ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ НАСТОЯЩЕЕ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системам аккумулирования электроэнергии, пригодным для использования в обычных домах и офисах.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Фотоэлектрическая энергетика, в общем, последовательно или параллельно соединяется с преобразователем, который преобразует световую энергию в электрическую. Обычно электроэнергия, генерируемая посредством фотоэлектрической энергетики, используется либо непосредственно как источник электропитания, или возвращается в локальную электросеть, уменьшая, таким образом, нагрузку центральной электростанции. Поскольку солнечная энергия может генерироваться только в течение дневного времени, центральной электростанции приходится вырабатывать больше электроэнергии в ночное времени, особенно вечером, для соответствия требованиям электрической энергии. Тем не менее, надежда на преобразователь, который преобразует электроэнергию постоянного тока в электроэнергию переменного тока, страдает от значительной потери мощности вследствие нестабильности источника электроснабжения постоянным током (от фотоэлектрической энергетики) и проблемы фазовой подстройки (согласованности электроэнергии переменного тока, генерируемой преобразователем, по фазе с электроэнергией постоянного тока в сети). Как результат, для решения проблемы, описанной выше, предлагается эффективная система аккумулирования электроэнергии.
В настоящем изобретении система аккумулирования электроэнергии состоит из множества аккумуляторов, соединенных параллельно, интегрированных с одним или более преобразователями. Преобразователи являются независимыми друг от друга, и каждый преобразователь соединен, по меньшей мере, с одним аккумуляторным модулем, соединенным параллельно. Максимальный предел мощности преобразователя делается совместимым с энергетической емкостью аккумуляторного модуля, соединенного с преобразователем (например, подобный предел номинальной мощности требуется как для аккумуляторного модуля, так и для преобразователя), таким образом, гарантируя надежную работу. Каждый преобразователь преобразует электроэнергию постоянного тока (от аккумулятора) в электроэнергию переменного тока до тех пор, пока не достигается низкое напряжение аккумулятора. В течение периода низкого напряжения аккумулятора сетевая электроэнергия шунтируется для удовлетворения требований пользователя, до достижения предварительно установленного времени зарядки аккумулятора (например, полночь - 6 часов утра). Каждый преобразователь может быть соединен с автоматическим выключателем, уже установленным в офисе или дома. Система аккумулирования электроэнергии, описываемая в этой заявке, может быть просто установлена в доме или офисе и может быть интегрирована с панелями солнечных батарей, ветротурбинами или другими возобновляемыми источниками энергии с целью экономии энергии, как будет иллюстрироваться на примерах позднее.
ОБЪЕКТ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объектом настоящего изобретения является обеспечение получения свободно расширяемой системы аккумулирования электроэнергии, пригодной для дома и офиса, которая может быть использована для сбалансированного потребления электроэнергии в течение дня и ночи, обеспечивая в то же самое время возможность интеграции возобновляемого источника энергии для максимизации экономии электроэнергии.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Описана расширяемая система аккумулирования электроэнергии без необходимости какого-либо дополнительного конструктивного решения. Дополнительно описываются и иллюстрируются требования и функции, предлагаемые для удовлетворения совместимости и расширяемости системы, которая включает в себя преобразователь, аккумуляторные модули и возобновляемые источники энергии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ СОПРОВОДИТЕЛЬНЫХ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение станет более очевидным из следующего его подробного описания, сделанного со ссылкой на примеры, иллюстрируемые на сопроводительных чертежах, где
Фиг.1 - иллюстрация стандартной принципиальной схемы системы аккумулирования электроэнергии.
Фиг.2 - иллюстрация повторения системы аккумулирования электроэнергии, реализованной в доме.
Фиг.3 - иллюстрация дополнительного расширения системы, иллюстрируемой на фиг.2.
Фиг.4 - иллюстрация логики, используемой для работы преобразователя в нормальном режиме.
Фиг.5 - иллюстрация логики, используемой для работы преобразователя в режиме чрезмерной разрядки.
Фиг.6 - иллюстрация логики, используемой для работы преобразователя в режиме перезарядки.
Фиг.7 - иллюстрация логики, используемой для работы преобразователя в режиме подзарядки.
Фиг.8 - иллюстрация логики, используемой для работы преобразователя в профилактическом режиме.
Фиг.9 - принципиальная схема интеграции системы аккумулирования электроэнергии с панелью солнечной батареи.
Фиг.10 - типичная кривая зависимости I, V от времени в течение 24 часов (от 4:00 часов одного дня до 4:00 следующего дня).
