Автономный источник электрической энергии: Автономные источники тепловой и электрической энергии — Энергетика и промышленность России — № 12 (16) декабрь 2001 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Содержание

Автономные источники тока СКЗ — Справочник химика 21

    При хранении газов в жидком виде удельная энергия элемента возрастает до 1000 Вт-ч/кг. Однако как в первом, так и во втором случае возникают трудности при хранении больших количеств водорода в автономных источниках тока, что заставляет искать пути построения элементов, позволяющих сохранять активные вещества при длительной работе в компактном виде. Представляет интерес применение в качестве топлива гидразина, аммиака и других веществ. Ниже рассматриваются примеры работы таких элементов. [c.59]
    К автономным источникам тока потребители предъявляют ряд специфических требований, связанных с длительностью эксплуатации, объемно-массовыми характеристиками, возможностью ра- боты при больших давлениях или в вакууме, в широком интервале температур, при различных сопротивлениях нагрузки, в условиях вибрации и т. д. [c.
5]

    Электрохимический эквивалент. Так как ЭХГ являются в основном автономными источниками тока, то важное значение имеют масса и объем реагентов, запасаемых на определенный период работы ЭХГ. Расход реагента на единицу количества электричества определяется электрохимическим эквивалентом [c.49]

    Большое внимание уделяется проблеме создания на основе топливных элементов автономных источников тока, применяемых в случаях отсутствия возможности присоединения к централизованной сети электроснабжения (в подводных лодках, самолетах, автомобилях и других транспортных устройствах, а также для питания различных устройств, расположенных далеко от линий электропередач). В этих областях применение топливных элементов является оправданным, если они обладают более высокими энергетическими и эксплуатационными характеристиками, чем другие источники энергии, применяемые для этих же целей (гальванические элементы, аккумуляторы, а также энергоустановки с двигателями внутреннего сгорания и др.

). [c.247]

    В США предлагается использование топливных элементов в качестве автономных источников тока с большой продолжительностью работы на скрытых военных полевых позициях. Преимущество топливных элементов 250 [c.250]

    Автономные источники тока устанавливаются на автомашинах и самолетах для запуска их двигателей и для питания электроосветительных цепей, на радиостанциях, которыми пользуются геологоразведочные партии и воинские подразделения. Искусственные спутники земли также снабжаются автономными источниками тока. [c.5]

    АВТОНОМНЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА СКЗ Электрогенераторы [c.47]

    МОНТАЖ СКЗ С АВТОНОМНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ТОКА [c.180]

    Автономные источники постоянного напряжения. К ним относят гальванические элементы и аккумуляторы. Сведения о наиболее часто применяемых типах источников тока приведены в табл. А.2.1. Гальванические элементы в общем дают малые токи, аккумуляторы — в отличие от них — могут работать в режиме относительно большого потребления тока.

В процессе разрядки выходное напряжение всех химических элементов и аккумуляторов медленно падает. [c.439]

    ЭКСПЛУАТАЦИЯ СКЗ С АВТОНОМНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ТОКА Эксплуатация СКЗ с электрогенераторами [c.214]

    После второй мировой войны в условиях начавшейся научно-технической революции технические требования, предъявляемые к ХИТ, начали заметно возрастать. Появилась потребность в автономных источниках тока с высокими электрическими и эксплуатационными характеристиками в широком диапазоне размеров и условий разряда. 

[c.8]


    ОАО ЗАВОД АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА  [c.260]

    Региональный консультационно-технический центр автономных источников тока ООО Фирма АЛЬФА плюс  [c.264]

    Завод Автономных Источников Тока  [c.264]

    Центр автономных источников тока [c.265]

    Топливные элементы находят применение в оборонной технике. Военные организации США испыт .шают электрохимические генераторы на скрытых полевых полигонах, радиолокатор ных и передвижных радиостанциях как автономные источники тока с большой продолжительностью работы. Бесшумность, отсутствие выхлопных газов и дыма обеспечивают возможность тщательной маскировки энергоустановок из топливных элементов. [c.254]

    Для увеличения защитной зоны СКЗ можно рекомендовать установку дополнительных катодных заземлений е автономным источником постоянного тока. Эффект применения катодных заземлений такой же, как и экранных заземлений. 

[c.145]

    Катодная защита с внешним источником тока получила наибольшее распространение вследствие простоты монтажа и эксплуатации, высокой технологичности и невысокой стоимости. Обычно применяют сетевые источники питания, представляющие собой специальные выпрямители (катодные станции). В значительно меньших объемах применяют автономные катодные станции, содержащие источники постоянного тока термоэлектрогенераторы, турбоальтертаторы, фотоэлектрогенераторы, двигатели внутреннего сгорания с электрическими генераторами. Катодная защита осуществляется установкой, включающей катодную станцию, дренажную линию, анодное заземление и контрольно-измерительные пункты (рис. 31). Отрицательная клемма катодной станции соединяется катодной дренажной линией с защищаемым сооружением. Место соединения дренажной линии с сооружением называется точкой дренажа. Положительная клемма катодной станции соединяется анодной дренажной линией с заземлением, называемым анодным. Ток, стекающий с анодного заземления в землю, вызывает растворение анодных заземлителей. Поэтому с целью обеспечения долговечности анодного заземления стараются использовать малорастворимые анодные материалы. 

[c.76]

    Химические источники тока сохранили свое значение до настоящего времени несмотря на то, что электрические генераторы дают возможность получать более дешевую электрическую энергию. Химические источники тока просты по устройству, удобны в эксплуатации, а главное — они автономны в работе. [c.12]

    Современная радиотехника предъявляет требования на автономные источники электрической энергии с большим постоянством напряжения при очень малом отборе тока.

Такие источники энергии служат, например, для подачи напряжения на сетки электронных устройств. Для этой цели были разработаны элементы с очень большим сроком службы. [c.569]

    Существует аппаратура, которая по условиям эксплуатации не может получать электрический ток от электростанций. Для литания такой аппаратуры разработаны особые источники тока, способные превращать разные виды энергии в электрическую энергию и имеющие небольшие габариты. Источники тока для питания аппаратуры, не получающей электрический ток от стационарных электростанций, называются автономными. [c.5]

    Ввиду того что существующие источники тока автономного типа обеспечивают лишь отдельные из указанных требований, разработаны и выпускаются различные по устройству и назначению источники тока. [c.5]

    Автономные источники электрической энергии в основном базируются на принципе превращения химической энергии в электрическую. Получение электрической энергии от химического источника тока возможно лишь при протекании в нем химической реакции.

Однако не всякая химическая реакция может быть применена [c.5]

    Автономные химические источники тока применяются в аппаратуре, работающей в разных климатических условиях — при температуре от -+-70 до —50° С и разной влажности. Работоспособность и параметры всех первичных элементов в той или иной мере определяются температурой, при которой эксплуатируется источник тока. [c.34]

    Несомненна эффективность применения топливных элементов в военной технике. В США, например, их хотят использовать в качестве автономных источников тока на скрытых полевых позициях бесшумность, отсутствие выхлопных газов и дыма способствуют тш ательной маскировке такой энергоустановки. Естественно, что многие из работ по электрохимическим генераторам засекречены, а иногда их умышленно излагают неправильно. 

[c.105]

    К недостаткам компенсационного метода относятся невозможность измерения блуждаюш,их токов и необходимость автономного источника тока.[c.201]

    Франции в 1867 г. Ж. Лекланше (рис. 13). Наибольшее количество выпускаемых автономных источников тока этой системы характеризуется низкой стоимостью, достаточной сырьевой базой для массового производства, работоспособностью в широком интервале температур и удовлетворительной сохранностью. Например, в США годовой выпуск таких элементов превышает два миллиарда штук. [c.40]

    В зависимости от условий трассы газопровода для электроснабжения СКЗ применяют твердые выпрямители, подключаемые к электросетям, или автономные источники тока (рис. 4). Твердые выпрямители питаются электроэнергией от линий электропередачи (ЛЭП) номинальным напряжением 220, 380 в (условно обозначаемым 0,4 кв), 500 в, 6 и 10 кв. При питании от ЛЭП напряжением 6 и 10 кв для снижения напрялхения переменного тока до 220 в применяют специальные трансформаторы с комплектом высоковольтного оборудования. 

[c.22]


    Сведения об источниках тока обычно оказывают решающее влияние на выбор системы защиты. На основе имеющихся источников тока и его типа выбирают системы питания станций катодной защиты в различных местах трассы, а это в свою очередь влияет на протяженность отдельных участков защиты. Станции катодной защиты обычно всегда стремятся установить в местах, возможно более близких к имеющимся источникам питания током питающим сетям переменного или постоянного тока, трансформаторным подстанциям, энергоустановкам и т. д. Это вызывается стремлением, насколько возможно, сократить длину соединительных линий от источника тока к трубопроводу и к анодному заземлению, которые составляют значительную часть стоимости катодной защиты. Обычно длина соединительных линий не должна быть больше 100 м. С другой стороны удаленность линий питания током от места установки источника питания станции катодной защиты обычно не должна превышать 2 км. При более удаленных системах источника тока от места питания защиты обычно стоимость линий подводки тока делает нерациональным питание от такого источника в таких случаях более экономично ярименение автономных источников тока.
[c.215]

    Если вблизи трассы защищаемого сооружения нет источников тока, вопрос усложняется и требуются данные о возможности применения автономных источников тока, например, ветродвигателей или двигателей внутреннего сгорания, приводящих в действие генераторы постоянного тока. Одновременно должен быть рассмотрен вопрос о возможности применения для защиты гальванических анодов. Гальванические аноды могут быть установлены в почвах, удельное сопротивление которых не превыщает 50 ом-м, при цинковых анодах—даже 20 ом-м. Для возможности установки ветродвигателей необходимо наметить точки их расположения в местах, где ветросиловое колесо не будет экранироваться от ветра местными строениями и заграждениями. Необходимо также собрать данные о скорости, периодичности и преимущественном направлении ветров это обычно можно получить на ближайшей метеороло ической станции. [c.216]

    С. Б. Орлов — специалист с 20-летним стажем в области разработки и производства химических источников тока, канд. хим. наук. Генеральный директор Регионального консультационно-технического центра автономных источников тока ООО Фирма Альфа плюс , ст. научн. сотр. 22 ЦНИИИ МО РФ, академик Академии проблем безопасности, обороны и правопорядка РФ, председатель секции малогабаритных химических источников тока Международной ассоциации производителей ХИТ ИНТЕРБАТ . [c.266]

    Более быстрые результаты по практическому использованию электрохимических генераторов могут быть получены в области так называемой малой энергетики, т.е. в области использования автономных источников тока для питания аппаратуры, которая по тем или иным причинам не может питаться от общей централизованной сети электрического тока. Это главным образом приборы, устанавливаемые на автомашинах, кораблях, самолетах, спутниках и т.п. Кроме того, речь может идти об аппаратуре (например, радиоприемнике), применяемой в неэлектрифицирован-ных районах страны. [c.250]

    Достоинство катодной защиты — надежность, долговечность недостаток — относительная сложность аппаратурного оформления в тех случаях, когда режим работы поддерл[c. 284]

    В начале XX в. довольно широко использовались для бытовых целей (электрические звонки, телефон), марганцево-цинковые элементы типа Лекланше. По мере развития электрификации, увеличения производства динамомашин постоянного тока применение упомянутых первичных элементов для стационарных установок почти прекратилось. Появилась потребность в переносных автономных источниках питания для связи и освещения, а также в источниках питания для радиоустановок в цеэлектрифицированных местностях. [c.550]

    Электрохимические процессы — большая область физико-химиче-ских явлений, из которых наиболее интересны и важны возникновение разности потенциалов и получение электрической энергии за счет химической реакции (химические источники тока — ХИТ) и возникновение химических реакций за счет затраты электрической энергии (электролиз). Оба эти процесса, имеюшие обшую природу, нашли широкое применение в современной технике. Химические источники тока (гальванические элементы, аккумуляторы) используются как автономные и малогабаритные источники энергии для транспортных двигателей и машин, радиотехнических устройств и приборов управления. С помошью электролиза мы получаем различные металлы (А1 Си N1 и т. д.), обрабатываем поверхности металлических изделий, режем и полируем металл, а также создаем изделия нужной конфигурации (электрохимическая размерная обработка и гальванопластика). Электрохимические процессы не всегда служат на пользу человеческому обществу, иногда они приносят большой вред, вызывая процессы коррозии, ведущие к разрушению металлических конструкций и изделий. Чтобы умело бороться с нежелательными явлениями их тоже надо изучать и уметь регулировать. [c.225]

    В настоящее время не стоит вопрос о получении больших количеств электрической энергии при помощи гальванических элементов единйчион мощности. Эта задача гораздо проще и экономичнее решается путем создания тепловых, гидро- и атомных электростанций. Однако в технике и быту с каждым годом растет число приборов, аппаратов и устройств, требующих автономных, легких и малогабаритных источннкон тока. Современные автомобили и самолеты, транзисторная радио- и электроаппаратура, электрические часы и сигнальные устройства, искусственные спутники Земли и космические лаборатории нуждаются в широком ассортименте гальванических элементов. В некоторых случаях как источники тока они совершенно незаменимы. Гальваннческпе элементы могут быть различных размеров и формы, в них отсутствуют подвижные, подверженные износу части. Они относительно легки, автономны, мало чувствительны к вибрации и колебаниям, работают бесшумно и хорошо регулируются. [c.250]

    В отличие от обычной СКЗ катодная установка с противопотенциалом содержит дополнительные катодные заземления с автономным источником постоянного тока (рис. 11). [c.51]


Статьи

Дизельная электростанция (электростанция дизельная, дизель электростанция) – это установка, применяемая для получения электрической энергии на базе дизельного двигателя и генератора переменного тока. Современные дизельные электростанции нашли широкое применение в различных отраслях: для добывающая промышленность, производство, строительство, обеспечение электроэнергией удаленных поселков, сельское хозяйство, резервного электроснабжения различных объектов и др.
Подробнее>>>

Рассчитаем необходимую мощность генератора для дома на примере домашней электросети Например, в доме постоянно включены следующие приборы: Лампа освещения мощностью 60 Вт в количестве 5 шт = 60х5 = 300 Вт + Холодильник = средняя мощность 250 Вт + Компьютер = средняя мощность 350 Вт ИТОГО: 300 Вт + 250 Вт + 350 Вт = 1150 Вт Сумма мощностей которых в итоге составит 1150 Вт.
Подробнее>>>

Как показывает опыт большого количества промышленных предприятий, автономное электроснабжение с применением газового топлива, помимо экономичности, имеет большое количество других преимуществ. Наша компания предлагает для предприятий различных размеров приобрести высококачественные современные газовые электростанции промышленные по привлекательной цене.
Подробнее>>>

Далеко не везде централизованная электросеть работает стабильно и бесперебойно. Как обеспечить частный дом или дачу электричеством, которое не исчезнет из бытовых приборов в самый неподходящий момент? Хорошее решение — бензогенератор для дома.
Подробнее>>>

Сегодня вопрос автономного электроснабжения актуален как в быту, так и в различных сферах производства. Основные задачи, которые помогают решить автономные источники электрического тока
Подробнее>>>

На дворе уже давно XXI век, а проблема с электроснабжением во многих домах остается актуальной. Сейчас в одном только Подмосковье очень много мелких поселков, в которых нет централизованной электросети. А в некоторых местах сеть работает просто отвратительно: перебои – привычное явление.
Подробнее>>>

Чаще всего автономные генераторы электричества, работающие на бензине, используют в качестве резервного источника электроснабжения. То есть в центральной сети есть ток. Но иногда случаются перебои. Во время них нужно включать автономный источник, до тех пор, пока электричество в сети не появится снова.
Подробнее>>>

Бензогенератор трехфазный – незаменимый источник автономного аварийного электроснабжения для объектов коммерческого и промышленного назначения
Подробнее>>>

Автономная электростанция, работающая на дизельном топливе – отличное решение вопроса электроснабжения самых разных объектов. Но стационарные установки, стоящие на одном месте, подходят далеко не всегда. Часто возникает необходимость перемещать источник энергии по территории.
Подробнее>>>

Вы купили дом в загородном поселке, но туда не подведено электричество, и непонятно, когда оно там появится? Или централизованная сеть есть, но в ней часто случаются перебои? В обоих случаях хороший выход – это дизельные электростанции бытовые. Устройства, которые потребляют дизельное топливо, а взамен выдают электричество.
Подробнее>>>

Часто автономные источники электроэнергии используют в качестве аварийных, «запасных», там, где в центральной электросети нередко случаются перебои, а остановка работы электрооборудования грозит теми или иными последствиями. При этом возникает одна большая проблема: очень неудобно постоянно включать и выключать электрогенератор. Её помогает решить дизельный генератор с автоматическим запуском.
Подробнее>>>

Автономные источники электроэнергии решают две основные задачи: Их можно использовать в качестве постоянного источника тока на объектах, которые сильно удалены от центральных сетей. Но чаще всего многие модели используются в качестве резервных источников там, где в централизованной сети часто случаются перебои и обесточки.
Подробнее>>>

Какой лучше купить бензогенератор? Если вы сейчас находитесь на данной странице и читаете этот текст, то, скорее всего, вы ищете ответ на этот вопрос. Ниже мы постараемся ответить на него как можно подробнее. Надеемся, после прочтения этой статьи у вас сложится четкое понимание того, какой бензогенератор купить стоит именно вам.
Подробнее>>>

На нашем сайте вы можете оформить заказ на мини бензогенератор – компактное устройство, которое обеспечит вас электрическим током необходимой мощности в любой ситуации. Такие автономные источники электроснабжения небольших размеров удобны для следующих целей
Подробнее>>>

Когда-то, если в центральной электросети случалась обесточка, не оставалось ничего другого как сидеть без света, размораживать холодильник и ждать, когда аварийные службы всё починят. А на даче и в загородном доме, расположенных далеко от большого города, приходилось использовать свечки и масляные лампы. Современный рынок, к счастью, предлагает много хороших решений. Мобильные газотурбинные электростанции – компактные и удобные устройства, которые можно использовать в доме, коттедже, на даче, в мастерской и даже на небольшом предприятии. Как устроена мобильная газотурбинная электростанция?
Подробнее>>>

Трехфазная дизельная электростанция – это мощный автономный источник электрической энергии, который применяется главным образом на промышленных объектах. Сегодня выпускается большое количество таких агрегатов. Вы можете купить качественные трехфазные дизельгенераторы, оформив заказ на нашем сайте. Хороший дизель генератор 3 фазный обладает весьма внушительными возможностями.
Подробнее>>>

АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Изобретение относится к электроэнергетике, конкретнее к автономным источникам электропитания, и может найти широкое применение в промышленности, в бытовой технике и особенно на транспорте.

