УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ, НАКОПЛЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2013 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к устройству для формирования, накопления и передачи электрической энергии согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения. Изобретение, кроме того, относится к способу для формирования, накопления и передачи электрической энергии согласно родовому понятию пункта 11 формулы изобретения.

Из уровня техники известны применения, которые могут работать независимо от токовой сети. Подобные применения пригодны особенно для использования в удаленных и/или труднодоступных местностях, например, в применениях сенсоров. Для обеспечения энергоснабжения таких применений электрической энергией они могут включать в себя, например, так называемые компоненты сбора энергии. Сбором энергии при этом называется преобразование энергии из внешних источников, таких как окружающая температура, свет, вибрация или воздушный поток. Так как с помощью этих компонентов сбора энергии, ввиду непостоянного наличия внешних источников, невозможно продолжительное формирование энергии, эти применения содержат накопительные блоки, на основе которых возможно накопление энергии, сформированной компонентами сбора энергии, так что и при неактивных компонентах сбора энергии может достигаться энергоснабжение применений электрической энергией.

Подобное применение известно из WO 2007/082 168 А2, где раскрываются устройство и способ для сбора энергии для формирования, накопления и передачи энергии в электрическую нагрузку, в особенности для удаленных и недоступных применений. Устройство предпочтительно содержит один или более источников энергии и в качестве накопительных блоков по меньшей мере один конденсатор с двойным слоем для электроснабжения электрической нагрузки, а также аккумулятор в качестве аварийного электроснабжения. Кроме того, предусмотрен блок управления для управления устройством. Накопление энергии, то есть заряд накопительных блоков и передача энергии в них предпочтительно выполняются динамическим и переменным образом, причем накопительные блоки затем могут заряжаться, если они не отдают никакую энергию. Для электрического заряда конденсатора с двойным слоем предусмотрена накачка заряда, которая собирает, в частности, электрическую энергию от маломощных источников энергии и одновременно обеспечивает возможность передачи этой энергии с более высоким электрическим напряжением на электрическую нагрузку. Кроме того, предусмотрены средства, с помощью которых содержание энергии накопительных блоков контролируется, причем на основе содержания энергии может регулироваться частота при их заряде. Дополнительно также два конденсатора с двойным слоем могут соединяться между собой электрически последовательно или параллельно.

Кроме того, из WO 2005/091462 А1 известно устройство и способ для заряда аккумуляторной батареи, причем емкостной накопительный блок заряжается электрической энергией до электрического напряжения, которое выше, чем номинальное напряжение аккумуляторной батареи. При достижении заданного предельного значения напряжения емкостного накопительного блока осуществляется разряд электрической энергии в аккумуляторную батарею.

US 2003/0117111 А1 раскрывает устройство и способ для заряда электрической батареи из электрического источника энергии. На первой фазе емкостной накопительный блок заряжается электрической энергией. На второй фазе емкостной накопительный блок отсоединяется от источника энергии, и электрическая батарея заряжается электрической энергией, накопленной в емкостном накопительном блоке.

Кроме того, из документов ЕР 1542099 А1, DE 199 13 627 A1 и US 2007/0096564 A1 известны устройства и способы, в которых по меньшей мере один блок накопления энергии заряжается электрической энергией источника энергии, и накопленная энергия подается во второй блок накопления энергии.

В основе изобретения лежит задача предложить устройство и способ для формирования, накопления и передачи электрической энергии, которые обеспечивают возможность непрерывной эксплуатации маломощных электрических потребителей при одновременном, по меньшей мере кратковременном энергоснабжении маломощных электрических потребителей электрической энергией.

В отношении устройства эта задача в соответствии с изобретением решается признаками, приведенными в пункте 1 формулы изобретения. В отношении способа эта задача в соответствии с изобретением решается признаками, приведенными в пункте 11 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.

Устройство для формирования, накопления и передачи электрической энергии включает в себя по меньшей мере один источник энергии, по меньшей мере один первый накопительный блок и один второй накопительный блок для накопления энергии, а также блок управления. Для электрического заряда первого накопительного блока к нему может подводиться электрическая энергия второго накопительного блока. Тем самым предпочтительным образом могут также заряжаться накопительные блоки, которые требуют заданного минимального тока заряда для электрического заряда.

В соответствии с изобретением источник энергии и накопительные блоки также соединены с электрическими потребителями децентрализованного и автономного устройства, причем к выполненным как коммуникационные блоки высокомощным электрическим потребителям (3) электрическая энергия может подводиться посредством первого накопительного блока (4), а к выполненным как сенсоры маломощным электрическим потребителям (2) - посредством второго накопительного блока (5), причем накопительная емкость второго накопительного блока ниже, чем накопительная емкость первого накопительного блока.

