УСТРОЙСТВО АВТОНОМНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ С МОДУЛЕМ СВЕТОВОГО ОГРАЖДЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК F03D9/00 H02S10/12 H05B43/00 H02J7/00 

Изобретение относится к устройствам автономного энергоснабжения маломощных потребителей и предназначено для питания электроэнергией различных потребителей малой мощности (до 1400 ВА), включая, но, не ограничиваясь, встроенными исполнительными модулями, к которым относятся: система светового ограждения высотных и протяженных объектов, таких как воздушные линии электропередачи, высотные здания, мачты связи, трубы и т.д., станция катодной защиты металлоконструкций, модуль IP-видеонаблюдения, метеостанция и другие потребители. Устройство может быть применено в энергетике, промышленности, строительстве, связи, сельском хозяйстве и других отраслях.

Известны способ и устройство для производства энергии, заключающиеся в том, что выработку энергии производят за счет вращения рабочих лопаток ветром, ускоренным сооружением, выполненным в виде сопла Лаваля в верхней части, а в нижней -представляющим из себя плоскость, и за счет солнечных батарей, а также за счет солнечных лучей, которые попадают на батарею, за счет их отражения от внутренней плоскости сопла Лаваля, при этом выработка электроэнергии может происходить как от солнечных лучей, так и от ветровых потоков, причем ветровой поток направляет станцию с целью его захвата, а если отсутствует ветровой поток, станция направляется за улавливанием солнечных лучей [1].

В этом техническом решении, если отсутствует ветровой поток, станция направляется за улавливанием солнечных лучей, иными словами единственными источниками энергии здесь служат ветер и солнце, однако и они не всегда могут работать с нужной оптимальной производительностью, например, в ночное время и при безветрии. Как итог, данное устройство для производства энергии нельзя рассматривать как универсальный для любых условий окружающей среды источник электроэнергии.

Известны также многочисленные устройства, предназначенные для питания электроэнергией потребителей, например, гелиоветростанции, в состав которых, как правило, входят солнечные панели и ветрогенераторы [2, 3, 4, 5].

Главным недостатком этих технических решений является их ограниченность в части широкого функционального применения, а именно обеспечения автономного бесперебойного энергоснабжения потребителей различной мощности со встроенными исполнительными модулями, например, системами светового ограждения всевозможных объектов.

Заявители (авторы) ставили перед собой цель исключить вышеуказанные недостатки известных технических решений аналогичного назначения, то есть создать универсальное автономное устройство (комплекс) энергоснабжения маломощных потребителей, предназначенных для питания их электроэнергией малой мощности (до 1400 В А), включая, но, не ограничиваясь встроенными исполнительными модулями, к которым относятся, в частности, воздушные линии электропередачи, высотные здания, мачты связи, трубы и т.д., станция катодной защиты металлоконструкций, модуль IP-видеонаблюдения, метеостанция и другие потребители. Вышеотмеченный положительный технический результат был достигнут за счет новой совокупности существенных конструктивных признаков заявленного устройства автономного энергоснабжения с модулем светового ограждения, изложенной в нижеследующей формуле изобретения: «устройство автономного энергоснабжения с модулем светового ограждения высотных и протяженных объектов, содержащее, по меньшей мере, две солнечные панели из монокристаллических или поликристаллических фотогальванических модулей, ветрогенератор с вертикальной осью вращения или с горизонтальной осью вращения с автоматическим регулированием напряжения и силы тока, по меньшей мере, одну аккумуляторную батарею, блок управления и контроля, состоящий из блока ввода, распределения и защиты, контроллера заряда аккумуляторной батареи с функцией отслеживания точки максимальной мощности, и/или контроллера заряда аккумуляторной батареи широтно-импульсной модуляции и/или гибридного контроллера заряда аккумуляторной батареи, совмещающего функции вышеупомянутых контроллеров и позволяющего одновременно использовать ветрогенератор и фотогальванические модули, климатический модуль, исполнительный модуль светового ограждения, включающий модуль автоматики включения/отключения с возможностью подключения контроллера управления по GSM каналам и выносные сдвоенные заградительные огни, и установочные монтажные изделия, причем компоненты упомянутого блока управления и контроля расположены в металлическом термошкафу, оборудованном системой обогрева, вентиляции и фильтрации воздуха, позволяющей поддерживать в нем оптимальную температуру и влажность; фотогальванические модули солнечных панелей выполнены с ламинированным или эпоксидным, или гелиевым покрытиями в алюминиевой раме с защитным закаленным стеклом или без него; мощность каждого фотогальванического модуля солнечной панели выбирается от 30 ВА до 300 ВА; регулирование выходной силы тока ветрогенератора в зависимости от скорости ветра осуществляется в диапазоне от начальной скорости ветра, равной 1,3 м/с до максимальной скорости ветра, равной 162 км/ч; в качестве аккумуляторной батареи применяют герметизированный свинцово-кислотный аккумулятор напряжением 12 В, емкостью от 12 до 150 Ампер/час каждая с композитным гелем вместо электролита и сроком службы 10÷12 лет; в состав установочных монтажных изделий входят кабели в защитной оболочке с разъемами подключения, распределительные коробки, хомуты, фланцы, кронштейны, метизы; сдвоенный заградительный огонь состоит из основного и резервного огня; для заградительных огней выбирается следующий режим работы: постоянное свечение для огней красного света или проблесковый режим для огней белого света».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема устройства автономного энергоснабжения с модулем светового ограждения, выполненного согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 представлена принципиальная схема блока управления и контроля устройства на фиг. 1; на фиг. 3 показаны режимы работы заградительных огней модуля светоограждения устройства на фиг. 1.

