Спосіб заряджання акумулятора сонячною або вітровою енергією

Реферат: Спосіб заряджання акумулятора сонячною або вітровою енергією, відповідно до якого отриману енергію перетворюють в електричний струм, акумулюють в проміжному накопичувальному пристрої і заряджають акумулятор для подальшого споживання, причому перетворену сонячну енергію попередньо акумулюють в проміжному накопичувальному ємнісному пристрої, який являє собою блок іоністорів, внутрішній опір якого менший, ніж внутрішній опір акумулятора, до досягнення вихідної напруги порогового значення, яке визначається як різниця між напругою на акумуляторі і блоці іоністорів, і яке достатнє для початку заряджання акумулятора, після чого відкривають вхід акумулятора і передають електричну енергію з проміжного накопичувального ємнісного пристрою на акумулятор для його заряджання до досягнення ним номінальної напруги. UA 116011 U (12) UA 116011 U UA 116011 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Заявлена корисна модель належить до галузі електроенергетики та електротехніки, зокрема способів і пристроїв енергопостачання від поновлюваних джерел енергії, таких як сонце, вітер, тік річок, припливні хвилі тощо. Такі види енергії екологічно чисті, володіють необмеженим потенціалом, але мають нестабільні енергетичні характеристики, через що системи, які працюють на їх основі, мають певні проблеми у підтриманні стабільної вихідної потужності і низький коефіцієнт корисної дії. Дана заявка стосується зокрема способу заряджання акумуляторів від сонячних елементів чи батарей з урахуванням падіння виробництва ними струмів при зниженій сонячній активності. За таких умов сонячні батареї можуть забезпечити тільки дуже малий зарядний струм, який не достатній для заряду акумулятора. Дана заявка стосується також способу заряджання акумуляторів від вітроенергетичних установок у випадку малої сили вітру. Відомо багато різних конструкцій енергоустановок для одержання енергії вітру і сонця, як окремих так і комбінованих. Комбіновані вітросонячні електростанції описані в патентах України №№ 33658, 61259, 78143. Недоліком таких електростанції є їх невисока ефективність, спричинена нестабільністю енергії вітру і як наслідок, генерування повітряною турбіною занадто малих струмів у період затишшя. Фотоелектричні перетворювачі енергії є перспективними засобами отримання електричної енергії з відновлюваного джерела. Сонячні елементи або батареї, які являють собою декілька об'єднаних у блок фотоелектричних перетворювачів, що прямо перетворюють сонячну енергію в постійний електричний струм, мають надзвичайне поширення і розмаїття. Від мініатюрних, що вбудовуються в малопотужні електронні пристрої та побутові прилади, до таких, що розміщуються в електромобілях, на дахах будинків та на космічних станціях, від автономних систем енергоживлення до таких, що входять до складу сонячних електростанцій і передбачають можливість експлуатації у режимі передачі енергії до електричних мереж. Широке застосування сонячних установок обмежується притаманній їм нерівномірності фотоефективності в часі, яка визначається зміною кута падіння світлового потоку на поверхню фотоелектричного перетворювача енергії, пов'язаного з добовим та сезонним переміщенням Сонця, добовою та сезонною зміною погоди та температури. Сонячні елементи в наших широтах найефективніше працюють влітку, не працюють вночі і недостатньо ефективно працюють увечері та при хмарній погоді. Умовами ефективного використання сонячної батареї є те, що з одного боку вона повинна якнайдовше перебувати на сонці і видавати, все, що може, з іншого боку повинен бути пристрій, який зможе найефективніше відібрати і накопичити всю видану батареєю потужність. Сучасна система електропостачання на основі сонячної енергії містить три головні складові: сонячний (фото) елемент (сонячна батарея, сонячні панелі); накопичувач - акумулятор (батарея акумуляторів); контролер заряду акумулятора. Контролер звичайно включається між сонячною батареєю і акумулятором і забезпечує відслідковування вихідної напруги батареї, контролює заряд акумуляторів та, якщо потрібно, регулює подачу напруги в навантаження. Система може включати інвертор, що забезпечує перетворення низьковольтного струму від акумуляторів і фотоелементів у побутовий або промисловий стандарт. Для нормальної зарядки акумуляторів застосовується сонячна батарея, яка генерує максимальний струм, що приблизно дорівнює струму зарядки акумуляторів. У цьому випадку при своєму освітленні сонячна батарея автоматично буде здійснювати зарядку акумуляторів необхідним зарядним струмом. Максимальний струм зарядки, що