RU2811560C1 - Комбинированная автономная система электроснабжения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к комбинированным автономным системам электроснабжения (КАСЭС), и может быть использовано для обеспечения электроэнергией отдельных потребителей, удаленных от линий электропередач. Увеличение эффективности и повышение быстродействия системы на переходных режимах является техническим результатом, который обеспечивается за счет того, что комбинированная автономная система снабжена полностью управляемым полупроводниковым трехфазным преобразователем, состоящим из соединенных между собой выпрямителя и инвертора, которые через автоматические выключатели соединены со сборной шиной, при этом электрохимический генератор на основе топливных элементов и электролизера, с общим контуром циркуляции электролит,а содержит управляемые трехходовые клапаны, обеспечивающие быстродействие и надежность системы на переходных режимах. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области автономных систем электроснабжения отдельных потребителей, удаленных от центральной электрической сети, а именно к комбинированным системам электроснабжения, включающим энергоустановки на базе возобновляемых источников энергии (различных видов и типов) в качестве внешнего источника электроэнергии, электрохимический генератор, электролизер и баллоны для хранения реагентов (водорода и кислорода).

Известна автономная система энергопитания (АСЭП) отдельных потребителей удаленных от линии электропередач, включающая в качестве внешнего источника энергии электрохимический генератор (ЭХГ) на основе топливных элементов (ТЭ), аккумуляторную батарею, электролизер, водородный и кислородный баллоны высокого давления, соединенные посредством трубопроводов и клапанов с соответствующими газовыми полостями ТЭ ЭХГ и электролизера, при этом в качестве ТЭ ЭХГ взяты щелочные ТЭ с контуром циркуляции электролита, в качестве электролизера взят щелочной электролизер, при этом ТЭ ЭХГ и электролизер имеют общий контур циркуляции электролита. Контур циркуляции электролита ТЭ ЭХГ снабжен электролитной емкостью, предназначенной для компенсации изменения объема электролита при работе ТЭ в режиме разбавления, циркуляционным насосом, теплообменником и системой клапанов для подключения контура циркуляции электролита к ТЭ ЭХГ либо к электролизеру. В исходном состоянии свободный объем электролитной емкости равен 1,1÷1,2 объема воды, образованной в ТЭ в результате электрохимической реакции при полном потреблении водорода и кислорода, находящихся в баллонах. В качестве внешнего источника электроэнергии взят возобновляемый источник энергии (ВИЭ), в качестве которого может быть солнечная батарея или ветряная энергоустановка, либо и та и другая. ТЭ ЭХГ снабжены датчиком температуры электролита, включенным в цепь управления работой циркуляционного насоса (патент на изобретение RU 2277273 С1, 27.05.2006, Н01М 8/06, Н01М 16/00).

Недостатком рассмотренной АСЭП являются ограничения по температурным условиям применения, а именно неработоспособностью при отрицательных температурах наружного воздуха, низкая надежность, связанная с установкой дополнительной аккумуляторной батареи для обеспечения переходных режимов, питание потребителя только электроэнергией постоянного тока.

В качестве прототипа выбрана наиболее близкая по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату АСЭП (патент на изобретение RU 2371813 C1, 27.10.2009, H01M 008/06, H01M 016/00), содержащая внешний источник электроэнергии, подключенный шинами питания постоянного тока к потребителю электроэнергии, электрохимический генератор на основе топливных элементов, электролизер, водородный и кислородный баллоны, соединенные посредством трубопроводов и клапанов с соответствующими газовыми полостями топливных элементов электрохимического генератора и электролизера и снабженные датчиками верхнего и нижнего предельно допустимых значений давлений, теплообменник, емкость теплоносителя, циркуляционный насос, при этом топливные элементы электрохимического генератора и электролизер имеют общий контур циркуляции теплоносителя, введены: регулятор расхода теплоносителя, вход которого соединен с выходом циркуляционного насоса, а один выход соединен с входом теплоносителя в электролизер, другой - с входом теплоносителя в электрохимический генератор, электронный преобразователь, обеспечивающий прием питания потребителем электроэнергии от электрохимического генератора, электронный преобразователь, обеспечивающий прием питания электролизером, контур съема тепла с дополнительным циркуляционным насосом, смеситель, один вход которого соединен с общим контуром циркуляции, а другой - с контуром съема тепла, а выход смесителя соединен с входом в емкость теплоносителя, а также введен насос подачи воды в электролизер из емкости теплоносителя, при этом на трубопроводе, соединяющем выход смесителя с входом емкости теплоносителя, установлен датчик температуры, соединенный с дополнительным циркуляционным насосом, а теплообменник установлен в контуре съема тепла, причем электрохимический генератор и электролизер подсоединены к шинам питания через соответствующие им электронные преобразователи.

Недостатком указанной АСЭП является сложность конструкции и технологии эксплуатации, связанные со сложной системой смешения и подачи теплоносителя к электрохимическому генератору и электролизеру, наличие дополнительных электронных преобразователей в цепи электрохимического генератора и электролизера, питание потребителя осуществляется только постоянным током, что ограничивает возможности применения системы. Также указанная система не может использоваться с некоторыми типами установок ВИЭ, требующими дополнительных устройств в схеме.

