Защищенная от внешних воздействий энергоустановка автономного электроснабжения Российский патент 2022 года по МПК H02S10/12 F03D9/00 H02S40/32 F03D7/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области гелиоэнергетики, ветроэнергетики и электротехники а именно к солнечным энергоустановкам и ветроэнергетическим установкам, и может быть использовано в системах использующих энергию солнца и ветра.

Уровень техники

Известна «Автономная солнечная фотоэлектрическая установка», содержащая электрохимические суперконденсаторы, аккумуляторные батареи, специальное устройство заряда, солнечную батарею, контроллер заряда-разрадя аккумуляторов, автономный инвертор напряжения, гибридный накопитель энергии, электронно-механический коммутатор с защитным диодом (патент RU 168497 U1 Н02J 7/34).

Ее недостаток – сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием электрохимических суперконденсаторов, имеющих низкую плотность энергии и высокий саморазряд, применением электронно-механического коммутатора, снижающего надежность системы автономного электроснабжения в целом, высокая стоимость в связи с необходимостью применения дорогостоящих элементов, каких как электрохимические суперконденсаторы, необходимостью обслуживания и ограниченным сроком службы аккумуляторных батарей, так же в системе не предусмотрен резервный источник энергии, обеспечивающий потребителей электроэнергией в пасмурную погоду, отсутствие систем защиты солнечных панелей.

Известна «Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии», содержащая ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока, устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, с формированием двух независимых источников электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки, и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности, отличающаяся тем, что в систему введено устройство разгрузки потребителей, вход которого соединен с выходом блока переключения, а выход - с входом узла потребителей электроэнергии (патент RU №113615 H02J3/00 от 22.09.2011).

Ее недостаток – сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием реверсивного теристорного преобразователя, дизель-генераторной установки, снабженного системой автоматического регулирования мощности, низкая надежность за счет использования большого количества элементов, высокая стоимость в связи с необходимостью применения дизель-генераторной установки, работающей на органическом топливе.

Известна «Автономная ветродизельэлектрическая установка», содержащая асинхронную электрическую машину с короткозамкнутой обмоткой ротора, ветродвигатель, автоматический выключатель, датчик частоты вращения ветродвигателя и автоматическую систему регулирования угла поворота лопастей, дизель-генераторную установку с синхронной электрической машиной и инерционным маховиком, управляемую разобщительную муфту, реле пуска и включения, регулятор мощности ДВС, балластную нагрузку с регулятором ее величины. Датчики активной мощности, задатчик максимальной мощности, реле, сумматоры, компараторы (RU 2174191 C1 F03D 9/00).

Ее недостаток – сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием асинхронного генератора с короткозамкнутой обмоткой ротора, причем ротор асинхронного генератора напрямую соединен с валом ветродвигателя, что при уменьшении скорости ветра приведет к срыву генерации напряжения на его фазах, угловая скорость вращения ветродвигателя обычно меньше номинальной угловой скорости асинхронного генератора с короткозамкнутой обмоткой ротора, поэтому запуск асинхронного генератора будет затруднен при прямом соединении ротора и вала ветродвигателя, использование маховика увеличивает металлоемкость системы автономного электроснабжения и ее стоимость, требуются повышенные прочностные характеристики для узла с маховиком, использование системы автоматического регулирования угла поворота лопастей ветродвигателя снижает коэффициент использования энергии ветра как ветродвигателем, так и системой автономного электроснабжения в целом, большое количество элементов системы, использование управляемой разобщительной муфтой, синхронной машины, как правило имеющей щеточный узел уменьшает надежности системы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту, принятая авторами за прототип является «Ветросолнечная установка автономного электроснабжения», которая состоит из ветродвигателя 1, механически соединенного с мультипликатором 2, который через обгонную муфту 3 механически соединен с генератором 4 электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, к которому подключены первый и второй диодные мосты 5 и 6, соответственно, при этом первый диодный мост 5 связан с инвертором 7, соединенным со стабилизатором 8 напряжения, соединенным с реле 9 обратного тока, подключенного к однофазной сети 10 переменного напряжения, к которой подключена система управления 11, соединенная с инвертором 7, с системой 12 ориентации солнечных батарей, управляемой устройством 13 ориентации по солнцу, на котором расположены гибкие солнечные панели 14, подключенные к контроллеру 15 заряда аккумуляторных батарей, который соединен с балластной нагрузкой 16 в виде электрических нагревательных элементов и аккумуляторными батареями 17, причем второй диодный мост 6 соединен с компаратором 18 напряжения, имеющим петлю гистерезиса и выход которого соединен с системой 11 управления и с базой силового транзистора 19, через который идет подключение аккумуляторных батарей 17 к инвертору 7 напряжения, к системе 11 управления подсоединены бензогенератор 20 и реле 21 подключения бензогенератора 20 к однофазной сети 10 переменного напряжения, к однофазной сети 10 переменного напряжения подключены потребители 22 электрической энергии. Изобретение направлено на стабилизацию выходных параметров и надежности электроснабжения (патент RU 2680642 C1 51 МПК F03D 9/00 (2006.01), F03D 9/11 (2016.01), F03D 7/00 (2006.01), H02S 10/12 (2014.01), СПК F03D 9/00 (2018.08), F03D 9/11 (2018.08), F03D 7/00 (2018.08), H02S 10/12 (2018.08)).

