Ветро-гелиоэнергетическая установка с аккумулированием энергии Российский патент 2023 года по МПК F03D7/04 H02S10/12 H02J7/04 

Изобретение относится к альтернативным источникам энергии и может быть использовано для бесперебойного электроснабжения потребителей, удалённых от централизованных электрических сетей.

Существенным недостатком большинства альтернативных источников энергии является непостоянство развиваемой ими мощности, зависящей как от времени суток, так и от погодных условий. В значительной мере этот недостаток устраняется при питании потребителей от нескольких альтернативных источников различного принципа действия. Распространены схемы параллельного подключения одного и того же потребителя к ветряной и солнечной электростанциям. Однако и в этом случае не исключается перерыв подачи электрической энергии, например, в тёмное время суток в безветренную погоду. В этом случае не обойтись от использования электрического аккумулятора, подзаряжаемого одновременно от ветрогенератора и солнечной панели при избытке вырабатываемой ими энергии. Известна схема контроллера зарядки аккумулятора от солнечного или ветрогенератора [1], ограничение напряжения зарядки которым осуществляется путём подключения к ним нагрузочного резистора. Тем не менее, при глубокой разрядке аккумулятора и достаточно высокой суммарной мощности источников энергии превышение сверх допустимой величины тока заряда аккумулятора данным контроллером не предотвращается.

Цель настоящего изобретения – ограничить ток заряда аккумулятора допустимой для его технических характеристик величиной, обеспечив тем самым его длительную работоспособность.

Эта цель достигается за счёт того, что в ветро-гелиоэнергетической установке с аккумулированием энергии, содержащей общую нулевую шину питания потребителя электрической энергии постоянного тока и потенциальную шину, к которой первым выводом присоединён нагрузочный резистор, второй вывод которого подключён через выходы ключа к общей шине, потенциальная шина разделена диодом на первую потенциальную, к которой подсоединён первый вывод соответствующей полярности аккумулятора и между которой и общей шиной подключён потребитель энергии, и вторую потенциальную шину, между которой и общей шиной подключены через диоды генератор с приводом от ветротурбины, солнечная панель, и контроллер зарядки аккумулятора, включающий цепь из соединённых последовательно первого и второго резисторов, первым выводом подключённую к общей шине, образующие первый делитель напряжения, и источник стабилизированного напряжения, к выходу которого и обшей шине подсоединены выводами питания первый и второй операционные усилители и второй делитель напряжения на соединённых последовательно третьем и четвёртом резисторах, при чём инвертирующий вход первого операционного усилителя связан с выходом стабилизированного источника напряжения, а инвертирующий вход второго операционного усилителя присоединён к точке соединения третьего и четвёртого резисторов, неинвертирующий вход и выход второго операционного усилителя соединён соответственно с точкой соединения первого и второго резисторов и связан с управляющим входом ключа, а выход первого операционного усилителя связан со светодиодом, первый вывод нагрузочного резистора присоединён ко второй потенциальной шине, аккумулятор вторым выводом присоединён к общей шине через резистор, инвертирующий вход первого операционного усилителя присоединен к выходу источника стабилизированного напряжения, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя ко второму выводу аккумулятора, выходы первого и второго операционных усилителей соединены соответственно через первый и второй светодиоды с входом ключа, соединённого через резистор с общим выходом ключа, присоединённым к общей шине.

Схематично заявляемая ветро-гелиоэнергетическая установка с аккумулированием энергии изображена на фигуре 1.

