Устройство для повышения эффективности использования электроэнергии от солнечных батарей электроприводами постоянного тока Российский патент 2018 года по МПК H02P7/00 H02P3/08 

Изобретение относится к области электротехники и гелиотехники и может быть использовано для запуска и регулирования частоты (скорости) вращения коллекторных электродвигателей постоянного тока с электромагнитным возбуждением при питании их от солнечных батарей с целью повышения электроэнергетической эффективности последних.

Известен электропривод постоянного тока, содержащий коллекторный электродвигатель постоянного тока, якорная обмотка которого шунтирована диодом и через разделительный диод и силовой ключ введена в диагональ измерительного моста, стабилизатор напряжения, делитель напряжения, параллельно включенные в диагональ измерительного моста (патент РФ №2219649, Н02Р 5/418, Н02Р 1/24, Н02Р 3/08, Н02Р 5/06, опубл. 20.12.2003). Выход делителя напряжения подключен к входу активного фильтра нижней частоты и инвертирующему входу компаратора, выход которого соединен с входом силового ключа, а выход активного фильтра нижней частоты подключен к входу задатчика частоты вращения. В электропривод введены диод и фильтр нижней частоты, вход которого подключен к выходу задатчика частоты вращения, а выход - к неинвертирующему входу компаратора. Дополнительный диод включен параллельно фильтру нижней частоты.

Недостатком известной конструкции является наличие большого количества электронно-преобразующих устройств, снижающих надежность конструкции и увеличивающих ее стоимость, а также отсутствие информации о работе этого электропривода при питании от солнечных батарей, имеющих нелинейную внешнюю характеристику.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, применяемое в холодильных установках, питаемых от солнечных батарей (Aidan М., Recaries F., ets. Optimal coupling of PV solar panels to compression cold room. // 6-th Miami Int. Conf. Alternative Energy Sourse. Conf. Pap / - Miami Beach. Fla., 1983. Pp. 10-13). В данном устройстве предлагается встраивание в электродвигатель двух дополнительных намагничивающихся обмоток, включенных последовательно в цепь якоря электродвигателя, и магнитный поток которых в установившемся режиме работы был бы направлен встречно основному магнитному потоку электродвигателя. С ростом солнечной радиации ток якоря увеличивался и, следовательно, усиливалось размагничивающее действие этих дополнительных обмоток возбуждения. Таким образом, происходило ослабление общего магнитного потока, повышая частоту (скорость) вращения вала электродвигателя компрессора и увеличивая отбор мощности от солнечной батареи. В момент пуска и разгона электродвигателя эти дополнительные обмотки должны были временно включаться согласно основному магнитному потоку, способствуя более надежному запуску электродвигателя при низких уровнях солнечной радиации, и только после полного разгона электродвигателя по сигналу датчика скорости они переключались в предложенный режим регулятора скорости, обеспечивая в качестве звена обратной связи плавное изменение скорости вращения в нужной тенденции.

Необходимость вышеуказанного технического решения обусловлена тем, что в известных солнечных установках с генератором электроэнергии - солнечной батареей (СБ) и рабочим механизмом (РМ), приводимым в движение электродвигателем (ЭД) постоянного тока, соотношение между установленной мощностью СБ и номинальной мощностью ЭД привода РМ не может быть больше 1,25-1,3. И такие примеры не единичны (Jos van den Akker, Judith Lipp. Renavable Energy in Auroville // REFOCUS. May / June, 2004, p. 28., UNDP Project GLO/80/003/ Main report: Small-Scale Solar-Powered Pumping System: The Technology, its Economics and Advancement. - London, Swindonand Reading, UK, 1983, Ibrahim Odeh, Marwan Mahmoud. Field Resulds of Photovoltaic Water Pumping Systems // Гелиотехника. 1995, №1-3. С. 231-240).

