RU168497U1

RU168497U1 - Autonomous solar photovoltaic installation

Info

Publication number: RU168497U1
Application number: RU2016141499U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Козюков; Борис Константинович Цыганков; Александр Владимирович Богдан
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2017-02-07

Abstract

Предлагаемая установка относится к малой распределенной энергетике на основе возобновляемых источников энергии и может быть применена для автономного электроснабжения потребителей, в том числе сельскохозяйственных, имеющих преимущественно неравномерный суточный график электрической нагрузки с пиковым потреблением в дневные часы. Для повышения эффективности использования энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими модулями, повышения срока службы аккумуляторов, продления времени работы установки и повышения надежности электроснабжения автономного потребителя за счет использования электрохимических суперконденсаторов 5, работающих совместно с аккумуляторными батареями 3 и подключаемых через специальное устройство заряда 4, автономная солнечная фотоэлектрическая установка, содержащая солнечную батарею 1, контроллер 2 заряда-разряда аккумуляторов, аккумуляторную батарею 3, батарею электрохимических суперконденсаторов с двойным электрическим слоем 5, автономный инвертор напряжения 12, согласно полезной модели имеет гибридный накопитель энергии 9, состоящий из устройства заряда 4 суперконденсаторов, систему балансировки их напряжений 6, силовые защитные полупроводниковые диоды 7 и 8, при этом устройство заряда суперконденсаторов 4 имеет электронно-механический коммутатор 10 с защитным диодом 11 во входной цепи и соединено с батареей суперконденсаторов 5, на выход которых включен один из силовых защитных диодов 7, а второй диод 8 подключен к электрическому узлу, соединяющему выходы контроллера заряда-разряда 2, аккумуляторной батареи 3 и вход устройства заряда 4 суперконденсаторов, при этом второй вход этогоThe proposed installation relates to small distributed energy based on renewable energy sources and can be used for autonomous power supply to consumers, including agricultural, with a predominantly uneven daily schedule of electrical load with peak consumption during the day. To increase the efficiency of use of energy generated by photovoltaic modules, increase battery life, extend the operating time of the installation and increase the reliability of power supply to an autonomous consumer through the use of electrochemical supercapacitors 5 working in conjunction with rechargeable batteries 3 and connected via a special charge device 4, an autonomous solar photovoltaic installation comprising a solar battery 1, a battery charge-discharge controller 2, a battery a battery 3, a battery of electrochemical supercapacitors with a double electric layer 5, an autonomous voltage inverter 12, according to a utility model, has a hybrid energy storage device 9, consisting of a charge device 4 of the supercapacitors, a voltage balancing system 6, power protective semiconductor diodes 7 and 8, while the charge device of the supercapacitors 4 has an electronic-mechanical switch 10 with a protective diode 11 in the input circuit and is connected to a battery of supercapacitors 5, the output of which includes one of the power protective diodes 7, and the second diode 8 is connected to an electrical node connecting the outputs of the charge-discharge controller 2, the battery 3 and the input of the charge device 4 supercapacitors, while the second input of this

Description

Предлагаемая установка относится к малой распределенной энергетике на основе возобновляемых источников энергии и может быть применена для автономного электроснабжения потребителей, в том числе сельскохозяйственных, имеющих преимущественно неравномерный суточный график электрической нагрузки с пиковым потреблением в дневные часы.The proposed installation relates to small distributed energy based on renewable energy sources and can be used for autonomous power supply to consumers, including agricultural, with a predominantly uneven daily schedule of electrical load with peak consumption during the day.

Известен источник электропитания импульсного потребителя [патент RU 2030083, опубл. 27.02.1995], содержащий параллельно соединенные аккумуляторную батарею и емкостный накопитель на базе энергоемких конденсаторов, предназначенный для систем с кратковременным или импульсным отбором мощности. Однако данное изобретение не предусматривает подключения дополнительных источников питания, в частности, возобновляемых источников энергии, а также возможности подключения нагрузок переменного тока.Known power supply pulse consumer [patent RU 2030083, publ. 02.27.1995], containing a parallel-connected battery and capacitive storage based on energy-intensive capacitors, designed for systems with short-term or pulse power take-off. However, this invention does not provide for the connection of additional power sources, in particular, renewable energy sources, as well as the possibility of connecting AC loads.