Она содержит общую нулевую шину 1 (в данном конкретном случае отрицательной полярности) питания потребителя электрической энергии и потенциальную шину, разделённую диодом 2 на первую потенциальную шину 3 и вторую потенциальную шину 4. Между первой потенциальной шиной 3 и общей шиной 1 подключён потребитель энергии (на чертеже не показан) и через резистор 5 – аккумулятор 6. При этом в данном конкретном выполнении устройства к шине 3 присоединён положительный вывод аккумулятора. Между второй потенциальной и общей шиной подключены через диод 7 и блок диодов 8 генератор 9 с приводом от ветротурбины 10, солнечная панель (на чертеже не показана), через выходы ключа 11 (в данном конкретном исполнении устройства через исток и сток силового полевого транзистора) нагрузочный резистор 12 и контроллер 13 зарядки аккумулятора. В него входит цепь из соединённых последовательно первого 14 и второго 15 резисторов, первым выводом подключённую к общей шине 1, а вторым – ко второй потенциальной шине 4. Резисторы образуют первый делитель напряжения. Также он включает источник 16 стабилизированного напряжения, к выходу которого и обшей шине подсоединены выводами питания первый 17 и второй 18 операционные усилители и второй делитель напряжения на соединённых последовательно третьем 19 и четвёртом 20 резисторах. Причём инвертирующий вход первого операционного усилителя присоединён к выходу стабилизированного источника напряжения, а инвертирующий вход второго операционного усилителя присоединён к точке соединения третьего 19 и четвёртого 20 резисторов. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединён с точкой соединения первого 14 и второго 15 резисторов, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя присоединён к точке соединения аккумулятора и резистора 5. Выходы первого и второго операционных усилителей соединены соответственно через первый 21 и второй 22 светодиоды с входом ключа 11 (в данном случае затвором полевого транзистора), соединённого через резистор 23 с общим выходом ключа (в данном случае истоком полевого транзистора), присоединённым к общей шине.

Операционные усилители в данной схеме работают в режиме компараторов. На их выходах появляется напряжение близкое к стабилизированному напряжению питания, если потенциал неинвертирующего входа становится несколько больше (реально на несколько милливольт) потенциала инвертирующего входа. При этом через светодиоды начинает протекать ток по цепи: выход операционного усилителя-светодиод-резистор 23 - общая шина. Светодиод загорается, сигнализируя о срабатывании соответствующего усилителя, а напряжение с его выхода поступает на затвор транзистора, в результате чего транзистор открывается, подключив при этом к выходам генератора и солнечной панели нагрузочный резистор 12.

Сопротивления R₁ и R₂ соответственно первого 14 и второго 15 резисторов первого делителя напряжения рассчитаны таким образом, что при напряжении U_Ш2.МАХ на второй потенциальной шине, соответствующем максимальной электродвижущей силе E_АМАХ аккумулятора при его полной зарядке, напряжение U₁ на выходе первого делителя напряжения достигает величины U_1МАХ, равной стабилизированному напряжению U_СТ на выходе источника 16 и, следовательно, напряжению на инвертирующем входе первого операционного усилителя

U_1МАХ = U_Ш2.МАХ ⋅R₂ / (R₁+R₂) = U_СТ. (1)

Сопротивления же R₃ и R₄ соответственно третьего 19 и четвёртого 20 резисторов второго делителя напряжения рассчитаны из условия равенства напряжения U_2ДОП на выходе второго делителя напряжения напряжению U_5ДОП на сопротивлении R₅ резистора 5 при протекании через него допустимого тока зарядки I_ДОП для установленного аккумулятора

I_ДОП⋅R₅ = U_5ДОП = U_2ДОП = U_СТ⋅R₃ / (R₃+R₄). (2)

Когда суммарная мощность источников энергии достаточна для питания потребителя и зарядки аккумулятора, напряжение на второй потенциальной шине несколько выше напряжения на первой потенциальной шине в результате диод 2 открыт, идёт ток на питание потребителя и избыток – на зарядку аккумулятора. Если ток зарядки аккумулятора меньше допустимого, то и напряжение U₅ меньше U_5ДОП, следовательно, и потенциал неинвертирующего входа второго операционного усилителя меньше потенциала U_2ДОП инвертирующего входа этого усилителя, снимаемого с выхода второго делителя напряжения. На выходе операционного усилителя напряжение равно нулю, через светодиод 22 ток не протекает, потенциал на затворе транзистора равен нулю, транзистор закрыт, нагрузочный резистор отключён. При усилении скорости ветра или солнечной радиации, или того и другого вместе напряжение U_Ш1 на первой потенциальной шине растёт, в результате чего увеличивается и ток I_АЗ зарядки аккумулятора

I_АЗ = (U_Ш1 - Е_A)/R_A, (3)

где Е_A и R_A – соответственно электродвижущая сила и внутреннее сопротивление аккумулятора.

