CN103647341B - 一种无间断供电方法及电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无间断供电方法及电源系统，主要包括一个超级电容储能单元、一个液氮动力单元、以及监测与控制单元。当市电正常供电时，电力储存于超级电容以及液氮动力单元中。当电力中断时，超级电容迅速反应，为用电设备供电，并启动液氮动力单元，实现持续长时间供电。当市电恢复正常时，利用电网电力实现储能过程，同时，低温储液罐中的液氮将根据需要给予补给。本发明所述的无间断电源系统采用超级电容以及液氮动力单元，具有反应迅速、低碳环保、使用寿命长、维护成本低、适应能力强等特点。

Description

一种无间断供电方法及电源系统

技术领域

本发明涉及一种无间断供电方法及电源系统，特别是一种耦合市电、超级电容与液氮动力单元的无间断供电方法及电源系统。

背景技术

无间断电源（UninterruptiblePowerSupply,UPS）是一种包含整流、储能、逆变以及开关等部件的电源设备，作为应急电源或者备用电源接入电网或者局域电网中，当电网供电系统中断时，该设备释放储存的电能实现持续供电，维持用电设备的正常运转。无间断电源在工业、商业以及住宅等领域具有广泛的应用，主要包括通讯、信息技术、计算机数据中心、工业控制、医疗、能源以及各种建筑供电系统等。

无间断电源主要包括两部分：主机和电力储存设备。主机包括整流、逆变、开关以及其他的感应和控制模块。电力储存设备分为静态和动态储存设备。静态储存设备是目前广泛应用的一种电力储存方案，其主体是化学蓄电池；动态储存设备指供电输出是靠动能维持（如飞轮、内燃机、燃气轮机等）的无间断电源方案。蓄电池具有使用寿命较短、充电时间长、要求不完全放电、维护周期短、对环境条件要求高等缺点，更重要的是，蓄电池的生产过程以及废旧电池的处理过程都伴有污染产生。飞轮蓄能可以实现快速反应，效率较高，但需要与内燃机配合使用。内燃机工作消耗化石燃料，其排放物将对环境产生污染。

超级电容是一种先进的高能量储存元件，具有反应迅速、容量大、体积小、寿命长、串并联组合方便等。本发明提出了一种耦合超级电容的液氮动力单元，它具有无污染、能量密度高的特点，可以相对较长时间发电，而且与超级电容相耦合，具有反应速度快等特点，从而形成一种新型的无间断供电方法及电源系统。

发明内容

为了解决上述现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种新型的无间断供电方法及电源系统，该无间断供电方法及电源系统具有功率密度高、充电时间短、反应迅速、低碳环保、使用寿命长、维护成本低、适应能力强等优点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：一种无间断供电方法，使用超级电容单元耦合液氮动力单元的方式配合市电对外输出电力，其特征在于，使用始终处于工作状态的监测与控制单元动态实时监测市电、超级电容单元以及液氮动力单元的工作状态，其中，

当监测到市电处于正常供电的工作状态时，监测与控制单元控制仅使市电对用电设备进行供电，同时关闭所述液氮动力单元，其中，

--根据监测到的超级电容单元的电量情况判断是否需要对所述超级电容单元进行供电，当所述超级电容单元的电量小于预设值时，则使市电同时对超级电容单元进行供电，如果所述超级电容单元的电量不小于所述预设值时，则断开对超级电容单元的供电；

--根据监测到的液氮动力单元中的蓄热换热单元的温度信息判断是否需要对所述蓄热换热单元进行供电，当所述蓄热换热单元的温度信息小于预定值时，则使市电同时对所述蓄热换热单元进行供电，以加热所述蓄热换热单元中的蓄热材料，如果所述蓄热换热单元的温度信息不小于所述预定值时，则断开对蓄热换热单元的供电；

当监测到市电处于断电的工作状态时，断开市电和用电设备之间的连接开关，启动所述超级电容单元和液氮动力单元，所述超级电容单元输出的电力一部分为用电设备供电，另一部分为所述液氮动力单元中的启动电机供电，所述液氮动力单元启动后带动电机单元对外输出电力。

进一步地，所述液氮动力单元包括通过液氮管路依次顺序连接的液氮罐、低温液泵、风冷器、蓄热换热单元、膨胀机组，所述膨胀机组驱动电机单元；在超级电容驱动下，液氮罐中的液氮被低温液泵加压，经风冷器吸收环境热量后进入蓄热换热单元进一步吸收热量后转变为高压氮气，高压氮气推动膨胀机组做功。

