JP4863446B2 - Power supply system and backup power supply - Google Patents

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Description

本発明は、バックアップ電力を発電してコンピュータや通信システムのような設備に無停電電源を提供するシステムに関する。   The present invention relates to a system that generates backup power and provides an uninterruptible power supply to facilities such as computers and communication systems.

従来、バックアップ電力は、化石燃料を使用して運転され、よくバッテリーにより始動される予備発電機により供給されていた。予備発電機を始動させまたは無停電電源にエネルギーを蓄積するために使用されるバッテリーは、限られた寿命があり、著しいメンテナンスの負担がある。高温の気候では、バッテリー寿命のさらなる減少や、電子制御システムを動作させておく為だけでなく空調でそれらを冷やしておくためのエネルギーの必要によって、問題が複雑になる。   Traditionally, backup power has been supplied by a standby generator that is operated using fossil fuels and is often battery powered. A battery used to start a standby generator or store energy in an uninterruptible power supply has a limited life span and a significant maintenance burden. In hot climates, the problem is complicated by further reductions in battery life and the need for energy to keep them cool by air conditioning as well as to keep the electronic control system running.

本発明の目的は、バックアップ電力を発電しながら、冷涼な動作温度にシステムを維持する為に冷涼な環境を作り出すシステムを提供することである。そのような発電システムは、化石燃料を使用することなく且つバッテリーに頼ることなく動作する。   It is an object of the present invention to provide a system that creates a cool environment to maintain the system at a cool operating temperature while generating backup power. Such power generation systems operate without using fossil fuels and without relying on batteries.

本発明によると、ａ）負荷に接続可能な商用電源と、ｂ）前記負荷に接続可能なバックアップ電源と、を備えた電源システムであって、前記バックアップ電源は、ｉ．多量の圧縮気体を収容する容器と、ｉｉ．前記商用電源が無くなると所定の圧力で前記容器から気体を放出する弁と、ｉｉｉ．前記弁に接続され、前記容器から前記気体が放出されると該気体を受けるスクロール膨張器であって、前記気体が前記膨張器を通過することにより回転する回転部材を有する膨張器と、ｉｖ．前記回転部材に駆動されて前記負荷に前記バックアップ電力を供給する発電機と、ｖ．前記発電機と連結したＤＣパワーコンディショニングユニットと、ｖｉ．前記パワーコンディショニングユニットと、前記負荷と、の間に接続された電力変換器と、ｖｉｉ．前記スクロール膨張器に導入された前記気体の流れを、前記負荷が要求するバックアップ電力のレベルに従って決定された圧力となるように絞りによって調整する調整器と、を備え、前記パワーコンディショニングユニットは、前記負荷への供給が中断され、前記負荷の前記電力要求が変化したときに、前記発電機により供給される前記バックアップ電力が前記負荷の要求に合致するまでバックアップ電源を提供する少なくとも一のキャパシタエネルギー貯蔵を有する、電源システムが提供される。 According to the present invention, a power supply system comprising : a) a commercial power supply connectable to a load; and b) a backup power supply connectable to the load, wherein the backup power supply comprises: i. A container containing a large amount of compressed gas; ii. A valve for releasing gas from the container at a predetermined pressure when the commercial power supply is lost ; iii. A scroll inflator connected to the valve and receiving the gas when the gas is released from the container, the inflator having a rotating member that rotates when the gas passes through the inflator; and iv. A generator driven by the rotating member to supply the backup power to the load ; v. A DC power conditioning unit coupled to the generator; vi. A power converter connected between the power conditioning unit and the load; vii. A regulator for adjusting the flow of gas introduced into the scroll expander with a throttle so as to be a pressure determined according to a level of backup power required by the load, and the power conditioning unit includes the power conditioning unit, When supply to a load is interrupted and the power requirement of the load changes, at least one capacitor energy storage that provides a backup power source until the backup power supplied by the generator meets the load requirement A power supply system is provided.