В состав заявляемого устройства автономного энергоснабжения с модулем светового ограждения высотных и протяженных объектов входят две солнечные панели 1, 2 (может быть большее число солнечных панелей), ветрогенератор 3, аккумуляторная батарея 4 (их количество также не ограничивается), блок управления и контроля 5, исполнительные модули потребителя, установочные и монтажные изделия.

Солнечные панели 1, 2 изготавливаются из монокристаллических или поликристаллических фотогальванических модулей, выбираемых в зависимости от требований заказчика и условий эксплуатации. Мощность каждого фотогальванического модуля солнечной панели 1, 2 выбирается от 30 ВА до 300 ВА. Фотогальванические модули солнечных панелей 1, 2 выполняются с ламинированным или эпоксидным, или гелиевым покрытиями в алюминиевой раме с защитным закаленным стеклом или без него.

Ветрогенератор 3 применяется двух вариантов: с вертикальной осью вращения (200-400 ВА) или с горизонтальной осью вращения (200-1000 ВА) с автоматическим регулированием напряжения и силы тока. Начальная скорость ветра для ветрогенератора с вертикальной осью составляет 1,3 м/с, для ветрогенератора с горизонтальной осью - 2 м/с.Максимальная скорость ветра до срабатывания защиты составляет 45 м/с для обоих вариантов. Регулирование выходной силы тока ветрогенератора 3 в зависимости от скорости ветра осуществляется в диапазоне от начальной скорости ветра, равной 1,3 м/с до максимальной скорости ветра, равной 162 км/ч.

В качестве аккумуляторной батареи используются герметизированные свинцово-кислотные аккумуляторы 4 напряжением 12 В, емкостью от 12 до 50 А⋅ч (каждая), изготовленные по технологии, при которой вместо электролита используется композитный гель. Аккумуляторы устойчивы к глубоким разрядам, их корпус изготавливается из негорючего пластика. Срок службы аккумулятора достигает 10-12 лет. Аккумулятор предназначен для работы в режиме постоянного подзаряда (буферный режим) или в режиме разряд-заряд (циклический режим). Аккумуляторы обладают низким внутренним сопротивлением и саморазрядом. Емкость аккумуляторов рассчитывается из требований Заказчика по времени автономной работы заявляемого устройства, и они размещаются в блоке управления и контроля 5 или в отдельном термошкафу.

Блок управления и контроля 5 состоит из блока ввода, распределения и защиты 6; контроллера 7 с функцией отслеживания точки максимальной мощности, и/или контроллера заряда 8 аккумуляторной батареи 4 широтно-импульсной модуляции и/или гибридного контроллера 9 заряда аккумуляторной батареи 4, совмещающего функции контроллеров 7 и 8 и позволяющего одновременно использовать ветрогенератор 3 и фотогальванические модули солнечных панелей 1, 2; климатического модуля 10 для поддержания оптимальной температуры блока 5; исполнительного модуля 11 светового ограждения, включающего модуль автоматики включения/отключения 12 с возможностью подключения контроллера управления 13 по GSM каналам (для управления и мониторинга устройства) и выносные сдвоенные заградительные огни 11. Напряжение питания заградительных огней 11 составляет: 12, 24, 48 В постоянного тока или 220 В переменного тока. Количество сдвоенных заградительных огней 11 на один модуль принимается: 1,2, 3,4 (обозначаются 1×CO, 2×СО, 3×СО, 4×СО, смотри фиг.1 и 3).

