления изобретенного способа способ выполняется с использованием системы, соответствующей изобретению и частично соответствующей ее предпочтительному варианту осуществления.

Изобретенная высоковольтная платформа, изобретенная электрическая сеть, изобретенный способ и предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения решают соответствующие проблемы и имеют соответствующие преимущества, которые были описаны выше для изобретенной системы и ее предпочтительного варианта осуществления.

Изобретение будет объяснено более детально при помощи следующих иллюстраций предпочтительных примеров и путем ссылок к прилагаемым изображениям.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 схематично иллюстрирует систему электропитания в соответствии с изобретением.

Фиг.2 представляет собой схему, показывающую функционирование системы на фиг.1

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Фиг.1 схематично изображает высоковольтную платформу 1. На платформе 1 оборудование 10 соединено с высоковольтной передающей линией 4. Оборудование 10 приводится в действие при помощи одного или более приводных конденсаторов 3 в случае возникновения необходимости. После того как конденсатор был полностью разряжен запасенной энергией, например, в 15 кДж, он перезаряжается.

Перезарядка исполнительного конденсатора 3 выполняется путем его зарядки от промежуточного накопителя и модуля питания 5 через модуль преобразования энергии 31 типа, например, инвертора.

Промежуточный накопитель и модуль питания 5 состоят из некоторого количества, например шести, ультраконденсаторов 6, соединенных последовательно. Каждый ультраконденсатор 6 имеет емкость 5000 Ф и максимальное напряжение 2,5 В. Каждый ультраконденсатор 6 может хранить 15,6 кДж, в сумме во всех конденсаторах запасено 94 кДж. Этого достаточно для зарядки исполнительного конденсатора 3 за 1 минуту при мощности примерно 250 Вт.

После того как ультраконденсаторы 6 в промежуточном накопителе и модуле питания 5 были включены и зарядили исполнительный конденсатор, ультраконденсаторы перезаряжаются. Поскольку расчетная потребность заряжать исполнительный конденсатор 3 составляет всего около десяти раз в год, доступно много времени для зарядки ультраконденсаторов 6.

Ультраконденсаторы 6 заряжаютя от топливного элемента 7. Вследствие того что зарядка ультраконденсаторов возможна на протяжении длительного времени, то мощность топливного элемента можно уменьшить. Мощность может быть, например, приблизительно 30-50 Вт, при этом возможно заряжать ультраконденсаторы до энергии 50-100 кДж за один час. На выходе топливного элемента приблизительно 15 В постоянного тока, которое передается шести ультраконденсаторам на 2,5 В.

Топливный элемент 7 работает на чистом водороде и питается через полимерную трубу 8, соединенную с водородным баллоном, находящимся на земле.

Более детальное объяснение системы сделано со ссылкой на фиг.2, где показана схема, иллюстрирующая различные функции системы электропитания, соответствующего изобретению.

Топливный элемент 7 находится в изолированном корпусе 11. Система может работать при температуре в диапазоне, например, от -40°C и до +40°C и при относительной влажности до 100%. Диапазон температуры внутри корпуса 11 должен быть удержан в диапазоне от +5°C и до +45°C. Низкая влажность должна предотвратить коррозию вследствие конденсации.

Кондиционированный воздух подается в корпус 11 для удержания температуры в диапазоне выше +5°С.

Температура внутри корпуса 11 измеряется, и если температура ниже 0°C, топливный элемент должен быть подогрет перед пуском.

Для охлаждения используют два вентилятора 12 и 13, предназначенные для подачи холодного воздуха в корпус 11. В описанном изобретении водород для топливного элемента подают к аноду из баллона, находящегося на земле.

Труба 19 подводит воздух к топливному элементу для подачи кислорода на катод топливного элемента 7. Воздушный насос 20, находящийся на земле, обеспечивает необходимое давление и количество воздуха. Количество воздуха находится в зависимости от выходной мощности топливного элемента 7. Количество воздуха регулируется путем изменения скорости воздушного насоса 20, которая управляется микропроцессором 17. Обычно скорость воздушного насоса постоянна.