进一步地，所述液氮动力单元还包括低温换热器、压缩机组，其中，所述低温换热器设置在所述低温液泵和风冷器之间，低温液泵加压后的高压低温液氮经所述低温换热器的冷侧进入风冷器，膨胀机组排出的氮气经所述低温换热器的热侧进入所述压缩机组的进口，所述压缩机组产生的高压氮气经所述蓄热换热单元加热后重新通入膨胀机组中做功。

进一步地，所述膨胀机组包括高压膨胀机和低压膨胀机，从所述蓄热换热单元排出高压氮气首先进入高压膨胀机并推动其做功，从高压膨胀机排出的氮气经三通阀Ⅰ与来自所述压缩机组的部分氮气汇合后，重新通入所述蓄热换热单元吸收热量，然后驱动低压膨胀机做功。

进一步地，所述低压膨胀机排出的氮气经所述低温换热器的热侧进入所述压缩机组的进口。

优选地，所述液氮罐和低温液泵之间的液氮管路上设有控制阀门。根据本发明的另一方面，提供了一种实施上述无间断供电方法的无间断电源系统，包括超级电容单元、液氮动力单元以及监测与控制单元，，其特征在于，所述监测与控制单元通过控制线路与超级电容单元、液氮动力单元连接，使用始终处于工作状态的监测与控制单元动态实时监测市电、超级电容单元以及液氮动力单元的工作状态，当监测到市电处于正常供电的工作状态时，监测与控制单元控制仅使市电对用电设备进行供电，同时关闭所述液氮动力单元，并使市电对超级电容单元充电；当监测到市电处于断电的工作状态时，断开市电和用电设备之间的连接开关，启动所述超级电容单元和液氮动力单元，所述超级电容单元输出的电力一部分为用电设备供电，另一部分为所述液氮动力单元中的启动电机供电。

优选地，所述超级电容单元主要包括超级电容以及电力电子单元。

优选地，所述液氮动力单元包括通过管路依次顺序连接的液氮罐、低温液泵、风冷器、蓄热换热单元、膨胀机组，所述膨胀机组驱动电机单元。在超级电容驱动下，液氮罐中的液氮被低温液泵加压，高压低温液氮经风冷器吸收环境热量后进入蓄热换热单元进一步吸收热量后转变为高压氮气，高压氮气推动膨胀机组做功。

进一步地，所述液氮动力单元还包括低温换热器、压缩机组，其中，所述低温换热器设置在所述低温液泵和风冷器之间，低温液泵加压后的高压低温液氮经所述低温换热器的冷侧进入风冷器，膨胀机组排出的氮气经所述低温换热器的热侧进入所述压缩机组的进口，所述压缩机组产生的高压氮气经所述蓄热换热单元加热后重新通入膨胀机组中做功。

进一步地，所述膨胀机组包括高压膨胀机和低压膨胀机，从所述蓄热换热单元排出高压氮气首先进入高压膨胀机并推动其做功，从高压膨胀机排出的氮气经三通阀Ⅰ与来自所述压缩机组的部分氮气汇合后，重新通入所述蓄热换热单元吸收热量，然后驱动低压膨胀机做功。

进一步地，所述低压膨胀机排出的氮气经所述低温换热器的热侧进入所述压缩机组的进口。

优选地，所述液氮罐和低温液泵之间的液氮管路上设有控制阀门。

本发明的无间断供电方法及电源系统，其工作原理在于：监测与控制单元始终在工作状态，监测系统各个部件的工况及相关参数，当市电正常供电时：（1）用电负荷消耗来自市电的供电；（2）市电为无间断电源系统的超级电容单元供电，存储一定的电量；（3）市电为液氮动力单元的蓄热/换热单元供电，产生热能并存储；（4）液氮动力单元的低温储液罐中存储有液氮。当市电中断时，无间断电源系统迅速启动，为用电设备供电，具体为：（1）首先超级电容单元快速反应，输出电能，一方面为用电负荷提供无间断的电力供应，另一方面它为液氮动力单元的电机提供启动电力，启动液氮动力单元；（2）液氮动力单元启动，储液罐中的液氮通过液泵以及换热设备吸收热量，并进入膨胀机做功，输出持续的电能。当市电恢复正常时，液氮动力单元关闭，市电为超级电容以及蓄热单元提供电力，完成储能；低温储液罐中的液氮将根据需要给予补给。