エネルギーは約３００ｂａｒの圧力で容器に貯蔵された気体に内包されている。貯蔵された圧縮気体は室温で劣化しないので、長い動作寿命を有する信頼できるエネルギー貯蔵を提供する可能性を秘めている。このようにして、圧縮気体を膨張させると、機械的エネルギーを回収することが可能であり、発電機を使用して機械的エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。このシステムは、電力が必要な時に圧縮気体を容器から調整器を通して放出し、約１０ｂａｒの減圧された圧力の気流を与えるように動作する。気体はその後、スクロール膨張器に供給され、そこを気体が通過することでスクロール膨張器が機械的に回転し、その時スクロール膨張器が、スクロール膨張器の軸に接続されている発電機を機械的に回転させ、必要な電力を提供する。   The energy is contained in a gas stored in the container at a pressure of about 300 bar. Since the stored compressed gas does not degrade at room temperature, it has the potential to provide reliable energy storage with a long operating life. In this way, when the compressed gas is expanded, it is possible to recover mechanical energy, and it is possible to convert mechanical energy into electrical energy using a generator. The system operates to release compressed gas from the vessel through the regulator when power is needed, providing a reduced pressure air flow of about 10 bar. The gas is then supplied to the scroll inflator and the scroll inflator mechanically rotates as the gas passes through it, at which time the scroll inflator mechanically drives the generator connected to the scroll inflator shaft. To provide the necessary power.

本発明の実施の態様を、添付図面を参照してほんの一例として説明する。   Embodiments of the present invention will now be described by way of example only with reference to the accompanying drawings.

図１のシステムは、例えば、エネルギーにして約１１ｋＷｈに匹敵する乾燥圧縮空気３００リットルを収容する圧力容器１１に充填するように適合された多段階空気圧縮機と乾燥機１０である。乾燥空気は露点(due point)−３０℃で貯蔵される。容器１１が鉄鋼製の場合に腐食を防ぐ為に、また空気が膨張した時に着氷を防ぐ為に、乾燥空気は重要である。斯かる約３００ｂａｒの高圧の空気を用意することで、比較的小さな体積で相当な密度のエネルギー保存が可能になる。圧縮機１０は商用電源により駆動される。   The system of FIG. 1 is, for example, a multi-stage air compressor and dryer 10 adapted to fill a pressure vessel 11 containing 300 liters of dry compressed air that is comparable in energy to about 11 kWh. Dry air is stored at a due point of -30 ° C. Dry air is important to prevent corrosion when the container 11 is made of steel and to prevent icing when the air expands. By preparing such high-pressure air of about 300 bar, it is possible to store energy of a considerable density in a relatively small volume. The compressor 10 is driven by a commercial power source.

空気を斯かる高圧に圧縮することにより相当量の低位熱が生成されるが、これは圧縮機に消費され又は何か他の用途に利用されてもよい。容器１１は、工業プロセスの気体を貯蔵する為に使用されるような容器と同様に鉄鋼構成であってよい。あるいは容器は、自動車産業において圧縮天然ガスを収容するのに使用されるような炭素繊維で出来ていてもよい。   By compressing air to such high pressure, a significant amount of lower heat is generated, which may be consumed by the compressor or utilized for some other application. The container 11 may be a steel construction, similar to a container used to store industrial process gases. Alternatively, the container may be made of carbon fiber such as is used to contain compressed natural gas in the automotive industry.

貯蔵された空気の圧力を約１０ｂａｒの動作レベルまで減圧するように設定することが可能な圧力調整器１２が、容器１１から圧縮空気を受けるように適合されて圧縮空気の下流にある。システムの出力電力を決定する為に、電子操作される制御システム１３によりその出力圧について制御される。   A pressure regulator 12, which can be set to reduce the pressure of the stored air to an operating level of about 10 bar, is adapted to receive compressed air from the container 11 and is downstream of the compressed air. In order to determine the output power of the system, its output pressure is controlled by an electronically operated control system 13.

圧力調整器１２の出口に、通常開いていて通電により閉状態になるタイプのソレノイド弁１４がある。商用電気の供給がある間は弁は電気的に閉ざされていて、しかるに電気供給が無くなれば弁は開いて調整器から空気を供給する。調整器１２から通過する貯蔵されていた空気は、開いている時ソレノイド弁１４を経てスクロール膨張器１５に供給される。この装置は、事実上、膨張器として動作するように構成し直された、オイル無しのスクロール圧縮機である。動作において、圧力１０ｂａｒの圧縮空気は膨張器を通過するとそこで大気圧まで膨張し、その膨張作用によりスクロール膨張器１５の軸１５ａが回転する。   At the outlet of the pressure regulator 12, there is a solenoid valve 14 of a type that is normally open and is closed when energized. While there is a commercial power supply, the valve is electrically closed, and when there is no power supply, the valve opens and supplies air from the regulator. The stored air passing from the regulator 12 is supplied to the scroll inflator 15 via the solenoid valve 14 when open. This device is effectively an oilless scroll compressor that has been reconfigured to operate as an expander. In operation, when the compressed air having a pressure of 10 bar passes through the expander, it expands to atmospheric pressure, and the expansion action rotates the shaft 15a of the scroll expander 15.