Известен комбинированный источник электропитания [патент RU 43699, опубл. 27.01.2005], содержащий импульсный энергоемкий конденсатор, предусматривающий подключение солнечных модулей. К недостаткам известного источника можно отнести отсутствие аккумуляторных батарей и инвертора для питания нагрузок переменного тока.Known combined power source [patent RU 43699, publ. January 27, 2005], containing a pulsed energy-intensive capacitor, providing for the connection of solar modules. The disadvantages of the known source include the lack of batteries and an inverter to power AC loads.

Известна гибридная система накопления энергии [патент RU 121646, опубл. 27.10.2012], содержащая накопитель из аккумуляторных батарей и суперконденсаторов, имеющая подключение к сети централизованного электроснабжения. Недостаток - не учтена возможность подключения дополнительной генерации от возобновляемых источников.Known hybrid energy storage system [patent RU 121646, publ. 10.27.2012], containing a storage battery of batteries and supercapacitors, having a connection to a centralized power supply network. Disadvantage - the possibility of connecting additional generation from renewable sources has not been taken into account.

Известна система бесперебойного энергоснабжения [патент RU 137642, опубл. 20.02.2014], содержащая емкостный накопитель, работающая совместно с ВИЭ и позволяющая повысить надежность энергоснабжения автономных потребителей при сбоях в работе основного источника питания. Недостатками предлагаемой системы являются: наличие инвертора перед емкостным накопителем; не учтена возможность подлючения аккумуляторной батареи для долговременного накопления электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими преобразователями и основным источником питания; отсутствует устройство, обеспечивающее оптимальный заряд и разряд емкостного накопителя; отсутствует преобразователь, обеспечивающий отбор максимальной мощности от фотоэлектрического преобразователя, согласование рабочего напряжения фотопреобразователя, рабочего напряжения емкостного накопителя, а также входного напряжения инвертора.A known system of uninterrupted power supply [patent RU 137642, publ. 02/20/2014], containing a capacitive drive, working in conjunction with renewable energy and allowing to increase the reliability of power supply of autonomous consumers in the event of a malfunction in the main power source. The disadvantages of the proposed system are: the presence of an inverter in front of a capacitive storage; the possibility of connecting the battery for the long-term accumulation of electricity generated by photovoltaic converters and the main power source was not taken into account; there is no device that provides optimal charge and discharge of a capacitive storage; there is no converter providing the selection of maximum power from the photoelectric converter, coordination of the operating voltage of the photoconverter, the operating voltage of the capacitive storage, as well as the input voltage of the inverter.

Известно устройство для управления электромагнитным насосом [патент RU 2257660, опубл. 27.07.2005] с накопительным конденсатором электроэнергии для подъема воды с использованием возобновляемых источников энергии - ветроэлектрических или солнечных фотоэлектрических генераторов. Однако данное устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что отсутствуют аккумуляторные батареи с соответствующим контроллером заряда-разряда для отбора максимальной мощности от генераторов на возобновляемых источниках и оптимального заряда накопителей; к тому же не предусмотрена совместная работа накопительных конденсаторов и аккумуляторных батарей (для случаев круглосуточного использования электромагнитной водоподъемной насосной установки).A device for controlling an electromagnetic pump [patent RU 2257660, publ. July 27, 2005] with an energy storage capacitor for lifting water using renewable energy sources — wind or solar photoelectric generators. However, this device has a significant drawback, namely, that there are no rechargeable batteries with an appropriate charge-discharge controller to select the maximum power from renewable generators and the optimal charge of drives; besides, joint work of storage capacitors and storage batteries is not provided (for cases of round-the-clock use of an electromagnetic water-lifting pump installation).