本发明的无间断供电方法及电源系统，监测与控制单元实时监控各个单元的工作状况。市电正常工作时，用电设备消耗市电电力；市电通过电力电子设备为超级电容充电，另外一部分电力通过电力电子设备与液氮动力单元中的蓄热换热单元相连接，以热能的形式存储于蓄热材料中；当低温液罐的液氮量较少时，将提示用户添加液氮。

本发明的无间断供电方法及电源系统当市电中断时，超级电容迅速反应，一方面，通过电力电子设备为用电设备供电，另一方面超级电容的部分电力驱动液氮动力单元中的电机单元，启动液氮动力单元，实现持续、长时间的供电，此时市电侧开关处于断开状态。

本发明的无间断供电方法及电源系统当市电中断时，液氮动力单元启动，液氮罐中的液氮通过阀门，被低温液泵加压，高压低温流体进入低温换热器与通过三通阀的部分尾气换热，继续通过一个风冷器吸收环境热量，此时这部分流体状态为常温高压的氮气；这部分氮气吸收蓄热换热单元中的热量，进入高压膨胀机，驱动膨胀机做功；这部分气体继续进入蓄热换热器吸收热量，然后驱动低压膨胀机做功；低压膨胀机排出的为接近常压的氮气，其中一部分氮气通过三通阀进入低温换热器，吸收液氮的冷量，被冷却的氮气通过压缩机升压，然后通过三通阀与高压膨胀机之后的氮气混合，一起进入蓄热换热单元吸收热量，然后驱动低压膨胀机做功；输出的轴功驱动电动/发电机输出电力，这部分电力通过电力电子设备为用电设备供电。

本发明的无间断供电方法及电源系统蓄热换热单元的蓄热材料可以为显热蓄热材料或者潜热蓄热材料。

本发明的无间断供电方法及电源系统液氮动力单元中的膨胀机与压缩机可以为叶轮式，也可以为活塞式。膨胀机的级数为两级或者两级以上，压缩机的级数为一级或者一级以上。

本发明的无间断供电方法及电源系统具有以下有益效果：

本发明的主要储能与供能单元包括超级电容与液氮动力单元。采用超级电容作为快速反应电力模块，它具有如下优点：（1）功率密度高，放电电流可以达上百安培；（2）充电时间短，超级电容器可以采用大电流充电，能在几十秒内完成充电过程；（3）使用寿命长，超级电容器的循环寿命可达数万次以上；（4）环境适应能力强，超级电容器可以在-45～105℃的温度范围内正常工作；（5）超级电容还具有免维护、环保的优点。本发明采用一种液氮动力单元作为相对长时间供电单元，与超级电容耦合，液氮动力单元具有下列优点：（1）能量密度高：液氮在常压下最大可用能可达768kJ/kg（213Wh/kg）；（2）所用设备易于获得，系统主要涉及换热器、膨胀机以及压缩机，是较为常用的工业机械装置；（3）环境友好，本供电系统没有燃烧过程，它利用预存的热能加热氮气，因此整个过程没有污染物的排放；（4）维护成本低，本系统的各个部件为相对常用的工业产品，可适应各种工作环境，不需要对部件进行频繁的检修，只需要关注液氮量的变化；（5）储能周期不受限制，使用寿命长，目前工业常用的真空低温储罐（杜瓦罐）可以长期存储液氮，损耗率低，另外，系统的各个部件为工业机械产品，使用寿命长。

因此，同现有无间断电源系统相比，本发明具有诸多优点，具有巨大的应用潜力和经济效益。

附图说明

图1为本发明的实施例1结构示意图；

图2为本发明的实施例2结构示意图；

图3为本发明的实施例3结构示意图。

具体实施方式

实施例1

图1为本发明的无间断供电方法及电源系统的实施例1的结构示意图。监测与控制单元2实时监控各个单元的工作状况（图中虚线为监控连接线）。监测与控制单元2通过控制线路与超级电容单元7、液氮动力单元9连接，使用始终处于工作状态的监测与控制单元2动态实时监测市电1、超级电容单元7以及液氮动力单元9的工作状态。市电1正常工作时，用电设备5消耗市电电力；市电1通过电力电子设备6一部分为超级电容充电，另外一部分通过电力电子设备8与液氮动力单元9中的蓄热换热单元15相连接，以热能的形式存储于蓄热材料中；当低温液罐10的液氮量较少时，将提示用户添加液氮。当市电1中断时，静态开关3断开，超级电容7迅速反应，一方面，通过电力电子设备6为用电设备5供电，另一方面超级电容7的部分电力通过电力电子设备8驱动液氮动力单元9中的电机单元21，启动液氮动力单元9，实现持续、长时间的供电，此时开关3处于断开状态。