Отсюда предпочтительным образом следует, что выполненные как сенсоры электрические потребители с низкой потребляемой энергией могут очень быстро становиться готовыми к использованию, так как на основе низкой накопительной емкости и следующего отсюда быстрого времени заряда второго накопительного блока своевременно может быть достигнут необходимый для работы сенсоров уровень напряжения. Тем самым также возможно, что определяемые посредством сенсоров данные, например данные окружающей среды, могут передаваться посредством коммуникационных блоков на центральный пункт.

Источник энергии предпочтительно представляет собой компонент сбора энергии, который обеспечивает возможность автономного снабжения электрических, в частности, удаленных и труднодоступных применений.

Так как компонент сбора энергии имеет только незначительную электрическую мощность, выработанная электрическая энергия может подводиться сначала к второму накопительному блоку, в частности, к электролитическому конденсатору, для которого не требуется минимальный ток заряда для заряда, причем блок управления, согласно особенно предпочтительному выполнению изобретения, содержит схему заряда, посредством которой может управляться подача электрической энергии во второй накопительный блок, и из него в первый накопительный блок. При этом, в частности, ток заряда и/или напряжение заряда являются управляемыми, так что гарантируется накопление электрической энергии в первом накопительном блоке.

Первый накопительный блок и второй накопительный блок, согласно варианту выполнения изобретения, являются разнотипными, причем первый накопительный блок вместо обычного аккумулятора предпочтительно представляет собой конденсатор с двойным слоем, который имеет очень высокую плотность энергии, так что требуются незначительные пространства для встраивания.

На основе выполнения первого накопительного блока как конденсатора с двойным слоем, а второго накопительного блока как электролитического конденсатора предпочтительным образом для накопления электрической энергии не требуются аккумуляторы, так что может быть достигнуто увеличение срока службы устройства. Кроме того, температурные влияния имеют лишь незначительное воздействие на срок службы конденсаторов. К тому же конденсаторы выполнены в расчете на очень высокое количество циклов заряда и разряда. Кроме того, конденсаторы по сравнению с аккумуляторами в качестве накопителей энергии имеет особое преимущество, состоящее в том, что они содержат меньше ядовитых веществ и поэтому проще утилизируются.

Для того чтобы маломощные потребители на втором накопительном блоке эксплуатировать при различных состояниях заряда последних, предусмотрен регулятор напряжения, с помощью которого может автоматически устанавливаться уровень напряжения для работы маломощного электрического потребителя.

В особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения схема заряда содержит регулятор переключения для заряда второго накопительного блока, причем регулятор переключения является тактируемым источником тока. Он имеет очень высокий КПД и обеспечивает то, что конденсатор с двойным слоем может заряжаться до более высокого электрического напряжения, чем электролитический конденсатор, так что возможно накопление дополнительной энергии. Кроме того, на первый накопительный блок, то есть, в особенности, на конденсатор с двойным слоем и/или на второй накопительный блок при съеме энергии одновременно может подаваться электрическая энергия.

Кроме того, предусмотрен блок определения, с помощью которого может определяться состояние заряда накопительных блоков, особенно второго накопительного блока. Тем самым выгодным образом возможно то, что постоянно в распоряжение предоставляется количество электрической энергии, достаточное для работы маломощных электрических потребителей.

Дополнительно предусмотрено устройство для формирования, накопления и/или передачи электрической энергии для электрического энергоснабжения децентрализованных устройств, в частности, управляющих приборов, сенсоров, сетей сенсоров, передатчиков, приемников, агрегатов и/или приводов, так что обеспечивается возможность независимой от электросетей эксплуатации этих устройств.

Резюмируя соответствующее изобретению устройство и соответствующий изобретению способ, а также их формы выполнения, обеспечивают возможность непрерывной работы маломощных электрических потребителей при одновременном, по меньшей мере краткосрочном энергоснабжении маломощных электрических потребителей электроэнергией. На основе разделения накопительных блоков может предоставляться достаточно энергии с необходимым наименьшим уровнем напряжения.

Примеры выполнения изобретения более подробно поясняются ниже со ссылками на чертеж, на котором показано следующее:

Фиг.1 - блок-схема устройства для формирования, накопления и/или передачи электрической энергии, содержащего по меньшей мере один источник энергии, который выполнен как элемент сбора энергии.