Огни 11 включаются по сигналу датчика освещенности (светодиода) 14, который настраивается по уровню освещенностью (грубая и тонкая настройка) и задержке времени сигнала для предотвращения случайного кратковременного включения и отключения заградительных огней 11. Сдвоенный заградительный огонь 11 состоит из основного и резервного огня. Для заградительных огней выбирается следующий режим работы: постоянное свечение для огней красного света или проблесковый режим для огней белого света.

Все компоненты блока управления и контроля 5 находятся в металлическом термошкафу 15, оборудованном системой обогрева, вентиляции и фильтрации воздуха, позволяющей под держивать в нем оптимальную температуру и влажность.

В комплекте заявляемого устройства автономного энергоснабжения предусматриваются также установочные монтажные изделия, куда входят кабели в защитной оболочке с разъемами подключения, распределительные коробки, хомуты, фланцы, кронштейны, метизы.

Изобретение работает следующим образом:

Автономное устройство энергоснабжения маломощных потребителей с модулем светоограждения (встроенным в устройство или изолированным от него) высотных объектов, в частности, воздушных линий электропередачи обеспечивает питание потребителей от независимых источников энергии, таких как ветрогенератор 3, солнечные панели 1, 2 и аккумуляторная батарея 4, причем возможно подключение внешнего источника питания 220 В переменного тока, например, от емкостного трансформатора напряжения любого типа.

Солнечные панели 1, 2 и ветрогенератор 3 работают независимо друг от друга, при этом основным источником электроэнергии является ветрогенератор 3, а солнечные панели 1, 2, в случае необходимости, компенсируют недостаток вырабатываемой генератором мощности.

Ветрогенератор 3 работает в режиме отслеживания точки максимальной мощности, что позволяет получить максимальную мощность при небольшой скорости ветра (от 1,3 м/с).

Солнечные панели 1, 2 работают в режиме широтно-импульсной модуляции, при которой можно получить больший ток при низкой освещенности. В результате совмещения этих режимов работы ветрогенератора 3 и солнечных панелей 1,2 достигается стабильная работа устройства практически в любую погоду.

Гибридный контроллер 9 заряда аккумуляторной батареи 4 работает в двух режимах:

• режим «Н» - постоянный заряд аккумуляторной батареи 4 и питание потребителей от нее (буферный режим);

• режим «L» - питание непосредственно от источников энергии (ветрогенератор 3 и солнечные панели 1, 2) и параллельным зарядом аккумуляторной батареи 4 (циклический режим). При недостатке мощности солнечных панелей 1, 2 и ветрогенератора 3 производится отбор мощности от аккумуляторной батареи 4.

Гибридный контроллер 9 имеет два выхода питания (фиг. 2):

• для питания собственных нужд (отопление, вентиляция и т.п.);

• для питания исполнительных модулей, в частности, сдвоенных заградительных огней 11, видеонаблюдения и т.д.).

Время автономной работы устройства определяется суммарной мощностью аккумуляторной батареи, мощностью потребителей, температурой окружающей среды.

Изобретение реализует также возможность подключения контроллера управления 13 по GSM каналам для мониторинга работоспособности устройства. В этом случае контролируемыми параметрами являются:

• напряжение питания (передача сигнала при снижении напряжения менее заданного значения);

• температура внутри блока управления и контроля 5 (передача сигнала при снижении температуры менее заданного значения);

• работоспособность исполнительных модулей 11 (при поддержании данной функции модулями).

Устройство может эксплуатироваться при температурах от -45°С до + 45°С, влажности от 20% до 95% и высоте установки не более 2000 м над уровнем моря.

Заявляемое техническое решение является универсальным автономным устройством энергоснабжения маломощных потребителей с модулем светоограждения высотных и протяженных объектов, таких как: воздушные линии электропередачи, высотные здания, мачты связи, трубы и т.д, состоит из комбинации простых по конструктивному исполнению источников (солнечные панели, ветрогенератор, аккумуляторная батарея), способно обеспечивать надежную работу широкого круга исполнительных модулей (световое ограждение, станция катодной защиты, модуль IP-видеонаблюдения, модуль мониторинга воздушных линий электропередачи, метеостанция и другие), доступно по ценовым затратам и может быть применено в энергетике, промышленности, строительстве, связи, сельском хозяйстве и других отраслях (в настоящее время рекомендовано к применению при проектировании и строительстве воздушных линий электропередачи).