И как только ток зарядки станет больше допустимого, напряжение на резисторе 5, а, следовательно, и потенциал неинвертирующего входа второго операционного усилителя станет больше потенциала его инвертирующего входа. Это, как было показано выше, приведёт к подключению к выходам источников тока нагрузочного резистора 12. Потенциал шины 4 из-за увеличения падения напряжения на внутреннем сопротивлении источников снизится, ток I_АЗ зарядки аккумулятора станет снова меньше допустимого. При этом напряжение на резисторе 5 и потенциал на неинвертирующем входе второго операционного усилителя станет меньше потенциала на инвертирующем входе этого усилителя. В итоге транзистор закроется, отключится нагрузочный резистор, напряжение на шинах и ток зарядки снова увеличатся. Далее процесс начнёт периодически повторяться с частотой, зависящей от постоянной времени переходного процесса. При необходимости частота может быть уменьшена путём подключения между неинвертирующим входом и выходом усилителя элементов положительной обратной связи (на чертеже не показаны). В результате ток зарядки в среднем будет поддерживаться на уровне допустимого тока. О том, что зарядка аккумулятора идёт в режиме ограничения тока зарядки, указывает свечение светодиода 22.

По мере зарядки электродвижущая сила Е_А аккумулятора и, следовательно, напряжения U_Ш1 и на потенциальных шинах растут. Когда напряжение U_Ш2 достигнет величины несколько большей U_Ш2.МАХ, свидетельствующей о полной зарядке аккумулятора, напряжение U₁, а значит и потенциал неинвертирующего входа первого операционного усилителя станет несколько больше потенциала U_СТ инвертирующего входа этого усилителя. На выходе усилителя появится положительное напряжение, близкое к напряжению питания усилителя и это, как было показано выше, приведёт к подключению к шине 4 нагрузочного резистора. Напряжение на шине несколько снизится, потенциал неинвертирующего входа станет опять ниже потенциала инвертирующего входа, что снова приведёт к подключению нагрузочного резистора. Таким образом, циклы включения и отключения будут повторяться, поддерживая средний уровень напряжения на шинах неизменным. Неизменной будет вследствие этого и частота вращения ветротурбины.

При этом, поскольку электродвижущая сила Е_А аккумулятора по мере зарядки повышается, ток зарядки снизится, станет меньше допустимого тока, и второй операционный усилитель перестанет открываться и управлять транзистором. Управление перейдёт с режима поддержания допустимого тока зарядки на режим поддержания постоянства напряжения, осуществляемого первым операционным усилителем. При этом индикация режима осуществляется светодиодом 21. Дальнейшее повышение электродвижущей силы аккумулятора в условиях постоянства напряжения U_Ш2 в соответствии с выражением (3) будет сопровождаться постепенным снижением тока I_АЗ зарядки аккумулятора практически до тока саморазряда аккумулятора, близкого к нулевому по сравнению с рабочим током значению. Аккумулятор перейдёт в буферный режим зарядки. При этом напряжение на его выводах будет близко к E_АМАХ, свидетельствующем о полной зарядке аккумулятора.

В случае ослабления солнечной радиации и одновременном уменьшении скорости ветра суммарная мощность источников энергии станет меньше мощности потребителя энергии. Напряжение на шинах 2 и 4 снизится, станет меньше электродвижущей силы аккумулятора, при этом изменится направление тока через аккумулятор. Разряжаясь, он будет покрываться дефицит мощности источников. Так как в этом случае U_Ш2 < E_АМАХ, а U₅ < U_5ДОП, то потенциалы неинвертируемых входов обоих операционных усилителей будут меньше потенциалов инвертирующих входов. Оба усилителя будут закрыты, нагрузочный резистор отключён. То же самое будет и при полном отсутствии солнечного излучения и ветра за исключением того, что аккумулятор возьмёт нагрузку потребителя полностью на себя. При этом ёмкость аккумулятора должна быть достаточной для питания потребителя в течение максимально возможного времени полного отсутствия или дефицита поступления энергии от источников.

Таким образом, введение дополнительного канала регулирования процесса зарядки аккумулятора по условию ограничения тока зарядки допустимой техническими требованиями величиной позволяет избежать преждевременного выхода аккумулятора из строя, чем и достигается поставленная цель предполагаемого изобретения.