В настоящее время широко распространены резонансные усилители тока, в которых используется явление электрического резонанса в последовательном колебательном контуре.

Известен трансформатор энергии (резонансный усилитель), содержащий источник энергии, выключатель, преобразователь энергии источника в импульсы переменного тока высокой частоты, первый конденсатор (первый фильтр) первичную и вторичную обмотки высокочастотного трансформатора, регулятор частоты первого последовательного колебательного контура, образованного первым конденсатором и индуктивностью первичной обмотки высокочастотного трансформатора, при этом в цепь второго последовательного колебательного контура, образованного вторым конденсатором (второй фильтр) и индуктивностью вторичной обмотки высокочастотного трансформатора включен стабилизатор частоты второго последовательного колебательного контура, а регулятор частоты первого последовательного колебательного контура выполняет функции модулятора частоты первого последовательного колебательного контура, например, частотой модуляции 50 Гц. (Патент WO 2008/103129).

Недостатком известного усилителя является сложность ручной его настройки на резонансную частоту второго последовательного колебательного контура, имеющего большую (больше 100) величину добротности (и, следовательно, большой коэффициент усиления по мощности) и нестабильность его работы при изменяющейся электрической нагрузке. При величине добротности меньше 10 стабильность его работы возрастает, но коэффициент усиления резко снижается.

Известен резонансный усилитель промышленной частоты, содержащий последовательно соединенные первичную обмотку силового трансформатора, обмотки двух встречно включенных управляемых магнитных реакторов, емкости и вторичной обмотки входного понижающего трансформатора, которые образуют последовательный резонансный контур. Резонансная емкость включена между выводами вторичной обмотки входного трансформатора и первичной обмотки силового трансформатора. Управляемые магнитные реакторы включены между двумя другими выводами вторичной обмотки входного трансформатора и первичной обмотки силового трансформатора. Два встречно включенных управляемых магнитных реактора выполняют функции индуктивной обратной связи для стабилизации напряжения при изменении электрической нагрузки. Первичная обмотка входного трансформатора подключена к источнику электрической энергии. Электрическая нагрузка присоединена ко вторичной обмотке силового трансформатора. Коэффициент усиления зависит от нагрузки и при настройке резонансного контура превышает единицу (Элементарный учебник физики / Под ред. акад. Г.С. Ландсберга. Т. III. Колебания, волны, оптика, строение атома. — М., 1975, стр. 81-82).

Недостатком известного преобразователя является не высокий коэффициент усиления и сложность ручной настройки усилителя на резонансную частоту при изменяющейся электрической нагрузке.

Известен резонансный усилитель промышленной частоты, содержащий первичный источник энергии промышленной частоты, силовой трансформатор, включающий первую, вторую и третью обмотки и конденсатор. Первые выводы первой и второй обмоток через конденсатор соединены последовательно. Вторые выводы первой и второй обмоток подсоединены к полюсам внешнего источника переменного тока. Вторая обмотка выполняет функции элемента обратной связи. При этом для увеличения на выходе электрического сигнала на вход усилителя для питания колебательного контура подают сигнал переменного тока, находящийся в полосе пропускания колебательного контура усилителя, через элемент положительной обратной связи. Этот сигнал подают через элемент обратной связи последовательно с источником сигнала, при этом в сердечнике лавинообразно нарастает магнитный поток, который индуцирует ЭДС во вторичных обмотках усилителя для питания потребителей. (патент России №2600097, МПК H03F 3/20, опубл. 20.10.2016 г.).

Недостатком этого известного преобразователя является сложность ручной настройки усилителя на резонансную частоту при изменяющейся электрической нагрузке и нестабильность усиления обусловленная изменением температуры сердечника трансформатора в процессе работы преобразователя в режиме лавинообразного не контролируемого нарастания магнитного потока в сердечнике.

Известен принятый автором за прототип резонансный усилитель электрического сигнала, содержащий первичный источник энергии промышленной частоты, входной и силовой трансформаторы с нагрузкой во вторичной обмотке силового трансформатора и последовательный резонансный контур между трансформаторами, состоящий из конденсатора и индуктивности входной обмотки силового трансформатора, а также из устройства обратной связи между обмотками входного и силового трансформатора. Резонансный усилитель мощности содержит n каскадов усиления из n понижающих силовых трансформаторов, соединенных между собой с помощью n последовательных резонансных контуров, где n=1, 2, 3, … m, а обратная связь выполнена в виде устройства, обеспечивающего однонаправленное движение электрической энергии от вторичной обмотки последнего силового трансформатора к первичной обмотке входного трансформатора. (патент России №2517378, МПК H03F 3/20, 27.05.2014 г.).

Недостатком этого преобразователя также является сложность ручной настройки усилителя на резонансную частоту при изменяющейся электрической нагрузке и нестабильность резонансной частоты контура, а следовательно и усиления, обусловленная изменением температуры сердечника трансформатора в процессе работы преобразователя в режиме нарастания магнитного потока в сердечнике.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков.

Технический результат заключается в повышении стабильности коэффициента усиления, стабилизации величины коэффициента усиления при изменении различных факторов, например, величины нагрузки, температуры, сдвига резонансных частот и т.п., за счет ввода в известный резонансный усилитель мощности системы автоматического регулирования резонансной частоты в каждом отдельном последовательном резонансном контуре резонансного усилителя мощности и первичном источнике энергии.

Технический результат достигается тем, что в известный источник электрической энергии, содержащий включающий силовой трансформатор и последовательный резонансный контур, состоящий из конденсатора и индуктивности обмотки силового трансформатора, а также из блока обратной связи, при этом резонансный усилитель содержит n каскадов из n понижающих силовых трансформаторов, первичные обмотки каждого из которых кроме первого соединены через соответствующий резонансный контур с вторичной обмоткой понижающего силового трансформатора предыдущего каскада, первичная обмотка понижающего силового трансформатора первого каскада соединена с вторичной обмоткой силового трансформатора, а вторичная обмотка понижающего силового трансформатора n-го каскада соединена с нагрузкой, вход блока обратной связи связан с вторичной обмоткой понижающего силового трансформатора n-го каскада, а обратная связь выполнена в виде блока, обеспечивающего однонаправленное движение электрической энергии от вторичной обмотки понижающего силового трансформатора n-го каскада к первичной обмотке силового трансформатора резонансного усилителя.

Источник дополнительно содержит блок регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура и блок управления процессом работы источника, а первичный источник энергии выполнен в виде автономного резонансного генератора, вход которого соединен с выходом блока обратной связи, а выход с входной обмоткой входного трансформатора с возможностью образования с помощью витка связи, конденсатора и входной обмотки входного трансформатора последовательного резонансного контура, при этом первый и второй входы блока управления соединены с выводами сигнальной обмотки резонансного контура резонансного генератора, третий и четвертый входы блока управления соединены с выводами сигнальной обмотки входного трансформатора, пятый и шестой входы блока управления соединены с выводами сигнальной силового входного трансформатора, причем первый выход блока управления соединен с первым входом первичного источника энергии, второй выход блока управления соединен с входом блока регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура, образованного с помощью витка связи, конденсатора и входной обмотки входного трансформатора, третий выход блока управления соединен с входом блока регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура между входным и силовым трансформаторами.

При этом блок регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура подсоединен к конденсатору параллельно или последовательно, каждый резонансный контур содержит управляемый магнитный реактор, включенный между двумя другими выводами вторичной обмотки, а первый выход блока регулировки соединен с первым выводом вторичной обмотки входного трансформатора, второй выход блока регулировки соединен с первым выводом вторичной обмотки силового трансформатора.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого источника электрической энергии.

Возможны и другие варианты выполнения блока регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура, например, на варикапах, варикондах, матрице (наборе) конденсаторов с электронными коммутаторами их величины и т.п., но они не применимы для последовательного резонансного контура усилителя мощности, т.к. в условиях резонанса в этих контурах возникают большие электрические напряжения и токи, при которых варикапы, вариконд и т.п. электронные элементы выходят из строя.

Устройство содержит источник 1 постоянного тока энергии, первичный источник 2 энергии, выполненный в виде автономного резонансного генератора переменного тока, резонансные усилители 3, 4, …n мощности, блок 5 обратной связи и блок 6 управления процессом работы автономного источника.

Резонансные усилители 3, 4, …n мощности содержат входной Т1 трансформатор и силовые трансформаторы Т2 — Ti с нагрузкой Rн во вторичной обмотке силового трансформатора Ti, а также последовательные резонансные контура между трансформаторами Т1 — Ti, состоящие из витков (выходных обмоток) W1, W3, … Wi3 связи (выходных обмоток трансформаторами Т1 — Ti), конденсаторов С1 — Ci, индуктивностей входных обмоток W2 — Wi2 трансформаторов Т1 — Ti и блоков 7, 7+i, … 7+n регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров резонансные усилителей 3, 4, …n.

Блок 5 обратной связи выполнен с возможностью однонаправленного движения электрической энергии от вторичной обмотки Wi6 последнего силового трансформатора Ti на вход 14 первичного источника 2 (автономного резонансного генератора переменного тока). Блок 5 может быть выполнен в виде АС — DC преобразователя, предающего на вход 14 часть (например, десятую часть) вырабатываемой резонансными усилителями 3, 4, …n мощности для частичной компенсации затрат энергии первичного источника 1 постоянного тока.

Блок 6 управления процессом работы автономного источника содержит микропроцессор, например, на микросхеме ATmega 8535, шина ввода данных которого соединена с цифровыми выходами n независимых аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Аналоговые входы АЦП через входы 17-22, …2n-1, 2n блока 6 соединены с сигнальными обмотками W4 — Wi4 трансформаторов T1 — Ti. Шина выхода данных микропроцессора соединена с цифровыми входами n независимых цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Аналоговые выходы ЦАП через выходы 23, 25, 27, … n блока 6 соединены с входами 24, 26, 28, … n, соответственно, первичного источника 2 и блоков 7, 7+i, … 7+n регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров резонансных усилителей 3, 4, … n.

Блоки 7+i регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров по фигуре 2 содержат набор конденсаторов С2, соединенных с неподвижными контактами электромеханического галетного переключателя П7+i, который уравляется шаговым двигателем M7+i (мотором). На вход 28 двигателя M7+i с выхода 27 блока 6 подаются однополярные пульсы поворота вала, связанного с переключающим контактом, переключателя П7+i. Поворот вала изменяет рабочее положение переключающиего контакта. Последовательный перебор рабочих положений переключающиего контакта позволяет последовательно выбирать величину емкости кондесатора С2 электромеханически, с помощью блока 6 и тем самым регулировать резонансную частоту контура.

Блоки 7+i регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров по фигуре 3 содержат набор отводов входных (первичных) обмоток W1, W2 — Wi2 трансформаторов Т1 — Ti, соединенных с неподвижными контактами электромеханических галетных переключателя П7+i, которые управляется шаговым двигателем M7+i (мотором). На вход 28 двигателя M7+i с выхода 27 блока 6 подаются однополярные пульсы поворота вала, связанного с переключающим контактом, переключателя П7+i. Поворот вала изменяет рабочее положение переключающиего контакта. Последовательный перебор рабочих положений переключающиего контакта позволяет последовательно выбирать величину индуктивности входных (первичных) обмоток W2 — Wi2 трансформаторов Т1 — Ti электромеханически, с помощью блока 6 и тем самым регулировать резонансную частоту контура.

Блоки 7+i регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров по фигуре 4 содержат магнитные реакторы, выполненные в виде трансформатора, содержащего обмотки L1, L2 намотанные на ферромагнитный сердечник. Величина индуктивности обмотки L2 плавно регулируется за счет изменения магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника путем подмагничивания его импульсами постоянного тока J, пропускаемого через обмотку L1 с выхода 27 блока 6 на вход 28 блока 7+i. Это позволяет регулировать резонансную частоту контура.

Первичный источник 2, выполненный в виде резонансного генератора переменного тока имеет выходной резонансный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L с отводом 29 от части ее обмотки, витка связи W1 и конденсатора (на фигуре 1 не показан). Функции первичного источника 2 преобразовывать постоянное напряжение источника 1 в переменный ток постоянной по величине частоты f0 и через виток связи W1 предавать в резонансный усилитель 3. Все резонансные усилители 3, 4, …n настроены на частоту f0 и работают на этой частоте.

Источник электрической энергии работает следующим образом.

Электрическая энергия от источника 1 постоянного напряжения поступает в первичный источник 2 и преобразуется в переменный ток частоты f0, а затем через виток связи W1 передается в последовательный резонансный контур резонансного усилителя 3, состоящий из конденсатора С1, блока 7 и входной (первичной) обмотки W1 трансформатора Т1. Этот трансформатор, а также все силовые трансформаторы Т2 — Ti, выполнены как понижающие трансформаторы с коэффициентом трансформации N для Т1, например, равным:

где — NW2, NW3 — число виков в первичной W2 и вторичной W3 обмотках трансформатора Т1;

NWi2, NWi3 — число виков в первичной Wi2 и вторичной Wi3 обмотках трансформатора Ti.

В рассматриваемых резонансных усилителях 3, 4, …n число витков NW2 и NWi2 первичных обмоток больше числа витков вторичных обмоток NW3 и NWi3, например, в 10 раз. Коэффициент трансформации N равен 10.

При этом у каждого резонансного усилителя 3, 4, …n во вторичных (выходных) обмотках Wi3 выходной ток увеличивается в N раз, выходное напряжение уменьшается N раз, а выходное сопротивление уменьшается N2 раз. Это позволяет согласовать низкое входное сопротивление каждого резонансного усилителя с выходным сопротивлением каждого предыдущего резонансного усилителя и таким образом значительно снизить влияние входного сопротивления каждого резонансного усилителя на добротность последовательного резонансного контура предыдущего резонансного усилителя.

В последовательном резонансном контуре, например, резонансного усилителя 3, состоящем из конденсатора С1, блока 7 и входной (первичной) индуктивности обмотки W2 трансформатора Т1, при резонансной частоте контура равной частоте f0 электрическое напряжение увеличивается в Q3 раз:

где RW2 и XLW2 — активное и индуктивное сопротивление последовательного резонансного контура резонансного усилителя 3.

Величина напряжения UL на обмотках W2, …, Wi2 в последовательных резонансных колебательных контурах зависит от частоты и тем острее, чем больше добротность контура. Например, для резонансного усилителя 3 эта величина UL3 определяется соотношением:

где — f — текущая величина резонансной частоты последовательного резонансного колебательного контура;

— f0 — частота автономного резонансного генератора 2.

Таким образом на выходе резонансного усилителя 3, во вторичной (выходной) обмотке W3 трансформатора Т1, выделяется электрическая энергия с увеличенным напряжением в Q3 раз за счет резонанса, уменьшенным в N раз по напряжению и увеличенным в N раз по току во вторичной обмотке за счет трансформации.

Аналогичные процессы увеличения и трансформации происходят в резонансном усилителе 4 на резонансной частоте f0. При этом электрическая энергия с возросшим током и напряжением поступает в последовательный резонансный контур с добротностью Q4, состоящий из конденсатора С2, блока 7+i и входной (первичной) индуктивности обмотки Wi2 трансформатора Т2. В этом усилителе 4 электрическая энергия снова возрастает по напряжению в Q4 раз за счет резонанса, уменьшается в N раз по напряжению и увеличивается в N раз по току во вторичной обмотке Wi3 за счет трансформации в трансформаторе Т2 и т.д.