Технической задачей является совершенствование конструкции комбинированной автономной системы электроснабжения (КАСЭС) в составе энергоустановки на базе ВИЭ и ЭХГ с электролизером в качестве накопителя энергии (НЭ), удешевление технологии изготовления системы, расширение эксплуатационных возможностей, повышение надежности и безопасности.

Техническая задача решается тем, что КАСЭС, подключенная к потребителю электроэнергии, содержит внешний источник генерации электроэнергии на базе ВИЭ с асинхронным, трехфазным генератором, накопитель энергии в составе ЭХГ на основе ТЭ, электролизера, водородного и кислородного баллонов, соединенных посредством трубопроводов и клапанов с соответствующими газовыми полостями ТЭ ЭХГ и электролизера, имеющих общий контур циркуляции электролита.

КАСЭС работает следующим образом. Источник генерации электроэнергии на базе ВИЭ (мини-ГЭС или ветроэнергетическая установка) с асинхронным, трехфазным генератором обеспечивает потребителя электроэнергией с требуемыми параметрами. При выработке мощности превышающей нужды потребителя, избыток электроэнергии идет на заряд накопителя энергии в составе ЭХГ, электролизера, водородного и кислородного баллонов, который разряжается при недостатке вырабатываемой мощности источниками генерации, компенсируя недостающую мощность потребления.

Признаками изобретения, которые совпадают с существенными признаками прототипа, является наличие внешнего источника генерации электроэнергии на базе различных видов и типов ВИЭ, подключенного к шинами питания потребителя электроэнергии, электрохимический генератор на основе топливных элементов, электролизер, водородный и кислородный баллоны, соединенные посредством трубопроводов и клапанов с соответствующими газовыми полостями топливных элементов электрохимического генератора и электролизера, снабженные датчиками верхнего и нижнего предельно допустимых значений давлений, теплообменник, емкость теплоносителя, циркуляционный насос, при этом топливные элементы электрохимического генератора и электролизер имеют общий контур циркуляции теплоносителя.

Отличительными признаками технического решения являются: внешний источник генерации электроэнергии на базе различных видов и типов ВИЭ с асинхронным, трехфазным генератором, полностью управляемый полупроводниковый трехфазный преобразователь в составе выпрямителя (В) и инвертора (И), обеспечивающий передачу энергии от накопителя в общую сетью потребителя, накопитель энергии в составе ЭХГ на основе ТЭ, электролизера, водородного и кислородного баллонов, соединенных посредством трубопроводов и двух управляемых трехходовых клапанов, один из которых расположен между электрохимическим генератором и приемной емкостью, а второй - между электрохимическим генератором и электролизером с соответствующими газовыми полостями ТЭ ЭХГ и электролизера, имеющих общий контур циркуляции теплоносителя, обеспечивающий аккумулирование избыточной электроэнергии (например до 50% от установленной мощности системы). Накопитель энергии в составе ЭХГ и электролизера с целью поддержания рабочего температурного режима (выше 60°С), постоянно осуществляет прокачку и разложение реакционной воды за счет части электроэнергии (не более 7%), получаемой в результате химической реакции кислорода и водорода при работе ЭХГ, что обеспечивает быстрый вывод электроэнергии с накопителя в сеть потребителя.

Между совокупностью существенных признаков изобретения и техническим результатом, который достигается, существует следующая причинно-следственная связь. Включение в схему комбинированной автономной системы электроснабжения источника генерации электроэнергии на базе ВИЭ с асинхронным трехфазным генератором обеспечивает потребителя бесперебойным электроснабжением требуемого параметра. Наличие полностью управляемого полупроводникового трехфазного преобразователя в составе выпрямителя и инвертора, обеспечивает передачу энергии от аккумулирующей системы в общую сеть потребителя. Накопитель энергии в составе ЭХГ на основе ТЭ, электролизера, водородного и кислородного баллонов, соединенных посредством трубопроводов и управляемых трехходовых клапанов с соответствующими газовыми полостями ТЭ ЭХГ и электролизера, имеющих общий контур циркуляции электролита, обеспечивает аккумулирование избыточной электроэнергии (например, до 50% от установленной мощности системы). В накопителе энергии, имеющем в составе ЭХГ и электролизер, с целью поддержания рабочего температурного режима (выше 60°С) обеспечивается непрерывная прокачка и разложение реакционной воды за счет использования части электроэнергии (не более 7%), получаемой в результате химической реакции кислорода и водорода при работе ЭХГ. Такое решение обеспечивает эффективную работу накопителя энергии при отрицательных температурах наружного воздуха и минимизирует задержку отвода электроэнергии из накопителя в общую сеть потребителя.

Техническим результатом является расширение области применения автономной системы электроснабжения, связанной с обеспечением потребителя электроэнергией требуемого параметра, упрощение конструкции и удешевление технологии изготовления системы, снижение энергозатрат, увеличение эффективности и повышение быстродействия системы на переходных режимах, повышение надежности и эксплуатационных характеристик.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1 - Структурная схема комбинированной автономной системы электроснабжения.