Ее недостаток – сложность и дороговизна конструкции, требующего сложного технического решения, связанного с использованием большого количества различных устройств и блоков, а так же отсутствие защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности за счет использования инвертора мультигибридного, уменьшения стоимости обслуживания, увеличения коэффициента использования солнечной энергии, увеличение коэффициента использования ветрового потока «Ветросолнечной установки автономного электроснабжения» за счет внедрения автоматической системы защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий, содержащую метеорологическую станцию, включающую в себя анеморумбометр, датчик дождя, датчик освещенности, блок обработки данных.

Технический результат достигается с помощью защищенной от внешних воздействий энергоустановка автономного электроснабжения, состоящей из ветродвигателя, механически соединенного с мультипликатором, который через обгонную муфту механически соединен с генератором электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, при чем, используется автоматическая система защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий, получающая данные со своих датчиков и солнечных панелей, управляет устройством ориентации по солнцу с установленными гибкими солнечными панелями и системой изменения угла атаки лопастей ветродвигателя, а так же внедрением инвертора мультигибридного, к которому подключена батарея аккумуляторная и бензогенератор, подключеного к однофазной сети переменного напряжения, к которой подключены потребители электрической энергии, при этом автоматическая система защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий, состоящая из метеорологической станции, включающую в себя: анеморумбометр, датчик дождя, датчик освещенности, электрически соединенные с блоком обработки данных, который электрически соединен с системой ориентации солнечных батарей и системой изменения угла атаки лопастей ветродвигателя.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена структурная схема защищенной от внешних воздействий энергоустановки автономного электроснабжения.

На фиг. 2. представлена структурная схема автоматической системы защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий.

Осуществление изобретения

Защищенная от внешних воздействий энергоустановка автономного электроснабжения состоит из ветродвигателя 1, механически соединенного с мультипликатором 2, который через обгонную муфту 3 механически соединен с генератором 4 электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, к которому подключен инвертор 5 мультигибридный, к которому подключена автоматическая система защиты6 солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий, которая получает данные со своих датчиков (на фиг.1 не показаны) и солнечных панелей 7, управляет устройством 8 ориентации по солнцу, на котором расположены гибкие солнечные панели 7, и системой (на фиг.1 не показана) изменения угла атаки лопастей ветродвигателя 1. Инвертор 5 мультигибридный, к которому подключена батарея 9 аккумуляторная и бензогенератор 10, подключен к однофазной сети 11 переменного напряжения, к которой подключены потребители 12 электрической энергии.

Автоматическая система защиты 6 солнечных панелей 7 и ветродвигателя 1 от внешних воздействий (фиг. 2), состоит из метеорологической станции 13,включающую в себя: анеморумбометр 14, датчик дождя 15, датчик освещенности 16, электрически соединенные с блоком 17 обработки данных, который электрически соединен с системой 8 ориентации солнечных батарей (на фиг.2 не показана) и системой (на фиг.2 не показана) изменения угла атаки лопастей ветродвигателя 1.