дорівнює максимальному струму сонячної батареї, не повинен перевищувати максимальний припустимий струм зарядки акумуляторної батареї, що зазначається виробником. З іншого боку, надто малий струм заряду не зможе зарядити акумулятори. Це відбувається тоді, коли ємність акумуляторів надто велика, а сонячна батарея має невелику потужність. Контроль максимального припустимого струму зарядки акумуляторної батареї здійснюють спеціальні пристрої - контролери заряду акумулятора, які нормують напругу, що виробляється сонячними елементами, до напруги, необхідної для заряду акумуляторів з урахуванням їх поточного стану, в тому числі відключаючи їх від сонячних елементів для запобігання перезаряду. Найпростіші варіанти контролерів просто підключають і відключають батареї, а найновітніші здатні навіть "підтягнути" надто низьку напругу, що виробляється сонячними елементами при слабкій освітленості. За реалізованими в контролерах технологіями їх можна поділити на два типи: контролери з широтно-імпульсною модуляцією струму заряду, які усереднено контролюють стан акумуляторної батареї - ШІМ контролери (скорочена назва англійською PWM-Power Wide Modulation) та контролери з відслідковуванням точки максимальної потужності сонячної батареї (скорочена назва англійською МРРТ - Maximum Power Point Tracking). 1 UA 116011 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ШІМ-контролери керують силовим блоком для регулювання напруги на його вході в заданому діапазоні за допомогою зворотного зв'язку. Схема дії цих пристроїв така: у момент досягнення заявленої величини напруги на акумуляторній батареї контролер виконує функцію зниження струму заряду і запобігання перегріву акумулятора. Також такі контролери враховують вік і стан батарей. Технологія МРРТ полягає в постійному вимірюванні струму і напруги і забезпечення їх оптимального співвідношення, яке залежить від часу доби і поточної ситуації в небі. Інтелектуальний процесор МРРТ - контролера фіксує точки, де проявляються максимальні напруга і струм і відстежує стан акумуляторної батареї. Оскільки ці величини непостійні, точка максимальної потужності теж буде змінювати власне місцезнаходження. Це дозволяє досягти оптимального використання потужності сонячних батарей і зменшити втрати енергії. Однак вартість таких контролерів перевищує вартість простіших моделей в декілька разів. Сучасний ринок ШІМ - та МРРТ - контролерів надзвичайно широкий, дані контролери можуть використовуватися і в автономних системах, і в мережевих і поширені у багатьох сферах, серед яких сільськогосподарська галузь, телекомунікації, навігаційні системи, підсвічування дорожніх знаків вночі, системи вуличного освітлення і т. д. (джерело інформації щодо асортименту обох видів контролерів міститься, наприклад, на http://prel.prom.ua/g3916331-kontroleri-zaryadu-shm або http://Mppt-kontroller-zaryada.html). Відомо також багато патентів та заявок на їх видачу щодо удосконалення згаданих технологій контролю по відбору електричної енергії від сонячних батарей та пристроїв для їх реалізації, серед яких наступні: патент US 7709727, патент US 7456523, патент US 8400134, патент GB 2211679, патент US 7808213, патент ЕР 207589, патент UA 107542 та інші. Крім згаданих вище технологій оптимізації малоенергетичних режимів із застосуванням контролерів МРРТ, існує напрямок із застосуванням накопичувачів енергії, які здатні відбирати надто малі струми, що виробляються сонячними елементами. Малі струми приблизно 30-60 мА, які генерує сонячний елемент при слабкій освітленості, не здатний заряджати акумулятор. Для правильного заряджання акумулятора спочатку потрібно накопичити заряд від сонячних елементів на додатковому (буферному) носії, який здатний сприймати надто малі струми, а потім, по досягненню на ньому певної порогової напруги "виплеснути" цей заряд на акумулятор. Заряд від малих струмів сонячної батареї можна накопичувати, наприклад, в конденсаторах. Такі технічні рішення описані, наприклад, в патенті UA 107542 та патенті RU 2195754. В патенті RU 2195754 заявлений спосіб відбору електричної енергії від сонячної батареї, який полягає в попередньому накопиченні енергії за допомогою електричного конденсатора, що заряджений до напруги відбору максимальної потужності батареї, а потім відводиться від нього на навантаження або акумулятор за допомогою перетворювача постійного струму порціями 1-105 Дж. В даному випадку конденсатор являє собою проміжний накопичувач енергії. Недоліки заявленого пристрою полягають в одночасному накопичуванні в конденсаторі енергії всієї батареї і в одночасній передачі споживачу енергії від всієї батареї, Наслідком