スクロール膨張器１５を離脱した膨張された空気は乾燥していてオイル及び汚染物を含まず、温度０℃未満である。この冷却された空気は、システムの電子機器を冷やし電子機器を含む部屋を空調するのに理想的である。   The expanded air leaving the scroll expander 15 is dry and free of oil and contaminants and has a temperature below 0 ° C. This cooled air is ideal for cooling the system electronics and air conditioning the room containing the electronics.

スクロール膨張器はより伝統的なレシプロ型、羽根型及びタービン型膨張器と比べて高効率な機械である。   The scroll expander is a highly efficient machine compared to the more traditional reciprocating, vane and turbine expanders.

例えば１５Ｖ直流の電源を生み出す電磁発電機１６が膨張器１５の軸１５ａに機械的に接続されている。これは、バックアップ電力が供給されるべき機器による要求に応じて増減してよい。   For example, an electromagnetic generator 16 that generates a power supply of 15 V DC is mechanically connected to the shaft 15 a of the expander 15. This may be increased or decreased as required by the device to which backup power is to be supplied.

パワーコンディショニングユニット１７は出力を制御し、また制御ユニット１３へ電源を提供する。ユニット１７は少量の電気エネルギーを蓄えるキャパシタを含む。このキャパシタは、商用主電源から完全に充電された状態を保ち、電源が落ちた時に、スクロール膨張器１５及び発電機１６が必要電力を生成できるまでの、達成に１秒以上かかる間、キャパシタがバックアップ電源を提供する。それゆえ、システムはただのバックアップ電力ではなく、真の無停電電源を提供できる。   The power conditioning unit 17 controls the output and provides power to the control unit 13. Unit 17 includes a capacitor that stores a small amount of electrical energy. This capacitor is kept fully charged from the commercial mains power supply. When the power is turned off, it takes 1 second or more for the scroll inflator 15 and the generator 16 to generate the necessary power. Provide backup power. Therefore, the system can provide a true uninterruptible power supply, not just backup power.

使用において、通常の商用電源が利用可能なときは、スクロール膨張器システムは動作せず、予備エネルギーは容器１１に蓄えられる。   In use, when normal commercial power is available, the scroll inflator system does not operate and reserve energy is stored in the container 11.

無停電電源は、商用電源が落ちた際ただちに必要となる。   An uninterruptible power supply is needed as soon as the commercial power is turned off.

停電直後、スクロール膨張器１５及び発電機１６が動作速度に到達し必要な電力を送り出す間の初期において、電気供給は、パワーコンディショニングユニット１７内のキャパシタエネルギー貯蔵(capacitor energy store)から維持される。   Immediately after the power failure, the electrical supply is maintained from the capacitor energy store in the power conditioning unit 17, initially during the time that the scroll expander 15 and generator 16 reach operating speed and deliver the necessary power.

さらに、ユニット１７は膨張器１５及び発電機１６からの遅い応答を、要求される負荷における迅速な変化に対応させるという第２の役割を果たす。例えば、電力出力要求が、ほぼ瞬時に３００Ｗから６００Ｗに変化すると仮定した場合、システムは、負荷における変化に反応する為に有限の時間がかかり、その間、キャパシタエネルギー貯蔵が不足分を補填する。反対に、出力要求が瞬時に６００Ｗから３００Ｗに減少する場合は、またしても膨張器／発電機が減少したスピード及び出力に到達する為に有限の時間がかかり、その間、キャパシタエネルギー貯蔵が膨張器／発電機により送り出される過剰のエネルギーを吸収する。   In addition, unit 17 serves the second role of responding to slow changes in the required load from the slow response from expander 15 and generator 16. For example, assuming that the power output demand changes from 300 W to 600 W almost instantaneously, the system takes a finite time to react to changes in the load, while capacitor energy storage compensates for the deficiency. Conversely, if the power demand decreases instantaneously from 600W to 300W, it will again take a finite time for the expander / generator to reach the reduced speed and power while capacitor energy storage expands. Absorb excess energy delivered by the generator / generator.