Ветродвигатель 1 пропеллерного типа с системой изменения угла атаки лопастей, генератор 4 электрической энергии, являющийся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой (см. патент № 2642442), гибкие солнечные панели 7 с возможностью изгиба на определенный угол, что позволяет сконцентрировать солнечную энергию, батареи 9аккумуляторные гелиевого типа, в блок 18 обработки данных, содержащий в памяти данные о дате и времени, внесены координаты места положения защищенной от внешних воздействий энергоустановка автономного электроснабжения, а так же календарные данные по углу наклона к горизонту и азимуту солнца для оптимизации слежения за солнцем, а в случае изменения погодных условий на ураганный ветер, ливневый дождь с градом, позиционирования солнечных панелей 7 и лопастей ветродвигателя 1 в безопасное положение и быстрым возращением солнечных панелей7 лопастей ветродвигателя 1 в оптимальное положение после прекращения негативных внешних воздействий.

Защищенная от внешних воздействий энергоустановка автономного электроснабжения работает следующим образом.

В случае если скорость ветра позволяет развить достаточную мощность на валу ветродвигателя 1 для электроснабжения потребителей 12, то установка работает следующим образом. Вращающий момент от ветродвигателя 1 поступает на мультипликатор 2 и обгонную муфту 3, с которой передается генератору 4 электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, генерируемое напряжение с генератора 4 электрической энергии и гибких солнечных панелей 7 поступает в инвертор 5 мультигибридный, с которого переменное напряжение поступает в однофазную сеть 11, от которой производится электроснабжение стабилизированным переменным напряжением потребителей 12 электрической энергии. Инвертор 5 мультигибридный осуществляет заряд батарей 9 аккумуляторных излишками вырабатываемой энергии. Гибкие солнечные панели 7 изогнуты под определенным углом, тем самым образуя концентратор солнечной энергии, позволяющий максимально преобразовывать энергию солнца в электроэнергию, гибкие солнечные панели 7 расположены в устройстве 8 ориентации по солнцу, которое в течение дня следит за солнцем и изменяет свое положения с целью максимальной концентрации солнечной энергии на поверхности гибких солнечных панелей 7.

В случае, если скорость ветра не достаточная, то есть мощности на валу ветродвигателя 1 не достаточно для электроснабжения потребителей 12, установка работает следующим образом. Вращающий момент от ветродвигателя 1 поступает на мультипликатор 2 и обгонную муфту 3, с которой передается генератору 4 электрической энергии, а генерируемое напряжение с фаз (на фиг. 1 не показан) генератора 4 электрической энергии поступает винвертор 5 мультигибридный, в котором сравнивается напряжение с генератора 4 электрической энергии, с солнечных панелей 7 и с батареи 9 аккумуляторной, а затем электрическая энергия суммируется для вырабатывания стабильного переменного напряжения, которое через однофазную сеть 11 питает потребителей 12.

В случае, если ветра нет, то есть генератор 4 электрической энергии не вырабатывает электроэнергию, то установка работает следующим образом: Если инвертор 5 мультигибридный не получает энергию с генератора 4 электрической энергии, то заряд батареи 9 аккумуляторной и питание потребителей 12 будет производится за счет энергии, получаемой с гибких солнечных панелей 7.

В случае, если ветра нет, то есть генератор 4 электрической энергии не вырабатывает электроэнергию. Солнечные панели 7 не вырабатывают электроэнергию и батареи 9 аккумуляторные полностью разряжены, то установка работает следующим образом. При достижении минимального напряжения на аккумуляторных батареях 9 (разряде) инвертор 5 мультигибридный подает сигнал запуска бензогенератору 10 и подключает его к однофазной сети 11 переменного напряжения, при этом происходит заряд батарей 9аккумуляторных за счет энергии бензогенератора 10. Работа бензогенератора 10 производится до полной зарядки аккумуляторных батарей 9, затем, производится отключение бензогенератора 10 от однофазной сети 11 переменного напряжения и его остановка, далее установка работает в одном из режимов, описанном выше. В случае, если в данный промежуток времени появится ветер или солнце, то есть генератор 4 начнет вырабатывать электрическую энергию, то возможна совместная работа генератора 4 электрической энергии и солнечных панелей 7 для электроснабжения потребителей 12 электрической, а так же электрической энергией накопленной в аккумуляторных батареях 9, при этом будет экономиться топливо.