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническое обеспечение:
На фиг.1 приведена стандартная принципиальная схема системы аккумулирования электроэнергии. Из фиг.1 очевидно, что аккумулирование является централизованным. Вследствие требований высокой мощности система аккумулирования электроэнергии должна быть высоковольтной для уменьшения величины тока и, таким образом, нагрева.
Недостатки стандартной схемы:
1. Высокое напряжение, которое является потенциально опасным, особенно если напряжение выше 60 В.
2. Проблема аккумуляторного баланса, возникаемая в результате после цитирования, поскольку многие аккумуляторы соединяются последовательно. Чем больше аккумуляторов соединяется последовательно, тем больше вероятность того, что проблема дисбаланса становится значительной. Это повлияет на срок службы аккумуляторной системы.
3. Возможность образования электрической дуги, если для прерывания электрического тока используют автоматический выключатель.
4. Проблема эффективности аккумулирования электроэнергии, если не установлен контроллер зарядки (вследствие потери I, V, вызываемой разностями напряжений между фотоэлектрической энергетикой и аккумуляторами).
5. Потенциальная неактивность фотоэлектрической энергетики, когда множество модулей соединено последовательно. Повреждение одного из модулей, соединенного в серии, приведет к потере эффективности преобразования.
6. Большая стоимость использования преобразователей высокой мощности, контроллера зарядки, аккумуляторного контроллера (контрольно-измерительного устройства) и автоматического выключателя (для предупреждения возникновения электрической дуги).
По сравнению с анализом стандартной схемы описываемая в настоящее время система аккумулирования состоит из преобразователя, который соединен, по меньшей мере, с одним аккумуляторным модулем. Максимальный предел мощности преобразователя сделан совместимым с энергетической емкостью аккумуляторного модуля, соединенного с преобразователем (например, подобный предел номинальной мощности требуется как для аккумуляторного модуля, так и для преобразователя) для предотвращения работы при повышенном токе (нагревания), таким образом, гарантируя надежность. Чем больше аккумуляторных модулей соединено параллельно с существующим аккумуляторным модулем, тем надежнее система. Тем не менее чем больше аккумуляторных модулей соединено параллельно, тем больше рентабельность системы, поскольку больше возобновляемой энергии может аккумулироваться и использоваться. Расширяемая природа аккумуляторных модулей и совместимость между преобразователем, аккумуляторными модулями и возобновляемыми источниками энергии (например, панелями солнечных батарей) образуют основу настоящего изобретения. На фиг.2 иллюстрируется повторение системы аккумулирования электроэнергии, реализованной в обычном доме. Как показано на фиг.2, каждый преобразователь соединен с автоматическим выключателем, и каждый преобразователь соединен, по меньшей мере, с одним аккумуляторным модулем, который имеет подобную номинальную мощность преобразователя. Дополнительное расширение системы, иллюстрируемой на фиг.2, показано на фиг.3, со всеми аккумуляторными модулями, соединенными параллельно. В случае, показанном на фиг.3, одно условие должно удовлетворяться, как если число инверторов равно N, то число аккумуляторных модулей должно быть N+1. Таким образом, номинальная мощность аккумуляторных модулей никогда не бывает меньше потребления пиковой мощности преобразователей, если неисправен один из аккумуляторных модулей. Между тем, все преобразователи, показанные на фиг.2 и фиг.3, являются независимыми от каждого другого, и каждый параллельный аккумуляторный модуль имеет точно такую же конструкцию, обеспечивая, таким образом, возможность неограниченного расширения системы.
Как показано на фиг.2 и фиг.3, каждый преобразователь преобразует электроэнергию постоянного тока (от аккумулятора) в электроэнергию переменного тока до тех пор, пока не достигается низкое напряжение аккумулятора. Во время периода низкого напряжения аккумулятора сетевая электроэнергия шунтируется для удовлетворения требования пользователя до тех пор, пока не пройдет предварительно установленный период зарядки аккумулятора (например, полночь - 6:00 утра). Каждый преобразователь может быть соединен с автоматическим выключателем, уже установленным в офисе или дома.
Преимущества настоящего изобретения включают в себя:
1. Низкое напряжение (более надежная система аккумулирования).
2. Неограниченное расширение аккумуляторных модулей.
3. Параллельное соединение аккумуляторных модулей может уменьшить аккумуляторную нагрузку, когда одна цепь подвергается интенсивному использованию (смотри фиг.3).
