Интегрированная энергоустановка на основе топливных элементов

Авторы патента:

F01B21 - Комбинации из двух или более машин или двигателей (F01B 23/00 имеет преимущество ; регулирование или управление см. в относящихся к ним группах; комбинации из двух или более насосов или компрессоров F04; гидравлические или пневматические передачи F16H)

Полезная модель относится к области электротехники, более конкретно, к устройствам для преобразования химической энергии в электрическую в топливных элементах и может найти применение при создании батареи топливных элементов для автономных источников питания мощностью до 10 кВт и выше.

В заявляемой интегрированной энергоустановке все преобразователи напряжения соединены шинами постоянного напряжения, что упрощает схему и приводит к повышению надежности. Кроме того, обеспечивается максимальный отбор мощности и энергии для заданных условий от первичного источника энергии.

Интегрированная энергоустановка содержит первичный источник энергии, шины постоянного напряжения, преобразователи постоянного тока в переменный, к выводам переменного тока которых подключены нагрузки, электролизер с преобразователем напряжения на входе, батарею топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе, согласно полезной модели в нее введены последовательно соединенные аккумуляторная батарея и зарядно-разрядное устройство, датчик максимально возможной мощности источника энергии, датчик тока нагрузки, включенный между шинами постоянного напряжения и преобразователями постоянного тока в переменный, причем выходы преобразователя напряжения источника энергии, преобразователя батареи топливных элементов и зарядно-разрядного устройства соединены с шинами постоянного напряжения, входы системы управления соединены с выходами датчика тока нагрузки и датчика максимально возможной мощности источника энергии, а выходы соединены с управляющими входами преобразователя напряжения, зарядно-разрядного блока, электролизера с преобразователем напряжения на входе и батареи топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе. 1 ил.

Известна интегрированная энергоустановка, содержащая первичный источник энергии (ветрогенераторная установка и/или батарея, например, солнечных элементов), шины постоянного напряжения, DC/AC преобразователи, к выводам переменного тока которых подключены нагрузки, электролизер с преобразователем напряжения на входе, батарею топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе, батарею топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе, системы хранения водорода и кислорода (Патент США 7000345).

В известной интегрированной энергоустановке преобразователи напряжения по входам и выходам не имеют общей точки соединения, что существенно усложняет схему электрооборудования и приводит к понижению надежности. Кроме того, известная интегрированная энергоустановка не обеспечивает реализацию максимальной мощности и отбор максимальной энергии от первичного источника при заданных условиях (например, скорость ветра или уровень освещенности батарей солнечных элементов).

Указанный технический результат достигается тем, что интегрированная энергоустановка содержит первичный источник энергии, шины постоянного напряжения, преобразователи постоянного тока в переменный, к выводам переменного тока которых подключены нагрузки, электролизер с преобразователем напряжения на входе, батарею топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе, согласно полезной модели в нее введены последовательно соединенные аккумуляторная батарея и зарядно-разрядное устройство, датчик максимально возможной мощности источника энергии,

датчик тока нагрузки, включенный между шинами постоянного напряжения и преобразователями постоянного тока в переменный, причем выходы преобразователя напряжения источника энергии, преобразователя батареи топливных элементов и зарядно-разрядного устройства соединены с шинами постоянного напряжения, входы системы управления соединены с выходами датчика тока нагрузки и датчика максимально возможной мощности источника энергии, а выходы соединены с управляющими входами преобразователя напряжения, зарядно-разрядного блока, электролизера с преобразователем напряжения на входе и батареи топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе.