цього є невисока надійність добору енергії. Ці недоліки усунені в рішенні за патентом України на корисну модель № 10269, в якому запропонований спосіб відбору електричної енергії від сонячної батареї, що включає перетворення сонячної енергії в електричну, накопичення енергії кожного елемента сонячної батареї в електричному конденсаторі кожного елемента сонячної батареї і підключення конденсатора кожного елемента сонячної батареї до індуктивності на час, поки вся енергія конденсатора кожного елемента сонячної батареї перейде в енергію магнітного поля індуктивності і напруга на цьому конденсаторі стане дорівнювати нулю, потім індуктивність підключають до конденсатора-колектора на час, поки вся енергія магнітного поля індуктивності перейде в конденсатор-колектор і струм в індуктивності стане дорівнювати нулю. Переміщення енергії з конденсатора в індуктивність і з індуктивності в конденсатор-колектор повторюють послідовно для кожного конденсатора кожного елемента сонячної батареї, а енергію конденсатора-колектора передають за допомогою інвертора у мережу змінного струму. Недоліком цього рішення є те, що ємність конденсатора не достатня для підтримання довгого циклу заряджання акумуляторів у багатьох випадках, зокрема, для потужних акумуляторів. Серед накопичувачів енергії особливий інтерес становлять конденсатори з подвійним електричним шаром на межі розділу електроду і електроліту, відомі під назвами суперконденсатор, молекулярний конденсатор, іоністор. Суперконденсатори - це надпотужні накопичувачі енергії і займають проміжне положення між акумуляторними батареями і конденсаторами. Відмітними особливостями іоністорів є те, що вони можуть швидко заряджатися необмежену кількість разів і швидко розряджатися, від декількох мілісекунд до декількох хвилин. На відміну від акумулятора, іоністор найбільш ефективно заряджається не 2 UA 116011 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 постійною напругою, а струмом, причому максимальним, тобто всім, який тільки може віддати джерело енергії. Напруга одного іоністора може складати від 1,5 до 3 В, ємність до 5000 Ф. Іоністори найчастіше використовують для живлення мікросхем пам'яті, іноді ними замінюють електрохімічні батареї. Іоністори також можуть застосовуватися як короткострокові перезаряджувані джерела струму з дуже великою кількістю циклів в режимі "заряд/розряд". Відоме комбіноване стабілізоване джерело живлення на базі двох накопичувачів енергії іоністорі і акумуляторі (патент РФ № 2488198). Пристрій може використовуватися як бортове джерело живлення космічного апарата, яке підключене до зовнішнього зарядного пристрою, наприклад, сонячної батареї. Іоністор в даному пристрої відіграє роль основного джерела живлення, а акумулятор резервного. Пристрій має високу надійність і простоту схеми керування, а також високу енергоефективність за рахунок блока іоністор-акумулятор. Недоліками цього пристрою є використання іоністора, який має значний струм саморозряду та малу напругу на одному елементі, як основного джерела зберігання енергії. Найбільш близьким аналогом до заявленого способу є рішення за згаданим вище патентом України на корисну модель № 10269, де як буферний накопичувач використовується конденсатор. Задачею заявленого технічного рішення є розробка способу заряджання акумуляторів від поновлюваних джерел енергії зі змінюваною у часі потужністю, наприклад, таких як сонячні або вітрові енергоустановки, який дозволив би заряджати акумулятори навіть у період генерування ними малих струмів при поганому освітленні або при малому вітрі, а саме при величинах струму в діапазоні від 30 до 90 мА, і які не достатні для заряджання власне акумулятора. Задачею є також створення на основі заявленого способу інтелектуального контролеру заряду акумулятора, портативного і зручного в користуванні, а також уніфікованого для будь-яких типів акумуляторних батарей, з автономним постійним контролем вхідних та вихідних параметрів для запобігання перезаряду акумуляторних батарей. Поставлена задача досягається тим, що в способі заряджання акумулятора сонячною або вітровою енергією, за яким перетворюють вказану енергію в електричний струм, акумулюють в проміжному накопичувальному пристрої і заряджають акумулятор для подальшого споживання, відповідно до заявленого способу перетворену енергію попередньо акумулюють в проміжному накопичувальному ємнісному пристрої, який являє собою блок іоністорів, внутрішній опір якого менший, ніж внутрішній опір акумулятора, до досягнення вихідної напруги порогового значення, яке визначається як різниця між напругою на акумуляторі і блоці іоністорів, і