В качестве наиболее близкого прототипа выбрана полезная модель преобразователя солнечной энергии [патент RU 143104, опубл. 10.07.2014], используемого в системах автономного электроснабжения и содержащего: блок солнечных модулей; регулятор точки максимальной мощности с преобразователем, измерительным блоком и микропроцессорной системой управления; демпфирующую систему, включающую в себя коммутационный блок, аккумуляторы и блок суперконденсаторов; преобразователь постоянного тока; силовой инвертор.As the closest prototype of the selected utility model of the solar energy converter [patent RU 143104, publ. 07/10/2014] used in autonomous power supply systems and comprising: a block of solar modules; maximum power point regulator with a converter, a measuring unit and a microprocessor control system; a damping system including a switching unit, batteries and a supercapacitor unit; DC / DC converter power inverter.

К недостаткам указанного прототипа следует отнести: демпфирующая система подключается к солнечной батарее посредством общего регулятора точки максимальной мощности, при этом не содержит отдельного устройства заряда-разряда батареи суперконденсаторов; отсутствует система балансировки напряжения суперконденсаторов; не предусмотрены элементы защиты от обратных токов.The disadvantages of this prototype include: the damping system is connected to the solar battery by means of a common controller of the maximum power point, while it does not contain a separate charge-discharge device for the supercapacitor battery; there is no system for balancing the voltage of supercapacitors; reverse protection elements are not provided.

Частичное решение указанных проблем возможно с помощью предлагаемого технического решения.A partial solution to these problems is possible using the proposed technical solution.

Техническим результатом является повышение эффективности использования энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими модулями, повышение срока службы аккумуляторов, продление времени работы установки и повышение надежности электроснабжения автономного потребителя за счет использования электрохимических суперконденсаторов, работающих совместно с аккумуляторными батареями и подключаемых через специальное устройство заряда.The technical result is to increase the efficiency of use of energy generated by photovoltaic modules, increase battery life, extend the operating time of the installation and increase the reliability of the power supply of an autonomous consumer through the use of electrochemical supercapacitors working in conjunction with rechargeable batteries and connected through a special charge device.

Технический результат достигается тем, что автономная солнечная фотоэлектрическая установка, содержащая солнечную батарею, контроллер заряда-разряда аккумуляторов, аккумуляторную батарею, батарею электрохимических суперконденсаторов с двойным электрическим слоем, автономный инвертор напряжения, согласно полезной модели имеет гибридный накопитель энергии, состоящий из устройство заряда суперконденсаторов, системы балансировки их напряжений, силовые защитные полупроводниковые диоды, при этом устройство заряда суперконденсаторов имеет электронно-механический коммутатор с защитным диодом во входной цепи и соединено с батареей суперконденсаторов, на выход которых включен один из силовых защитных диодов, а второй диод подключен к электрическому узлу, соединяющему выходы контроллера заряда-разряда, аккумуляторной батареи и вход устройства заряда суперконденсаторов, при этом второй вход этого устройства соединен с выходом солнечной батареи, выходы силовых защитных диодов соединены со входом автономного инвертора напряжения.The technical result is achieved by the fact that an autonomous solar photovoltaic installation containing a solar battery, a battery charge-discharge controller, a battery, a battery of electrochemical supercapacitors with a double electric layer, an autonomous voltage inverter, according to a utility model, has a hybrid energy storage device consisting of a supercapacitor charge device, voltage balancing systems, power protective semiconductor diodes, while the supercapacitor charge device has an electronic-mechanical switch with a protective diode in the input circuit and is connected to a battery of supercapacitors, the output of which includes one of the power protective diodes, and the second diode is connected to an electrical unit connecting the outputs of the charge-discharge controller, the battery and the input of the supercapacitor charge device, the second input of this device is connected to the output of the solar battery, the outputs of the power protective diodes are connected to the input of the autonomous voltage inverter.

Таким образом, предлагается использование гибридного накопителя электроэнергии, включающего в себя аккумуляторы и электрохимические суперконденсаторы с двойным электрическим слоем. Недостатками электрохимических суперконденсаторов являются относительно низкая плотность энергии и высокий саморазряд. Однако они имеют большую выходную мощность, что позволяет использовать их вместе с аккумуляторами, объединяя их достоинства и компенсируя недостатки.Thus, it is proposed to use a hybrid energy storage device including batteries and electrochemical supercapacitors with a double electric layer. The disadvantages of electrochemical supercapacitors are relatively low energy density and high self-discharge. However, they have a large output power, which allows them to be used together with batteries, combining their advantages and compensating for the disadvantages.