Далее электрическая энергия передается в последующие резонансные усилители где процессы трансформации ее на резонансной частоте f0 происходят аналогично.

В последнем резонансном усилителе n электрическая энергия с увеличенным напряжением поступает в последовательный резонансный контур с добротностью Qn, состоящий из конденсатора Ci2, блока 7+i и входной (первичной) индуктивности обмотки Wi2 трансформатора Ti. В этом усилителе электрическая энергия снова возрастает по напряжению в Qn раз за счет резонанса, уменьшается в N раз по напряжению и увеличивается в N раз по току во вторичной обмотке Wi5 за счет трансформации в трансформаторе Ti и поступает в электрическую нагрузку Rн, подключенную к вторичной обмотке Wi5.

Часть электрической энергии со вторичной обмотки Wi6 поступает в выпрямитель блока 5 обратной связи. Выпрямленное напряжение далее передается на вход 14 первичного источника 2 и компенсирует часть затрат энергии источника 1, например, подзаряда аккумулятора этого источника.

При изменении, например, величины нагрузки или величины индуктивности (например, нагрева ферромагнитного сердечника трансформатора от температуры внешней, окружающей, среды и т.п.), изменяются величины добротности Q3, Q4, ……On и резонансные частоты в последовательных резонансных колебательных контурах усилителей 3, 4, …n. В этом случае резонансных частоты колебательных контуров могут быть не равны частоте f0 автономного резонансного генератора 2. Эти изменения согласно (3) и (6) будут приводить к уменьшению величин напряжений UL на обмотках W2, …, Wi2 в последовательных резонансных колебательных контурах и электрической мощности Рвых на выходе усилителя, во вторичной обмотке Wi5.

Для стабилизации текущей величин резонансной частоты последовательных резонансных колебательных контуров, выполнения равенства их частот частоте f0 и выходной мощности Рвых, выделяемой на активной нагрузке Rн блок управления 6 периодически через каждые 0.1 сек через свои входы 17-18, 19-20, 21-22, …, 2n-1 — 2n запрашивает величины переменных напряжений с сигнальных обмоток W4 — Wi4 трансформаторов T1 — Ti. С помощью аналого-цифровых преобразователей блока 6 эти напряжения преобразуются в цифровую форму. Затем микропроцессор блока 6 сравнивает величины этих напряжений с заданными (опорными) величинами этих напряжений, установленными в блоке 6. Если запрашиваемые с сигнальных обмоток W4 — Wi4 величины переменных напряжений не равны заданными (опорными) величинами этих напряжений, то микропроцессор блока 6 формирует цифровые сигналы на поиск максимальной величины этих напряжений. Поиск осуществляется путем формирования последовательности цифровых сигналов, которые передаются в цифро-аналоговые преобразователи блока 6, где преобразуются в аналоговую форму напряжений и с выходов 23, 25, 27, …, n блока 6 поступают на входы 26, 28, …, n блоков 7, 7+i, …, 7+n регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров.

Предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства при его реализации, а именно повысить стабильность коэффициента усиления при изменении различных факторов, например, величины нагрузки, температуры, сдвига резонансных частот и т.п., за счет ввода в известный резонансный усилитель мощности системы автоматического регулирования резонансной частоты в каждом отдельном последовательном резонансном контуре резонансного усилителя мощности и величины выходного напряжения первичного источника энергии.

Источник электрической энергии, содержащий резонансный усилитель, подключенный к источнику постоянного тока, включающий силовой трансформатор и последовательный резонансный контур, состоящий из конденсатора и индуктивности обмотки силового трансформатора, а также из блока обратной связи, при этом резонансный усилитель мощности содержит n каскадов из n понижающих силовых трансформаторов, первичные обмотки каждого из которых, кроме первого, соединены через соответствующий резонансный контур с вторичной обмоткой понижающего силового трансформатора предыдущего каскада, первичная обмотка понижающего силового трансформатора первого каскада соединена с вторичной обмоткой силового трансформатора, а вторичная обмотка понижающего силового трансформатора n-го каскада соединена с нагрузкой, вход блока обратной связи связан с вторичной обмоткой понижающего силового трансформатора n-го каскада, а обратная связь выполнена в виде блока, обеспечивающего однонаправленное движение электрической энергии от вторичной обмотки понижающего силового трансформатора n-го каскада к первичной обмотке силового трансформатора резонансного усилителя мощности, отличающийся тем, что источник электрической энергии содержит блок управления и в каждом каскаде блок регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура, при этом соответствующие входы блока управления соединены с выводами соответствующих сигнальных обмоток силового трансформатора и понижающих силовых трансформаторов каждого каскада, причем соответствующие выходы блока управления соединены с первым входом первичного источника энергии и с входами блоков регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура соответствующих каскадов резонансного усилителя мощности.

Сбор энергии на основе интеллектуальных материалов для автономных роботов и устойчивых энергетических систем

По мере того, как индустриализация быстро охватывает новые регионы мира, а технологии становятся все более распространенными, спрос и использование электроэнергии претерпевают значительные изменения. С одной стороны, тенденции роста населения и индустриализации создают спрос на экологически чистое и устойчивое производство электроэнергии в больших масштабах. С другой стороны, появляющиеся новые устройства, такие как MEMS, роботизированные системы и распределенные сенсорные системы, требуют, чтобы эффективные источники электроэнергии были доступны в небольших масштабах, чтобы позволить новым технологиям стать автономными.

В этом контексте технологии сбора энергии на основе многофункциональных материалов могут играть ключевую роль благодаря своей универсальности и потенциальной адаптируемости к различным масштабам и контекстам . Прежде всего, интеллектуальные материалы позволяют использовать возобновляемые источники энергии, которые трудно использовать с обычными генераторами. В то же время интеллектуальные материалы могут использоваться для рекуперации ненужной энергии от движения машин / человека и окружающих источников для питания маломасштабной электроники и робототехнических систем.

Эта тема исследования направлена ​​на объединение передовых исследований по сбору энергии на основе интеллектуальных материалов. Различные аспекты генераторов на основе интеллектуальных материалов представляют интерес для этой коллекции, включая концепции / схемы генераторов, силовую и управляющую электронику, а также интерфейсы, из которых они поглощают / передают энергию. Рассмотрены различные классы интеллектуальных материалов , включая ферро- и пьезоэлектрические материалы, электроактивные и трибоэлектрические полимеры, а также принципы интеллектуального генератора , т.е.е. электромагнитные преобразователи и MEMS для сбора кинетической энергии. Проблема сбора энергии анализируется с разных точек зрения, от крупномасштабного сбора энергии из возобновляемых источников энергии , таких как морская, ветровая и солнечная энергия, до рекуперации энергии для небольших автономных систем со специальным акцент на автономных роботов и автономной портативной электроники .

Тема открыта как для оригинальных вкладов, так и для рецензий в соответствии с руководящими принципами Frontiers.В случае оригинального вклада настоятельно рекомендуется экспериментальная работа. Новый вклад может быть обеспечен как усовершенствованием с точки зрения соответствующих подкомпонентов (а именно, блоки сбора энергии, управляющая электроника), так и на системном уровне (источник-генератор, интеграция источника-пользователя).

Основные темы, представляющие интерес, включают, но не ограничиваются:

• Подтверждение концепции систем сбора энергии на основе интеллектуальных материалов
• Концепции электроактивных полимерных, трибоэлектрических, пьезоэлектрических, электромагнитных устройств сбора энергии
• Многофункциональность концепции привод-генератор
• Гибридные генераторы из нескольких материалов
• Роботизированные искусственные мышцы с автономным питанием
• Сбор возобновляемой энергии с помощью интеллектуальных материалов
• Сбор механической энергии
• Связь между источником, генератором и пользователем
• Электроника привода для сборщиков энергии из интеллектуальных материалов
• Моделирование и управление интеллектуальными сборщиками энергии

Изображение на обложке предоставлено Dr.Джакомо Моретти и был взят в лабораторию NOEL, Реджо-ди-Калабрия,
(IT)

Ключевые слова : умные материалы, многофункциональные роботы с автономным питанием, возобновляемые источники энергии, MEMS

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки объема, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

По мере того, как индустриализация быстро охватывает новые регионы мира, а технологии становятся все более распространенными, спрос и использование электроэнергии претерпевают значительные изменения. С одной стороны, тенденции роста населения и индустриализации создают спрос на экологически чистое и устойчивое производство электроэнергии в больших масштабах.С другой стороны, появляющиеся новые устройства, такие как MEMS, роботизированные системы и распределенные сенсорные системы, требуют, чтобы эффективные источники электроэнергии были доступны в небольших масштабах, чтобы позволить новым технологиям стать автономными.

В этом контексте технологии сбора энергии на основе многофункциональных материалов могут играть ключевую роль благодаря своей универсальности и потенциальной адаптируемости к различным масштабам и контекстам . Прежде всего, интеллектуальные материалы позволяют использовать возобновляемые источники энергии, которые трудно использовать с обычными генераторами.В то же время интеллектуальные материалы могут использоваться для рекуперации ненужной энергии от движения машин / человека и окружающих источников для питания маломасштабной электроники и робототехнических систем.

Эта тема исследования направлена ​​на объединение передовых исследований по сбору энергии на основе интеллектуальных материалов. Различные аспекты генераторов на основе интеллектуальных материалов представляют интерес для этой коллекции, включая концепции / схемы генераторов, силовую и управляющую электронику, а также интерфейсы, из которых они поглощают / передают энергию.Рассмотрены различные классы интеллектуальных материалов , в том числе ферро- и пьезоэлектрические материалы, электроактивные и трибоэлектрические полимеры, а также принципы интеллектуального генератора , то есть электромагнитные преобразователи и MEMS для сбора кинетической энергии. Проблема сбора энергии анализируется с разных точек зрения, от крупномасштабного сбора энергии из возобновляемых источников энергии , таких как морская, ветровая и солнечная энергия, до рекуперации энергии для небольших автономных систем со специальным акцент на автономных роботов и автономной портативной электроники .

Тема открыта как для оригинальных вкладов, так и для рецензий в соответствии с руководящими принципами Frontiers. В случае оригинального вклада настоятельно рекомендуется экспериментальная работа. Новый вклад может быть обеспечен как усовершенствованием с точки зрения соответствующих подкомпонентов (а именно, блоки сбора энергии, управляющая электроника), так и на системном уровне (источник-генератор, интеграция источника-пользователя).

Основные темы, представляющие интерес, включают, но не ограничиваются:

• Подтверждение концепции систем сбора энергии на основе интеллектуальных материалов
• Концепции электроактивных полимерных, трибоэлектрических, пьезоэлектрических, электромагнитных устройств сбора энергии
• Многофункциональность концепции привод-генератор
• Гибридные генераторы из нескольких материалов
• Роботизированные искусственные мышцы с автономным питанием
• Сбор возобновляемой энергии с помощью интеллектуальных материалов
• Сбор механической энергии
• Связь между источником, генератором и пользователем
• Электроника привода для сборщиков энергии из интеллектуальных материалов
• Моделирование и управление интеллектуальными сборщиками энергии

Изображение на обложке предоставлено Dr.Джакомо Моретти и был взят в лабораторию NOEL, Реджо-ди-Калабрия,
(IT)

Ключевые слова : умные материалы, многофункциональные роботы с автономным питанием, возобновляемые источники энергии, MEMS

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись, выходящую за рамки объема, в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Energy Harvesting для маломощных автономных устройств и систем | (2017) | Растегар | Публикации

Содержание

Предисловие
1 Сбор энергии
1.1 Введение
1.2 Сбор энергии на основе тепловой энергии в электрическую
1.3 Сбор энергии из солнечной энергии в электрическую
1.4 Сбор энергии из радиочастоты в электрическую
1.5 Источники энергии от деятельности человека
1.6 Сбор энергии на основе механических и электрических компонентов
Список литературы
2 преобразователя механической энергии в электрическую
2.1 Введение
2.2 Пьезоэлектрические преобразователи
2.2.1 Поликристаллическая пьезокерамика
2.2.2 Пьезоэлектрические полимеры и полимерно-керамические композиты
2.2.3 Монокристаллическая пьезокерамика
2.2.4 Бессвинцовые пьезоэлектрические материалы
2.2.5 Пьезоэлектрические материалы для высокотемпературных применений
2.2.6 Прочие типы и конструкции пьезоэлектрических материалов
2.3 Преобразователи электромагнитной индукции
2.4 Электростатические преобразователи
2.4.1 Электретные преобразователи статического электричества
2.5 Преобразователи на основе магнитострикционных материалов
2.6 Общее сравнение различных датчиков
2.7 Срок годности и эксплуатации преобразователя
Список литературы
3 Механизма сопряжения преобразователей механической энергии с электрическими
3.1 Введение
3.2 Механизмы сопряжения для пьезоэлектрических преобразователей
3.2.1 Механизмы взаимодействия для потенциальных источников энергии и непрерывного вращения
3.2.2 Механизмы сопряжения для непрерывных колебательных поступательных и вращательных движений
3.2.3 Механизмы сопряжения для периодических колебательных поступательных и вращательных движений основной системы
3.2.4 Механизмы сопряжения для колебательных поступательных и вращательных движений с сильно изменяющимися частотами и случайных движений
3.2.5 Сопрягающие механизмы для сбора энергии от кратковременной силы и ускоряющих / замедляющих импульсов
3.3 Проектирование ДОЭ с использованием алгоритмов
3.2.1 Процедура проектирования DOE с использованием IFTA
3.3 Интерфейсные механизмы для электромагнитных преобразователей
3.3.1 Механизмы сопряжения для вращательных входных движений
3.3.2 Механизмы сопряжения для непрерывных колебательных поступательных и вращательных движений
3.3.3 Интерфейсные механизмы для сбора энергии от кратковременных импульсов силы и ускорения
3.4 Интерфейсные механизмы для электростатических и магнитострикционных преобразователей
Список литературы
4 Цепи сбора и кондиционирования
4.1 Введение
4.2 Цепи сбора и кондиционирования для пьезоэлектрических преобразователей
4.2.1 Прямые методы ректификации и кондиционирования
4.2.2 Цепи для максимизации собираемой энергии
4.2.3 Цепи сбора
4.2.4 Цепи кондиционирования
4.2.5 Цепи CC для импульсной пьезоэлектрической нагрузки
4.3 Цепи сбора и кондиционирования для сборщиков электромагнитной энергии
4.3.1 Синхронный вывод магнитного потока
4.3.2 Активный двухполупериодный выпрямитель
4.4 Цепи сбора и кондиционирования для сборщиков электростатической энергии
4.4.1 Электретные электретные электреты
4.4.2 Активные цепи кондиционирования
4.4.3 Безэлектретные ЭЭГ
4.5 Схемы кондиционирования для вибрационных магнитострикционных сборщиков энергии
Список литературы
5 Примеры из практики
5.1 Введение
5.2 Коммерческие вибрационные комбайны
5.2.1 ИС для устройств сбора энергии
5.3 Система контроля давления в шинах
5.4 Беспроводные датчики с автономным питанием
5.5 Пьезоэлектрические источники энергии для артиллерийских боеприпасов и аналогичных приложений
5.6 Автономное обнаружение события ударной нагрузки с помощью логической схемы безопасности и приложений
5.6.1 Автономное устройство обнаружения и инициирования события ударного нагружения
5.6.2 Переключающие приложения для обнаружения события ударного нагружения и обнаружения события
Список литературы
Индекс

Предисловие

Сбор энергии — это технология преобразования энергии в энергию, включающая процессы, которые генерируют электрическую энергию из других источников энергии, таких как механическая, термическая, химическая, солнечная и радиочастота.Использование механической и солнечной энергии представляет собой наиболее развитые технологии и предлагает решения для широкого диапазона уровней энергии. Солнечные элементы используются для питания наручных часов, калькуляторов и дорожных знаков, в то время как решения для сбора механической энергии на основе пьезоэлектрических преобразователей используются для сбора энергии из таких источников, как вибрация или ударные нагрузки. Например, комбайны на основе радиочастоты находят применение для преобразования окружающей электромагнитной энергии в узлы датчиков мощности.Преобразование тепловые градиенты в электрическую энергию — еще одна перспективная технология.

Эта книга ограничивается генерированием небольших количеств электрической энергии в локальном масштабе и преобразованием механического потенциала и кинетической энергии в электрическую энергию. Лица, заинтересованные в изучении фундаментальных концепций сбора энергии, найдут трактовку соответствующих тем удобочитаемой с небольшими предварительными требованиями к инженерным темам.Эта книга будет интересна разработчикам приложений из различных дисциплин и отраслей. Он дает фундаментальное представление о масштабах технологии сбора энергии, а также о компромиссах и ограничениях для практических систем.

Книга будет интересна тем, кто хочет знать как возможности, так и недостатки технологий сбора энергии. Это особенно полезно для проектирования систем сбора энергии, поскольку обеспечивает систематический подход к выбору надлежащих механизмов преобразования, методов взаимодействия с основной системой, а также вариантов сбора и кондиционирования электроэнергии.