яке достатнє для початку заряджання акумулятора, після чого відкривають вхід акумулятора і передають електричну енергію з проміжного накопичувального ємнісного пристрою на акумулятор для його початкового заряджання великим струмом і до досягнення ним номінальної напруги. Варіант виконання способу передбачає те, що блок іоністорів містить щонайменше два іоністора, порогове значення напруги визначається інтелектуальним контролером заряду акумулятора, а передачу електричної енергії на акумулятор регулюють за допомогою силового ключа, встановленого між блоком іоністорів і акумулятором. Силовий ключ може бути виконаний на базі польового транзистора. Пристрій, який реалізує заявлений спосіб заряджання акумулятора, має наступні основні елементи: блок іоністорів, виконаний з можливістю підключення до виходу сонячної батареї або вітрогенератора, виходи якого підключені до ключа і акумуляторної батареї, ключ з'єднаний з блоком керування зарядом акумуляторної батареї, акумуляторна батарея має можливість підключатися до інвертора. Технічний результат, який досягається при здійсненні способу, що заявляється, проявляється в суттєвому збільшенні ККД системи у порівнянні з аналогами та іншими відомими з рівня техніки способами та пристроями. Завдяки введеному проміжному іоністорному накопичувачу електричної енергії, який здатний неперервно приймати електричну енергію від сонячної батареї або вітрогенератора в широкому діапазоні потужностей і в умовах постійно змінюваних вхідних величин струму, залежних від погодних умов, забезпечується зниження порогової величини відбору енергії з джерела і її подальше перетворення з високим ККД. Заявленим рішенням передбачена мануальна настройка параметрів користувачем під місцеположення автономної системи енергопостачання, що забезпечує найефективніший спосіб заряду акумуляторних батарей. На схемі показана блок-схема пристрою з підключеннями до сонячної батареї та інвертора. Цифровими позиціями позначені наступні елементи: 1 - сонячна батарея, 2 - іоністорний блок, 3 - акумуляторна батарея, 4 - контролер, 5 - ключі, 6 - інвертор. Пунктирні стрілки - ланцюги вимірювань, тонкі стрілки - керуючі ланцюги, товсті стрілки - силові ланцюги. 3 UA 116011 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Був виготовлений конкретний пристрій, який реалізує заявлений спосіб - і інтелектуальний контролер заряджання АСАМЕ 12/24V. Всі компоненти пристрою зібрані і поміщені в пластиковий корпус з напівпрозорою верхньою частиною і являє собою моноблочну конструкцію. На передній панелі розташовані індикатор з підсвічуванням, світлодіоди, світлодіоди статусу, рівня заряду і орган керування. На верхній частині пристрою розташовані 7 герметичних виводів для дротів перерізом 4-6 мм. Корпус відкривається відкручуванням 4-х гвинтів. На кришці корпуса закріплений індикатор, світлодіоди статусу і рівня заряду, а також пластина сенсорного керування. Пристрій містить блок керування на CMOS мікроконтролері, який забезпечує набір потрібних функцій і працює наступним чином. Мікроконтролер автономно контролює інтенсивність сонячної активності, рівень заряду іоністорів, а также постійно контролює рівень заряду акумулятора для запобігання його перезаряду. При слабкій сонячній активності струм, що генерується сонячною батареєю, занадто малий і не може зарядити акумулятор, тому проводиться заряд іоністорів, так як у них внутрішній опір менший, ніж в акумулятора. По досягненню порогової величини напруги (так званої динамічної дельти напруг між іоністором і акумулятором), відкривається ключ, який здійснює заряджання акумулятора від іоністора. Динамічна дельта залежить від ємності акумулятора і встановлюється заздалегідь вручну, її можна змінювати також вручну. У випадку, якщо акумулятор вже заряджений, а можливість його заряджати ще є, надлишкову енергію може споживати інвертор, створюючи змінний струм 220 В на 50 Гц. У випадку коли сонячна активність висока, блок керування дозволяє акумулятору заряджатися від сонячної енергії, а іоністорам не розряджатися через засоби саморозряду. Вказані процеси відображаються на екрані пристрою, а також дублюються світлодіодами. Через те, що сонячна активність не стабільна і може швидко змінюватися, особливо від погодних умов, контроль процесу заряджання виконується з періодичністю менше ніж в 30 мілісекунд, що гарантовано зберігає як основне хімічне джерело струму так і блок хімічних джерел струму з іншими резистивними властивостями - блок іоністорів. Такі дії подовжують термін корисної експлуатації пристрою і витратного хімічного джерела струму. Випробування, що були проведені на базі