Новизна заявляемого технического решения заключается в том, что гибридный накопитель электроэнергии с электрохимическими суперконденсаторами в автономных фотоэлектрических установках позволяет эффективно покрыть пиковые нагрузки, пусковые токи электроприемников; стабилизировать напряжение на стороне постоянного тока; увеличить ресурс и, следовательно, продлить срок службы аккумуляторов; снизить время отклика на нагрузки импульсного характера, на короткие пики генерации или потребления.The novelty of the claimed technical solution lies in the fact that a hybrid energy storage device with electrochemical supercapacitors in stand-alone photovoltaic installations can effectively cover peak loads, starting currents of power receivers; stabilize the voltage on the DC side; increase the resource and, consequently, extend the battery life; reduce response time to pulsed loads, to short generation or consumption peaks.

Также гибридный накопитель электроэнергии с электрохимическими суперконденсаторами позволяет снизить пиковые нагрузки на аккумуляторы либо на резервный генератор, за счет чего повышается эффективность использования электроэнергии, вырабатываемой фотоэлектрическими преобразователями, а также повышается эффективность функционирования автономной установки в переходных режимах работы.Also, a hybrid electric energy storage device with electrochemical supercapacitors can reduce peak loads on the batteries or on the backup generator, thereby increasing the efficiency of use of electricity generated by photoelectric converters, as well as increasing the efficiency of the autonomous installation in transient operation modes.

Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг. 1 представлена блок-схема автономной солнечной фотоэлектрической установки.The essence of the utility model is illustrated in the drawing. In FIG. 1 is a block diagram of an autonomous solar photovoltaic installation.

Автономная солнечная фотоэлектрическая установка содержит солнечную батарею 1, контроллер заряда-разряда аккумуляторов 2, аккумуляторные батареи 3, устройство заряда 4 суперконденсаторов, батарею электрохимических суперконденсаторов с двойным электрическим слоем 5; систему балансировки напряжений 6 на суперконденсаторах, силовые защитные полупроводниковые диоды 7 и 8. Установка имеет гибридный накопитель энергии 9 состоящий из устройства заряда 4 суперконденсаторов, системы балансировки 6 их напряжений, силовых защитных полупроводниковых диодов 7 и 8, при этом устройство заряда 4 суперконденсаторов имеет электронно-механический коммутатор 10 с защитным диодом 11 во входной цепи и соединено с батареей суперконденсаторов 5, на выход которых включен один из силовых защитных диодов 7, а второй диод 8 подключен к электрическому узлу, соединяющему выходы контроллера заряда-разряда, аккумуляторной батареи и вход устройства заряда суперконденсаторов, при этом второй вход этого устройства соединен с выходом солнечной батареи, выходы силовых защитных диодов 7 и 8 соединены со входом автономного инвертора напряжения 12.An autonomous solar photovoltaic installation includes a solar battery 1, a battery charge-discharge controller 2, rechargeable batteries 3, a charge device 4 of supercapacitors, a battery of electrochemical supercapacitors with a double electric layer 5; voltage balancing system 6 on supercapacitors, power protective semiconductor diodes 7 and 8. The installation has a hybrid energy storage 9 consisting of a charge device 4 supercapacitors, voltage balancing system 6 of their voltage, power protective semiconductor diodes 7 and 8, while the charge device 4 supercapacitors has electronically -mechanical switch 10 with a protective diode 11 in the input circuit and connected to a battery of supercapacitors 5, the output of which is included one of the power protective diodes 7, and the second diode 8 is connected connected to the outputs of the charge-discharge controller, the battery and the input of the supercapacitor charge device, while the second input of this device is connected to the output of the solar battery, the outputs of the power protective diodes 7 and 8 are connected to the input of the autonomous voltage inverter 12.