Источники информации:

[1]. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2536648 «Способ и устройство системы Волкова для производства энергии методом «парусного захвата» воздушных потоков и солнечных лучей», F03D 1/00, F03G 6/06, F24J 2/00, заявлено 29.07.2009, опубликовано 10.02.2011.

[2]. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2186245 «Гелиоветростанция», F 03D 3/00, заявлено 08.12.2000, опубликовано 27.07.2002.

[3]. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2182674 «Гелиоветростанция», F03D 3/00, заявлено 18.04.2000, опубликовано 20.05.2002.

[4]. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2174188 «Карусельная гелиоветростанция», F03D 3/00, заявлено 18.04.2000, опубликовано 27.09.2001.

[5]. Патент США №4282494 A, F03D 3/00, опубликован 04.08.1981.

Изобретение относится к устройствам автономного энергоснабжения маломощных потребителей. Устройство автономного энергоснабжения с модулем светового ограждения, содержащее, по меньшей мере, две солнечные панели из монокристаллических или поликристаллических фотогальванических модулей, ветрогенератор, по меньшей мере, одну аккумуляторную батарею, блок управления и контроля, состоящий из контроллера заряда аккумуляторной батареи с функцией отслеживания точки максимальной мощности и контроллера заряда аккумуляторной батареи широтно-импульсной модуляции и/или гибридного контроллера заряда аккумуляторной батареи, совмещающего функции контроллера заряда аккумуляторной батареи с функцией отслеживания точки максимальной мощности и контроллера заряда аккумуляторной батареи широтно-импульсной модуляции и позволяющего одновременно использовать ветрогенератор и фотогальванические модули, климатический модуль, исполнительный модуль светового ограждения, включающий модуль автоматики включения/отключения с возможностью подключения контроллера управления по GSM каналам и выносные сдвоенные заградительные огни. Изобретение направлено на обеспечение питанием потребителей от независимых источников энергии. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство автономного энергоснабжения с модулем светового ограждения, содержащее, по меньшей мере, две солнечные панели из монокристаллических или поликристаллических фотогальванических модулей, ветрогенератор с вертикальной осью вращения или с горизонтальной осью вращения, по меньшей мере, одну аккумуляторную батарею, блок управления и контроля, состоящий из контроллера заряда аккумуляторной батареи с функцией отслеживания точки максимальной мощности и контроллера заряда аккумуляторной батареи широтно-импульсной модуляции и/или гибридного контроллера заряда аккумуляторной батареи, совмещающего функции контроллера заряда аккумуляторной батареи с функцией отслеживания точки максимальной мощности и контроллера заряда аккумуляторной батареи широтно-импульсной модуляции и позволяющего одновременно использовать ветрогенератор и фотогальванические модули, климатический модуль, исполнительный модуль светового ограждения, включающий модуль автоматики включения/отключения с возможностью подключения контроллера управления по GSM каналам и выносные сдвоенные заградительные огни, и установочные монтажные изделия, причем компоненты упомянутого блока управления и контроля расположены в металлическом термошкафу, оборудованном системой обогрева, вентиляции и фильтрации воздуха.

2. Устройство по п. 1, в котором фотогальванические модули солнечных панелей выполнены с ламинированным или эпоксидным, или гелиевым покрытиями в алюминиевой раме с защитным закаленным стеклом.

3. Устройство по п. 1, в котором мощность каждого фотогальванического модуля солнечной панели выбирается от 30 ВА до 300 ВА.

4. Устройство по п. 1, в котором в качестве аккумуляторной батареи применяют герметизированный свинцово-кислотный аккумулятор напряжением 12 В, емкостью от 12 до 150 Ампер/час каждая с композитным гелем вместо электролита и сроком службы 10÷12 лет.

5. Устройство по п. 1, в котором в состав установочных монтажных изделий входят кабели в защитной оболочке с разъемами подключения, распределительные коробки, хомуты, фланцы, кронштейны, метизы.

6. Устройство по п. 1, в котором сдвоенный заградительный огонь состоит из основного и резервного огня.

7. Устройство по п. 6, в котором для заградительных огней выбирается следующий режим работы: постоянное свечение для огней красного света или проблесковый режим для огней белого света.