4. Каждая цепь является независимой, но аккумуляторная нагрузка централизуется. Каждая цепь защищена стандартными (существующими) автоматическими выключателями.
5. В результате параллельного соединения аккумуляторов обеспечиваются низкие затраты на эксплуатацию (простая и безопасная замена) и ожидается продолжительное время эксплуатации аккумулятора.
6. Низкозатратная реализация, поскольку необходимы только преобразователи небольшой мощности.
7. Аккумуляторы являются автономными; не требуется специальных аккумуляторных контрольно измерительных устройств.
8. Совместимо с современным домашним использованием электрических цепей. Нет необходимости в дополнительной реализации во время монтажа этой системы аккумулирования электроэнергии (только изменение соединения, как показано на фиг.2 и фиг.3). Поскольку каждый аккумулятор соединен с одним существующим автоматическим выключателем, обеспечивается высокая совместимость и хорошая надежность.
9. Гибкость монтажа системы. Например, пользователь в соответствии с требованиями может выбирать, в какой цепи устанавливать эту систему аккумулирования электроэнергии (смотри фиг.2).
Программное обеспечение:
Концепции, используемые в настоящем изобретении:
1. Одна система аккумулирования электроэнергии может вести себя как коллектор, который может задерживать потребление электроэнергии от центральной электростанции от пикового потребления до пониженного потребления, балансируя, таким образом, нагрузку центральной электростанции. Это может быть достигнуто благодаря установке зарядки системы аккумулирования электроэнергии только во время периода пониженного потребления электроэнергии.
2. Будучи интегрированной с фотоэлектрической энергетикой, энергия, получаемая от фотоэлектрической энергетики, потребляется в первую очередь. Таким образом, уменьшается зависимость от сетевой электроэнергии. Это может быть достигнуто путем установки системы аккумулирования электроэнергии для зарядки частично (например, 30%, в зависимости от ожидаемой энергии, получаемой от фотоэлектрической энергетики) во время пониженного потребления сетевой электроэнергии (например, между полночью и 6:00 часами утра).
3. Будучи интегрированной с фотоэлектрической энергетикой, система аккумулирования электроэнергии может быть установлена при очень небольших затратах, так как не требуется специального проекта. Чем больше емкость установленной системы аккумулирования электроэнергии, тем меньше зависимость от сетевой электроэнергии (тем больше способность к самоподдерживанию). Расширение емкости аккумулирования электроэнергии является простым, поскольку необходимо только параллельное соединение аккумуляторов.
4. Допуск электроэнергии из сети инициируется только тогда, когда исчерпана емкость аккумуляторов.
5. Отсутствуют взаимные помехи между преобразователем, аккумуляторным модулем и панелью солнечной батареи.
Подробный анализ функций и способности компонентов, используемых в настоящем изобретении:
Часть I. Преобразователь
На фиг.4-7 иллюстрируется логика, используемая для преобразователя. На фиг.4 иллюстрируется нормальный режим работы преобразователя. Во время нормального режима работы электроэнергия аккумуляторов преобразуется в энергию переменного тока до достижения периода уменьшенного потребления сетевой электроэнергии (в этом случае он установлен от 12 часов вечера до 6 часов утра). Как только достигается период уменьшенного потребления сетевой электроэнергии, какое-либо потребление электроэнергии осуществляется из сетевой электроэнергии, а не из электроэнергии аккумуляторов. Во время нормального режима работы, если аккумуляторный модуль достигает нижнего предела напряжения, вследствие недостаточного ввода энергии от фотоэлектрической энергетики, преобразователь переходит к режиму чрезмерной разрядки (как показано на фиг.5). Во время работы режима чрезмерной разрядки любое потребление энергии устройствами пользователя осуществляется из сетевого источника электроснабжения. В то же самое время, если аккумулятор получает достаточно энергии посредством панели солнечной батареи (то есть V≥VL', как показано на фиг.5), преобразователь перейдет в нормальный режим работы, таким образом, возобновляется преобразование электроэнергии аккумуляторов в электроэнергию переменного тока. Аналогичным образом, если аккумуляторный модуль достигает верхнего предела напряжения вследствие чрезмерного снабжения энергией, поступающей от панели солнечной батареи, то преобразователь перейдет в режим чрезмерной зарядки (как показано на фиг.6). Во время работы в режиме чрезмерной зарядки любое потребление электроэнергии устройствами пользователя будет задерживаться до тех пор, пока не будет достигнуто более низкое установленное напряжение VH'. Это предотвращает