На фиг.1 приведена схема интегрированной энергоустановки. Интегрированная энергоустановка на основе топливных элементов содержит первичный источник 1 электроэнергии, преобразователь 2 напряжения, шины 3 постоянного напряжения, аккумуляторную батарею 4, зарядно-разрядный блок 5, включенный между выводами аккумуляторной батареи и шинами постоянного напряжения, электролизер 6 с преобразователем напряжения на входе и батарею топливных элементов 7 с преобразователем напряжения на выходе, силовые выводы которых соединены с шинами 3 постоянного напряжения, преобразователи 8 постоянного тока в переменный, выводы постоянного тока которых соединены с шинами 3 постоянного напряжения, а выводы переменного тока предназначены для подключения нагрузок. Энергоустановка также содержит систему 9 управления, выходы которой соединены с управляющими входами преобразователя 2 напряжения, зарядно-разрядного блока 5, электролизера 6 с преобразователем напряжения на входе и батареи 7 топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе. Энергоустановка содержит датчик 10 тока нагрузки, включенный между шинами 3 постоянного напряжения и выводами постоянного тока преобразователей 8 постоянного тока в переменный, датчик 11 предельной мощности первичного источника 1 электроэнергии, причем выходы датчика 11 предельной мощности первичного источника 1 и датчика 10 тока нагрузки соединены с входами системы 9 управления. Энергоустановка также содержит системы хранения водорода и кислорода, соединенные соответствующей вентильно-запорной аппаратурой с электролизером и батареей топливных элементов. Первичный источник 1 электроэнергии может быть выполнен в виде солнечной батареи, ветрогенератора или иного источника электроэнергии. Датчик 11 максимально возможной мощности может быть выполнен в виде датчика солнечной радиации для солнечной батареи, датчика частоты вращения для ветрогенераторной или водогенераторной установок.

Интегрированная установка работает следующим образом.

В процессе работы первичного источника 1 энергии система 9 управления обеспечивает работу преобразователя 2 напряжения в режиме максимальной мощности. Регулирование осуществляется по сигналу датчика максимальной мощности. Одновременно система 9 управления сравнивает текущую мощность, потребляемую нагрузками и величину максимально возможной мощности источника 1 энергии. Текущая мощность определяется по сигналу на выходе датчика 10 тока, который пропорционален суммарному току нагрузок и суммарным мощностям нагрузок. Если разность между максимально возможной мощностью источника 1 и текущей мощностью нагрузок ниже заданного уровня, то этот избыток энергии поступает в аккумуляторную батарею 4 через зарядно-разрядное устройство 5. Если разность между максимально возможной мощностью источника 1 и текущей мощностью нагрузок выше заданного уровня, то избыток энергии поступает на вход преобразователя электролизера 6. Причем мощность, потребляемая преобразователем электролизера, регулируется таким образом, чтобы обеспечить баланс мощностей и отдачу максимальной мощности от источника 1 энергии. Если максимально возможная мощность источника 1 энергии меньше текущей мощности нагрузок, то преобразователь батареи 7 топливных элементов и/или зарядно-разрядное устройство обеспечивает отдачу недостающей энергии нагрузкам, причем мощность, отдаваемая преобразователем электролизера и/или зарядно-разрядным устройством 5, регулируется таким образом, чтобы обеспечить баланс мощностей всех источников и потребителей энергии. Зарядно-разрядное устройство 5 или преобразователь батареи 7 топливных элементов обеспечивают стабилизацию напряжения на шинах 3 постоянного напряжения на заданном уровне при всех режимах работы энергоустановки.

Таким образом, интегрированная энергоустановка обеспечивает эффективный и оптимальный отбор мощности от первичного источника 1 энергии. Кроме того, наличие общих шин постоянного напряжения, объединяющих соответствующие входы и выходы преобразователя напряжения и зарядно-разрядного устройства, обеспечивает упрощение схемы электрооборудования, облегчение режимов работы преобразовательных устройств, повышение качества переходных процессов и повышение надежности интегрированной энергоустановки в целом.

Интегрированная энергоустановка, содержащая первичный источник энергии, шины постоянного напряжения, преобразователи постоянного тока в переменный, к выводам переменного тока которых подключены нагрузки, электролизер с преобразователем напряжения на входе, батарею топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе, отличающаяся тем, что в нее введены последовательно соединенные аккумуляторная батарея и зарядно-разрядное устройство, датчик максимально возможной мощности источника энергии, датчик тока нагрузки, включенный между шинами постоянного напряжения и преобразователями постоянного тока в переменный, причем выходы преобразователя напряжения источника энергии, преобразователя батареи топливных элементов и зарядно-разрядного устройства соединены с шинами постоянного напряжения, входы системы управления соединены с выходами датчика тока нагрузки и датчика максимально возможной мощности источника энергии, а выходы соединены с управляющими входами преобразователя напряжения, зарядно-разрядного блока, электролизера с преобразователем напряжения на входе и батареи топливных элементов с преобразователем напряжения на выходе.