Автоматическая система защиты 6 солнечных панелей 7 и ветродвигателя 1 от внешних воздействий работает следующим образом: параметрические данные с датчиков метеорологической станции 13 подаются на блок обработки данных 17, который с помощью системы ориентации солнечных панелей 8 управляет гибкими солнечными панелями 7, с помощью системы изменения угла атаки лопастей ветродвигателя 1 (на фиг.1 не показана) изменяет обороты вращения ветродвигателя 1. При надвигающемся грозовом фронте метеорологическая станция 13 фиксирует значительное повышение скорости ветра, световой поток уменьшается, датчик дождя 15 фиксирует выпадение осадков (дождь, град, снег). Параметрические данные с метеорологической станции 13 поступают в блок обработки данных 17, где они сравниваются со значениями максимальных отклонений каждого параметра, и в случае превышения максимально допустимых значений, сверяясь с данными аниморумбометра 14 и датчика дождя 15подаются управляющие сигналы на блок управления системой ориентации 8гибких солнечных панелей 7, который позиционирует гибкие солнечные панели 7 по азимуту и углу наклона к горизонту, оптимизируя выходные параметры; а также, сверяясь с данными анеморумбометра 14, на систему изменения угла атаки лопастей ветродвигателя 1 (на фиг. 1 не показана), которая выводит лопасти ветродвигателя 1 из под разрушительной ветровой нагрузки, изменяя геометрию ветроустановки, уменьшая количество оборотов ветродвигателя.

При улучшении метерологических условий блок обработки данных с помощью системы ориентации 8 солнечных панелей возвращает гибкие солнечные панели 7 в оптимальное положение для максимальной выработки энергии, а спомощью системы изменения угла атаки лопастей ветродвигателя 1 (на фиг. 1 не показана) поворачивает лопасти в оптимальное положение для выработки максимальной энергии.

Изобретение относится к возобновляемой энергетике. Автоматическая система защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий получает данные со своих датчиков и солнечных панелей, управляет устройством ориентации по солнцу с установленными гибкими солнечными панелями и системой изменения угла атаки лопастей ветродвигателя. К инвертору, подключенному к однофазной сети переменного напряжения, к которой подключены потребители, подключена аккумуляторная батарея и бензогенератор. Автоматическая система защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий состоит из метеорологической станции, включающей в себя: анеморумбометр, датчик дождя, датчик освещенности, электрически соединенные с блоком обработки данных, который электрически соединен с системой ориентации солнечных батарей и системой изменения угла атаки лопастей ветродвигателя. Техническим результатом является повышение надежности, увеличение коэффициентов использования солнечной и ветровой энергии. 2 ил.

Защищенная от внешних воздействий энергоустановка автономного электроснабжения, состоящая из ветродвигателя, механически соединенного с мультипликатором, который через обгонную муфту механически соединен с генератором электрической энергии, являющимся синхронным генератором с двухконтурной магнитной системой, отличающаяся тем, что используется автоматическая система защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий, получающая данные со своих датчиков и солнечных панелей, управляет устройством ориентации по солнцу с установленными гибкими солнечными панелями и системой изменения угла атаки лопастей ветродвигателя, а также внедрением инвертора мультигибридного, к которому подключена батарея аккумуляторная и бензогенератор, подключенного к однофазной сети переменного напряжения, к которой подключены потребители электрической энергии, при этом автоматическая система защиты солнечных панелей и ветродвигателя от внешних воздействий, состоящая из метеорологической станции, включающей в себя: анеморумбометр, датчик дождя, датчик освещенности, электрически соединенные с блоком обработки данных, который электрически соединен с системой ориентации солнечных батарей и системой изменения угла атаки лопастей ветродвигателя.