Книга разделена на пять глав. В главе 1 кратко описаны различные процессы преобразования энергии, которые в настоящее время используются для производства электроэнергии из таких источников, как солнечная энергия, радиочастота, термоэлектрическая энергия и энергия, полученная в результате деятельности человека.

В главе 2 описаны три основных типа преобразователей, которые обычно используются для преобразования механической энергии в электрическую, то есть пьезоэлектрические, электромагнитные и электростатические.Также кратко представлены магнитострикционные преобразователи.

В главе 3 представлен углубленный анализ механизмов взаимодействия, используемых для соединения хост-системы с устройством сбора энергии для эффективной передачи механической кинетической и / или потенциальной энергии на преобразователь.

В главе 4 рассматриваются схемы сбора и кондиционирования, необходимые для извлечения генерируемой электроэнергии для доставки в нагрузку. Тема глав 2, 3 и 4 показывает связь между тремя компонентами системы сбора энергии, а именно, механизмом взаимодействия с хостом, преобразователем и схемой сбора и кондиционирования.

В дополнение к конструкции эффективных комбайнов для сбора энергии в этой книге также обсуждается, как определенные типы комбайнов для сбора энергии могут быть настроены для обеспечения возможности обнаружения с автономным питанием. Дополнительная схема, не требующая какого-либо внешнего питания, также может обеспечить дальнейшее улучшение за счет включения логических функций. В главе 5 представлены тематические исследования, в которых особое внимание уделяется сбору энергии на основе ударных нагрузок и сенсорным приложениям.

Предоставляется обширный список ссылок, чтобы направить читателя к соответствующей литературе для более подробного материала, не охваченного в книге.

Мы благодарим Джеймса Харрингтона, редактора серии учебных пособий SPIE, за призывая нас написать книгу, а также Тима Ламкинса, пресс-менеджера SPIE, за его редакционные предложения и поддержку. Мы очень ценим усилия, терпение и руководство Николь Харрис, нашего редактора SPIE.

Джахангир Растегар и Харбанс С. Дхадвал
Нью-Йорк Декабрь 2016 г.

Cruise покупает солнечную энергию у фермеров Калифорнии для питания своего электрического автопарка — TechCrunch

Cruise, компания по производству беспилотных автомобилей, принадлежащая General Motors, запустила новую инициативу под названием Farm to Fleet, которая позволит компании получать солнечную энергию от ферм в Центральной долине Калифорнии.San Francisco Chronicle первой сообщила новость о том, что Cruise напрямую покупает кредиты на возобновляемые источники энергии у компаний Sundale Vineyards и Moonlight, чтобы помочь в обеспечении своего парка полностью электрических автономных транспортных средств в Сан-Франциско.

Cruise недавно получила разрешение на перевозку пассажиров на своих тестовых автомобилях в Сан-Франциско без оператора, обеспечивающего безопасность человека, за рулем. Компания также наращивает свой марш к коммерциализации, недавно предоставив кредитную линию в размере 5 миллиардов долларов от GM Financial для оплаты сотен электрических и автономных транспортных средств Origin.Хотя это партнерство с калифорнийскими фермерами, несомненно, является благом для работы штата по развитию возобновляемых источников энергии, а также обеспечивает рабочие места и финансовые возможности для местного бизнеса, Cruise здесь не занимается благотворительностью.

Калифорнийский независимый системный оператор обратился к производителям электроэнергии на западе Соединенных Штатов с просьбой продать этим летом штату больше мегаватт в ожидании аномальной жары, которая повысит спрос на электроэнергию и может вызвать отключение электроэнергии.Энергоснабжение ниже ожидаемого уже из-за засух, отключений и задержек с вводом новых источников энергии в сеть, что приводит к сокращению выработки гидроэлектроэнергии. Чтобы сеть Калифорнии могла справиться с огромным увеличением размера флота, который планирует Cruise, у компании нет иного выбора, кроме как найти творческие способы поддержки сети. Круз, однако, твердо уверен, что у нее есть более высокие цели, чем получение энергии из любых доступных источников.

«Все дело в том, что мы делаем правильные вещи для наших городов и сообществ и фундаментально трансформируем транспорт к лучшему», — сказал TechCrunch представитель Cruise Рэй Верт.

Из-за засухи, продолжающей преследовать фермеров Калифорнии, преобразование сельскохозяйственных угодий в солнечные фермы — это потенциальный способ помочь штату в достижении целей по изменению климата, согласно отчету экологической некоммерческой организации Nature Conservancy. Вот почему Круз увидел логику в обращении к фермерам Центральной долины сейчас.

«От фермы к флоту — это средство для быстрого сокращения выбросов от городского транспорта и одновременного получения новых доходов для фермеров Калифорнии, ведущих в области возобновляемых источников энергии», — сказал Роб Грант, вице-президент Cruise по социальным вопросам и глобальному влиянию, в своем блоге.

Cruise оплачивает договорные ставки с фермами через своего партнера по экологически чистой энергии, BTR Energy. Компания не раскрывает расходы, но заявляет, что платит не больше и не меньше, чем то, что она заплатила бы за использование других форм кредитов на возобновляемые источники энергии (REC). REC производятся, когда возобновляемый источник энергии вырабатывает один мегаватт-час электроэнергии и передает его в сеть. По словам Круза, Sundale установила 2 мегаватта солнечной энергии для питания своих холодильных складов площадью 200 000 квадратных футов, а Moonlight установила вместе 3.9 МВт солнечных батарей и двухбатарейная система хранения для его сортировки и хранения. Поэтому, когда Cruise покупает кредиты у этих ферм, он может сказать, что определенное количество электроэнергии было использовано из возобновляемых источников. REC уникальны и отслеживаются, поэтому ясно, откуда они взялись, какую энергию они использовали и куда пошли. Cruise не сообщил, сколько РЭЦ он планирует закупить у ферм, но говорит, что этого будет достаточно для питания своего флота в Сан-Франциско.

«В то время как солнечная энергия по-прежнему течет через ту же сеть, Cruise покупает и затем« списывает »кредиты на возобновляемые источники энергии, генерируемые солнечными панелями на фермах», — сказал Верт.«Посредством данных, которые мы ежеквартально представляем в Калифорнийский совет по воздушным ресурсам, мы выводим из эксплуатации ряд РЭУ, эквивалентных количеству электроэнергии, которую мы использовали для зарядки наших транспортных средств».

Cruise также работает с BTR Energy, чтобы завершить поставку РЭУ для своих операций в Аризоне, включая пилотную поставку с Walmart.

Верт говорит, что использование полностью возобновляемой энергии на самом деле выгодно для Cruise в Калифорнии из-за стандарта низкоуглеродного топлива, который разработан для снижения углеродоемкости транспортного топлива в штате и предоставления более низкоуглеродных альтернатив.Cruise владеет и управляет всеми собственными портами для зарядки электромобилей, поэтому может генерировать кредиты на основе показателя углеродоемкости электричества и количества доставленной энергии. Затем Cruise может продавать свои кредиты другим компаниям, стремящимся сократить свое присутствие и соблюдать правила.

Помимо практичности, Cruise стремится установить стандарт для отрасли и создать спрос на возобновляемые источники энергии, тем самым побуждая больше людей и предприятий создавать ее.

Арам Шумавон, генеральный директор стартапа по сетевой аналитике Kevala, говорит, что Cruise заслуживает похвалы за это партнерство.

«Круз, кажется, пытается признать, что существует углеродоемкость, связанная с потребляемой ими электроэнергией, и они каким-то образом компенсируют это», — сказал Шумавон TechCrunch. «Существует целая категория учета выбросов углерода, называемая Объемом 3, которая пытается понять, сколько углерода на самом деле включает в себя цепочка поставок, которую вы используете для предоставления своих услуг, и Круз, вероятно, как очень осознанное решение, выходит из нее. перед требованиями Scope 3.”

Шумавон сказал, что, оценивая общую углеродоемкость коммерческой деятельности, компании становятся более ответственными перед ней и затем могут стимулировать изменения, запрашивая у поставщиков их поставки из возобновляемых источников энергии. Например, автопроизводитель может попросить своего поставщика алюминия закупать электроэнергию только в районе, где есть гидроэлектроэнергия, а не уголь, что в конечном итоге снизит углеродоемкость автопроизводителя.

«На транспорт приходится более 40% выбросов парниковых газов, поэтому в феврале мы объявили о нашем конкурсе Clean Mile Challenge, в ходе которого мы попросили остальную часть индустрии AV сообщать, сколько миль они проезжают на возобновляемых источниках энергии каждый год. — сказал Верт.«Мы надеемся, что другие последуют нашему примеру».

Эта статья была обновлена, чтобы отразить новую информацию, предоставленную Cruise, а также комментарии экспертов от Арама Шумавона, генерального директора Kevala.

Вызванные влагой автономные колебания поверхностного потенциала для сбора энергии

Колебания поверхностного потенциала

Одним из распространенных примеров колебаний в природе является концентрация кальция в живых клетках, способствующая передаче внутриклеточной биологической информации 39,40 .Индуцированный кальцием процесс высвобождения Ca 2 + (CICR) проиллюстрирован на дополнительном рисунке 1, где трифосфат инозитола (IP 3 ) помогает высвобождению Ca 2+ в цитоплазму из первого пула. , что приводит к увеличению концентрации Ca 2+ как процесс положительной обратной связи. Некоторые аналогичные сравнения могут быть сделаны для наблюдаемого явления колебаний поверхностного потенциала, вызванного влагой, поскольку концентрация H + может колебаться с помощью влаги.В процессе CICR часть высвобожденных ионов Ca 2+ перекачивается обратно в первый пул, а второй пул Ca 2+ также существует в цитоплазме для высвобождения или поглощения Ca 2+ в ответ на концентрацию бесплатный Ca 2+ . В результате концентрация Ca 2+ постоянно колеблется. Поверхностный потенциал полимерного материала, полимера P (MEDSAH-co-AA), как показано на рис. 1а, также колеблется, как это наблюдается в этой работе. Полимер синтезирован методом радикальной полимеризации 41 с двумя мономерами, [2- (метакрилоилокси) этил] диметил- (3-сульфопропил) гидроксид аммония (MEDSAH) и акриловой кислотой (AA), инициированный персульфатом аммония. (APS) и полимеризовали с помощью подробного процесса, как показано на дополнительном рис.2. Соотношения мономеров MEDSAH и AA (MEDSAH / AA) в прототипах составляют 1/2, 1/3 и 1/4 соответственно. Чтобы охарактеризовать распределение мономеров внутри полимера, выполняется энергодисперсионная рентгеновская (EDX) спектроскопия, и линия N-K \ (\ alpha \) выбирается для представления MEDSAH. Дополнительный рис. 3 иллюстрирует, что два мономера равномерно распределены в прототипах при различных соотношениях MEDSAH / AA. Синтезированный полимер является прозрачным (вставка на рис. 1а) и содержит группы N + , –SO 3 и –COOH, которые играют ключевую роль в процессе колебаний поверхностного потенциала.

Рис. 1: Полимер с колебаниями поверхностного потенциала.

a Химическая структура синтезированного полимера поли ([2- (метакрилоилокси) этил] диметил- (3-сульфопропил) гидроксид аммония-соакриловая кислота) (P (MEDSAH-co-AA)) с ключевые химические группы, которые производят автономные колебания поверхностного потенциала. На вставке: оптическое фото синтезированной прозрачной полимерной пленки. b Схематическое изображение процесса транспортировки протона через функциональные группы N + , –SO 3 и –COOH в P (MEDSAH-co-AA) с соответствующими химическими реакциями: (r1) генерация протонов в процессе положительной обратной связи, (r2, r3) восстановление протонов в процессах отрицательной обратной связи и (r4, r5) промежуточные взаимодействия. c Результаты кинетического моделирования зависимости концентрации H + от времени по химическим реакциям. d Увеличенный вид результатов кинетического моделирования c .

Подробная модель разработана для качественного объяснения процесса электрохимических колебаний соответствующими химическими реакциями от r1 до r5 на рис. 1b. Модель начинается с высвобождения протонов при введении влаги для активации функциональных групп в полимере, о чем свидетельствует инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье с ослабленным полным отражением (НПВО-Фурье-ИК) (дополнительный рис.4). В частности, группы карбоновой кислоты (–COOH) могут генерировать свободные протоны при воздействии влаги (r1), что увеличивает полярность и притягивает влагу для ускорения процесса ионизации. Это поведение притяжения влаги дополнительно подтверждено на дополнительном рис. 5, где полимеры с высоким содержанием –COOH могут поглощать влагу с более высокой скоростью в процессе гидратации и поддерживать более высокие концентрации влаги в процессе дегидратации по сравнению с полимерами с низким –COOH. содержание.В результате концентрация свободных протонов увеличивается в процессе положительной обратной связи. Влага также помогает разорвать динамические связи между группами N + и –SO 3 (r2), а группы SO 3 могут захватывать протоны (r3) с образованием сульфоновой кислоты (- SO 3 H). Эти две реакции ответственны за снижение концентрации протонов как процессы отрицательной обратной связи. Кроме того, протоны переносятся от сульфоновой кислоты к карбоновой кислоте и –COOH (r4), и динамические связи между группами N + и –SO 3 будут переформулированы (r5).Общие процессы от r1 до r5 (дополнительный рисунок 6) показывают, что группы N + , –SO 3 и –COOH завершают свои индивидуальные циклы по мере того, как влага диффундирует в P (MEDSAH-co-AA) полимер, способствующий самоподдерживающемуся явлению колебаний концентрации протонов. Когда внутри полимера существует градиент концентрации влаги, он может вызывать анизотропные колебания локальных концентраций протонов, что приводит к общим колебаниям поверхностного электрического потенциала.

На основе этих химических реакций создана кинетическая модель для качественного объяснения механизма автономных колебаний, а примеры результатов моделирования показаны на рис. 1c и d. Обнаружено, что концентрация протонов может колебаться, в то время как относительная интенсивность концентрации протонов постепенно уменьшается с течением времени. Снижение величины концентрации протонов с течением времени также обнаруживается в процессе колебаний кальция в живых клетках 40 . В частности, результаты моделирования показывают, что интенсивность поверхностных протонов снижается примерно до 87% от своего первоначального значения после 2000 с и колеблется примерно с 70 с за цикл для прототипа устройства путем настройки параметров в соответствии с экспериментальными наблюдениями.При изменении кинетических параметров в моделировании период колебаний и деградация интенсивности изменятся, и эти параметры подробно изучаются в Подтверждающем объяснении 1.

На рисунке 2а показаны колебания поверхностного потенциала синтезированного полимера, вызванные протоном (H + ) колебания концентрации. Экспериментально колебания концентрации протонов на поверхности характеризуют с помощью датчика pH. На рис. 2b показан график зависимости pH от времени за один цикл, а на рис.2c показан график зависимости напряжения от времени для накопителя энергии за один цикл. Эти результаты измерений в реальном времени демонстрируют явление колебаний протона / напряжения. Считается, что такое поведение происходит из-за изменения химического потенциала, поскольку влага из окружающей среды диффундирует через структуру полимера. В частности, химический потенциал влаги в воде в среде с высокой влажностью выше, чем у поглощенной влаги в полимере. В результате изменение свободной энергии Гиббса в поглощенной влаге преобразуется в электрическую энергию в сборщике энергии на основе химического потенциала 6 .В другом тесте анализ KPFM используется, чтобы показать колебания поверхностного потенциала за более длительный 12-минутный период времени (дополнительный рисунок 7).

Рис. 2: Проверка рабочего механизма.

a Схематическая диаграмма, показывающая колебания поверхностного потенциала полимера поли ([2- (метакрилоилокси) этил] диметил- (3-сульфопропил) гидроксид аммония и акриловой кислоты) (P (MEDSAH-co-AA)) . b График зависимости pH от времени для поверхности полимера P (MEDSAH-co-AA) за один цикл. c График зависимости напряжения от времени за один цикл. d Оптическая фотография собранного энергоаккумулятора на основе полимера P (MEDSAH-co-AA). e Результаты моделирования в COMSOL, показывающие колебания потенциала поверхности комбайна в зависимости от времени.

Самовозбуждающиеся колебания дополнительно анализируются в Дополнительном объяснении 2 путем установления основных уравнений, основанных на химических реакциях r1 – r5 и сохранении веществ. После этого к каждой переменной добавляются небольшие возмущения и выводятся уравнения динамики системы.Затем анализируются матрица устойчивости и фазовые портреты динамических уравнений, и обнаруживается, что система имеет хаотический характер и колеблется со скрытыми аттракторами 42 . В результате это вызванное влагой явление автономных колебаний поверхностного потенциала характеризуется как хаотическая система без равновесия в пользу продления периода эксплуатации. Другое сходство используется на основе биологического процесса CICR в Поддерживающем объяснении 3. В частности, IP 3 в процессе CICR играет роль, аналогичную H 2 O, для запуска процесса колебаний концентрации протонов.Первый пул в процессе CICR аналогичен группе –COOH для процесса положительной обратной связи, а второй пул в процессе CICR аналогичен группе –SO 3 для процесса отрицательной обратной связи.