本発明にかかるシステムは、真に無停電な電源を提供すると同時に、このように膨張器１５から流れ出し電子設備の空調及び冷却に使用可能な、オイルを含まない清浄で乾燥した空気を貯蔵及び放出し、化石燃料やバッテリーの使用に依存しない、ということが評価されるであろう。圧縮機１０と膨張器１５は大気の汚染を避けるべく、実質的にオイル無しで動作する。   The system according to the present invention provides a truly uninterruptible power supply and at the same time stores and releases oil-free, clean and dry air that can flow out of the expander 15 and be used for air conditioning and cooling of electronic equipment. However, it will be appreciated that it does not depend on the use of fossil fuels or batteries. The compressor 10 and expander 15 operate substantially without oil to avoid air pollution.

ここで図２を参照して、システムを介した電力の流れが更に強化された第２の実施例を示す。商用電源は２０１に図示され、整流器２０２で整流されてＤＣリンクを通過し電力変換器２０４で要求される負荷に適した形に変換されるＡＣ電源からなる。   Referring now to FIG. 2, a second embodiment is shown in which the power flow through the system is further enhanced. A commercial power source is shown in 201, and consists of an AC power source that is rectified by a rectifier 202, passes through a DC link, and is converted into a form suitable for a load required by a power converter 204.

ＤＣリンクはキャパシタエネルギー貯蔵２１２と、電圧測定装置ＶＭＤと、電流測定装置ＣＭＤとを有する。   The DC link includes a capacitor energy storage 212, a voltage measurement device VMD, and a current measurement device CMD.

電力変換器２０４により提供される直流電力は、例えば、通信設備用の４８Ｖ直流であってもよいし、或いは、電力変換器２０４は、電源周波数及び電圧負荷に対して合成された交流電力を与える電源インバーターの形で提供され得る。   The DC power provided by the power converter 204 may be 48V DC for communication equipment, for example, or the power converter 204 provides combined AC power for the power supply frequency and voltage load. It can be provided in the form of a power inverter.

商用電源が中断した時に、システムは図１の空気溜め１１に相当する加圧空気供給２０６からの動作に切り換わる。エネルギーは、空気ソレノイド２０７と電子式空気調整器２０８に流される加圧空気の中に内包されている。調整器２０８は空気が膨張するスクロール膨張器２０９に空気流を調整するための絞りとして働く。   When the commercial power supply is interrupted, the system switches to operation from the pressurized air supply 206 corresponding to the air reservoir 11 of FIG. The energy is contained in pressurized air that flows to the air solenoid 207 and the electronic air regulator 208. The adjuster 208 serves as a throttle for adjusting the air flow to the scroll expander 209 where the air expands.

スクロール膨張器２０９は、機械的に交流発電機２１０を駆動して交流電力を発電する。これは、出力がＤＣリンク２０３に接続された第２整流器２１１により直流電力に変換される。このように、電力はＤＣリンクを介して出力電力変換器２０４へ流れ負荷２０５に供給される。   The scroll expander 209 mechanically drives the AC generator 210 to generate AC power. This is converted into DC power by the second rectifier 211 connected to the DC link 203. Thus, power flows to the output power converter 204 via the DC link and is supplied to the load 205.

臨界動作速度に到達するための充分な時間を膨張器２０９に与えるために、及び負荷要求における素早い変化に対応する為に、キャパシタエネルギー貯蔵２１２がＤＣリンクに設けられている。   Capacitor energy storage 212 is provided in the DC link to provide the expander 209 with sufficient time to reach a critical operating speed and to accommodate quick changes in load demand.

空気動作中、即ち、商用供給が中断しているときの電力流の管理は、電子制御部２１３により行われる。制御アルゴリズムは図３において図説されており、ここで、３０１ではＤＣリンク電圧及び電流が連続的に監視され、３０２では要求される電圧が信号乗算により計算される。制御部はこのように任意の負荷要求に対して必要な空気圧を出力することの可能な膨張器の動作の為の数理モデル３０３を含む。   The electronic control unit 213 manages power flow during air operation, that is, when commercial supply is interrupted. The control algorithm is illustrated in FIG. 3, where the DC link voltage and current are continuously monitored at 301 and the required voltage is calculated by signal multiplication at 302. The controller thus includes a mathematical model 303 for the operation of the inflator that can output the required air pressure for any load demand.

同時に、３０４では実際のＤＣリンク電圧が設定ＤＣリンク電圧と比較され、３０５ではエラー信号が生成される。この信号は、比例−積分−微分（ＰＩＤ）制御部３０６及びリミッター３０７を通過し、圧力調整信号を与える。   At the same time, the actual DC link voltage is compared with the set DC link voltage at 304 and an error signal is generated at 305. This signal passes through a proportional-integral-derivative (PID) controller 306 and limiter 307 and provides a pressure adjustment signal.