Воздух для кондиционирования корпуса 11 подается через трубу 22. Предпочтительно, чтобы труба подвода воздуха 19, подающая воздух на сторону катода, находилась с наружной стороны трубы с кондиционированным воздухом 22.

Топливный элемент генерирует воду при работе. 90% воды поступает из порта выхода воздуха со стороны катода. Эта вода вытекает через дренажную трубу катода в корпус 11 на высоковольтной платформе 1. Большая часть этой воды удаляется наружу при помощи рециркуляции воздуха и при нормальной работе не образует капель, которые должны быть удалены.

Около 10% воды утекает вниз через трубу для выпуска водорода 24. Эта вода выходит как влажный воздух, и при нормальных условиях образования капель не происходит.

Труба для выпуска водорода 24 выполнена с электромагнитным выпускным клапаном 25, который периодически открывается, чтобы водород, грязь и, возможно, вода выпускались наружу с анодной стороны. Электромагнитный выпускной клапан находится на уровне земли и управляется микропроцессором 17.

Работа системы управляется контроллером топливного элемента 27, находящегося на платформе 1, и микропроцессором 17, находящимся на уровне земли. Основной задачей контроллера топливного элемента 27 и микропроцессора 17 является управление зарядом исполнительного конденсатора 3 и зарядом батареи ультраконденсаторов.

Напряжение на исполнительном конденсаторе контролируется в том случае, если измеренное напряжение исполнительного конденсатора 3 ниже установленного предела по причине утечки энергии, реле 30 выключается, и энергия передается от ультраконденсаторов 5 через инвертор 31, если напряжение на ультраконденсаторах находится выше установленного значения, например в 11,5 В.

Напряжение на ультраконденсаторах 5 также контролируется. Когда измеренное значение ниже установленного предела для зарядки ультраконденсаторов 5, запускается топливный элемент. Когда напряжение на ультраконденсаторах достигает установленного значения, например 14,4 В, то топливный элемент 7 выключается.

Изобретение относится к системам электропитания, применяющимся для снабжения энергией оборудования на высоковольтной платформе. Система содержит топливный элемент (7) и исполнительный конденсатор (3). В соответствии с изобретением система содержит промежуточный аккумулятор и модуль питания (3). Этот модуль (3) снабжается энергией от топливного элемента и питает энергией исполнительный конденсатор через модуль преобразования электроэнергии (31). Изобретение, кроме того, относится к высоковольтной платформе (1), питаемой с помощью изобретенной системы, к электрической сети, питаемой с помощью изобретенной платформы, и к способу снабжения энергией оборудования на высоковольтной платформе. Технический результат - снижение стоимости оборудования и сокращение времени передачи энергии заряжаемому конденсатору. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система питания энергией, предназначенная для снабжения электроэнергией собственных нужд оборудования (10) на высоковольтной платформе (1), система электропитания включает исполнительный конденсатор (3) и топливный элемент (7), отличающаяся тем, что система электропитания включает в себя промежуточный накопитель и модуль питания (5) для хранения энергии от топливного элемента и снабжения энергией исполнительного конденсатора (3) и модуля преобразования электроэнергии (31) для передачи энергии от промежуточного накопителя и модуля питания (5) к исполнительному конденсатору (3).

2. Система электропитания в соответствии с п.1, отличающаяся тем, что промежуточный накопитель и модуль питания (5) содержат, по крайней мере, один низковольтный конденсатор, который имеет большую емкость и низкую утечку.

3. Система электропитания в соответствии с п.1, отличающаяся тем, что промежуточный накопитель и модуль питания (5) содержат, по крайней мере, один электрохимический двухслойный конденсатор.