Однако при работе автономной системы СБ-ЭД-РМ с соизмеримыми по мощности СБ и ЭД в условиях естественного хода облучения при варьировании в широком диапазоне (от 50 до 1000 Вт/м²) интенсивности солнечной радиации Ie зависимость наибольшей возможной генерации P_MAX СБ P_MAX=f_M (Ie) и зависимость потребляемой от СБ нерегулируемым агрегатом ЭД-РМ мощности P_l=f_H (Ie) не совпадают. При этом разность P_MAX - P_l т.е. величина недоиспользования установленной мощности СБ, может достигать существенных величин. Это подтверждается экспериментально и особенно наглядно представлено на графиках фиг. 2, заимствованных из исследований (Roger J.A., Pivot., ets. [Оптимизация передачи энергии солнечной батареи к нагрузке с помощью электронного согласующего устройства] // Revuede Phys. Appl., Vol. 15 / p. 603 (1980). Пер. с фр., из фонда ГПНТБ СССР), где приведены семейство вольт-амперных характеристик СБ при изменении солнечной радиации в пределах 200…1000 Вт/м² и две нагрузочные характеристики нерегулируемых систем ЭД-РМ в том же диапазоне радиации, которые установлены из расчета равенства P_MAX=P_l при радиации 1000 Вт/м² (кривая 2) и P_MAX=P_l при радиации 200 Вт/м² (кривая 1). Расчетным путем на основе данных этого эксперимента можно доказать, что фактический коэффициент использования установленной мощности СБ при изменении радиации от 1000 до 200 Вт/м² и обратно для нагрузочной характеристики (2) нерегулируемого агрегата ЭД-РМ составил 1,0-0,59-0,48-0,0, а для нагрузочной характеристики (1) 0,96-1,0-0,75-0,26.

Исправить такое негативное явление можно, используя характеристики и свойства ЭД и РМ, например, центробежного насоса (НЦ) или компрессора, принудительно изменяя частоту (скорость) вращения приводного вала ЭД, учитывая, что частота (скорость) вращения вала ЭД постоянного тока легко регулируется.

Недостатком описанного выше технического решения (Aidan М., Recaries F., ets. Optimal coupling of PV solar panels to compression cold room. // 6-th Miami Int. Conf. Alternative Energy Sourse. Conf. Pap. - Miami Beach. Fla., 1983. Pp. 10-13) являются необходимость переделывать существующую конструкцию ЭД, чтобы можно было бы разместить эти две дополнительные обмотки, либо разрабатывать новую конструкцию двигателя с тремя обмотками возбуждения.

Задачей предлагаемого изобретения является оптимизация процесса генерации электроэнергии солнечной батарей при естественном суточном изменении интенсивности солнечной радиации Ie и для выполнения условия P_MAX-P_l→0 путем создания устройства для повышения эффективности использования электроэнергии от солнечных батарей электроприводами постоянного тока и это техническое предложение не связано с переделкой ЭД встраиванием дополнительных намагничивающих обмоток.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается надежность, упрощается конструктивная схема электроприводов, снижается себестоимость всего технического решения за счет использования дополнительных сопротивлений (резисторов), вводимых последовательно в цепь уже существующих намагничивающихся обмоток электродвигателей независимого или параллельного возбуждения либо подключаемых параллельно обмотке последовательного возбуждения двигателя.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для повышения эффективности использования электроэнергии от солнечных батарей электроприводами постоянного тока, содержащем солнечные батареи, регулятор отбора мощности, электродвигатель постоянного тока независимого или параллельного возбуждения и центробежный насос в качестве рабочего механизма, согласно изобретению, в цепь независимой или параллельной обмотки возбуждения электродвигателя введены дополнительные резисторы R_H,, величины сопротивления которых задаются автоматически регулятором отбора мощности, потребляемой от солнечных батарей, в зависимости от текущего значения интенсивности солнечной радиации R_H=f_I(Ie), где R_H - величина сопротивления резистора, f_I(Ie) - функция величины интенсивности солнечной радиации, чтобы при суточном изменении интенсивности солнечной радиации Ie было выполнено условие P_MAX-P_l→0. Аналогично, для двигателя последовательного возбуждения параллельно последовательной обмотке возбуждения подключают дополнительные резисторы R_П, величины сопротивления которых задаются автоматически регулятором отбора мощности в зависимости от текущего значения интенсивности солнечной радиации R_П=f₂(Ie), где R_П - величина сопротивления резистора включенного параллельно последовательной обмотке возбуждения, f₂(Ie) - функция величины интенсивности солнечной радиации, чтобы при суточном изменении интенсивности солнечной радиации Ie было выполнено условие P_MAX-P_l→0..