液氮动力单元9启动过程说明如下，在超级电容7驱动下，液氮罐10中的液氮被低温液泵12加压，高压低温流体进入低温换热器13与通过三通阀19的部分尾气换热，继续通过风冷器14吸收环境热量，此时这部分流体状态为常温高压的氮气。这部分氮气吸收蓄热换热单元15中的热量，进入高压膨胀机16驱动膨胀机做功；这部分气体通过三通阀17与来自压缩机20的部分气体混合，继续进入蓄热换热器15吸收热量，然后驱动低压膨胀机18做功；低压膨胀机18排出的为接近常压的氮气，其中一部分通过三通阀19进入低温换热器13，吸收液氮的冷量，被冷却的氮气通过压缩机20升压，然后通过三通阀17与高压膨胀机16之后的氮气混合，一起进入蓄热换热单元15吸收热量，然后驱动低压膨胀机18做功；输出的轴功驱动电动/发电机21输出电力，这部分电力通过电力电子设备8与6为用电设备供电。

当市电1恢复供应后，在监控单元的控制下，开关3联通，液氮动力单元9停止供电；市电1为超级电容7以及液氮动力单元9输入能量，同时检测低温储罐10的液位，提示是否需要添加液氮。

在本实施例中膨胀机的级数为两级或者两级以上，压缩机的级数为一级或者一级以上。

实施例2

图2为本发明无间断电源系统的实施例2的结构示意图，其主体结构与实施例1相同，所不同的是液氮动力单元9的工作过程。当液氮动力单元9启动时，低温储罐10的液氮经过阀门11并在液泵12中加压，这部分流体通过风冷器13，利用环境空气加热高压液氮，得到高压氮气。这部分氮气通过蓄热换热单元14吸收热量，首先通过高压膨胀机15做功，这部分气体再次通过蓄热换热单元14吸收热量，然后进入低压膨胀机16膨胀做功，最后排出室外。

本实施例的膨胀机的级数可以为一级或者多级。

实施例3

图3为本发明无间断电源系统的实施例3的结构示意图，本实施例为一种移动动力系统，可以作为车载动力等，其动力源9为液氮动力单元，其中相比于实施例1与实施例2的液氮动力单元，本系统中的动力单元9中具有包含储热单元与不包括储热单元两种情况；当包括储热单元时，这部分热能来自存储的电能或者其他形式的热能；当不包括储热单元时，膨胀机前及级间包含有风冷器，利用环境能量加热每级膨胀前的气体。动力单元9产生的动力主要以轴功的形式输出，通过旋转轮23提供移动动力，当该动力系统需要减速制动时，动力系统单元9的轴功通过驱动电机部件8来消耗力矩，达到制动的目的，电机8产生的电能通过电力电子转换部件6为超级电容7充电，这样可以快速制动并回收制动能量。当需要加速时，超级电容7输出电力，通过电力电子设备6驱动电机8，从而可以快速增加力矩，实现快速加速的目的。控制单元2与各个部件连接，实现对系统的实时控制。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种无间断供电方法，使用超级电容单元耦合液氮动力单元的方式配合市电对外输出电力，其特征在于，使用始终处于工作状态的监测与控制单元动态实时监测市电、超级电容单元以及液氮动力单元的工作状态，其中，

当监测到市电处于正常供电的工作状态时，监测与控制单元控制仅使市电对用电设备进行供电，同时关闭所述液氮动力单元，其中，

--根据监测到的超级电容单元的电量情况判断是否需要对所述超级电容单元进行供电，当所述超级电容单元的电量小于预设值时，则使市电同时对超级电容单元进行供电，如果所述超级电容单元的电量不小于所述预设值时，则断开对超级电容单元的供电；

--根据监测到的液氮动力单元中的蓄热换热单元的温度信息判断是否需要对所述蓄热换热单元进行供电，当所述蓄热换热单元的温度信息小于预定值时，则使市电同时对所述蓄热换热单元进行供电，以加热所述蓄热换热单元中的蓄热材料，如果所述蓄热换热单元的温度信息不小于所述预定值时，则断开对蓄热换热单元的供电；