Источник информации

1. G. Forest Cook Контроллер заряда аккумулятора для солнечного или ветрогенератора [Электронный ресурс]. URL: https://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=61143 (Дата обращения 26.06.2021).

Изобретение относится к возобновляемым источникам энергии и может быть использовано для бесперебойного электроснабжения потребителей, удалённых от централизованных электрических сетей. Ветро-гелиоэнергетическая установка с аккумулированием энергии содержит общую нулевую шину питания потребителя электрической энергии постоянного тока и потенциальную шину. К потенциальной шине первым выводом присоединён нагрузочный резистор, второй вывод которого подключён через выходы ключа к общей шине. Потенциальная шина разделена диодом на первую потенциальную, к которой подсоединён первый вывод соответствующей полярности аккумулятора и между которой и общей шиной подключён потребитель энергии, и вторую потенциальную шину, между которой и общей шиной подключены через диоды генератор с приводом от ветротурбины, солнечная панель, и контроллер зарядки аккумулятора. Контроллер включает цепь последовательных первого и второго резисторов, первым выводом подключённую к общей шине, образующие первый делитель напряжения, и источник стабилизированного напряжения, к выходу которого и обшей шине подсоединены выводами питания первый и второй операционные усилители и второй делитель напряжения на соединённых последовательно третьем и четвёртом резисторах. Инвертирующий вход первого операционного усилителя связан с выходом стабилизированного источника напряжения. Инвертирующий вход второго операционного усилителя присоединён к точке соединения третьего и четвёртого резисторов. Неинвертирующий вход и выход второго операционного усилителя соединён соответственно с точкой соединения первого и второго резисторов и связан с управляющим входом ключа, а выход первого операционного усилителя связан со светодиодом. Первый вывод нагрузочного резистора присоединён ко второй потенциальной шине. Аккумулятор вторым выводом присоединён к общей шине через резистор. Инвертирующий вход первого операционного усилителя присоединен к выходу источника стабилизированного напряжения, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя ко второму выводу аккумулятора. Выходы первого и второго операционных усилителей соединены соответственно через первый и второй светодиоды с входом ключа, соединённого через резистор с общим выходом ключа, присоединённым к общей шине. Техническим результатом является обеспечение ограничения тока заряда аккумулятора для увеличения его срока работоспособности. 1 ил.

Ветро-гелиоэнергетическая установка с аккумулированием энергии, содержащая общую нулевую шину питания потребителя электрической энергии постоянного тока и потенциальную шину, к которой первым выводом присоединён нагрузочный резистор, второй вывод которого подключён через выходы ключа к общей шине, потенциальная шина разделена диодом на первую потенциальную, к которой подсоединён первый вывод соответствующей полярности аккумулятора и между которой и общей шиной подключён потребитель энергии, и вторую потенциальную шину, между которой и общей шиной подключены через диоды генератор с приводом от ветротурбины, солнечная панель, и контроллер зарядки аккумулятора, включающий цепь из соединённых последовательно первого и второго резисторов, первым выводом подключённую к общей шине, образующие первый делитель напряжения, и источник стабилизированного напряжения, к выходу которого и обшей шине подсоединены выводами питания первый и второй операционные усилители и второй делитель напряжения на соединённых последовательно третьем и четвёртом резисторах, причём инвертирующий вход первого операционного усилителя связан с выходом стабилизированного источника напряжения, а инвертирующий вход второго операционного усилителя присоединён к точке соединения третьего и четвёртого резисторов, неинвертирующий вход и выход второго операционного усилителя соединён соответственно с точкой соединения первого и второго резисторов и связан с управляющим входом ключа, а выход первого операционного усилителя связан со светодиодом, отличающаяся тем, что первый вывод нагрузочного резистора присоединён ко второй потенциальной шине, аккумулятор вторым выводом присоединён к общей шине через резистор, инвертирующий вход первого операционного усилителя присоединен к выходу источника стабилизированного напряжения, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя ко второму выводу аккумулятора, выходы первого и второго операционных усилителей соединены соответственно через первый и второй светодиоды с входом ключа, соединённого через резистор с общим выходом ключа, присоединённым к общей шине.