На единственной фиг.1 показано устройство для формирования, накопления и передачи электрической энергии, содержащее по меньшей мере один источник 1 энергии, который выполнен как элемент сбора энергии. Далее как соответствующее изобретению устройство, так и соответствующий изобретению способ, а также предпочтительные варианты их осуществления описаны со ссылкой на фиг.1.

При этом устройство предусмотрено, в частности, для применений, которые находятся в труднодоступных местностях и не зависят от электросети.

Источник 1 энергии, представляющий собой элемент сбора энергии, может являться, например, солнечной панелью, пьезоэлектрическим устройством, термоэлектрическим генератором или иными возможными источниками энергии, которые вырабатывают электрическую энергию из внешних источников, таких как окружающая температура, свет, вибрация или воздушный поток. В не показанном подробно примере выполнения изобретения предусмотрено множество источников 1 энергии, причем источники 1 энергии предпочтительно вырабатывают электрическую энергию из внешних источников. Таким образом, вероятность того, что невозможно выработать электрическую энергию, потому что в распоряжении не имеется никакого внешнего источника, снижается.

Так как элементы сбора энергии обычно вырабатывают низкую снимаемую электрическую мощность, они особенно подходят для применений с незначительным потреблением энергии или с незначительным съемом электрической мощности. При этом учитываются, в частности, применения сенсоров, например, для определения параметров окружающей среды.

Поэтому устройство содержит, кроме того, в качестве маломощного электрического потребителя 2, один или несколько сенсоров, которые могут представлять собой датчики температуры, датчики ускорения, датчики газа или другие сенсоры. Они требуют для работы лишь малой электрической мощности и часто должны эксплуатироваться независимо от электросети, так как кабельная проводка для энергоснабжения, например, в промышленных установках в большом количестве экземпляров нежелательна.

Кроме того, независимое энергопитание сенсоров электрической энергией обеспечивает возможность того, что они могут получать энергоснабжение электроэнергией и в труднодоступных местностях, например, в сейсмоопасных регионах.

При подобном применении устройства для энергоснабжения электрической энергией установки для регистрации землетрясений множество сенсоров, в частности, датчиков вибрации или сети датчиков может снабжаться электроэнергией посредством источника 1 энергии независимо от электросети. При этом датчики вибрации расположены таким образом, что между ними возможна связь, то есть обмен данными, так что при обнаружении вибраций несколькими сенсорами может, например, инициироваться сигнал тревоги.

Кроме того, устройство также пригодно для электроснабжения устройств для контроля других параметров окружающей среды, например, для измерения качества воды в водоемах или для обнаружения лесных пожаров. На основе энергоснабжения таких систем с помощью устройства для формирования, накопления и/или передачи электрической энергии предпочтительным образом может быть реализовано надежное функционирование и электроснабжение в течение очень длительных промежутков времени, например, нескольких лет.

Дополнительной возможной целью использования является применение устройства для электроснабжения электрических развлекательных устройств, например, телевизионных приемников или музыкальных установок. При этом мог бы предпочтительно предусматриваться термогенератор для преобразования тепла рук пользователя в электрическую энергию и при задействовании клавиши высвобождаться, так что обычно применяемые батареи или аккумуляторы для энергоснабжения могут отсутствовать.

Для оценки зарегистрированных сенсорами данных, например, в центральном пункте, устройство в качестве мощного электрического потребителя 3 содержит, кроме того, по меньшей мере один коммуникационный блок, с помощью которого зарегистрированные данные могут передаваться в центральный пункт. В качестве коммуникационного блока, в зависимости от применения, могут применяться различные системы и/или стандарты передачи данных, такие как, например, GSM (Глобальная система мобильной связи), WLAN (беспроводная локальная сеть) или другие, в частности, радиосети.

Так как, однако, внешние источники, как, например, солнечный свет, являются не постоянными, то посредством компонентов сбора энергии невозможна продолжительная выработка энергии. По этой причине устройство дополнительно содержит первый накопительный блок 4 и второй накопительный блок 5, в которых может накапливаться электрическая энергия, выработанная источником 1 энергии, то есть компонентом сбора энергии.

Накопительные блоки 4 и 5 представляют собой конденсаторы, причем первый накопительный блок 4 является конденсатором с двойным слоем. Он имеет очень высокую плотность энергии и, тем самым, высокую электрическую емкость. Второй накопительный блок 5 является электролитическим конденсатором.

Конденсаторы, по сравнению с аккумуляторами, имеют в качестве электрических накопительных блоков прежде всего повышенный срок службы и поэтому обуславливают высокую надежность устройства и низкие затраты на техническое обслуживание, которые для уже описанного применения в трудно доступных местностях являются очень выгодными. Кроме того, конденсаторы отличаются низкой температурной зависимостью и требуют сравнительно меньше связанных с затратами схем и процессов заряда.