当监测到市电处于断电的工作状态时，断开市电和用电设备之间的连接开关，启动所述超级电容单元和液氮动力单元，所述超级电容单元输出的电力一部分为用电设备供电，另一部分为所述液氮动力单元中的启动电机供电，所述液氮动力单元启动后带动电机单元对外输出电力；

所述液氮动力单元包括通过液氮管路依次顺序连接的液氮罐、低温液泵、风冷器、蓄热换热单元、膨胀机组，所述膨胀机组驱动电机单元；在超级电容驱动下，液氮罐中的液氮被低温液泵加压，经风冷器吸收环境热量后进入蓄热换热单元进一步吸收热量后转变为高压氮气，高压氮气推动膨胀机组做功；

所述液氮动力单元还包括低温换热器、压缩机组，其中，所述低温换热器设置在所述低温液泵和风冷器之间，低温液泵加压后的高压低温液氮经所述低温换热器的冷侧进入风冷器，膨胀机组排出的氮气经所述低温换热器的热侧进入所述压缩机组的进口，所述压缩机组产生的高压氮气经所述蓄热换热单元加热后重新通入膨胀机组中做功；

所述膨胀机组包括高压膨胀机和低压膨胀机，从所述蓄热换热单元排出高压氮气首先进入高压膨胀机并推动其做功，从高压膨胀机排出的氮气经三通阀Ⅰ与来自所述压缩机组的部分氮气汇合后，重新通入所述蓄热换热单元吸收热量，然后驱动低压膨胀机做功。

2.如权利要求1所述的无间断供电方法，其特征在于：所述低压膨胀机排出的氮气经所述低温换热器的热侧进入所述压缩机组的进口。

3.如权利要求1或2所述的无间断供电方法，其特征在于：所述液氮罐和低温液泵之间的液氮管路上设有控制阀门。

4.一种实施上述权利要求1至3任一项所述的无间断供电方法的无间断电源系统，包括超级电容单元、液氮动力单元以及监测与控制单元，其特征在于，所述监测与控制单元通过控制线路与超级电容单元、液氮动力单元连接，使用始终处于工作状态的监测与控制单元动态实时监测市电、超级电容单元以及液氮动力单元的工作状态，当监测到市电处于正常供电的工作状态时，监测与控制单元控制仅使市电对用电设备进行供电，同时关闭所述液氮动力单元，并使市电对超级电容单元充电；当监测到市电处于断电的工作状态时，断开市电和用电设备之间的连接开关，启动所述超级电容单元和液氮动力单元，所述超级电容单元输出的电力一部分为用电设备供电，另一部分为所述液氮动力单元中的启动电机供电。

5.如权利要求4所述的无间断电源系统，其特征在于：所述超级电容单元主要包括超级电容以及电力电子单元。

6.如权利要求5所述的无间断电源系统，其特征在于：所述液氮动力单元包括通过管路依次顺序连接的液氮罐、低温液泵、风冷器、蓄热换热单元、膨胀机组，所述膨胀机组驱动电机单元。

7.如权利要求6所述的无间断电源系统，其特征在于：所述液氮动力单元还包括低温换热器、压缩机组，其中，所述低温换热器设置在所述低温液泵和风冷器之间，低温液泵加压后的高压低温液氮经所述低温换热器的冷侧进入风冷器，膨胀机组排出的氮气经所述低温换热器的热侧进入所述压缩机组的进口，所述压缩机组产生的高压氮气经所述蓄热换热单元加热后重新通入膨胀机组中做功。

8.如权利要求7所述的无间断电源系统，其特征在于：所述膨胀机组包括高压膨胀机和低压膨胀机，从所述蓄热换热单元排出高压氮气首先进入高压膨胀机并推动其做功，从高压膨胀机排出的氮气经三通阀Ⅰ与来自所述压缩机组的部分氮气汇合后，重新通入所述蓄热换热单元吸收热量，然后驱动低压膨胀机做功。

9.如权利要求8所述的无间断电源系统，其特征在于：所述低压膨胀机排出的氮气经所述低温换热器的热侧进入所述压缩机组的进口。

10.如权利要求9所述的无间断电源系统，其特征在于：所述液氮罐和低温液泵之间的液氮管路上设有控制阀门。

11.如权利要求4所述的无间断电源系统，其特征在于：所述蓄热换热单元的蓄热材料为显热蓄热材料或潜热蓄热材料。

12.如权利要求4所述的无间断电源系统，其特征在于：所述液氮动力单元中的膨胀机与压缩机为叶轮式或活塞式；膨胀机的级数为两级或者两级以上，压缩机的级数为一级或者一级以上。