一种新型无间断电源系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型无间断电源系统，主要包括一个超级电容储能单元、一个压缩空气动力单元、以及监测与控制单元。当市电正常供电时，电力储存于超级电容以及压缩空气动力单元中。当电力中断时，超级电容迅速反应，为用电设备供电，并启动压缩空气动力单元，实现持续长时间供电。当市电恢复正常时，利用电网电力实现储能过程，同时，通过压缩机补充储气罐中的压缩空气。本实用新型所述的无间断电源系统采用超级电容以及压缩空气动力单元，具有反应迅速、低碳环保、使用寿命长、维护成本低、适应能力强等特点。
【专利说明】一种新型无间断电源系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种无间断电源系统，特别是一种耦合市电、超级电容与压缩空气动力单元的无间断电源系统。
【背景技术】
[0002]无间断电源(Uninterruptible Power Supply, UPS)是一种包含整流、储能、逆变以及开关等部件的电源设备，作为应急电源或者备用电源接入电网或者局域电网中，当电网供电系统中断时，该设备释放储存的电能实现持续供电，维持用电设备的正常运转。无间断电源在工业、商业以及住宅等领域具有广泛的应用，主要包括通讯、信息技术、计算机数据中心、工业控制、医疗、能源以及各种建筑供电系统等。
[0003]无间断电源主要包括两部分:主机和电力储存设备。主机包括整流、逆变、开关以及其他的感应和控制模块。电力储存设备分为静态和动态储存设备。静态储存设备是目前广泛应用的一种电力储存方案，其主体是化学蓄电池；动态储存设备指供电输出是靠动能维持(如飞轮、内燃机、燃气轮机等)的无间断电源方案。蓄电池具有使用寿命较短、充电时间长、要求不完全放电、维护周期短、对环境条件要求高等缺点，更重要的是，蓄电池的生产过程以及废旧电池的处理过程都伴有污染产生。飞轮蓄能可以实现快速反应，效率较高，但需要与内燃机配合使用。内燃机工作消耗化石燃料，其排放物将对环境产生污染。
[0004]超级电容是一种先进的高能量储存元件,具有反应迅速、容量大、体积小、寿命长、串并联组合方便等。本实用新型提出了一种耦合超级电容的压缩空气动力单元，它具有无污染、能量密度高的特点，可以相对较长时间发电，而且与超级电容相耦合，具有反应速度快等特点，从而形成一种新型的无间断电源系统。
【发明内容】
[0005]为了解决上述现有技术的缺点和不足，本实用新型旨在提供一种新型的无间断电源系统，该无间断电源系统具有功率密度高、充电时间短、反应迅速、低碳环保、使用寿命长、维护成本低、适应能力强等优点。
[0006]为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是:一种新型无间断电源系统，包括超级电容单元、压缩空气动力单元以及监测与控制单元，其特征在于，所述监测与控制单元通过控制线路与超级电容单元、压缩空气动力单元连接，使用始终处于工作状态的监测与控制单元动态实时监测市电、超级电容单元以及压缩空气动力单元的工作状态，当监测到市电处于正常供电的工作状态时，监测与控制单元控制仅使市电对用电设备进行供电，同时关闭所述压缩空气动力单元，并使市电对超级电容单元充电；当监测到市电处于断电的工作状态时，断开市电和用电设备之间的连接开关，启动所述超级电容单元和压缩空气动力单元，所述超级电容单元输出的电力一部分为用电设备供电，另一部分为所述压缩空气动力单元中的膨胀机组提供启动动力。
[0007]优选地，所述超级电容单元主要包括超级电容以及电力电子单元。[0008]进一步地，所述压缩空气动力单元包括电动机、压缩机组、压缩空气储罐、风冷器、蓄热换热单元、膨胀机组、发电机，所述电动机在超级电容驱动下，带动所述压缩机组运转，将空气压缩后输送至所述压缩空气储罐；所述压缩空气储罐和风冷器之间的管路上设置有控制阀门，控制阀门打开后，压缩空气储罐中的高压空气经风冷器吸收环境热量后进入蓄热换热单元进一步吸收热量后转变为高温高压空气，所述高温高压空气推动膨胀机组做功，所述膨胀机组带动所述发电机。
[0009]进一步地，所述膨胀机组包括高压膨胀机和低压膨胀机，从所述蓄热换热单元排出的所述高温高压空气首先进入高压膨胀机并推动其做功，从高压膨胀机排出的高压空气重新通入所述蓄热换热单元吸收热量，然后驱动低压膨胀机做功。
[0010]进一步地，所述压缩机组包括级间与级后空气冷却器。