Оба накопительных блока 4 и 5 имеют различные емкости накопления, причем второй накопительный блок 5, то есть электролитический конденсатор имеет меньшую емкость накопления, чем первый накопительный блок 4, то есть конденсатор с двойным слоем.

На второй накопительный блок 5, согласно способу, соответствующему изобретению, непосредственно подается энергия, выработанная посредством источника 1 энергии, и накапливается в нем.

Для этого заряда второго накопительного блока 5 предусмотрен блок 6 управления, который содержит схему 6.1 заряда, с помощью которой может управляться подача электрической энергии во второй накопительный блок 5. Посредством схемы 6.1 заряда могут регулироваться, в частности, электрическое напряжение и электрический ток электрической энергии, полученной от источника 1 энергии.

Чтобы обеспечить возможность работы сенсоров при различных состояниях заряда и уровнях напряжения второго накопительного блока 5, между ним и сенсорами размещен регулятор 7 напряжения, с помощью которого может регулироваться уровень напряжения электрической энергии, получаемой от второго накопительного блока 5.

Однако для работы мощного электрического потребителя 3, то есть коммуникационного блока, накопленная во втором накопительном блоке 5 энергия часто недостаточна. По этой причине устройство содержит первый накопительный блок 4, то есть конденсатор с двойным слоем, который имеет высокую накопительную емкость.

Последний заряжается посредством схемы 6.1 заряда электрической энергией, накопленной во втором накопительном блоке 5, причем первый накопительный блок 4 только тогда заряжается, когда имеет место определенное посредством первого блока 6.2 определения состояние наименьшего заряда второго накопительного блока 5. Тем самым предпочтительным образом является возможным то, что во втором накопительном блоке 5 постоянно имеется количество энергии, достаточное для работы сенсоров.

При этом блок 6.2 определения предпочтительно является составной частью блока 6 управления и выполнен, например, как отдельно сформированная схема контроля или как маломощный микроконтроллер.

Разделение на первый накопительный блок 4 и второй накопительный блок 5, то есть на конденсатор с двойным слоем с высокой электрической емкостью и электролитический конденсатор с меньшей электрической емкостью, и электрический заряд первого накопительного блока 4 электрической энергией из второго накопительного блока 5 осуществляется на основе нескольких причин.

Во-первых, для электрического заряда конденсатора с двойным слоем требуется минимальный ток заряда, который может превысить токоотдачу источника энергии, то есть компонента сбора энергии. По этой причине выработанная посредством источника 1 энергии электрическая энергия на первом этапе соответствующего изобретению способа сохраняется во втором накопительном блоке 5, электролитическом конденсаторе, который не подлежит ограничению по минимальному току заряда. При перезарядке электрической энергии в конденсатор с двойным слоем посредством схемы 6.1 заряда могут быть реализованы, по меньшей мере кратковременно, намного более высокие токи, которые соответствуют по меньшей мере минимальному току заряда.

При этом схема 6.1 заряда соединена с регулятором 8 переключения, которая является тактируемым источником тока. Этот тактируемый источник тока имеет высокий КПД, так что предпочтительным образом только незначительная доля сохраненной во втором накопительном блоке 5 электрической энергии при перезарядке в первый накопительный блок 4 преобразуется в потери. Кратковременное достижение более высоких токов, чем минимальный ток заряда, при перезарядке достигается за счет заряда толчками первого накопительного блока 4.

Чтобы обеспечить возможность работы электрического потребителя 3 при различных состояниях заряда и уровнях напряжения первого накопительного блока 4, между ним и потребителем 3 размещен регулятор 9 напряжения, с помощью которого может регулироваться уровень напряжения энергии, снимаемой с первого накопительного блока 4.

Дополнительно тактируемый источник тока обеспечивает возможность того, что возможен одновременный заряд и разряд второго накопительного блока 5, то есть электролитического конденсатора. Тем самым конденсатор с двойным слоем может заряжаться и в том случае, когда из него отбирается электрическая энергия для заряда электролитического конденсатора.

Другая причина применения обоих конденсаторов состоит в том, что электрическое напряжение в конденсаторе с двойным слоем в процессе заряда нарастает намного медленнее, чем в электролитическом конденсаторе. Для работы маломощных электрических потребителей 2 требуется, однако, минимальное напряжение, которое, ввиду меньшей емкости накопления электролитического конденсатора, очень быстро в нем устанавливается.

