Система резервного електропостачання на базі паливних елементів

Реферат: Резервна система енергопостачання на базі лужних паливних елементів, в якій акумуляторні батареї підключені у буфер випрямлячів, контрольно-вимірювальні модулі виконані з можливістю проведення моніторингу параметрів системи та керування потужністю генерації електроенергії від паливного елемента, a Ethernet модуль виконаний з можливістю забезпечення віддаленого контролю роботи установки. UA 69293 U (54) СИСТЕМА РЕЗЕРВНОГО ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ НА БАЗІ ПАЛИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ UA 69293 U UA 69293 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі енергетичного машинобудування і може бути використана як резервна система енергопостачання (РСЕП) об'єктів із критичними вимогами до надійності живлення таких як лікарні, військові об'єкти, телекомунікаційні станції та інші. Відома автономна система енергопостачання (АСЕП) (патент США № 6660417, кл. Н01М 8/18, 2003), що включає електричну мережу лінії електропередачі, як зовнішнє джерело енергії використовує електрохімічний генератор на основі паливних елементів (ПЕ) з полімерним електролітом, інвертор для перетворення і передачі електроенергії від ПЕ в електричну мережу, електролізер, конвертор для живлення електролізера постійним струмом від електричної мережі, балони для зберігання водню та систему клапанів для підключення балонів до ПЕ та до електролізера. Недоліком зазначеної системи є її низька надійність, пов'язана з використанням складної системи забезпечення балансу води і тепла у ПЕ з полімерним електролітом, необхідність використання в електролізері спеціально підготовленої води, обмежена область використання системи, пов'язана з потребою в зовнішньому джерелі води. Найбільш близькою за сукупністю суттєвих ознак є автономна система енергопостачання (патент Російської Федерації RU2277273, виданий 25.11.2004), що містить зовнішнє джерело електроенергії, електрохімічний генератор на основі ПЕ, акумуляторні батареї (АБ), електролізер, водневий і кисневий балони, з'єднані за допомогою трубопроводів і клапанів з відповідними газовими порожнинами ПЕ і електролізера. Як генератор струму використовуються лужні ПЕ, а генератором палива слугує лужний електролізер на основі розчину калію, причому ПЕ і електролізер мають загальний лужний контур циркуляції електроліту з використанням одного циркуляційного насоса. Недоліком зазначеної АСЕП є її низька надійність, пов'язана із неможливістю проведення дистанційного моніторингу її роботи та відсутністю регулювання генеруючих потужностей, можливості відключення непріоритетного навантаження, захисту споживача від короткочасних перепадів напруги. В основу корисної моделі поставлено задачу забезпечення безперебійного та якісного електропостачання, за рахунок попереднього резервування необхідної кількості електричної енергії та наявності елементів моніторингу в самій системі. Поставлена задача вирішується тим, що при відсутності зовнішнього електропостачання від загальної мережі включається резервна система роботи акумуляторних батарей, підключених послідовно для забезпечення короткочасного (до 1 години) електричного живлення. У випадку довготривалої відсутності живлення загальної мережі (до 50 годин) резервна система задіює роботу електрогенеруючих паливних елементів, які працюють за рахунок попередньо накопиченого генератором запасу водню. Віддалений моніторинг та управління роботою системи відбувається за допомогою модуля Ethernet контролю. На кресленні зображена схема резервного живлення на базі паливних елементів. Система підключена до зовнішньої однофазної мережі живлення 2 та складається із автоматичного вимикача непріоритетного навантаження 1, реле відключення непріоритетного навантаження 4, пристрою контролю справності роботи РСЕП 3, автоматичного вимикача АБ 5, інвертора 6, шунта вимірювання струму навантаження мережі 48 В 11, паралельно підключеної по входу групи випрямлячів 7, реле відключення АБ та ПЕ 8, модуля контролю напруги та відключення АБ і ПЕ 12, шунта вимірювання струму ПЕ 13, автоматичного вимикача ПЕ 9, блоку акумуляторних батарей 10, модуля Ethernet контролю 14, контрольно-вимірювального модуля резервної системи енергопостачання (КВМРСЕП) 17, модуля контролю струму АБ і ПЕ 15, шунта вимірювання струму АБ 16 та датчика температури АБ 18. До системи резервного живлення входить також підсистема генерації постійного струму від ПЕ, яка складається із реле відключення ПЕ 27, контрольно-вимірювального модуля паливного елемента (КВМПЕ) 39, паливного