Данное устройство представляет собой использование дополнительных сопротивлений (резисторов R_H и R_П) в регуляторе отбора мощности (РОМ) 3, вводимых последовательно в цепь уже существующих намагничивающих обмоток возбуждения электродвигателя 2 параллельного и независимого возбуждения или параллельно намагничивающей обмотке электродвигателя последовательного возбуждения. Резисторы R_H и R_П подключаются к внешним клеммам существующих обмоток возбуждения, а величина их сопротивления задается автоматически регулятором отбора мощности, потребляемой от солнечной батареи 1 мощности P_l в зависимости от величины интенсивности солнечной радиации, таким образом, чтобы в каждый момент светлого времени суток при любом уровне солнечной радиации потребляемая мощность P_l агрегата электродвигатель - насос центробежный (ЭД-НЦ) 4, практически не отличалась от величины максимально возможной генерируемой мощности P_MAX СБ при данном уровне радиации вырабатываемой солнечной батареей, т.е. чтобы соблюдалось условие P_MAX-P_l→0.

Сущность предлагаемого устройства для повышения эффективности использования электроэнергии от солнечных батарей электроприводами постоянного тока поясняется фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 представлена общая схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 представлены взаимодействие и взаимосвязь характеристик СБ и агрегата ЭД-НЦ в нерегулируемых режимах.

Устройство для повышения эффективности использования электроэнергии от солнечных батарей электроприводами постоянного тока содержит электродвигатель постоянного тока независимого, параллельного или последовательного возбуждения 1, солнечную батарею 2, регулятор отбора мощности 3, насос центробежный 4.

Работает устройство следующим образом.

В солнечных установках с генератором электроэнергии - солнечной батареей 1 и насосом центробежным 4, приводимым в движение посредством электродвигателя постоянного тока 2, соотношение между установленной мощностью СБ и номинальной мощностью ЭД привода НЦ обычно не бывает больше 1,25-1,3. Метод оптимизации отбора мощности в системе СБ-ЭД-НЦ посредством принудительного изменения частоты (скорости) вращения вала ЭД путем ослабления магнитного потока, создаваемого его обмоткой возбуждения, основан на квадратичной зависимости потребляемой мощности Р на валу НЦ от частоты (скорости) вращения его рабочего колеса. В реализации этот способ регулирования достаточно прост, т.к. частота вращения вала ЭД постоянного тока любого типа электромагнитного возбуждения можно изменять в сторону увеличения путем ослабления общего магнитного потока. Известно (Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. - М.: Энергоиздат. 1981. С. 102-105, 140-141), что регулирование частоты (скорости) вращения ЭД постоянного тока ослаблением магнитного потока энергетически экономично, может быть реализовано в ЭД независимого, параллельного и последовательного возбуждения путем введения дополнительных сопротивлений, входящих в состав регулятора отбора мощности (РОМ) 3, надежно обеспечивает пределы регулирования от 1:1,5 до 1:4 относительно величины частоты (скорости) вращения, имевшей место при номинальном магнитном потоке, для ЭД независимого и параллельного возбуждения и до 1:2 для ЭД последовательного возбуждения. Следовательно, можно, если это необходимо, принудительно изменять скорость вращения вала ЭД, производительность НЦ и, следовательно, потребляемую от СБ агрегатом ЭД-НЦ мощность P_l=Р/КПД_ЭД, по крайней мере, в 1,2-1,4 раза. Экспериментально и графоаналитическим расчетом доказано, что без всякого изменения в конструкциях СБ, ЭД и НЦ использование предлагаемого решения при изменении солнечной радиации в диапазоне 420-950 Вт/м² обеспечило посредством регулирования прирост суточной выработки электроэнергии и, следовательно, суточного объема подачи воды в регулируемой системе до 18-29% по сравнению с вариантом без принудительного регулирования скорости (Беленов А.Т., Тарнижевский Б.В. Оптимизация режимов генерирования электроэнергии в автономной системе фотоэлектрический генератор - двигатель постоянного тока // В сб. Докл. Всесоюзн. конф. по использованию солнечной энергии (г. Ереван), С-2. - М.: изд. ВНИИТ, 1969. С. 151-166, Беленов А.Т. Способ повышения производительности фотоэлектрической водоподъемной установки. // Гелиотехника, 2000, №1. С. 35-39).