最後に、３０８では、モデル３０３からの負荷要求由来の圧力信号と、制御部２１３から出る前の圧力調整信号とが、電子空気圧調整器２０８及び空気ソレノイド２０７を設定する設定圧信号３０９として足し合わされる。   Finally, in 308, the pressure signal derived from the load request from the model 303 and the pressure adjustment signal before exiting from the control unit 213 are added together as a set pressure signal 309 for setting the electronic air pressure regulator 208 and the air solenoid 207. The

常に、制御部２１３は２０１で電源存在リレー(mains-present relay)を介して商用電源を監視している。３１０では電源存在信号(mains-present signal)が信号インバータ３１１を通過して、空気ソレノイド２０７を制御し３０９において設定圧信号をゲートでコントロールする為に使用される。このようにして、電源電気供給が利用可能な時は、空気ソレノイドが「オフ」であり設定圧信号は遮断される。   At all times, the control unit 213 monitors the commercial power supply via a power-present relay at 201. In 310, a power-present signal (mains-present signal) passes through the signal inverter 311 and is used to control the air solenoid 207 and in 309 to control the set pressure signal at the gate. In this way, when power supply is available, the air solenoid is “off” and the set pressure signal is cut off.

現在入手可能な空気膨張器は、圧縮空気を不足膨張する(under-expand)傾向があり、このようにして大気圧より大きい圧力であって相当のエネルギーをなお内包している排気を放出している。以下はこの不足膨張された空気に含まれるエネルギーを回収して、システムの効率を最適化するシステムの説明である。   Currently available air expanders tend to under-expand compressed air, thus releasing exhaust at a pressure greater than atmospheric pressure and still containing significant energy. Yes. The following is a description of a system that recovers the energy contained in this underexpanded air to optimize system efficiency.

空気膨張器は、大気圧に対する駆動気圧の比よりも低い圧縮比を有する。例として、空気膨張器１５、２０９は３：１の膨張比を有しうる。斯かる膨張器は、要求される電力出力を送り出す為に９ｂａｒの圧力で空気を供給する必要がある。この場合、空気は未だ相当のエネルギーを内包している３ｂａｒで膨張器から出て行く。図４は加圧排気からエネルギーを回収するシステムを図示する。   The air expander has a compression ratio that is lower than the ratio of driving air pressure to atmospheric pressure. As an example, the air expanders 15, 209 can have an expansion ratio of 3: 1. Such an inflator needs to supply air at a pressure of 9 bar to deliver the required power output. In this case, the air leaves the inflator at 3 bar which still contains significant energy. FIG. 4 illustrates a system for recovering energy from pressurized exhaust.

上述したような低い膨張比の膨張器の場合、膨張器からの出口の圧力が背圧弁の使用により大気圧より大きい圧力に保持されているならば、逸失する電力出力は最小になる。斯かる弁を図４において４１に示す。空気は通常、膨張器により要求されるよりもずっと高圧で得られるので、所定量の電力を生産する為に必要な空気の量を低減するためにその高圧空気を使用して、膨張器からの空気のうち幾分かの圧力を増加することは可能である。   In the case of an expander with a low expansion ratio as described above, the lost power output is minimized if the outlet pressure from the expander is maintained at a pressure greater than atmospheric pressure by the use of a back pressure valve. Such a valve is shown at 41 in FIG. Since air is usually obtained at much higher pressures than required by the expander, the high pressure air is used to reduce the amount of air required to produce a given amount of power and from the expander. It is possible to increase the pressure of some of the air.

高圧空気はまず、調整器４３により、膨張器ベンチュリ４２を駆動するのに適した一定の圧力に低減しなければならない。それから空気は駆動空気としてベンチュリ内に入り、これは、大気圧であるか又は圧力開放弁４１を含む場合はより高い圧力であり得る膨張器の出口からの低圧空気を取り込む。このようにして、低圧の出口側空気は、逆止弁４５を通過してベンチュリ４２内へ入る。混合した空気は駆動空気と取り込まれた空気の間の圧力レベルで消費される。   The high pressure air must first be reduced by regulator 43 to a constant pressure suitable for driving expander venturi 42. The air then enters the venturi as drive air, which takes in low pressure air from the outlet of the expander, which can be at atmospheric pressure or higher pressure if the pressure relief valve 41 is included. In this way, the low-pressure outlet side air passes through the check valve 45 and enters the venturi 42. The mixed air is consumed at a pressure level between the drive air and the entrapped air.