елемента 28, давача температури ПЕ 33, ємкості для електроліту 29, електромагнітних клапанів 21 та 34, циркуляційного насоса 19, теплообмінника 20, трубопроводів для електроліту 22 та 35, трубопроводів для водню 23 та кисню 40, кисневого балона 36, водневого балона 24, давачів тиску 25 та 37, регуляторів тиску 26 та 38, давача температури електролізера 30, електролізера 31 та реле відключення електролізера 32. Система резервного живлення на базі паливних елементів працює наступним чином. В основному режимі роботи система підключена до загальної мережі 2 і забезпечує фільтрацію параметрів електроживлення шляхом компенсації короткочасних перебоїв із електропостачанням за рахунок підключених у буфер акумуляторних батарей 10 та фільтрів, встановлених у випрямлячах 7. Енергія із випрямлячів 7 використовується для живлення пріоритетного навантаження змінного струму через інвертор 6 та непріоритетного навантаження постійного струму, а також для підзарядки АБ 10 та генерації водню у 1 UA 69293 U 5 10 15 20 25 30 електролізері 31. Пристрій контролю РСЕП 3 транслює інформацію про несправність напруги вхідної і вихідної мережі змінного та постійного струму, пріоритетного та непріоритетного навантаження, струм АБ, завищеної температури АБ. Інформація про аварійність системи та показники струму і напруги вхідної і вихідної шини живлення змінного та постійного струму потрапляють у КВМРСЕП 17, який контролює температуру АБ за допомогою давача температури 18, струм заряду і розряду АБ та системи ПЕ через шунти вимірювання струму АБ 16 та струму ПЕ 13. Модуль контролю отримує інформацію про навантаження на систему за допомогою шунта 11. КВМРСЕП також відключає і підключає до системи АБ, ПЕ та непріоритетне навантаження постійного струму за допомогою модуля контролю напруги і відключення АБ та ПЕ через реле 8 і 4 та автоматичних вимикачів 1, 5, 9. КВМРСЕП окрім збору інформації та контролю параметрів установки транслює дані вимірювань та керуючі сигнали у модуль КВМПЕ 39 та модуль Ethernet контролю 14, який ретранслює інформацію в мережу. Керуючись інформацією від КВМРСЕП система КВМПЕ в режимі заряду підключає до живлення від РСЕП через реле 32 електролізер 31, що генерує водень та кисень, які потрапляють у балони високого тиску 24 та 36. КВМПЕ отримує інформацію від давачів 30, 25, 37 та контролює процес газовиділення, шляхом включення чи виключення струму електролізера через реле 32. У режимі резервного енергопостачання (розряду) система реагує на несправність загальної мережі 2 і одразу переходить на живлення від групи АБ 10. КВМРСЕП 17 та пристрій справності РЕСП 3 відправляють повідомлення про аварію, після чого КВМРСЕП вимірює струм АБ через шунт 16 та у випадку розряду АБ до 70 % віддає команду КВМПЕ 39 про підготовку ПЕ до генерації струму. КВМПЕ вмикає циркуляційний насос 19 та відкриває електромагнітний клапан контуру циркуляції електроліту 34. Після чого встановлює тиск в системі трубопроводів 23 та 40 за допомогою регуляторів тиску 26 та 38, подається окисник та паливо в ПЕ 28, який підключається до системи живлення через реле 27. КВМПЕ вимірює температуру ПЕ за допомогою давача температури 33 та контролює її за допомогою збільшення або зменшення інтенсивності циркуляції електроліту. Вода із ПЕ відводиться разом із електролітом у буферну ємність 29. При закінченні палива КВМРСЕП відключає ПЕ від РСЕП через реле 27 після чого припиняє подачу палива у ПЕ за допомогою регуляторів тиску 36 та 38, закриває клапан циркуляції електроліту 34 і відкриває клапан 21, через який електроліт із буферної ємкості 29 від ПЕ змішується з електролітом електролізера. Запропонована система резервного живлення дозволяє компенсувати короткочасні перебої у живленні, резервувати певний запас енергії та вивільняти її у випадку недоступності загальної мережі. Для передачі інформації про роботу системи використовується модуль Ethernet контролю. 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 Резервна система енергопостачання на базі лужних паливних елементів, що містить зовнішнє джерело електроенергії, акумуляторну батарею, водневі та кисневі балони, систему трубопроводів, клапанів та лужний електролізер, яка відрізняється тим, що акумуляторні батареї підключені у буфер випрямлячів, контрольно-вимірювальні модулі виконані з можливістю проведення моніторингу параметрів системи та керування потужністю генерації електроенергії від паливного елемента, a Ethernet модуль виконаний з можливістю забезпечувати віддалений контроль роботи установки. 2 UA 69293 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3