Так как связь между устройством и центральным пунктом происходит лишь очень редко, то в распоряжении имеется больше времени для электрического заряда в конденсаторе с двойным слоем.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности энергоснабжения. Устройство включает в себя по меньшей мере один источник (1) энергии, по меньшей мере один первый накопительный блок (4) и один второй накопительный блок (5) для накопления энергии и блок (6) управления. В соответствии с изобретением второй накопительный блок (5) таким образом электрически соединен с первым накопительным блоком (4), что для электрического заряда первого накопительного блока (4) к последнему подается электрическая энергия второго накопительного блока (5). При этом источник (1) энергии и накопительные блоки (4 и 5) соединены с электрическими потребителями (2 и 3) децентрализованного и независимого устройства, и на выполненные как коммуникационные блоки мощные электрические потребители (3) электрическая энергия подается посредством первого накопительного блока (4), а на выполненные как сенсоры маломощные электрические потребители (2) - посредством второго накопительного блока (5), причем накопительная емкость второго накопительного блока (5) меньше, чем накопительная емкость первого накопительного блока (4). 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для формирования, накопления и/или передачи электрической энергии, включающее в себя по меньшей мере один источник (1) энергии, по меньшей мере один первый накопительный блок (4) и один второй накопительный блок (5) для накопления энергии и блок (6) управления, причем второй накопительный блок (5) таким образом электрически соединен с первым накопительным блоком (4), что для электрического заряда первого накопительного блока (4) к последнему подается электрическая энергия второго накопительного блока (5), отличающееся тем, что источник (1) энергии и накопительные блоки (4 и 5) соединены с электрическими потребителями (2 и 3) децентрализованного и независимого устройства, и что на выполненные как коммуникационные блоки мощные электрические потребители (3) электрическая энергия подается посредством первого накопительного блока (4), а на выполненные как сенсоры маломощные электрические потребители (2) - посредством второго накопительного блока (5), причем накопительная емкость второго накопительного блока (5) меньше, чем накопительная емкость первого накопительного блока (4).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый накопительный блок (4) и второй накопительный блок (5) являются разнотипными.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что блок (6) управления содержит схему (6.1) заряда, посредством которой может управляться подача электрической энергии во второй накопительный блок (5), и из него в первый накопительный блок (4).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электрическая энергия источника (1) энергии подается на второй накопительный блок (5).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник (1) энергии представляет собой компонент сбора энергии.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый накопительный блок (4) является конденсатором с двойным слоем.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй накопительный блок (5) является электролитическим конденсатором.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрен регулятор (7) напряжения, с помощью которого может автоматически устанавливаться уровень напряжения для работы маломощного электрического потребителя (2).

9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что схема (6.1) заряда содержит регулятор (8) переключения для заряда второго накопительного блока (5), причем регулятор (8) переключения является тактируемым источником тока.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрен блок (6.2) определения, с помощью которого может определяться состояние заряда накопительных блоков (4 и 5).

11. Способ формирования, накопления и/или передачи электрической энергии, выработанной посредством по меньшей мере одного источника (1) энергии, при котором электрическая энергия накапливается с помощью по меньшей мере одного первого накопительного блока (4) и одного второго накопительного блока (5), причем формирование, накопление и/или передача управляется посредством блока (6) управления, причем выработанная посредством источника (1) энергии электрическая энергия на первом этапе сохраняется во втором накопительном блоке (5), и первый накопительный блок (4) на втором этапе посредством схемы (6.1) заряда заряжается электрической энергией, накопленной во втором накопительном блоке (5), отличающийся тем, что на выполненные как коммуникационные блоки мощные электрические потребители (3) децентрализованного и независимого устройства электрическая энергия подается из первого накопительного блока (4), а на выполненные как сенсоры маломощные электрические потребители (2) децентрализованного и независимого устройства - из второго накопительного блока (5), причем накопительная емкость второго накопительного блока (5) меньше, чем накопительная емкость первого накопительного блока (4).

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что первый накопительный блок (4) заряжается при превышении определенного посредством блока (6.2) определения состояния минимального заряда второго накопительного блока (5).

13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что на первый накопительный блок (4) во время съема электрической энергии одновременно подается электрическая энергия.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что на второй накопительный блок (4) во время съема электрической энергии одновременно подается электрическая энергия.

15. Применение устройства по любому из пп.1-10 для электрического энергоснабжения децентрализованных устройств, в частности управляющих приборов, сенсоров, сетей сенсоров, передатчиков, приемников, агрегатов и/или приводов.