もし負荷の電力要求が可変であるならば、膨張器に入る圧力を制御信号に対応して変えるために、さらなる圧力調整器４６を含んでもよい。この調整器は、図２の２０８で図示された、電子制御システム２１３により作動される調整器に相当する。   If the load power requirement is variable, an additional pressure regulator 46 may be included to change the pressure entering the inflator in response to the control signal. This regulator corresponds to the regulator operated by the electronic control system 213, illustrated at 208 in FIG.

追加の弁４７を、高需要時に充分な空気供給を確保する為の調整器、又は、高圧空気源からの圧力がベンチュリ４２を駆動するのに充分なレベルを下回ったときに開くソレノイド弁、のいずれかとして導入してよい。   An additional valve 47, a regulator to ensure sufficient air supply during high demand, or a solenoid valve that opens when the pressure from the high pressure air source drops below a sufficient level to drive the venturi 42. It may be introduced as either.

典型的な動作圧力をそれぞれの弁／調整器に対し図４に示す。斯かる圧力では、膨張器４４を通る気流の約２５％は、ベンチュリを経て除去され、膨張器を再び通過する。   A typical operating pressure is shown in FIG. 4 for each valve / regulator. At such pressure, about 25% of the airflow through the inflator 44 is removed via the venturi and passes through the inflator again.

ここで説明したような、そして本発明による、バックアップ電力を発電するシステムは、遠隔充填機能(remote filling capability)とともに活用しても良い。即ち、従来バックアップ電力を提供する為バッテリーを有している遠隔通信端末のような、遠隔地に設置され与圧される貯蔵庫内に高圧縮空気を設けても良い。このようにして、遠隔端末キャビネット内にここで説明したような発電システムを内蔵して、必要な時、即ち商用電源が落ちたときに動作するようにしてもよい。ゆえに、圧縮空気駆動のバックアップ電力システムは、必要な時に作動し、バックアップバッテリー一式に比べて占有するスペースはかなり小さい。圧縮空気を収容するタンク又は貯蔵庫は、大きくてもよく、地上又は地下のいずれか若しくは必要な時に迅速にそれを交換可能な別個の筐体内にあってもよいので、通常の遠隔端末キャビネット内のスペースを占有する必要は無い。   A system for generating backup power as described herein and in accordance with the present invention may be utilized with a remote filling capability. That is, high compressed air may be provided in a storage place that is installed in a remote place and is pressurized, such as a remote communication terminal having a battery to provide backup power. In this way, the power generation system as described herein may be built in the remote terminal cabinet so as to operate when necessary, that is, when the commercial power is turned off. Thus, a compressed air driven backup power system operates when needed and takes up significantly less space than a complete backup battery. The tank or storage containing the compressed air can be large, either above ground or underground, or in a separate enclosure that can be quickly replaced when needed, so in a normal remote terminal cabinet There is no need to occupy space.

本発明を上記実施例のみに限定する意図は無い。例えば、容器１１は工業プロセスから生じるような、空気以外の気体を収容しても良い。さらに、短期間に頻繁に商用電源の停電が発生する場合に、斯かる容器をいくつか縦列に接続してシステムの稼動時間を増加させても良い。   There is no intention to limit the present invention only to the above embodiments. For example, the container 11 may contain a gas other than air, such as that resulting from an industrial process. Furthermore, when commercial power supply interruptions frequently occur in a short period of time, several such containers may be connected in series to increase the operating time of the system.

第１の実施の態様に従い、バックアップ電力を発電するシステムの主要構成要素のブロック図である。It is a block diagram of the main components of the system which generates backup electric power according to the 1st embodiment. 第２の実施の態様の構成要素の同様の図である。It is the same figure of the component of the aspect of 2nd Embodiment. 制御アルゴリズムを説明する図である。It is a figure explaining a control algorithm. 図１及び２のシステムからエネルギーを回収するシステムの構成要素を説明する図である。It is a figure explaining the component of the system which collect | recovers energy from the system of FIG.