4. Система электропитания в соответствии с п.3, отличающаяся тем, что напряжение на конденсаторе находится в диапазоне от 1 и до 4 В, предпочтительно в диапазоне 2-3 В, и энергия, запасаемая в конденсаторе, находится в диапазоне от 5 до 50 кДж на кг, предпочтительно в диапазоне от 10 до 20 кДж на кг.

5. Система электропитания в соответствии с п.3, отличающаяся тем, что промежуточный накопитель и модуль питания (5) включают несколько двухслойных электрохимических конденсаторов (6), соединенных последовательно, суммарное напряжение двухслойных электрохимических конденсаторов (6) находится в диапазоне от 10 и до 20 В, и суммарная энергия, запасенная в конденсаторах, находится в диапазоне 50-200 кДж.

6. Система электропитания в соответствии с любым из пп.1-5, отличающаяся тем, что топливный элемент (7) имеет зарядную мощность в диапазоне от 15 и до 100 Вт, предпочтительно в диапазоне от 30 и до 50 Вт.

7. Система электропитания в соответствии с любым из пп.1-4, отличающаяся тем, что топливный элемент (7) и промежуточный накопитель и модуль питания находятся в изолированном корпусе (11).

8. Система электропитания в соответствии с п.7, отличающаяся тем, что корпус (11) оснащен источником кондиционированного воздуха (22), предназначенного для подачи кондиционированного воздуха в корпус (11).

9. Система электропитания в соответствии с п.8, отличающаяся тем, что топливный элемент (7) имеет трубку для подачи воздуха (19), в котором трубка подачи воздуха проходит внутри трубы с кондиционированным воздухом (22).

10. Система электропитания в соответствии с п.7, отличающаяся тем, что система содержит, по крайней мере, один вентилятор (12, 13), предназначенный для подачи воздуха в корпус (11).

11. Система электропитания в соответствии с п.7, отличающаяся тем, что топливный элемент (7) оснащен дренажной трубой катода (23), предназначенной для выпуска воды в нижнюю часть изолированного корпуса.

12. Система электропитания в соответствии с любым из пп.1-5 и 8-11, отличающаяся тем, что система включает контроллер топливного элемента (27), расположенного на платформе (1), и микропроцессор (17), находящийся на земле, который предназначен для управления работой системы.

13. Система электропитания в соответствии с любым из пп.1-5 и 8-11, отличающаяся тем, что система содержит средства измерений для измерения напряжения на промежуточном накопителе и модуле питания (6) и/или на хотя бы одном исполнительном конденсаторе (3).

14. Система электропитания в соответствии с п.13, отличающаяся тем, что система содержит первый канал связи, предназначенный для запуска работы топливного элемента (7) в зависимости от указанных средств измерения, и/или второй канал связи, предназначенный для запуска разряда указанного промежуточного накопителя и модуля питания (5) в зависимости от указанных средств измерения.

15. Высоковольтная платформа (1), отличающаяся тем, что платформа оснащена системой электропитания в соответствии с любым из пп.1-14.

16. Электрическая сеть (4), отличающаяся тем, что сеть (4) оснащена, по крайней мере, одной высоковольтной платформой в соответствии с п.15.

17. Способ для обеспечения электроэнергией собственных нужд оборудования на высоковольтной платформе, в котором оборудование приводят в действие, по крайней мере, одним исполнительным конденсатором, в котором, по крайней мере, один исполнительный конденсатор снабжается энергией от топливного элемента, отличающийся тем, что осуществляется передача энергии от топливного элемента к промежуточному накопителю и осуществляется передача энергии от промежуточного накопителя и модуля питания к, по крайней мере, одному исполнительному конденсатору.

18. Способ в соответствии с п.17, отличающийся тем, что передача энергии к промежуточному накопителю и модулю питания осуществляется только тогда, когда напряжение на промежуточном накопителе и модуле питания ниже предустановленного уровня.

19. Способ в соответствии с п.17 или 18, отличающийся тем, что реализация способа осуществляется с использованием системы и соответствует любому одному из пп.1-14.