Колебания поверхностного потенциала, вызванные влагой, применимы для систем сбора энергии. Ранее в нескольких отчетах были показаны энергоуборочные комбайны с функцией измерения влажности и выходами постоянного тока 43,44,45,46 . Эта работа демонстрирует выходную мощность переменного тока, вызванную влажностью, при относительно постоянном уровне влажности.На рис. 2d показана оптическая фотография вида сверху прототипа энергоуборочного комбайна из MEDSAH / AA с соотношением 1/2 и 2 × 2 см размером 2 . Устройство имеет один синтезированный слой P (MEDSAH-co-AA), зажатый между двумя электродами, сделанными из золота с покрытием из полиимидной (PI) пленки, а вид в поперечном сечении показан на дополнительном рисунке 8. Верхний электрод имеет круглые отверстия по 2 мм в диаметре, чтобы обеспечить прямое воздействие влаги. Если слой P (MEDSAH-co-AA) заменить обычной копировальной бумагой, никакие видимые электрические выходы не будут идентифицированы (дополнительный рис.9), что исключает возможное влияние электрохимических реакций на стыках золотых электродов и медных проводов. Колебания поверхностного потенциала на полимерной пленке могут вызывать колебания электростатического потенциала на верхнем электроде, что приводит к выходам переменного тока, как показано в результатах моделирования COMSOL на рис. 2e и дополнительном видеоролике 1. Статическое стационарное моделирование реализовано здесь, чтобы проиллюстрировать электростатический потенциал. выходы, вызванные колебаниями поверхностных зарядов.Смоделированный диапазон выходного напряжения составляет от -0,2 до 0,4 В, что согласуется с экспериментальными результатами на рис. 2c.

Сборщик энергии, индуцируемый влагой, с выходами переменного тока

Экспериментально образец сушили при относительной влажности 30% в окружающей среде в течение 24 часов (снижение собственной влажности для повышения производительности сборщика химической потенциальной энергии 6 ) перед процесс увлажнения с помощью ультразвукового увлажнителя (Pure Enrichment Inc.). Экспериментальные результаты показывают выработку электроэнергии в виде выходов переменного тока после введения увлажнителем 100% относительной влажности в течение 1400 с.Обнаружено, что плотность тока короткого замыкания первоначально увеличивается до максимального значения около 1 мкА / см 2 через 2000 с (верхняя левая вставка на рис. 3a). Средний период колебаний составляет около 76,7 с, что используется в качестве подгоночного параметра для кинетического моделирования на 70 с (рис. 1d). Результат зависимости напряжения холостого хода от времени показан на рис. 3b со средним периодом колебаний напряжения 70,3 с при комнатной температуре, а результат зависимости тока короткого замыкания от времени показан на рис.3c. Оба теста измеряются независимо из-за их различных настроек, поэтому ожидаются незначительные отклонения. Из-за хаотического характера процесса (подтверждающее объяснение 2) моделирование не может точно предсказать экспериментальные результаты. Тем не менее, основные экспериментальные результаты сводятся к следующему: (1) средние периоды колебаний тока и напряжения в экспериментах составляют 76 и 70 с соответственно; и (2) статистические данные показывают большое количество рабочих периодов около 70 с, в то время как период простоя (шумы с выходами низкого уровня) составляет около 150 с (дополнительный рис.10).

Рис. 3: Характеристики прототипа комбайна для сбора энергии на основе колебаний поверхностного потенциала.

a Плотность тока короткого замыкания в зависимости от времени прототипа энергоуборочного комбайна до введения влаги (серый цвет), после процесса увлажнения увлажнителем (синий цвет) и процесса обезвоживания путем удаления увлажнителя ( красный цвет). На вставках показаны увеличенные изображения процессов смачивания (вверху слева) и обезвоживания (вверху справа). b Зависимость напряжения холостого хода от времени в процессе увлажнения увлажнителем. c Результаты испытаний периода рабочего цикла на напряжение холостого хода и ток короткого замыкания. d Пример замены мономера [2- (метакрилоилокси) этил] диметил- (3-сульфопропил) аммония (MEDSAH) на поли (акриловую кислоту) (PAA) для удаления SO 3 и N + групп в полимере, который останавливает автономные колебания, приводящие к электрическим выходам постоянного тока. e В другом примере мономер акриловой кислоты (AA) заменяется акриламидом для удаления групп –COOH, и также наблюдаются только выходы постоянного тока.

Также наблюдается, что плотность тока на выходах постепенно уменьшается после достижения пикового значения. В этом тесте увлажнитель выключается через 4500 с, и в системе происходит естественный процесс обезвоживания, что приводит к уменьшению выходного тока (верхняя правая вставка на рис. 3a). Примерно на отметке 13 600 с наблюдается резкое падение плотности тока. Качественно процесс притяжения и испарения влаги может со временем достичь состояния равновесия, и внутри устройства не будет градиента концентрации влаги.Таким образом, процесс колебания поверхностного потенциала может прекратиться, и процесс выработки энергии закончится. Экспериментальным путем было обнаружено, что при увеличении уровня внешней влажности, уровень электрической выходной мощности также увеличивается (дополнительный рисунок 11), и размещение небольшой капли воды на устройстве также будет генерировать электричество с выходной мощностью, близкой к выходной мощности комбайнов, подвергающихся воздействию энергии. 100% относительной влажности (Дополнительный Рис. 12). При испытании на долговечность при 100% относительной влажности этот процесс выработки энергии может длиться в течение длительного периода времени от 500 до 15 000 с или около 4 часов, как показано на дополнительном рис.13.

Материальные системы без ключевых химических реакций, способствующих циклическому процессу, не смогли бы вызвать автоколебательный процесс. Например, если мономер MEDSAH заменен поли (акриловой кислотой) (PAA) для удаления -SO 3 и групп N +, результаты тестирования показывают только выходы постоянного тока, как показано на рис. 3d. В другом примере группы –COOH удаляются заменой мономера AA на акриламид, что приводит к выходам только постоянного тока на рис. 3e. Эти два контрпримера предполагают, что ключевые ингредиенты и реакции, предлагаемые в полимерной системе, незаменимы для индукции колебаний поверхностного потенциала для выходных сигналов переменного тока сборщиков энергии, вызванных влагой.

Параметры, влияющие на производительность и демонстрацию применения

Электрические выходы сборщиков энергии, вызванной влагой, были исследованы путем изменения состава полимера P (MEDSAH-co-AA) и рабочей температуры. При фоновой температуре 28 ° C максимальная плотность тока короткого замыкания и напряжение холостого хода в зависимости от времени для сборщиков энергии с отношениями MEDSAH / AA 1/2, 1/3 и 1/4 показаны на рис. 4а, а результаты зависимости тока от времени показаны на дополнительном рис.14. Чтобы уменьшить влияние окружающих шумов, конденсатор (4,7 мкФ) был заряжен прототипом устройств с выпрямителем, и его выходное напряжение было записано на дополнительных рисунках 15a и b. В других сборщиках энергии с выходами переменного тока, таких как пьезоэлектрические и трибоэлектрические сборщики энергии, также используются выпрямители для аккумулирования электроэнергии переменного тока в виде конденсаторов , 47,48 . Установлено, что при увеличении отношения MEDSAH / AA максимальная плотность тока и напряжение увеличиваются с 1.2 мкА / см 2 и от 0,32 В до 1,7 мкА / см 2 и 0,4 В соответственно из-за приращения групп –COOH в системе. Результаты моделирования также предсказывают увеличение амплитуды колебаний по мере увеличения состава АК (дополнительный рисунок 16). Было обнаружено, что средний период колебаний тока, который связан с кинетикой реакции, составляет около 72 с для всех испытанных полимеров различного состава, как показано на фиг. 4b. С другой стороны, при соотношении MEDSAH / AA, равном 1/2, максимальная плотность тока короткого замыкания и напряжение холостого хода опытного образца энергоуборочного комбайна при температурах 12, 28 и 60 o C проверяются, как показано на рис. .4c (более подробная информация на дополнительном рис. 15 и токовые выходы на дополнительном рис. 17). При понижении температуры до 12 ° C максимальная плотность тока и напряжение немного уменьшаются до 1,1 мкА / см 2 и 0,30 В, а средний период колебаний увеличивается до 97 с (дополнительный рисунок 17a). При повышении рабочей температуры до 60 ° C максимальные значения плотности тока и напряжения увеличиваются до 1,6 мкА / см 2 и 0,33 В, а средний период колебаний уменьшается до 57 с (дополнительный рис.17б). Аналитически скорость реакции увеличивается в высокотемпературной среде под напряжением, и это явление отрицательной корреляции между температурой и периодом колебаний также предсказывается результатами моделирования, показанными на дополнительном рисунке 18.

Рисунок 4: Электрическая мощность характеристики для уборочных машин с индуцированной влажностью энергии с различным соотношением мономеров и при различных температурах окружающей среды.

a Максимальная плотность тока короткого замыкания и напряжение холостого хода для энергетических комбайнов с соотношением [2- (метакрилоилокси) этил] диметил- (3-сульфопропил) гидроксид аммония (MEDSAH) / акриловой кислоты (AA), равным 1 / 2, 1/3 и 1/4 при 28 o C. b Измеренные средние периоды выхода электрических колебаний энергетических комбайнов с отношениями MEDSAH / AA 1/2, 1/3 и 1/4 при температуре ниже 28 ° C. c Максимальная плотность тока короткого замыкания и напряжение холостого хода энергетических комбайнов при рабочих температурах 12, 28 и 60 ° C соответственно. d Измеренные средние периоды выходных электрических колебаний энергетических комбайнов при температурах 12, 28 и 60 ° C соответственно. Планки погрешностей показывают диапазон минимальных и максимальных значений.

Рабочие характеристики различных комбайнов, использующих влагу и использующих искусственные материалы, приведены на рис. 5a. В целом предыдущие работы показали, что сборщики энергии, вызванные влажностью, могут генерировать выход постоянного тока. Здесь автономные колебания поверхностного потенциала используются для создания выходных сигналов переменного тока или напряжения и обеспечивают длительное постоянное время работы, а также хорошую плотность энергии от прототипов устройств. Например, результаты тестирования показывают, что время работы более 15000 с (около 4 часов) при плотности выходной энергии 16.8 мДж / см 2 может быть достигнуто. Такое долгое время работы обеспечивает устойчивую выработку энергии при относительно постоянном источнике влаги в качестве источника зеленой энергии. Кроме того, сборщик энергии может использоваться повторно, как показано на рис. 5b, где максимальное значение плотности тока около 1,5 мкА / см 2 было установлено для трех независимых испытаний.

Рис. 5: Сравнение производительности электрических генераторов, индуцируемых влагой, и возможности многократного использования наших прототипов энергоуборочных комбайнов.

а Сравнение влагоиндуцированных электрогенераторов на основе искусственных материалов в период эксплуатации и плотности энергии. Эта работа имеет длительное время действия и высокую плотность энергии среди сборщиков энергии на основе влаги, и эти два параметра могут быть дополнительно улучшены за счет использования других материалов, основанных на аналогичных механизмах автоколебаний. b Результаты измерения выходного тока в зависимости от времени для опытного образца энергоуборочного комбайна остаются аналогичными в трех различных последовательных независимых испытаниях.

Простая стратегия увеличения выходного напряжения комбайна — это последовательное соединение устройств. Как показано на рис. 6a, выходы пяти устройств (отношение MEDSAH / AA 1/4) выпрямляются и подключаются последовательно для достижения напряжения 2 В, что достаточно для включения ЖК-дисплея (дополнительный фильм 2). Демонстрация практического использования представлена ​​на рис. 6b путем последовательного подключения пяти устройств на стене ванной комнаты, наполненной влагой во время принятия душа, для включения ЖК-дисплея. Это прямое подтверждение того, что энергоуборочный комбайн с увлажнением может использоваться в естественных условиях с высокой влажностью для производства электроэнергии.

Рис. 6: Демонстрация сборщиков энергии, вызываемых влагой.

a Выпрямленное выходное напряжение в зависимости от времени пятью устройствами, подключенными последовательно. Врезка: электрическая схема. b Освещение жидкокристаллического дисплея в ванной влагой из душа. На вставке показано увеличенное изображение системы.

Таким образом, было охарактеризовано явление колебаний поверхностного потенциала в индуцированном влагой P (MEDSAH-co-AA) полимере и продемонстрирован сборщик энергии переменного тока.Химические реакции, ответственные за поведение автономных колебаний потенциала, анализируются и моделируются кинетическим моделированием, чтобы качественно охарактеризовать это явление. Изучая уравнения динамики системы и матрицу устойчивости, было обнаружено, что система имеет хаотическую природу и колеблется со скрытыми аттракторами, вызывая автономные колебания поверхностного потенциала. У прототипа комбайна для сбора энергии максимальная измеренная плотность тока короткого замыкания составляет 1,5 мкА / см 2 , а максимальное напряжение холостого хода — 0.4 В с длительным временем работы до 15 000 с в среде с повышенным содержанием влаги для выработки плотности энергии 16,8 мДж / см 2 . В качестве демонстрации практического применения ЖК-дисплей успешно освещается путем последовательного подключения пяти сборщиков энергии для получения выходного напряжения 2 В.

Для автономной работы требуется отказоустойчивая, реконфигурируемая и подключенная электрическая сеть для силовой установки

Альф Кари Однанес, менеджер по электрическим решениям, ABB Marine & Ports
Микко Леписто, менеджер по цифровым решениям, ABB Marine & Ports

Видение автономного судоходства может быть ближе, чем многие думают.Некоторые из ключевых технологий уже доступны сегодня, и судовладельцы-новаторы готовятся испытать их в коммерческих приложениях.

Рисунок 1

Поскольку автономные технологии быстро развиваются, все еще существует потребность в установлении стандартов для проектирования и эксплуатации самоходных судов. Также необходимо наличие правил и положений, обеспечивающих безопасность и надежность автономных судовых операций. А пока мы увидим поэтапное развитие с развертыванием автоматизированных систем, удаленного подключения и программного обеспечения для оперативной поддержки.Каждый из этих последовательных шагов будет приносить пользу экипажам, владельцам автопарков и поставщикам услуг.

Центральным элементом автономных концепций являются методологии визуализации и анализа окружающей среды корабля, а также средства управления маневрированием и планированием рейса. Сюда входят сенсорные технологии, программная аналитика и методы искусственного интеллекта или машинного обучения для безопасных и оптимальных операций между портами. Удаленное подключение необходимо для мониторинга судов и взаимодействия с ними.

Не менее важно обеспечить, чтобы основные системы корабля для стыковки, маневрирования и навигации были готовы ко все более автономным операциям. Традиционная механическая силовая установка не поддерживает высокую отказоустойчивость и избыточность и зависит от способности инженеров вмешаться в случае сбоев. На беспилотных судах таких отказов следует избегать. В качестве альтернативы, система должна иметь возможность переконфигурировать в безопасный режим для непрерывной работы либо посредством автоматического самовосстановления, либо посредством взаимодействия с бортовой оцифрованной системой управления и мониторинга через удаленное соединение.Это одна из причин, по которой ABB считает, что следующее поколение судов — включая все более автономные суда — будет электрическими, цифровыми и подключенными.

В прошлом интеграция различных судовых систем ограничивалась ограниченной связью между аппаратным обеспечением и запатентованными технологиями, а также неадекватной производительностью и высокой стоимостью связи судно / берег через спутник или радио.

Теперь цифровая революция, облачные технологии и Интернет вещей, услуг и людей (IoTSP) изменили правила игры.Существуют платформы и стандарты для сбора и передачи большего количества данных от тысяч встроенных датчиков, что в конечном итоге улучшает управление судном. ABB создала ABB Ability TM , унифицированное межотраслевое цифровое предложение компании — от устройства до периферии и до облака — с устройствами, системами, решениями, услугами и платформой, которая позволяет клиентам повысить производительность и снизить затраты. ABB Ability ™ была запущена в 2017 году и уже предлагает более 210 решений, включая центры совместной работы ABB Ability ™ для морских судов.

Развитие продолжается в направлении автономных и даже беспилотных кораблей и флотов. Уже сегодня готовы технологии для демонстрации и пилотирования беспилотных судов на коммерческих маршрутах. В ноябре 2018 года пассажирский паром ледового класса Суоменлинна II прошел дистанционное пилотирование через испытательный полигон недалеко от гавани Хельсинки, что доказало, что человеческий контроль над судами из любого места возможен с помощью современных технологий. Суоменлинна II была оснащена системой динамического позиционирования ABB, ABB Ability ™ Marine Pilot Control, а управление ею осуществлялось из центра управления в Хельсинки.

Переход от традиционных конструкций кораблей к будущим был обеспечен за счет электрических силовых установок. Электростанции претерпели значительные изменения со времени первых крупномасштабных применений около 25-30 лет назад. Развитие было обусловлено требованиями к более высокой эффективности, снижению выбросов, безопасности за счет резервирования и комфорту для экипажа и пассажиров.