Claims (17)

ａ）負荷に接続可能な商用電源と、
ｂ）前記負荷に接続可能なバックアップ電源と、
を備えた無停電電源システムであって、
前記バックアップ電源は、
ｉ．多量の圧縮気体を収容する容器と、
ｉｉ．前記商用電源が無くなると所定の圧力で前記容器から気体を放出する弁と、
ｉｉｉ．前記弁に接続され、前記容器から前記気体が放出されると該気体を受けるスクロール膨張器であって、前記気体が前記膨張器を通過することにより回転する回転部材を有する膨張器と、
ｉｖ．前記回転部材に駆動されて前記負荷に前記バックアップ電力を供給する発電機と、
ｖ．前記発電機と連結し、設定電圧において動作するＤＣパワーコンディショニングユニットと、
ｖｉ．前記パワーコンディショニングユニットと、前記負荷と、の間に接続された電力変換器と、
ｖｉｉ．前記スクロール膨張器に導入された前記気体の流れを、前記設定電圧及び前記負荷が要求するバックアップ電力のレベルに従って決定された圧力となるように絞りによって調整する調整器と、
を備え、
前記パワーコンディショニングユニットは、前記商用電源が無くなったとき、又は前記発電機による前記バックアップ電力の供給中に前記負荷の電力要求が変化したときに、前記発電機により供給される前記バックアップ電力が前記負荷の要求に合致するまでバックアップ電源を提供する少なくとも一のキャパシタエネルギー貯蔵を有する、無停電電源システム。a) a commercial power source connectable to the load;
b) a backup power source connectable to the load;
An uninterruptible power supply system with
The backup power supply is
i. A container containing a large amount of compressed gas;
ii. A valve for releasing gas from the container at a predetermined pressure when the commercial power supply is lost;
iii. A scroll inflator connected to the valve and receiving the gas when the gas is released from the container, the inflator having a rotating member that rotates when the gas passes through the inflator;
iv. A generator driven by the rotating member to supply the backup power to the load;
v. A DC power conditioning unit connected to the generator and operating at a set voltage ;
vi. A power converter connected between the power conditioning unit and the load;
vii. A regulator that regulates the flow of gas introduced into the scroll expander with a throttle so that the pressure is determined according to the set voltage and the level of backup power required by the load;
With
The power conditioning unit is configured such that the backup power supplied by the generator is changed to the load when the commercial power supply is lost or when the power demand of the load changes during the supply of the backup power by the generator. An uninterruptible power supply system having at least one capacitor energy storage that provides a backup power supply until meeting the requirements of 前記容器に結合され、そこへ圧縮乾燥された気体を供給するための多段階空気圧縮機と乾燥機と、を含む、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, comprising a multi-stage air compressor and a dryer coupled to the vessel and for supplying compressed and dried gas thereto. 前記容器は、圧力３００ｂａｒ又はその附近、及び露点−３０℃又はその附近で気体を保持する、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, wherein the container holds a gas at or near a pressure of 300 bar and at or near a dew point of −30 ° C. 前記多段階空気圧縮機を商用電源から駆動するように適合する、請求項２に記載のシステム。  The system of claim 2, adapted to drive the multi-stage air compressor from a commercial power source. 前記圧力調整器及び前記気体放出弁が電動制御システムに接続されている、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, wherein the pressure regulator and the gas release valve are connected to an electric control system. 前記気体放出弁は、通常開いていて通電すると閉状態になるタイプであり、商用電源が存在している間、使用中の当該弁は電気的に閉に維持されていて、商用電源が停電すると開いて前記調整器から気体が供給される、請求項１に記載のシステム。  The gas release valve is of a type that is normally open and closes when energized. While the commercial power supply is present, the valve in use is maintained electrically closed, and the commercial power supply is interrupted. The system of claim 1, wherein the system is opened and supplied with gas from the regulator. 前記スクロール膨張器は、膨張器として動作するように再構成されたオイル無しのスクロール圧縮機である、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, wherein the scroll expander is an oilless scroll compressor reconfigured to operate as an expander. 前記スクロール膨張器は、周囲空気より低い温度で大気圧まで膨張するように気体を放出する、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, wherein the scroll inflator releases gas to expand to atmospheric pressure at a temperature lower than ambient air. 前記パワーコンディショニングユニットの少なくとも一の前記キャパシタは、前記負荷からの電力要求が変化した場合に電力を放出又は吸収する為にも働く、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, wherein the at least one capacitor of the power conditioning unit also serves to discharge or absorb power when a power demand from the load changes. 前記パワーコンディショニングユニットは、少なくとも一の前記キャパシタエネルギー貯蔵と、電圧測定装置と、電流測定装置とを有するＤＣリンクを含む、請求項９に記載のシステム。  