[0011]监测与控制单元主要由于监测此无间断电源系统中的各个部件的状态及其参数，并根据需要实施控制。
[0012]本实用新型的新型无间断电源系统，其工作原理在于:监测与控制单元始终在工作状态，监测系统各个部件的工况及相关参数，当市电正常供电时:(I)用电负荷消耗来自市电的供电；(2)市电为无间断电源系统的超级电容单元供电，存储一定的电量；(3)市电为压缩空气动力单元的供电，通过压缩机产生高压压缩空气存储与储气罐中，并为蓄热/换热单元供电，产生热能并存储。当市电中断时，无间断电源系统迅速启动，为用电设备供电，具体为:(I)首先超级电容单元快速反应，输出电能，一方面为用电负荷提供无间断的电力供应,另一方面它为压缩空气动力单元的电机提供启动电力，启动压缩空气动力单元；
(2)压缩空气动力单元启动，储气罐中压缩空气通过减压阀、风冷器以及换热设备吸收热量，进入膨胀机做功，输出持续的电能。当市电恢复正常时，压缩空气动力单元停止发电，市电为超级电容以及蓄热单元提供电力，并通过压缩机为储气罐充气，完成储能。
[0013]本实用新型的新型无间断电源系统，监测与控制单元实时监控各个单元的工作状况。市电正常工作时，用电设备消耗市电电力；市电通过电力电子设备为超级电容充电，另外一部分电力通过电力电子设备与压缩空气动力单元中的蓄热换热单元相连接，以热能的形式存储于蓄热材料中，并驱动压缩机产生压缩空气并存储与储气罐中。
[0014]本实用新型的新型无间断电源系统，当市电中断时，超级电容迅速反应，一方面，通过电力电子设备为用电设备供电，另一方面超级电容的部分电力驱动压缩空气动力单元中的电机单元，启动压缩空气动力单元，实现持续、长时间的供电，此时市电侧开关处于断开状态。
[0015]本实用新型的新型无间断电源系统，当市电中断时，压缩空气动力单元启动，储气罐中的高压空气通过减压阀降压以及风冷器吸收环境热量，这部分空气吸收蓄热换热单元中的热量，进入高压膨胀机，驱动膨胀机做功；这部分气体继续进入蓄热换热器吸收热量，然后驱动低压膨胀机做功；输出的轴功驱动电动/发电机输出电力，这部分电力通过电力电子设备为用电设备供电。
[0016]本实用新型的新型无间断电源系统，蓄热换热单元的蓄热材料可以为显热蓄热材料或者潜热蓄热材料。
[0017]本实用新型的新型无间断电源系统，压缩空气动力单元中的膨胀机与压缩机可以为叶轮式，也可以为活塞式。膨胀机的级数为一级或者一级以上，压缩机的级数为两级级或者两级级以上，并具有级间与级后冷却器。
[0018]本实用新型具有以下有益效果:
[0019]本实用新型的主要储能与供能单元包括超级电容与压缩空气动力单元。采用超级电容作为快速反应电力模块，它具有如下优点:(1)功率密度高，放电电流可以达数百安培；(2)充电时间短，超级电容器可以采用大电流充电，能在几十秒内完成充电过程；(3)使用寿命长，超级电容器的循环寿命可达数万次以上；(4)环境适应能力强，超级电容器可以在-45?105°C的温度范围内正常工作；(5)超级电容还具有免维护、环保的优点。本实用新型采用一种压缩空气动力单元作为相对长时间供电单元，与超级电容耦合，压缩空气动力单元具有下列优点:(2)所用设备易于获得，系统主要涉及压缩机、储气罐以及膨胀机，是较为常用的工业机械装置；(3)环境友好，本供电系统没有燃烧过程，它利用预存的热能加热空气，因此整个过程没有污染物的排放；(4)维护成本低，本系统的各个部件为相对常用的工业产品，可适应各种工作环境，不需要对部件进行频繁的检修，只需要关注储气罐内气体的压力变化；(5)储能周期不受限制，使用寿命长，系统的各个部件为工业机械产品，使用寿命长。
[0020]因此，同现有无间断电源系统相比，本实用新型具有诸多优点，具有巨大的应用潜力和经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型实施例1结构示意图；
[0022]图2为本实用新型实施例2结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]实施例1
[0024]图1为本实用新型的无间断电源系统的实施例1的结构示意图，监测与控制单元2实时监控各个单元的工作状况(图中虚线为监控连接线)。监测与控制单元2通过控制线路与超级电容单元7、压缩空气动力单元9连接，使用始终处于工作状态的监测与控制单元2动态实时监测市电1、超级电容单元7以及压缩空气动力单元9的工作状态。