Сегодня электрические двигательные установки используются в самых разных типах судов с множеством основных концепций, начиная от распределительных систем переменного и постоянного тока до электромеханических гибридов, а в последнее время полностью электрических силовых поездов, использующих системы накопления энергии.

Новые и более чистые источники энергии получают все большее распространение в судоходстве, например, природный газ или новое жидкое топливо в качестве альтернативы традиционному мазуту и ​​судовому дизельному топливу. Водородные топливные элементы также исследуются на предмет разработки с нулевым уровнем выбросов. В середине 2018 года ABB подписала с Ballard Power Systems меморандум о взаимопонимании, касающийся разработки энергетической системы на топливных элементах следующего поколения для обеспечения устойчивой морской электронной мобильности. ABB и Ballard Power Systems будут использовать существующие технологии топливных элементов киловаттного масштаба и оптимизировать их для создания новаторского решения мегаваттного масштаба, подходящего для питания более крупных кораблей.

Помимо хорошо известных преимуществ энергоэффективности и гибкости использования любых источников электроэнергии, электрическую сеть легко спроектировать с точки зрения отказоустойчивости и доступности. Для пассажирских судов и судов с более высокими требованиями к безопасности, таких как суда DP, резервная электрическая силовая установка стала отраслевым стандартом.

Для автономных и беспилотных судов электроэнергетическая и двигательная установка является основой для достижения надежности и доступности, необходимых для преодоления потребности в бортовой обслуживающей бригаде.

В этом документе излагается целостный подход к проектированию системы, показывающий, что автоматическое, удаленное или ручное изменение конфигурации отказоустойчивости выгодно само по себе. Он также обеспечивает платформу для повышения безопасности навигации и стыковки, и эти строительные блоки в конечном итоге сделают возможными автономные и беспилотные операции с судами.

Электродвигатель в качестве основы

Система производства и распределения электроэнергии обеспечивает тесную интеграцию с системами автоматизации и управления, превращая судовые установки из просто связанных «блоков» в совместную и высокоавтоматизированную систему.Электрическая «магистраль» также расширяет диапазон жизнеспособных источников энергии, выходящих за рамки обычного сжигания, за счет использования экологически чистых батарей и топливных элементов.

Гибкость конструкции электрической силовой установки может обеспечить высокую доступность и эффективность за счет оптимального управления двигателем и нагрузки, использования пропульсоров с высокой надежностью, таких как движительная установка Azipod®, а также механической и гидродинамической эффективности.

Недавняя революционная технология — это бортовая сеть постоянного тока TM , система питания постоянного тока, обеспечивающая простую, гибкую и функциональную интеграцию источников энергии, таких как генераторные установки с регулируемой частотой вращения и валогенераторы, батареи и топливные элементы, рисунок 1.В отличие от распределительных систем на основе переменного тока, где подключенные генераторы должны соответствовать системному напряжению и частоте, бортовая сеть постоянного тока TM требует, чтобы генераторы только соответствовали системному напряжению. Это означает, что частота вращения генератора и двигателя может быть динамически оптимизирована в зависимости от нагрузки системы. Когда нагрузка на двигатель уменьшается, обороты двигателя также снижаются. Для среднеоборотного дизельного двигателя, работающего при частичной нагрузке, это может привести к снижению удельного расхода топлива более чем на 20%, а также к снижению выбросов и требований к техническому обслуживанию.Поскольку мощность регулируется индивидуально от каждого источника, нагрузку можно оптимизировать для управления эффективностью, производительностью и сроком службы.

Onboard DC Grid TM — хороший выбор благодаря своей простоте, повышенной отказоустойчивости, простоте интеграции накопителей энергии и альтернативным источникам топлива, которые сокращают выбросы, таким как СПГ или водород при производстве электроэнергии. Системная интеграция и контроль играют на сильных сторонах различных источников энергии в системе и обеспечивают строгий контроль потребителей с помощью системы управления мощностью и энергопотреблением (PEMS) для управления балансом мощности и энергии в системе.

Поэтапная эволюция к автономии

Список преимуществ уже может показаться убедительным, но интеллектуальные и экологически чистые суда выигрывают от электрической магистрали еще по одной причине: системы автоматизации могут быть полностью интегрированы, при этом вся информация, необходимая для управления судном, доступна в одной системе и на одной платформе.

Onboard DC Grid ™ с силовой электроникой обеспечивает уникальную платформу для цифровых решений на борту судна.Используя датчики и коммуникационную инфраструктуру, данные передаются между системами в мгновение ока. Это обеспечивает доступ к информации, которая позволяет мосту отслеживать и оптимизировать производительность вручную или автоматически.

Эта унифицированная платформа позволяет поддерживать полную интеграцию между системами автоматизации и энергоснабжения, а также цифровую связь на судне. В конечном итоге это обеспечивает шлюз, через который постоянно растущие вычислительные возможности в облаке могут быть использованы на условиях владельца, позволяя машинному обучению и аналитике подключенных данных обеспечить то, что ранее было невозможно в области энергоэффективности, управления активами и техническим обслуживанием оборудования, а также безопасность судна.Высокий уровень интеграции Onboard DC Grid ™ также означает, что высококачественная информация о состоянии и производительности доступна бортовым или удаленным операторам и инженерам по техническому обслуживанию по мере необходимости.

С этой отправной точки путь к полностью автономным и, в конечном итоге, беспилотным судам возможен с помощью поэтапного подхода, при котором каждый шаг демонстрирует результаты, имеющие индивидуальное значение для судовых операций.

Попутно важно вспомнить шаги, которые уже были предприняты, и изучить те, которые считались неизбежными, чтобы оценить, насколько далеко продвинулась морская отрасль в любой момент.С точки зрения ABB, строительные блоки включают:

  • Высоконадежные и реконфигурируемые электрические силовые установки, основанные на многолетнем опыте работы с судами с динамическим позиционированием, пассажирскими судами и ледоколами, где требования включают высокую доступность и надежность, а также оптимизированную конструкцию и управление для снижения эксплуатационных расходов.
  • Движительная установка Azipod® для уменьшения механической сложности силовой установки, а также высокой эффективности и маневренности силовой установки (Рисунок 2).
  • Системы накопления энергии для уменьшения износа двигателей, дальнейшей оптимизации работы для снижения расхода топлива и резервного питания на случай отказа двигателя.
  • Источники энергии на топливных элементах для сокращения выбросов и создания систем с несколькими источниками энергии.
  • Усовершенствованные системы защиты и бортовая сеть постоянного тока ™ для обеспечения отказоустойчивого проектирования электрической системы с использованием каждого источника энергии в индивидуальных, оптимизированных условиях за счет интеграции всех источников и потребителей и реконфигурации с минимальным влиянием на производительность судна и безопасность после отказов компонентов.
  • Распределенные и резервные системы автоматизации, полностью интегрированные с электрическими силовыми установками для автоматического управления, мониторинга и диагностики оборудования.
  • Интегрированные навигационные системы с расширенными функциями для дополненной реальности, ситуационной осведомленности и поддержки навигации, такие как ABB Ability ™ Pilot Vision.
  • Системы оперативной поддержки для планирования операций, оптимизации судов и планирования маршрутов.
  • Информация о флоте онлайн, доступна в режиме реального времени и связана с береговыми операциями, с неограниченными возможностями обработки данных для анализа и оптимизации операций, производительности и состояния судов и флотов.В ABB это реализовано в Центрах совместных операций ABB Ability ™.

Каждый из этих строительных блоков имеет свою ценность в улучшении характеристик и операций судна. В совокупности они представляют собой плацдармы на пути к беспилотным или малочисленным пилотируемым кораблям с автономным управлением и навигацией.

Рисунок 2

Проектная готовность для беспилотной техники

На любом уровне общей концепции доступность и надежность всех основных судовых систем будет иметь решающее значение для принятия автономных и беспилотных судов.Электроэнергетическая установка является необходимой основой для обеспечения надежной и оптимизированной мощности систем движения, маневрирования и управления.

На традиционных судах с электрической силовой установкой доступность достигается за счет резервирования. Такие системы необходимы для безопасности пассажирских судов, ледоколов и морских судов с высокими требованиями к безопасности с использованием динамического позиционирования (DP).

Система для морского судна на Рисунке 3 спроектирована с использованием электростанции с двумя подстанциями, электрически соединенными с главными распределительными щитами через шинную стяжку или переход.Эти две подсистемы должны работать независимо друг от друга. За счет увеличения количества подсистем последствия отказа будут относительно сокращены: с 50% потери мощности в сбалансированной системе с двумя разделами, до 33% в системе с тремя разделами (Рисунок 4), 25% в четырех -split и так далее.

  • Рисунок 3
  • Рисунок 4

Традиционная конструкция основана на предположении, что бортовые инженеры могут определить и исправить неисправность и вернуть судно в нормальный режим работы.Поэтому философия заключается в том, чтобы сделать систему устойчивой к любому единовременному отказу. На судах с необслуживаемым машинным помещением экипаж может полагаться на автоматическую систему сигнализации для обнаружения неисправностей. В принципе это означает, что им не нужно постоянно находиться в машинном отделении. Только когда звучит сигнал тревоги, они входят в помещение, чтобы определить и решить проблему, прежде чем вернуться к другим обязанностям.

Традиционно радиальные электростанции (рисунок 5). использовались для упрощения проектирования и проверки систем защиты.В последнее время из-за того, что больше внимания уделяется расходу топлива и выбросам, используется конфигурация с замкнутым кольцом, чтобы обеспечить лучшую эффективность и доступность после единичного отказа.

  • Рисунок 5
  • Рисунок 6

На беспилотных судах нет экипажа, который мог бы вмешаться и отремонтировать. Во многих случаях поддержка может занять несколько дней или даже недель. Поскольку неисправную деталь нельзя отремонтировать или заменить, необходимо будет пересмотреть правила доступности. Один из подходов заключается в обеспечении доступности за счет высокой надежности критических компонентов и доступности за счет возможности перенастройки для обработки множественных отказов (рисунок 6):

  • Для компонентов, которые не могут быть легко размножены, таких как главные движители или доминирующие источники энергии, доступность должна обеспечиваться высоконадежными компонентами, т.е.е. с пониженной вероятностью отказов
  • Для других компонентов, таких как распределение энергии, система должна иметь возможность реконфигурировать себя для продолжения работы с минимальным влиянием на производительность, работая в отказоустойчивом состоянии после отказов. Реконфигурация может быть полностью автоматической на основе заранее определенных или интеллектуальных алгоритмов или выполняться удаленно из берегового центра управления.

Очевидно, будет ограничение на количество отказов, которые могут быть учтены, в зависимости от анализа отказов и рисков для операции

Помимо радиальной и кольцевой, можно также рассмотреть более сложные топологии, в которых системы могут быть соединены между собой точками звезды или в сочетании с кольцом (рисунок 7).В принципе, это может происходить на каждом уровне распределения на электростанции, тем самым создавая несколько путей для потока энергии от источников к потребителям.

Благодаря своей модульности новые источники энергии и накопители энергии имеют относительно схожий КПД и удельную мощность по сравнению с большей номинальной мощностью. Для повышения доступности одним из вариантов было бы проектирование с меньшими блоками источника / хранения. Упомянутые различные топологии в принципе могут быть соединены в любой комбинации для достижения требуемой отказоустойчивости и реконфигурируемости.В целях иллюстрации концептуальный проект показан на рисунке 8.

  • Рисунок 7
  • Рисунок 8

Такие альтернативные и расширенные топологии все еще нуждаются в оценке, прежде чем делать вывод об их осуществимости. Однако, скорее всего, мы увидим тенденцию в этом направлении. В то время как обычные системы переменного тока могут использоваться в качестве инфраструктуры для продвинутых топологий, Onboard DC Grid ™ является естественным выбором из-за простоты и скорости подключения.

Сводка

Морская отрасль недалеко от того, чтобы пожинать плоды полной цифровизации, как это и предполагалось вначале.

Взгляд АББ на корабли будущего прост. Они будут электрическими, цифровыми и связанными. Во-первых, силовая передача электрифицирована, чтобы использовать более чистые виды топлива и оптимизировать конструкцию для предполагаемой эксплуатации. Следующим шагом будет налаживание цифровых операций. Это, в свою очередь, позволяет осуществлять связанные совместные операции. Автономные и, возможно, беспилотные корабли войдут в состав флотов. Цель состоит не в устранении бригады, а в том, чтобы предоставить персоналу дополнительные задачи, которые позволят ему выполнять более эффективные и безопасные операции.

Электроход более эффективен, проще, гибче, цифровее и лучше связан. Электрические суда также являются естественной платформой для более интеллектуальных, цифровых и автоматизированных перевозок. Меньшие и более простые системы с меньшим количеством движущихся частей требуют меньшего обслуживания и контроля. Практически все можно диагностировать удаленно, а многие неисправности можно устранить или обойти автоматически или удаленно. Полностью электрическая силовая установка уже является жизнеспособным выбором для морского вспомогательного тоннажа, а также для небольших паромов и прибрежных судов, которые, скорее всего, станут первыми полностью автоматизированными судами, находящимися в коммерческой эксплуатации.

шкаф автономных водно-энергетических сетей

Уличный фонарь и мечеть подключены к электросети

Zoom Original (jpeg, 1.1M)

Источник: Джоан Барделетти

  • 1 Мавритания получает более 3000 часов солнечного света в год. Прямое солнечное излучение для (…)
  • 2 Helimax, канадский консультант по ветроэнергетике: «При скорости ветра 5-6 м / с в большинстве регионов более низкие скорости (…)

1Мавритания обширна, но с низкой плотностью населения, жители которой по большей части проживают в отдаленных деревнях. Предоставление доступа к основным услугам гражданам Мавритании — огромная проблема для этой страны, расположенной на перекрестке путей региона Магриба и Африки к югу от Сахары. Доступ к воде и электричеству там очень ограничен: только 50% жителей имеют доступ к безопасной питьевой воде (AFD, 2011), а уровень электрификации составляет 34% по стране (IRENA, 2015), с сильными географическими различиями.Только 3% сельского населения имеют доступ к электричеству. Дефицит инфраструктуры таков, что несколько сотен деревень еще не оборудованы. Контекст тем более способствует развитию частного предложения, потому что огромный потенциал страны в области возобновляемых источников энергии только начинает использоваться. Мавритания имеет одно из самых высоких уровней солнечного света на планете1 (UNECA, 2012) и входит в число 15 стран с лучшими ветровыми ресурсами в Африке2 (UNECA, 2012).

  • 3 В частности, Закон 2001-19 от 25 января 2001 г., касающийся Электроэнергетического кодекса
  • 4 Закон 2005-030 о Водном кодексе
  • 5 Закон 2001-18 от 25 января 2001 г. о создании Регулирующего органа (ARE), подчиняющегося Prime Mini (…)
  • 6 Например: Проект поддержки реструктуризации сектора водоснабжения, санитарии и энергетики (PARSEAE) (…)

2Власти Мавритании более десяти лет проводят амбициозную политику реформирования секторов водоснабжения и электроснабжения с целью борьбы с бедностью. Нормативно-правовая база, благоприятная для частного сектора, существует с конца девяностых годов, которая регулирует «аутсорсинг управления коммунальными услугами» для электроэнергии3 с 2001 года и для воды4 с 2005 года под ответственностью и надзором регулирующего органа. Полномочия (ARE) 5.Государство Мавритании стремится, в частности, предоставить мавританским компаниям возможность эксплуатации и обслуживания инфраструктуры, которую оно финансирует в деревнях, поскольку эти частные операторы не несут затрат на инвестирование в саму инфраструктуру. Эти компании отбираются путем проведения тендеров. Критерии отбора сосредоточены на техническом качестве тендеров и надежности компаний, участвующих в торгах, а не на цене продажи энергии, установленной государством, которое субсидирует при необходимости часть стоимости для покрытия расходов делегированного бизнеса. при сохранении доступных для пользователей цен.Несколько сторонников помогли этой политике, организовав финансирование для поддержки реформы секторов водоснабжения и электроснабжения6.

3Сиди Халифу — мавританский инженер и предприниматель, получивший образование во Франции. По окончании нескольких предпринимательских испытаний, в частности, проектных бюро и НПО, Сиди Халифу приобрел семейный бизнес CDS и развил его, сосредоточив свою деятельность на обеспечении всеобщего доступа к воде и энергии, особенно из возобновляемых источников.

Предприниматель Сиди Халифу

Zoom Original (jpeg, 188k)

Источник: Дэвид Мюнних

4Сильное предпринимательское видение структурирует бизнес-стратегию CDS7. Обеспечить села устойчивым, высококачественным электричеством и водоснабжением можно при соблюдении трех условий: строгое управление, доступные цены для клиентов и начальные инвестиции в инфраструктуру, покрываемую властями.

5С 2007 года CDS выиграла несколько конкурсов на аутсорсинг управления коммунальными предприятиями (« Délégation de Service Public », DSP), организованных ARE. Таким образом, CDS стала «делегатом», то есть оператором миниатюрных электрических или водных сетей на изолированных территориях. CDS отвечает за эксплуатацию и техническое обслуживание сети и миниатюрного завода, а также за выставление счетов и сбор от клиентов.