Установка работает следующим образом.Installation works as follows.

В периоды солнечной активности электроэнергия, вырабатываемая первичным источником электроэнергии - солнечной батареей 1, поступает на аккумуляторную батарею 3 через контроллер заряда-разряда 2. В случае полной зарядки аккумуляторов избыточная энергия поступает в нагрузку напрямую или через автономный инвертор напряжения 12. К солнечной батарее через соответствующий преобразователь постоянного тока - устройство заряда 4 подключена батарея электрохимических суперконденсаторов 5 с системой балансировки напряжения 6. В устройстве заряда 4 предусмотрена функция коммутации и защиты входной цепи. Силовые защитные полупроводниковые диоды 7 и 8 включены в разрядные цепи аккумуляторной батареи и батареи суперконденсаторов соответственно. Диоды 7 и 8 не позволяют разряжаться батарее суперконденсаторов на аккумуляторную батарею и, к тому же, защищают накопители от взаимных обратных токов.During periods of solar activity, the electricity generated by the primary source of electricity - the solar battery 1, is supplied to the battery 3 through the charge-discharge controller 2. In the case of a full charge of the batteries, excess energy is supplied to the load directly or through a stand-alone voltage inverter 12. To the solar battery through the appropriate DC / DC converter - charge device 4 a battery of electrochemical supercapacitors 5 is connected with a voltage balancing system 6. The charge device 4 provides the function of switching and protecting the input circuit. Power protective semiconductor diodes 7 and 8 are included in the discharge circuits of the secondary battery and supercapacitor battery, respectively. Diodes 7 and 8 do not allow the battery of supercapacitors to discharge to the battery and, moreover, protect the drives from mutual reverse currents.

При подключении через автономный инвертор напряжения 12 мощных электроприемников, например электродвигателей, пусковые токи поступают на батарею суперконденсаторов, а далее основная энергия поступает от аккумуляторной батареи. Пиковые кратковременные нагрузки небольшой продолжительности возлагаются преимущественно на суперконденсаторы. Таким образом, в гибридном накопителе энергии 9 суперконденсаторам отводится роль источников мощности, а аккумуляторам - источников энергии.When 12 powerful electric receivers, for example electric motors, are connected via a stand-alone inverter, inrush currents are supplied to the supercapacitor's battery, and then the main energy comes from the battery. Peak short-term loads of short duration are assigned mainly to supercapacitors. Thus, in a hybrid energy storage device, 9 supercapacitors play the role of power sources, and batteries play the role of energy sources.

Устройство заряда электрохимических суперконденсаторов 4 в виде преобразователя постоянного тока выполняет функции контроля, коммутации и защиты зарядной цепи при помощи электронно-механического коммутатора 10 с защитным диодом 11 во входной цепи.The charge device of the electrochemical supercapacitors 4 in the form of a DC / DC converter performs the functions of monitoring, switching and protecting the charging circuit using an electro-mechanical switch 10 with a protective diode 11 in the input circuit.

Для выполнения требований по эксплуатации суперконденсаторов для них предусмотрена соответствующая система балансировки напряжений 6, состоящая из электронных ключей на основе тиристоров и балластных резисторов.To meet the requirements for the operation of supercapacitors, they are provided with an appropriate voltage balancing system 6, consisting of electronic switches based on thyristors and ballast resistors.

Claims

An autonomous solar photovoltaic installation containing a solar battery, a battery charge-discharge controller, a battery, a battery of electrochemical supercapacitors with a double electric layer, an autonomous voltage inverter, characterized in that it has a hybrid energy storage device consisting of a supercapacitor charge device, a system for balancing their voltages, power protective semiconductor diodes, while the supercapacitor charge device contains an electronic-mechanical switch with a protective diode in the input circuit and is connected to a supercapacitor battery, the output of which includes one of the power protective diodes, and the second power protective diode is connected to an electrical node connecting the outputs of the charge-discharge controller, the battery and the input of the supercapacitor charge device, while the second input This device is connected to the output of the solar battery, the outputs of the power protective diodes are connected to the input of the autonomous voltage inverter.