Фиг. 2 - Структурная схема накопителя энергии.

Предлагаемая КАСЭС (фиг. 1) содержит внешний источник электроэнергии 1, например мини-ГЭС или ветроэнергетическую установку, присоединенные через автоматические выключатели (А) 2 к сборной шине 3, полностью управляемого полупроводникового трехфазного преобразователя 4, подключенного через шины питания 5, 6 к накопителю энергии 7 (фиг. 2) в составе электролизера 8, водородного 9 и кислородного 10 баллонов, трубопроводов 11 и клапанов 12, 13 для соединения с соответствующими газовыми полостями ТЭ ЭХГ 14 и электролизера 8, датчиков верхнего и нижнего предельно допустимых значений давлений водорода 15 и кислорода 16, контура циркуляции электролита 17 с емкостью 18, циркуляционным насосом 19, теплообменником 20, регулирующим трехходовым клапаном 21 для подключения контура циркуляции электролита к ТЭ ЭХГ 14 либо к электролизеру 8. Для контроля рабочей температуры ЭХГ 14 и электролизера 8 на трубопроводе с теплоносителем 17 до теплообменника 20 установлен датчик температуры 22, включенный в цепь управления насосом 19 и регулирующим трехходовым клапаном 23. Накопитель энергии 7 подключен к преобразователю 4 шинами питания 5, 6 через автоматические выключатели 2, что повышает надежность системы.

Предлагаемая КАСЭС работает следующим образом. При генерации электроэнергии от внешнего источника 1, через сборную шину 3 электричество поступает к потребителю электроэнергии (на схеме не показано), при избытке выработки на генерирующем устройстве часть электроэнергии через электронный преобразователь 4 по шине питания 6 через автоматический выключатель (А) 2, подается на клеммы электролизера 8, обеспечивая разложение щелочного электролита 17 на водород и кислород с накоплением в баллонах 9 и 10 соответственно, при этом клапаны 12, 13 отключают баллоны от ЭХГ 14, начало процесса разложения начинается по сигналу с датчика нижнего предельно допустимого значения давления реагентов 15, при достижении верхнего предельно допустимого значения давления реагентов происходит срабатывании датчика 15 и контур циркуляции электролита 17 отключается от электролизера 8 и переключается на ЭХГ 14. В процессе разложения щелочного электролита 17 происходит выделение тепла, которое через поверхность электролизера 8, контактирующую с теплоносителем, нагревает выходящий концентрированный электролит 24, направляемый через регулирующий трехходовой клапан 23 в емкость 18 из которой прокачивается циркуляционным насосом 19 через регулирующий трехходовой клапан 21, обеспечивая максимальный расход теплоносителя 17 через электролизер 8 и минимальный расход теплоносителя через поверхность ЭХГ 14, чтобы не допустить падение температуры ЭХГ 14 ниже заданного уровня. Температура теплоносителя 17, поступающая в емкость 18, поддерживается в заданном диапазоне температур (например, 25-30°С) за счет регулирования отбора тепла (на схеме не показано) через теплообменник 20 и расхода концентрированного электролита 24, который прокачивается через регулирующий трехходовой клапан 23. Регулирование расхода охлажденного теплоносителя 17 обеспечивается изменением расхода циркуляционного насоса 19 по сигналу с датчика температуры 22. В период повышения нагрузки потребителем или недостаточной генерации электроэнергии от внешнего источника 1, электричество через электронный преобразователь 4 поступает с шины питания 5, соединенной с клеммами ЭХГ 14, на сборную шину 3, обеспечивая потребителя электроэнергией. При этом основная часть выработанной электроэнергии поступает потребителю, а минимальная часть (не более 7%) поступает через автоматический выключатель 2 на клеммы электролизера 8. При этом через поверхность ЭХГ 14, контактирующую с теплоносителем, будет обеспечиваться максимальный расход теплоносителя 17, снимая выделяющееся тепло, а через поверхности электролизера 8, будет проходить минимальный расход теплоносителя, обеспечивая заданный температурный режим электролизера 14 (например, 25-30°С). Регулирование расхода теплоносителя осуществляется с помощью циркуляционного насоса 19 через регулирующий трехходовой клапан 23 по управляющему сигналу с датчика 22.

Claims (1)

1. Комбинированная автономная система электроснабжения, подключенная к потребителю электроэнергии, содержащая внешний источник генерации электроэнергии на базе различных видов и типов ВИЭ с асинхронным, трехфазным генератором, накопитель энергии в составе электрохимического генератора на основе топливных элементов, электролизера, водородного и кислородного баллонов, соединенных посредством трубопроводов и клапанов с соответствующими газовыми полостями топливных элементов электрохимического генератора и электролизера, имеющих общий контур циркуляции электролита, отличающаяся тем, что дополнительно содержит полностью управляемый полупроводниковый трехфазный преобразователь, состоящий из соединенных между собой выпрямителя и инвертора, которые через автоматические выключатели соединены со сборной шиной, а накопитель энергии дополнительно содержит два управляемых трехходовых клапана, один из которых расположен между электрохимическим генератором и приемной емкостью, а второй между электрохимическим генератором и электролизером.