повреждение преобразователя в то время, когда напряжение источника электроснабжения больше поддерживающей способности преобразователя. На фиг.7 приведена логика, используемая для подзарядки аккумуляторных модулей. Подзарядка аккумуляторного модуля может происходить только во время периода пониженного потребления сетевой электроэнергии. Если напряжение аккумуляторного модуля выше предварительно установленного напряжения V'', то подзарядки не требуется. В противоположность этому, если напряжение аккумуляторного модуля ниже предварительно установленного напряжения V'', то осуществляется подзарядка аккумуляторного модуля при использовании сетевого источника электроснабжения до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение V''. Необходимо отметить, что величина напряжения V'' поддается регулированию в соответствии с условиями получения электроэнергии от панелей солнечных батарей, которая изменяется от сезона к сезону. Предпочтительно, напряжение V'' устанавливают при напряжении, соответствующем опустошенной емкости аккумуляторного модуля, которая согласуется с максимальной энергией, которая может быть получена от панели солнечной батареи для этого сезона, таким образом, может быть достигнуто полное использование солнечной энергии. Еще одним режимом работы является профилактический режим работы. Во время этого режима работы преобразователи обеспечивают постоянное напряжение, заряжающее аккумуляторные модули при напряжении V'' для поддержания здорового состояния аккумуляторов. На фиг.8 иллюстрируется логика, используемая в профилактическом режиме работы.
Часть II. Аккумуляторный модуль
Для увеличения «простоты (низкой стоимости) эксплуатации» и удовлетворения характеристикам «технологической гибкости (разрешения широкого диапазона солнечной системы или даже системы ветротурбин)» системы аккумулирования электроэнергии внутри каждого аккумуляторного модуля размещен контроллер защиты ячеек. Контролер осуществляет постоянный контроль напряжения каждого из аккумуляторов, соединенных последовательно, которые образуют аккумуляторный модуль. Когда контроллер детектирует низкое напряжение (VBL) или высокое напряжение (VBH) какого-либо из аккумуляторов, соединенных последовательно, контроллер передает сигнал для блокирования входа/выхода при использовании средства, например реле. В состоянии чрезмерной зарядки реле размыкается до тех пор, пока не будет достигнуто более низкое напряжение VBH'. В противоположность этому в состоянии чрезмерной разрядки реле размыкается до тех пор, пока вручную не будет нажата кнопка «возобновления» (или просто заменен аккумуляторный модуль). Во время состояния чрезмерной разрядки может генерироваться звук устройства для звуковой сигнализации или мигающий световой сигнал светодиода для привлечения внимания к анормальному состоянию. В общем, преобразователь будет запускать режим «чрезмерной разрядки» прежде, чем в аккумуляторных модулях создается состояние низкого напряжения аккумулятора. Предпочтительным типом аккумулятора, используемым в настоящем изобретении, является тип оксида литий-железо-фосфора (LiFexPyOz) ионно-литиевого аккумулятора. При использовании аккумуляторов на основе оксида литий-железо-фосфора установка верхнего предела напряжения (VBH) предпочтительно составляет 4,0 В, а установка нижнего предела напряжения (VBL) составляет предпочтительно 2,0 В. В общем, нижний предел напряжения аккумулятора не будет достигаться при функционировании преобразователя (то есть преобразователь достигает напряжения VL прежде, чем достигается напряжение VBL). Однако верхний предел VBH напряжения аккумулятора может достигаться прежде, чем будет достигнут верхний предел VH напряжения преобразователя (смотри раздел Часть III). Контроллер, внедренный в каждый аккумуляторный модуль, обеспечивает две основные функции: (1) Допустим один аккумуляторный модуль состоит из четырех аккумуляторов, соединенных последовательно, и допустим, что аккумуляторный модуль поддерживается при напряжении 13,4 В (подобно другим аккумуляторным модулям, поскольку все модули соединены параллельно, как показано на фиг.2). В то время как один из аккумуляторов внутренне закорачивается (короткое замыкание внутри самого аккумулятора), падение напряжения одного из аккумуляторов, соединенных последовательно, будет инициировать «размыкание» реле, препятствуя, таким образом, другим аккумуляторным модулям (подобным образом поддерживаемым при напряжении 13,4 В) заряжаться, как модуль, который имеет внутри дефектный аккумулятор. (2) При использовании функции звука устройства звуковой сигнализации пользователь может узнавать о целостности аккумуляторных модулей, благодаря оценке частоты генерации звукового сигнала устройства звуковой сигнализации.