Рисунок 1.Расположение DSP

Zoom Original (jpeg, 208k)

Источник: FERDI

6 В секторе водоснабжения CDS выиграла 3 тендера (на юге, в регионах Трарза, Бракна и Горгол Гуидимаха), охватывая около пятнадцати деревень с населением около 20 000 человек. В этих «водяных» DSP станция очистки и небольшая водонапорная башня используются для хранения воды, необходимой для работы и снабжения сети. Используемая энергия может быть тепловой или гибридной (солнечная, с возможностью замены тепла при необходимости).Эти 3 контракта были продлены и продолжают действовать. CDS недавно получила четвертый контракт в той же области. В энергетическом секторе CDS выиграла 4 конкурса, охватывающих 4 деревни (Тичитт, Рашид, Кеур Массене, Эль-Кайра), и установила автономную сеть на собственные средства в муниципалитете (Блавак) недалеко от столицы Нуакшота. В этих «электрических» DSP власти выбрали источник тепловой энергии (дизельное топливо) из-за мощности, запрашиваемой потребителями. Таким образом, на несколько лет CDS взяла на себя ответственность за доступ к энергии в этих муниципалитетах.Это составляет примерно 1 000 домохозяйств или почти 10 000 человек, которым, таким образом, был предоставлен доступ к профессиональным коммунальным предприятиям электроснабжения. Эти контракты на управление сроком от 4 до 8 лет уже истекли. Получив почти 10-летний опыт работы в качестве DSP и обслужив почти 30 000 потребителей воды и энергии, CDS может провести первую оценку работы этого механизма.

7 Кроме того, с 2011 года CDS поддерживается и финансируется Investors & Partners8 (I&P), капитальным инвестором, специализирующимся на финансировании африканских МСП, а также Фондом Лундин и другими мавританскими предпринимателями.Прибытие этих новых акционеров также помогло укрепить стратегию и управление компании, развить ее навыки и, следовательно, ускорить ее рост. Компании была придана структура, например, внедрение аналитического учета, ИТ-система и отдел продаж. Сегодня CDS стал эталоном в Мавритании в области доступа к энергии, как традиционной, так и возобновляемой, а также к воде. Компания I&P внесла свой вклад в исследование влияния CDS на активность, проведенное CDS и фотографом Джоаном Барделетти, результаты которого доступны на веб-сайте Small is strong9, а также опубликованы в газете Le Monde и в веб-документальный фильм10.CDS получила награду от Poweo Foundation11 в 2009 году и подписала партнерство с Kiva в 2014 году.

Техническое обслуживание местной командой

Zoom Оригинал (jpeg, 884k)

Источник: Джоан Барделетти

8Деревни, в которых CDS поставляет электричество или воду, небольшие, обычно от 2 000 до 5 000 жителей. В этих деревнях инфраструктура состоит из сети, обслуживающей несколько сотен метров в деревне, и источника энергии: теплового двигателя для электрического ЦОС и гибридного устройства (солнечного / теплового) для ЦСП для воды, требующего меньшей мощности.Несколько соседних деревень иногда подключены к одной и той же центральной инфраструктуре (водонапорная башня или источник энергии). Эта автономная сеть автономна: географически удалена, она не подключена к национальной сети. Стоимость подключения на расстоянии в несколько десятков или сотен километров будет очень высокой. На сегодняшний день эта деревенская инфраструктура систематически финансируется за счет субсидий со стороны государства или доноров (на сумму примерно от 100 000 до 300 000 евро, в зависимости от размера и протяженности села).У делегированного оператора инфраструктуры не будет финансовых возможностей, необходимых для этих инвестиций. Перспективы рентабельности такой инфраструктуры в небольшой деревне слишком малы, чтобы ее мог покрыть частный оператор без субсидии.

9 Тем не менее, передача по контракту всего или части создания инфраструктуры и сети компании, которой они будут в конечном итоге переданы на аутсорсинг, когда это возможно и если оператор обладает необходимыми навыками, является хорошей практикой, поскольку это дает оператору полномочия.Это также дает оператору полное представление об объекте, которым он будет управлять. Кроме того, это дает ему стимул к разумному выбору оборудования, чтобы избежать отключений в будущем, вместо минимизации затрат для увеличения прибыли от самого строительства. Короче говоря, «вертикальная» интеграция деятельности побуждает делать все правильно во время строительства, чтобы облегчить будущее управление. Но этот метод все еще редко встречается в Мавритании. CDS еще не создала всю инфраструктуру, но выбрала, закупила и установила электромеханическую часть и счетчики воды DSP.

10 Что касается воды и электричества, ARE выбирает оператора посредством объявления о тендере на период от 5 до 10 лет, обычно для того, чтобы (i) управлять сетью, обслуживать и поддерживать инфраструктуру, и (ii) снимать показания счетчиков. , выставлять счета и получать платежи от клиентов. По воде механизм конкурса представляет собой обратный аукцион по цене 3 м3 воды, взимаемой с покупателя. В отношении энергии торги основаны на прогнозе прибылей и убытков с описанием различных статей расходов.Цена на кВтч фактически установлена ​​ARE ex ante . В обоих случаях оценка предложений ARE фокусируется на (i) надежности компании-участника торгов, ее опыте и навыках, (ii) оценке затрат, необходимых для осуществления деятельности. Этот механизм направлен на анализ способности заявителя предоставлять услуги по обеспечению водой и энергией на конкурентной и непрерывной основе, «принимая» цену, установленную ARE на энергию, или цену, предложенную участником торгов на воду. Поэтому способность оператора обеспечивать надлежащее управление и контроль затрат имеет решающее значение в этом бизнесе.

11 Однако в энергетическом секторе потребление абонентами по цене, установленной ARE ex ante , не позволяет оператору генерировать достаточный оборот для покрытия операционных расходов деятельности. Затем предоставляется балансирующая субсидия в соответствии с количеством произведенной энергии и выставленным счетом, чтобы позволить оператору покрыть свои расходы. Эта субсидия выплачивается непосредственно ARE из специального фонда, предоставляемого мавританскими операторами мобильной связи и связи посредством специального налога.Этот фонд управляется не из государственного бюджета, а непосредственно ARE. За 8 лет CDS практически никогда не сталкивался с задержками или трудностями в получении этой субсидии, что само по себе является достижением. В зависимости от деревень, года и потребления субсидия может возрасти с 20 000 до 40 000 евро в год на каждую деревню. Эта балансирующая субсидия может в конечном итоге покрыть до 50% или даже 66% фактических затрат на энергию. Без этих субсидий деятельность была бы невозможна.

12 Напротив, в водном секторе субсидия не требуется.Доходов от выставления счетов достаточно для покрытия расходов. Действительно, вода требует меньше энергии, то есть меньше дизельного топлива. Но с другой стороны, цена, взимаемая делегатом, должна способствовать обеспечению долгосрочной устойчивости и качества обслуживания.

Таблица 1. Сводка затрат на потребление энергии для клиента (1 евро = 360 MRO)

Количество потребленной энергии

Фиксированная подписка

Переменный биллинг

Итого стоимость для заказчика

и.е. в евро

Тип клиента

Кат. 1: от 0 до 25 кВтч / месяц

ТОиР 600

MRO 51 / кВт · ч

ТОиР 1875

€ 5

Семья

Кат.2: от 25 до 120 кВтч / месяц

ТОиР 1700

MRO 81 / кВт · ч

ТОиР 11,420

€ 32

Семья +++

Кат.3: От 120 кВтч / месяц

ТОиР 7,500

MRO 90 / кВт · ч

Бизнес

Таблица 2.Обобщение данных трех основных договоров об аутсорсинге электроэнергии под управлением CDS

Аутсорсинг электроэнергии

Кеур Массене

Тичитт

Рашид

Год начался

2008

2007

2007

Срок действия договора

4.5 лет

5,5 года

8 лет

Вид энергии

Тепловой

Тепловой

Тепловой

Установленная мощность

2×65 кВА

60 кВА

60 кВА

Количество жителей

2 000

3,500

2 500

Количество метров

147

205

245

Средний расход на метр

65 кВтч / мес

17 кВтч / мес

29 кВтч / мес

Средняя годовая субсидия

€ 36 000

21 000 €

27 000 €

Кат.1 подписчик (на конец периода)

117

176

205

Кат.2 подписчика (на конец периода)

26

26

37

Кат. 3 подписчика (на конец периода)

4

3

3

13 Для потребителя оплата электроэнергии очень проста: человек покупает свой счетчик при первом подключении к сети примерно за 40 евро.Часто он выплачивается частями, и в некоторых деревнях программы развития покрывают эту первоначальную стоимость. Затем выбирается фиксированная ежемесячная подписка: существует 3 типа подписки в зависимости от количества энергии, необходимой клиенту. Если потолок, установленный для выбранной категории подписки, превышен, клиент автоматически переключается на следующий пакет подписки. Наконец, переменный биллинг зависит от подписки и потребления, зарегистрированного счетчиком. Она может варьироваться от 30 евро за метр и в среднем в месяц (от 0 евро.15 и 0,25 за кВтч). Выбранная система ценообразования предназначена для того, чтобы сделать энергию доступной для более мелких потребителей (семей) и немного более дорогой для более крупных потребителей (бизнес, профессиональная деятельность и т. Д.).

Мини-завод Electricity DSP в Keur Massene

Zoom Original (jpeg, 668k)

Источник: Джоан Барделетти

14 Плата за водоснабжение работает аналогично: счетчик приобретается при подключении примерно за 40 евро, что иногда покрывается программами развития.В случае с водой стоимость единственного пакета подписки составляет 1,5 евро в месяц с добавлением переменного счета в зависимости от количества потребленной воды. Цена за литр зависит от эксплуатационных расходов каждого DSP (в зависимости от удаленности и т. Д.). Например, семья из 10 человек, потребляющая примерно 100 литров воды в день (что мало для всех целей), будет платить за воду примерно 4,5 евро в месяц.

Таблица 3. Резюме данных 3 основных контрактов на аутсорсинг водоснабжения, находящихся под управлением CDS

Договор водного аутсорсинга

Горгол Гуидимаха

Brakna

Trarza

Год начался

2008

2009

2010

Срок действия договора

10 лет

10 лет

10 лет

Вид энергии

Гибрид

Гибрид

Тепловой

Установленная тепловая мощность

20 кВА

10 кВА

20 кВА

Установленная солнечная энергия

1,480-4,000 Вт

500–1440 Вт

НЕТ

Максимальный расход воды

11м 3 / час

8 м 3 / час

12 м 3 / час

Количество жителей

15,600

7 500

5 000

Количество метров

757

200

254

Средний расход на метр

10м 3 / мес

9мес 3 / мес

5 мес 3 / мес

Стоимость литра воды

ТОиР 250 / м 3

ТОиР 250 / м 3

ТОиР 350 / м 3

Ежемесячная подписка

MRO 550

MRO 550

MRO 550

15 В деревнях, которыми она управляет, CDS обычно нанимает двух-трех человек, ответственных за все задачи, связанные с работой автономной мини-сети:

  • Легкое техническое обслуживание и ремонт техники, запуск или остановка инфраструктуры,

  • Закупка запасных частей и дизельного топлива, если применимо,

  • Считывание счетчиков клиентов, выставление счетов, инкассо.

16Эта команда на месте, выбранная из жителей деревни, проходит обучение и получает поддержку от центральной группы CDS. Он играет стратегическую роль в надлежащем предоставлении услуги, как в отношении управления (использование программного обеспечения для бизнеса), так и технических аспектов и обслуживания первого уровня. CDS ежегодно собирает полевые команды для обучения, повышения квалификации и обмена опытом. Кроме того, центральная техническая группа регулярно выезжает из головного офиса CDS для посещения различных объектов с целью выполнения плановых проверок или при необходимости комплексного обслуживания.Нередко техническая бригада из 3 или 4 человек вынуждена вести машину 7 или 8 часов для выполнения планового осмотра или ремонта, который займет несколько часов.

17 Качество организации и управления техническими группами является основным фактором успеха или неудачи этой деятельности. Как и в случае с другими проблемами «последней мили», в этом малодоходном бизнесе решающее значение имеет контроль затрат. Это то, что позволяет обеспечить устойчивость и качество услуг по обеспечению энергией и водой.

18 Другое решение, внедренное CDS, — это попытка максимально использовать местную базу и поездки: вокруг DSP, которые она использует, и в крупных городах (Нуакшот, Нуадибу, Каэди), CDS начала в 2011 году деятельность по распространению комплектов солнечных батарей с помощью десятки точек продаж, для клиентов, не подключенных к сети или слишком далеко от сети DSP, или для дополнения установленного счетчика. Коммерческая организация этой деятельности частично основана на присутствии команды DSP на месте, что позволяет им развертывать эту деятельность по продажам с меньшими затратами.Поездки между головным офисом и DSP также дают возможность пополнить запасы комплектов и распространить их. В течение нескольких лет CDS определила несколько флагманских продуктов, закупленных у крупных международных производителей (Sunking, Bbox, d.light, Barefoot), соответствующих потребностям населения: мини-комплекты (15 евро, индивидуальная лампа Barefoot Firefly с мини-панелью и встроенной аккумулятор, 36 люмен или сильнее от SunKing), телевизионные комплекты (150 евро, более мощная солнечная панель — от 100 до 290 Вт и 24 В), солнечные батареи и инверторы.Иногда также распространяются солнечные холодильники (от 130 до 225 л) и солнечные водонагреватели (от 150 до 200 л). Поскольку они более дорогие, они предназначены для более городской клиентской базы с большими ресурсами. В этих случаях команда CDS должна выполнить определенную установку во время поездки. Развитие деятельности по производству солнечных комплектов является многообещающим и позволяет извлечь выгоду из присутствия CDS в отдаленных районах. Сегодня его продажи сопоставимы с деятельностью DSP (правда, значительная часть продаж приходится на столицу Нуакшот).На мини-наборы приходится три четверти объема продаж, при этом в 2015 году было продано около тысячи товаров, но их стоимость намного меньше. На солнечные холодильники, солнечные водонагреватели, телевизионные комплекты и батареи приходится большая часть продаж в стоимостном выражении. Такой ассортимент продукции необходим для обеспечения рентабельности низкомаржинальной деятельности, особенно когда продукты необходимо направлять в отдаленные районы страны.

19По окончании восьмилетнего опыта можно извлечь несколько уроков из опыта эксплуатации CDS в предоставлении услуг по энергоснабжению и водоснабжению через автономные сети.

20 В селах, где работает, CDS доказала, что услуга работает: энергия и вода доступны круглосуточно. Поставляемый ток соответствует спецификациям, запрошенным ARE, и качество воды, регулярно проверяемое, хорошее. Что касается электричества, то количество отключений ниже, чем потолок, установленный ARE в его Спецификациях: в среднем 20 часов перебоев в электроснабжении в год и поселок, траншами по несколько часов, часто из-за незначительных сбоев или технического обслуживания.В деревне Кеур Массене первоначально было еще несколько перебоев в обслуживании из-за неисправного оборудования, установленного в начале (впоследствии замененного). Напротив, другие деревни (включая Рашид) прожили несколько лет без перерывов. В большинстве деревень есть вторичная установка, которая используется во время отказов или технического обслуживания. Что касается воды, то в каждом ЦОС происходит от одного до двух отказов в год, половина из них требует вмешательства головного офиса. В целом частота прерывания обслуживания составляет около 1%.Установленное оборудование оказалось пригодным для использования, а в CDS не было серьезных сбоев в работе инфраструктуры.

21Профессионализация деятельности делегатов также является ключевым достижением: CDS и несколько других операторов DSP постепенно расширяют свои навыки в управлении и обслуживании этих объектов. Небольшая институциональная или внешняя поддержка, которую они получили, в основном касается управления DSP (программное обеспечение, правила и передовой опыт и т. Д.).В техническом плане они приобрели опыт и учились самостоятельно, ежедневно решая технические проблемы своей деятельности.

22Эти делегаты также объединяются на национальном уровне в ассоциацию операторов, чтобы более эффективно общаться с властями и развивать общие практики. Это объединение многообещающее и могло бы стать платформой для поддержки и развития. Те операторы, которые достигнут достаточной структуры, действительно станут стратегическими игроками энергетического сектора будущего в своих странах.

23Наконец, балансирующая субсидия, которую власти обязались выплачивать DSP по электроэнергии, всегда выплачивалась в соответствии с указанными положениями. Надежность этого механизма компенсации также является условием успеха этой политики доступа к энергии. Жизнеспособность и высокая прибыльность секторов мобильной связи и телекоммуникаций в Африке, в том числе в Мавритании, предполагают, что эти суммы субсидий будут доступны постоянно и могут финансировать доступ к энергии в других деревнях.

24Качество и устойчивость этой услуги по доступу к воде и электричеству основываются на строгих эксплуатационных требованиях: долгосрочном контроле затрат и строгом управлении. Поскольку все делегаты являются небольшими предприятиями малого и среднего бизнеса, они вынуждены очень тщательно контролировать свои расходы, чтобы выжить. Сиди Халифу, генеральный директор CDS: «Это услуга, требующая навыков и регулярности, и мы знаем, что это может быть трудным для наших штатов, наших сообществ или крупных государственных предприятий.Небольшой частный бизнес, такой как CDS, может справиться с этим, даже если это не всегда легко ».