Національної академії наук України, показали, що при генерації сонячним фотоелементом струмів в діапазоні 60-90 мА при створенні контролерів існуючих типів (ШІМ або МРРТ) за годину роботи напруга на акумуляторній батареї піднялася на 0,16 вольт, а при використанні розробленого авторами контролера заряду АСАМЕ 12/24V, в аналогічних умовах, напруга на акумуляторній батареї піднялась на 0,47 В. Інтелектуальний контролер заряду на одноканальному стабілізованому блоці живлення YH 305D (0-5 А) був випробовуваний при значеннях вхідного струму 80 мА. Через одну годину визначали рівень заряду акумулятора Ventura GPL 12-45 (12V-45 A/h) при вказаному значення вхідного струму. Рівень заряду акумуляторної батареї за час випробувань склав 0,46 В, тобто струм на акумуляторній батареї піднявся з 11,3 В, до 11,76 В. Аналіз роботи розробленого контролера показав, що контролер дозволяє почати роботи з його модернізації з метою підвищення ефективності, для підвищення заряду акумуляторної батареї до 0,6 В за годину при заданих вхідних параметрах. Інтелектуальний контролер заряду АСАМЕ 12/24V був випробовуваний також як автономна система освітлення нерегульованого пішохідного переходу на автомобільній дорозі М-07 (КиївКовель-Ягодин, км 45+600) з 15:00 по 16:00, 09 березня 2016 року. Умови проведення випробувань: - температура навколишнього середовища - 1 °C; - атмосферний тиск 752 мм рт. ст; - хмарно, сніг; - струм короткого замикання сонячного фотоелемента приблизно 75-90 мА. Був використаний сонячний фотоелемент Yabang Solar YBP 280-72. з наступними характеристиками: Рmах - 280 Ватт, І mр - 7,82 А, V mр - 35,8 V. Акумуляторна батарея Ventura GPL 12-90 (12V-90 A/h). Рівень заряду акумуляторної батареї за 1 годину випробувань склав 0,54 В, тобто напруга на акумуляторній батареї піднялася з 11,1 в до 11,64 В. Застосування заявленого контролера дозволяє в першу чергу розширити географію застосування автономних систем енергоспоживання, основаних на сонячній енергії, дозволивши регіонам планети з низькою сонячною активністю, таким як країни північно-західної Європи перейти на цілодобове використання сонячної енергії. Маючи постійно гарантований заряд, акумуляторна батарея практично не буде входити у стан глибокого розряду, що збільшує її термін служби практично утричі, а виходячи з того, що економічна складова акумуляторної батареї в системах автономного енергопостачання досягає 4 UA 116011 U 5 50 %, то застосування даного контролера підвищує економічну ефективність застосування сонячних батарей практично на 25-27 %. При застосуванні даного контролера в гібридних схемах автономного енергопостачання, направлених як на забезпечення акумуляторної батареї, так і на наступну після заряджання видачу решти енергії в єдину енергетичну мережу, дозволяє заряджати акумулятор за більш короткий строк, тим самим збільшуючи тривалість періоду видачі виробленої енергії в єдину енергетичну мережу, збільшуючи тим самим обсяг виробленої енергії на 50 %. Навіть при наднизьких струмах порядку 40 мА заявлений контролер підтримує заряд акумулятора і не дає акумулятору розряджатися, що відбивається на терміні служби акумулятора. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 1. Спосіб заряджання акумулятора сонячною або вітровою енергією, відповідно до якого отриману енергію перетворюють в електричний струм, акумулюють в проміжному накопичувальному пристрої і заряджають акумулятор для подальшого споживання, який відрізняється тим, що перетворену сонячну енергію попередньо акумулюють в проміжному накопичувальному ємнісному пристрої, який являє собою блок іоністорів, внутрішній опір якого менший, ніж внутрішній опір акумулятора, до досягнення вихідної напруги порогового значення, яке визначається як різниця між напругою на акумуляторі і блоці іоністорів і яке достатнє для початку заряджання акумулятора, після чого відкривають вхід акумулятора і передають електричну енергію з проміжного накопичувального ємнісного пристрою на акумулятор для його заряджання до досягнення ним номінальної напруги. 2. Спосіб заряджання акумулятора енергією сонячної батареї за п. 1, який відрізняється тим, що блок іоністорів містить щонайменше два іоністори, порогове значення напруги визначається інтелектуальним контролером заряду акумулятора, а передачу електричної енергії на акумулятор регулюють за допомогою силового ключа, встановленого між блоком іоністорів і акумулятором. 3. Спосіб заряджання акумулятора енергією сонячної батареї за п. 2, який відрізняється тим, що силовий ключ являє собою польовий транзистор. 5 UA 116011 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6