[0025]当市电I正常工作时，市电I向超级电容7与蓄热换热单元17输入能量，同时驱动电动机10带动压缩机12压缩空气11，并存入储气罐14中，部件13为压缩机的级间与级后冷却器。当市电I中断时，开关3断开，超级电容7为用电设备5供电，同时驱动电机单元20，启动压缩空气动力系统9。压缩空气动力系统9的工作过程说明如下:储气罐14中的高压空气经过降压阀单元15得到膨胀机工作压力，进入风冷器16预热，然后进入蓄热换热单元17升温，这部分气体首先进入高压膨胀机18驱动膨胀机做功，然后这部分气体再次进入蓄热换热单元17吸收其中的热量，然后进入低压膨胀机19做功，驱动电机单元20输出电力。需要指出的是，膨胀机的级数可以为一级或者多级。
[0026]实施例2
[0027]图2为本实用新型无间断电源系统的实施例3的结构示意图，本实施例为一种移动动力系统，可以作为车载动力等。其动力源为压缩空气动力单元9，其中的压缩机不包括在本实施例中；并且它具有包含储热单元与不包括储热单元两种情况；当包括储热单元时，这部分热能来自存储的电能或者其他形式的热能；当不包括储热单元时，膨胀机前及级间包含有风冷器，利用环境能量加热每级膨胀前的气体。动力单元9产生的动力主要以轴功的形式输出，通过旋转轮23提供移动动力，当该动力系统需要减速制动时，动力系统单元9的轴功通过驱动电机部件8来消耗力矩，达到制动的目的，电机8产生的电能通过电力电子转换部件6为超级电容7充电，这样可以快速制动并回收制动能量。当需要加速时，超级电容7输出电力，通过电力电子设备6驱动电机8，从而可以快速增加力矩，实现快速加速的目的。控制单元2与各个部件连接，实现对系统的实时控制。
[0028]此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本实用新型专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本实用新型专利的保护范围内。本实用新型所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种新型无间断电源系统，包括超级电容单元、压缩空气动力单元以及监测与控制单元，其特征在于，所述监测与控制单元通过控制线路与超级电容单元、压缩空气动力单元连接，使用监测与控制单元动态实时监测市电、超级电容单元以及压缩空气动力单元的工作状态，当监测到市电处于正常供电的工作状态时，监测与控制单元控制仅使市电对用电设备进行供电，同时关闭所述压缩空气动力单元，并使市电对超级电容单元充电；当监测到市电处于断电的工作状态时，断开市电和用电设备之间的连接开关，启动所述超级电容单元和压缩空气动力单元，所述超级电容单元输出的电力一部分为用电设备供电，另一部分为所述压缩空气动力单元中的膨胀机组提供启动动力。
2.如权利要求1所述的无间断电源系统，其特征在于:所述超级电容单元主要包括超级电容以及电力电子单元。
3.如权利要求2所述的无间断电源系统，其特征在于:所述压缩空气动力单元包括电动机、压缩机组、压缩空气储罐、风冷器、蓄热换热单元、膨胀机组、发电机，所述电动机在超级电容驱动下，带动所述压缩机组运转，将空气压缩后输送至所述压缩空气储罐；所述压缩空气储罐和风冷器之间的管路上设置有控制阀门，控制阀门打开后，压缩空气储罐中的高压空气经风冷器吸收环境热量后进入蓄热换热单元进一步吸收热量后转变为高温高压空气，所述高温高压空气推动膨胀机组做功，所述膨胀机组带动所述发电机。
4.如权利要求3所述的无间断电源系统，其特征在于:所述膨胀机组包括高压膨胀机和低压膨胀机，从所述蓄热换热单元排出的所述高温高压空气首先进入高压膨胀机并推动其做功，从高压膨胀机排出的高压空气重新通入所述蓄热换热单元吸收热量，然后驱动低压膨胀机做功。
5.如权利要求3所述的无间断电源系统，其特征在于:所述压缩机组包括级间与级后空气冷却器。
6.如权利要求3所述的无间断电源系统，其特征在于:所述蓄热换热单元的蓄热材料为显热蓄热材料或者潜热蓄热材料。
7.如权利要求3所述的无间断电源系统，其特征在于:所述压缩空气动力单元中的压缩机与膨胀机为叶轮式或活塞式，膨胀机组的级数为两级或者两级以上，压缩机组的级数为两级或者两级以上并具有级间冷却器。
【文档编号】H02J9/08GK203691044SQ201320827922
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年12月15日 优先权日:2013年12月15日
【发明者】张新敬, 盛勇, 陈海生, 谭春青 申请人:中国科学院工程热物理研究所