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и упрощение конструктивной схемы электроприводов. В устройстве для повышения эффективности использования электроэнергии от солнечных батарей электроприводами постоянного тока, содержащем солнечные батареи, регулятор отбора мощности, электродвигатель постоянного тока независимого или параллельного возбуждения и центробежный насос в качестве рабочего механизма, в цепь независимой или параллельной обмотки возбуждения электродвигателя введены дополнительные резисторы R_H, величины сопротивления которых задаются автоматически регулятором отбора мощности, потребляемой от солнечных батарей, в зависимости от текущего значения интенсивности солнечной радиации R_H=f_I(Ie), где R_H - величина сопротивления резистора, f_I(Ie) - функция величины интенсивности солнечной радиации, чтобы при суточном изменении интенсивности солнечной радиации Ie было выполнено условие P_MAX-P_l→0. Аналогично, для двигателя последовательного возбуждения параллельно последовательной обмотке возбуждения подключают дополнительные резисторы R_П, величины сопротивления которых задаются автоматически регулятором отбора мощности в зависимости от текущего значения интенсивности солнечной радиации R_П=f₂(Ie), где R_П - величина сопротивления резистора, включенного параллельно последовательной обмотке возбуждения, f₂(Ie) - функция величины интенсивности солнечной радиации, чтобы при суточном изменении интенсивности солнечной радиации Ie было выполнено условие P_MAX-P_l→0. 2 ил.

Устройство для повышения эффективности использования электроэнергии от солнечных батарей электроприводами постоянного тока, содержащее солнечную батарею, регулятор отбора мощности от солнечной батареи, коллекторный электродвигатель постоянного тока независимого, параллельного или последовательного возбуждения и центробежный насос в качестве рабочего механизма, отличающееся тем, что в цепь независимой или параллельной обмотки возбуждения электродвигателя введены дополнительные резисторы R_H, а параллельно последовательной обмотке возбуждения подключены дополнительные резисторы R_П, величины сопротивления которых задаются автоматически регулятором отбора мощности, потребляемой от солнечной батареи P_I, в зависимости от текущего значения интенсивности солнечной радиации R_H=f_I(Ie) или R_П=f₂(Ie), где R_H - величина сопротивления резистора в цепи обмотки независимого (параллельного) возбуждения, f_I(Ie) - функция зависимости величины R_H от интенсивности солнечного излучения, R_П - величина сопротивления резистора, включенного параллельно последовательной обмотке возбуждения, f₂(Ie) - функция зависимости величины R_П от интенсивности солнечного излучения, причем при естественном суточном изменении интенсивности солнечной радиации Ie обеспечивается выполнение условия отбора максимально возможной при данной радиации мощности P_MAX солнечной батареи, когда разность P_MAX-P₁→0, при подключении к солнечной батарее любого из коллекторных электродвигателей постоянного тока всех трех видов электромагнитного возбуждения.