The system of claim 9, wherein the power conditioning unit includes a DC link having at least one of the capacitor energy storage, a voltage measurement device, and a current measurement device. 前記膨張器の出力から放出された気体の一部を再利用し、容器から膨張器に供給される気体に取り込むための手段を含む、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, comprising means for recycling a portion of the gas released from the output of the inflator and taking it into the gas supplied from the container to the inflator. 多量の圧縮気体を収容するようにそれぞれ適合された複数の容器を含み、前記容器は互いに縦列につながっている、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, comprising a plurality of containers each adapted to contain a large amount of compressed gas, the containers being in tandem with one another. 前記調整器は、測定電圧及び測定電流の入力を使用する電動制御システムによって制御される、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, wherein the regulator is controlled by a motorized control system that uses a measurement voltage and a measurement current input. 前記電動制御システムは、前記測定電圧及び測定電流を乗算して前記負荷の電力要求を決定し、これにより前記膨張器に入る前記気体の必要圧力を提供するための入力値を決定する、請求項１３に記載のシステム。  The electric control system multiplies the measured voltage and measured current to determine a power demand for the load, thereby determining an input value for providing the required pressure of the gas entering the expander. 13. The system according to 13. 前記入力値は、前記測定電圧を設定電圧と比較して得られた差を比例‐積分‐微分（ＰＩＤ）制御部及びリミッターに適用して決定された電圧エラー信号と合計され、その合計が、前記要求圧力を決定する電子空気圧調整器の入力値とされる、請求項１４に記載のシステム。  The input value is summed with a voltage error signal determined by applying a difference obtained by comparing the measured voltage to a set voltage to a proportional-integral-derivative (PID) controller and a limiter, and the sum is The system of claim 14, wherein the system is an input value of an electronic air pressure regulator that determines the required pressure. 前記スクロール膨張器及び前記発電機は通常の商用電源の供給時において作動しない、請求項１に記載のシステム。  The system of claim 1, wherein the scroll expander and the generator do not operate during normal commercial power supply. 商用電源に連結されるように構成された負荷に接続される瞬時バックアップ電源であって、
ｉ．多量の圧縮気体を収容する容器と、
ｉｉ．前記商用電源が無くなると所定の圧力で前記容器から気体を放出する弁と、
ｉｉｉ．前記弁に接続され、前記容器から前記気体が放出されると該気体を受けるスクロール膨張器であって、前記気体が前記膨張器を通過することにより回転する回転部材を有する膨張器と、
ｉｖ．前記回転部材に駆動されて前記負荷に前記バックアップ電力を供給する発電機と、
ｖ．前記発電機と連結し、設定電圧において動作するＤＣパワーコンディショニングユニットと、
ｖｉ．前記パワーコンディショニングユニットと、前記負荷と、の間に接続された電力変換器と、
ｖｉｉ．前記スクロール膨張器に導入された前記気体の流れを、前記設定電圧及び前記負荷が要求するバックアップ電力のレベルに従って決定された圧力となるように絞りによって調整する調整器と、
を備え、
前記パワーコンディショニングユニットは、前記商用電源が無くなったとき、又は前記発電機による前記バックアップ電力の供給中に前記負荷の電力要求が変化したときに、前記発電機により供給される前記バックアップ電力が前記負荷の要求に合致するまでバックアップ電源を提供する少なくとも一のキャパシタエネルギー貯蔵を有している、瞬時バックアップ電源。An instantaneous backup power source connected to a load configured to be coupled to a commercial power source,
i. A container containing a large amount of compressed gas;
ii. A valve for releasing gas from the container at a predetermined pressure when the commercial power supply is lost;
iii. A scroll inflator connected to the valve and receiving the gas when the gas is released from the container, the inflator having a rotating member that rotates when the gas passes through the inflator;
iv. A generator driven by the rotating member to supply the backup power to the load;
v. A DC power conditioning unit connected to the generator and operating at a set voltage ;
vi. A power converter connected between the power conditioning unit and the load;
vii. A regulator that regulates the flow of gas introduced into the scroll expander with a throttle so that the pressure is determined according to the set voltage and the level of backup power required by the load;
With
The power conditioning unit is configured such that the backup power supplied by the generator is changed to the load when the commercial power supply is lost or when the power demand of the load changes during the supply of the backup power by the generator. Instantaneous backup power supply having at least one capacitor energy storage that provides a backup power supply until meeting the requirements of
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