25 Потребление коммунальных услуг потребителями подтверждает, что предложение соответствует их потребности. Качество сбора (в среднем 95%, иногда 100%) демонстрирует платежеспособность клиентов и уместность метода выставления счетов и ставок. Если в начале DSP только от 70 до 80% жителей действительно были подключены (в основном из-за затрат), впоследствии CDS наблюдала постепенное увеличение количества счетчиков примерно на 5% в год, а также увеличение потребление домохозяйств, примерно от 5 до 7% в год в среднем для всех DSP.На сегодняшний день, за исключением нескольких конкретных событий, ни одного случая прерывания подписки на утилиту не зафиксировано. CDS удалось обеспечить качественное обслуживание, поддерживая свои затраты и достигая истинного финансового баланса, хотя маржа очень мала.

26В деревнях, находящихся под управлением CDS, около 10 000 человек получили доступ к профессиональной и устойчивой энергии и около 20 000 человек получили доступ к воде. Качественная оценка воздействия водоснабжения и энергообеспечения в деревнях, обслуживаемых DSP, проведенная на основе внутренних данных CDS, помогла определить три основных направления социального и санитарного прогресса, достигнутого службой, и которые, в свою очередь, имеют многочисленные и последовательные воздействия на экономику и общество в целом.

27 Во-первых, количество потребляемой воды увеличилось с в среднем 100 л воды на семью и в день ранее до 200 л / день на семью сегодня (увеличение не из-за отходов, а из-за новых видов использования, особенно экономических). Кроме того, с помощью CDS улучшилось качество воды: в нескольких деревнях жители ранее использовали речную или колодезную воду, что вызвало множество заболеваний. По словам г-на Бамбы, менеджера CDS DSP, «некоторые группы населения напрямую брали воду из реки или окружающих заводей, она была слишком загрязнена и имела так много микробов, что вызывала диарею и различные заболевания.Положение населения улучшилось с руководством CDS ». По словам старейшины деревни Диуллом, в 15 км к северо-западу от Бога, в основном состоящей из фермеров, занимающихся животноводством и растениеводством, «вода из-под крана полезнее, чем вода из колодца».

28 В деревнях, обслуживаемых DSP электроснабжения, использование охлаждения позволяет хранить продукты дольше и снижает риск потребления испорченных продуктов, что случается очень часто. Г-жа Зеноб Минт Мохамед сказала об этом: «В жаркую погоду мясо плохо хранится.Теперь, когда сельский житель убивает овцу, он может держать ее в морозильной камере ».

29 Кроме того, появляются другие мелкие и «профессиональные» области применения: источник энергии для небольших заводов, сварочных станций, хлебных печей или телекоммуникационных магазинов: больше нет необходимости ехать несколько километров, чтобы подзарядить мобильный телефон. Энергия — это не просто расходы, а возможность для создания дополнительных доходов в сельской экономике. Холодильник также является источником дополнительной активности для кладовщиков, которые продают лед и прохладительные напитки в очень теплом климате Мавритании.

Таблица 4. Экономическая деятельность Электроснабжение 3 сел

Кеур Массене

Мельницы, портные, скважинные электронасосы

Тичитт

3 мельницы, 1 АЗС, несколько сварочных станций, станции накачки шин, парикмахерские, портные, телефонная подзарядка

Рашид

Скважинные электрические насосы, продавцы холодильников / льда, сварочные станции и станции накачки шин, подзарядка телефонов

30 Несколько государственных или социальных служб также обычно подключаются к энергетической или водной сети: поликлиника, школа, административные службы и … кладбище, как объясняет Сиди Халифу: «В наших традициях мертвых нужно хоронить сразу и часто они умирают по ночам.Раньше люди боялись идти ночью на кладбище. Теперь им комфортнее во время вечерних захоронений, и это тоже придает кладбищу духовный вес. «

Таблица 5. Электро- и водоснабжение коммунальных или коллективных услуг

Кеур Массене (электричество)

Полиция, ратуша, поликлиника, префектура, кладбище

Тичитт (электричество)

Начальная и средняя школа, ратуша, поликлиника, радиопередатчик

Рашид (электричество)

Школа, ратуша, поликлиника, префектура

Горгол Гуидимаха (вода)

Четыре начальные школы, две средние школы, средняя школа, ратуша, две клиники, две префектуры, полицейский участок, два кладбища

Бракна (вода)

Школа и поликлиника

Трарза (вода)

Клиника

Опыт 31CDS также помогает определить основные проблемы этой политики доступа к энергии и воде, которые необходимо решить, чтобы расширить масштабы и добиться реального воздействия на развитие жителей Мавритании.

32Основным недостатком государственной стратегии аутсорсинга управления является отсутствие последовательного географического подхода. Последовательные приглашения к участию в торгах рассылаются по всей стране, от юга (долина реки) до востока (два Ходса) и от центра до севера. Таким образом, один и тот же оператор может оказаться делегатом для 5 сайтов, расположенных на расстоянии нескольких тысяч километров друг от друга. Тем не менее, одним из ключевых параметров качества обслуживания является расстояние между участком делегата и ресурсами оператора, такими как: квалифицированные бригады технического обслуживания, склады запасных частей и т. Д.Очевидно, что оператор не может мобилизовать все эти навыки и все эти запасы для каждой делегации, потому что это сделало бы себестоимость энергии недоступной. Напротив, мобилизация навыков или запасов всего в нескольких десятках километров друг от друга позволяет значительно снизить управленческие расходы, операционную сложность деятельности (задержки, поездки), а также потерю дохода, связанную с любыми перебоями в обслуживании. Географическая согласованность присуждаемых делегаций решит эту проблему, предоставив одному и тому же оператору несколько соседних участков или даже регион.

33 Фактически, этот вопрос может быть решен путем предложения делегаций достаточного «размера», т. Е. Коммерчески жизнеспособных для оператора. Электроэнергия или вода для очень маленькой деревни с несколькими сотнями человек, в нескольких тысячах километров от головного офиса оператора (в Нуакшоте, столице), намного дороже и, следовательно, гораздо менее выгодно, чем делать это для более крупного село (несколько тысяч жителей) всего в трех-четырех часах езды от столицы.Вот почему в течение долгого времени CDS подталкивал власти Мавритании к принятию последовательного и амбициозного географического подхода к аутсорсингу коммунальных услуг, как это имеет место в соседних странах, таких как Сенегал.

34Такой подход, конечно, имеет смысл только для делегатов, которые достаточно компетентны и способны управлять относительно обширными территориями. Повышение квалификации делегатов — еще один важный вопрос для успеха или неудачи этой политики доступа к энергии и воде.В нескольких DSP компании ARE пришлось возобновить тендеры на смену операторов из-за низких ставок обслуживания, ограниченных навыков обслуживания и, в конечном итоге, неадекватной работы оператора, выбранного изначально. Это неудивительно, поскольку изначально в этом секторе не было профессионального оператора, который возник совсем недавно. Поэтому потребовалось несколько лет, чтобы специализированные игроки появились и структурировали свой бизнес.

35 Кроме того, географическая согласованность присуждаемых DSP также противоречит постоянству мавританских государственных властей, чье видение сектора иногда менялось.Частота объявления тендеров может меняться и не соответствует установленному и опубликованному графику. Иногда по непредвиденным политическим причинам DSP может быть отозван у делегата и передан коммунальному предприятию электроснабжения, тарифы которого ниже, несмотря (или из-за!) Очень хороших операционных результатов и увеличения спроса. Это уже произошло с некоторыми электрическими DSP, управляемыми CDS. Однако коммунальное предприятие электроснабжения не может эксплуатировать эти DSP устойчивым и прибыльным образом: его структура затрат очень высока, качество управления ниже, а доход ниже.Эти факторы часто приводят к постепенному ухудшению качества обслуживания (частые простои, задержки в обслуживании, снижение ставок обслуживания) и одновременно к гораздо большему «субсидированию», чем в программе DSP, поскольку значительно убыточное коммунальное предприятие регулярно получает помощь. властями.

36 Помимо географической согласованности, в этом подходе к аутсорсингу коммунальных услуг также требуется согласованность в отношении продолжительности, чтобы обеспечить опытных операторов и стабильные и высококачественные услуги.

37 Столкнувшись с этими трудностями, CDS реализовала несколько конкретных решений.

38CDS пытается сосредоточить свою деятельность на юге страны, в более густонаселенном районе, который по-прежнему мало обслуживается. Цель г-на Халифу — разместить как можно больше активов операционной группы на равном расстоянии от различных DSP, которыми управляет CDS. Чем ближе команда к месту обслуживания, тем быстрее и дешевле будет обслуживание.

39CDS предлагает властям выполнить как можно большую часть установки инфраструктуры (электрическую или электромеханическую), чтобы установить надежное, качественное оборудование, подверженное ограниченным сбоям. CDS хочет побудить власти перейти к «концессионному» подходу, при котором часть инвестиций в инфраструктуру несет концессионер.

40CDS пытается увеличить плотность сети: даже ограниченные расширения могут позволить добраться до другой деревни или части деревни, не обслуживаемой инфраструктурой.Независимо от того, финансируется ли это расширение только за счет CDS или совместно с властями, коммерчески и технически оно представляет собой естественный путь для роста: без увеличения операционных расходов одно и то же оборудование часто может обслуживать большее количество людей. Это поможет распределить фиксированные платежи на больший доход, сократить операционные субсидии и повысить устойчивость деятельности.

41 Наконец, CDS, насколько это возможно, стремится продвигать методы производства возобновляемой энергии, в основном гибридные (солнечная в сочетании с тепловой).Помимо воздействия на окружающую среду и уменьшения загрязнения (шума или воздуха), эти решения также являются экономически выгодными: (i) они уменьшают влияние колебаний цены дизельного топлива на отчет о прибылях и убытках, (ii) они реже выходят из строя и значительно сокращают требования к техническому обслуживанию (более длительные интервалы между двумя техническими проверками), (iii) в долгосрочной перспективе они снижают стоимость воды или энергии для потребителей. Если случай CDS показывает, что пока еще невозможно ориентироваться только на возобновляемые источники энергии, тем не менее факт остается фактом, что можно добиться значительного прогресса, продвигая эти источники энергии.CDS уже удалось переключить несколько водяных DSP на гибридный источник питания.

Холодильник установлен в магазине

Zoom Original (jpeg, 783k)

Источник: Джоан Барделетти

42На все эти проблемы необходимо лоббировать власти, чтобы вместе разработать лучшие решения по обеспечению доступа к энергии и воде для этих деревень.

43 В более широком смысле профессионализация и развитие участников, а также оптимизация производства энергии за счет использования возобновляемых источников и увеличения плотности DSP-сайтов будут иметь решающее значение для воспроизведения и расширения подхода DSP: децентрализованная электрификация станет решением для доступа (даже частично) на энергию и будет повторяться только в том случае, если потребность в субсидируемом финансировании будет сведена к минимуму.Если целевой фонд, поддерживаемый операторами мобильной связи, вряд ли иссякнет в ближайшем будущем, он не покроет финансирование дорогостоящей инфраструктуры, часто в несколько сотен тысяч евро на каждую установку. Даже на пути к концессионному подходу государственные органы и доноры должны будут покрывать часть инвестиционных потребностей на устойчивой основе и связывать подход DSP с другими инициативами, чтобы преодолеть трудности доступа к энергии и воде.

автономная система | Американский институт солнечной энергии

Автономная система — это автономная фотоэлектрическая система, не имеющая резервного источника генерации. Может включать или не включать аккумуляторные батареи.

Электроэнергия обычно вырабатывается одним или несколькими из следующих способов:

Накопитель обычно реализуется в виде аккумуляторной батареи, но существуют и другие решения, включая топливные элементы. Энергия, потребляемая непосредственно от батареи, будет представлять собой постоянный ток сверхнизкого напряжения (DC ELV), и это используется, в частности, для освещения, а также для приборов постоянного тока.Инвертор используется для генерации низкого напряжения переменного тока, с которым могут использоваться более типичные приборы.

Автономная система

Автономные фотоэлектрические системы электроснабжения не зависят от энергосистемы общего пользования и могут использовать только солнечные панели или могут использоваться вместе с дизельным генератором, ветряной турбиной или батареями. [1] [2

Два типа автономных фотоэлектрических систем питания — это система с прямым подключением без батарей и автономная система с батареями.

Система с прямой связью [править]

Базовая модель системы с прямым подключением состоит из солнечной панели, подключенной непосредственно к нагрузке постоянного тока. Поскольку в этой установке нет батарейных блоков, энергия не накапливается, и, следовательно, она способна питать обычные устройства, такие как вентиляторы, насосы и т. Д., Только в течение дня. MPPT обычно используются для эффективного использования энергии Солнца, особенно для электрических нагрузок, таких как положительные -подвальные водяные насосы. Согласование импеданса также рассматривается как критерий проектирования в системах с прямой связью. [1] [3]

Автономная система с батареями [править]

Схема автономной фотоэлектрической системы с аккумулятором и зарядным устройством

В автономных фотоэлектрических системах электроэнергия, производимая фотоэлектрическими панелями, не всегда может использоваться напрямую. Поскольку потребность в нагрузке не всегда равна емкости солнечной панели, обычно используются аккумуляторные батареи. Основные функции аккумуляторной батареи в автономной фотоэлектрической системе:

  • Емкость накопителя энергии и автономность : для хранения энергии, когда имеется избыток энергии, и для обеспечения ее при необходимости.
  • Стабилизация напряжения и тока : Для обеспечения стабильного тока и напряжения за счет устранения переходных процессов.
  • Supply Surge Current : для подачи импульсных токов к нагрузкам, таким как двигатели, при необходимости. [4]

Гибридная система [править]

Гибридная электростанция — это полная система электроснабжения, которую можно легко настроить для удовлетворения широкого спектра потребностей в удаленном питании. Система состоит из трех основных элементов — источника питания, аккумулятора и центра управления питанием.Источники гибридной энергии включают ветряные турбины, дизельные двигатели-генераторы и солнечные фотоэлектрические системы. Батарея обеспечивает автономную работу, компенсируя разницу между производством энергии и ее использованием. Центр управления питанием регулирует выработку электроэнергии из каждого из источников, контролирует потребление энергии путем классификации нагрузок и защищает батарею от экстремальных условий эксплуатации.

Системный мониторинг [править]

Мониторинг фотоэлектрических систем может предоставить полезную информацию об их работе и о том, что необходимо сделать для повышения производительности, но если данные не сообщаются должным образом, усилия напрасны.Чтобы быть полезным, отчет о мониторинге должен содержать информацию о соответствующих аспектах работы в терминах, понятных третьей стороне. Необходимо выбрать соответствующие параметры производительности, а их значения постоянно обновлять с каждым новым выпуском отчета. В некоторых случаях может быть полезно контролировать производительность отдельных компонентов, чтобы уточнить и улучшить производительность системы, или своевременно предупреждать о потере производительности для профилактических действий. Например, мониторинг профилей заряда / разряда батареи будет сигнализировать о необходимости замены до того, как произойдет простой из-за сбоя системы. [5]

Стандарт МЭК

61724 [редактировать]

IEC предоставил набор стандартов мониторинга, который называется «Стандарт мониторинга производительности фотоэлектрических систем» (IEC 61724). Он фокусируется на электрических характеристиках фотоэлектрической системы и не касается гибридов и не предписывает метод обеспечения справедливости оценок производительности. [6]

Аттестация [править]

Оценка эффективности включает:

  • Сбор данных — простой процесс измерения параметров.
  • Оценка этих данных способом, позволяющим получить полезную информацию.
  • Распространение полезной информации до конечного пользователя. [5]

Проблемы, связанные с загрузкой [править]

Широкий спектр выявленных проблем, связанных с нагрузкой, подразделяется на следующие типы:

  • Неправильный выбор : Некоторые нагрузки нельзя использовать с автономными фотоэлектрическими системами.
  • Электропроводка в доме : ненадлежащая или некачественная проводка и устройства защиты могут повлиять на реакцию системы.
  • Низкий КПД : Нагрузки с низким КПД могут увеличить потребление энергии.
  • Резервные нагрузки : Режим ожидания некоторых нагрузок тратит энергию.
  • Запуск : Большой ток, потребляемый некоторыми нагрузками во время запуска Пики тока во время запуска могут временно перегрузить систему.
  • Реактивная мощность : Циркуляционный ток может отличаться от тока, потребляемого при использовании емкостных или индуктивных нагрузок.
  • Гармонические искажения : Нелинейные нагрузки могут создавать искажения формы сигнала инвертора.
  • Несоответствие между нагрузкой и размером инвертора : Когда инвертор с более высокой номинальной мощностью используется для нагрузки меньшей мощности, общая эффективность снижается. [7]

Галерея [править]

  • Парковочный счетчик на солнечных батареях

См. Также [править]

Источники [править]

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.