До этого момента может быть включено несколько аспектов:
1. Аккумуляторные модули и преобразователи являются независимыми (нет необходимой связи между контроллером аккумуляторного модуля и преобразователем).
2. Пределы и режимы сделаны совместимыми между преобразователем и аккумуляторными модулями.
3. Система аккумулирования электроэнергии может быть самоподдерживаемой с преобразователями и аккумуляторными модулями только без возобновляемого источника энергии. Эта система аккумулирования электроэнергии только хороша для применения, например задержки пикового потребления сетевой электроэнергии до периода пониженного потребления (сетевой) электроэнергии.
Как подробно описано в Части I и Части II, гарантируется совместимость между аккумуляторными модулями и преобразователем. Все режимы, вводимые в инверторе, контролируются способом, который соответствует требованиям и функциям аккумуляторных модулей и наоборот. Даже если выход аккумулятора отключается посредством реле вследствие чрезмерной разрядки аккумуляторного модуля, преобразователь будет детектировать это как «низкое напряжение» и перейдет к режиму чрезмерной разрядки до тех пор, пока аккумуляторный модуль не «возобновится вручную» или «заменится новым аккумуляторным модулем». До этого момента удовлетворяются требования автономности и совместимости.
Часть III. Интеграция системы аккумулирования электроэнергии (аккумуляторных модулей и преобразователей) вместе с другими источниками энергии, например панелями солнечных батарей
При интеграции системы аккумулирования электроэнергии с возобновляемым источником энергии, например панелями солнечных батарей, ниже рассматривается и анализируется еще одна проблема:
1. Состояние чрезмерной зарядки:
В то время как выход панели солнечной батареи выше потребления электроэнергии из преобразователя, может быть достигнут эффект полного аккумулятора. Это может случиться, когда аккумулированная энергия аккумулятора не потребляется регулярно в течение последующих дней, и это ведет к состоянию полного аккумулятора. В таком состоянии аккумуляторный модуль может чрезмерно зарядиться и инициировать действие «размыкания» реле. Когда реле разомкнуто, аккумулятор для соединения выхода панели солнечной батареи шунтируется, и соединение между панелью солнечной батареи и преобразователем остается активным, как показано на фиг.9. На фиг.9 приведено схематическое представление интеграции системы аккумулирования электроэнергии с панелью солнечной батареи. В соответствии с фиг.9 панель солнечной батареи и преобразователь соединены непосредственно перед реле. Во время нормальных условий панель солнечной батареи, аккумуляторный модуль и преобразователь взаимно соединены. Когда аккумуляторный модуль подвергается чрезмерной зарядке, реле «разомкнется», таким образом, соединяются только панель солнечной батареи и преобразователь. В то время как аккумуляторное реле «разомкнуто», в этом случае преобразователь мог уже достичь «режима чрезмерной зарядки». Если напряжение, детектируемое преобразователем, еще находится ниже состояния «режима чрезмерной зарядки», преобразователь продолжит работать до тех пор, пока не будет достигнуто состояние «режима чрезмерной зарядки» (остановка функционирования преобразователя для защиты преобразователя). Последний случай случается более вероятно, поскольку напряжение VH, обычно, устанавливается равным 16 В, а напряжение VBH устанавливается равным 4,0 В. Для четырех аккумуляторов, находящихся в состоянии последовательного соединения, при напряжении 4,0 В для одного аккумулятора вероятнее всего достигает до 16 В. Функционирование преобразователя возобновляется, когда напряжение панели солнечной батареи возвращается к нормальному значению (ситуация, когда V≤VH', соответствует нормальному состоянию). Аналогичным образом, функционирование аккумуляторного модуля может возобновиться, когда напряжение аккумуляторного модуля возвращается в норму (когда соответствует VBH'). Это состояние чрезмерной разрядки применимо к расширенной системе (как показано на фиг.2 и фиг.3) с множеством аккумуляторных модулей и также преобразователей. В системе с множеством аккумуляторных модулей, если выход панели солнечной батареи является постоянным, то аккумуляторные модули будут заряжены до полной емкости с разомкнутым одним или более реле. В то время как одно или более реле разомкнуты, преобразователь (преобразователи) еще может работать до тех пор, пока не будет достигнут «режим чрезмерной зарядки», или еще работать нормально до тех пор, пока реле в аккумуляторных модулях не вернутся в «замкнутое» состояние.
Состояние чрезмерной зарядки, анализируемое в этой секции, объясняет превосходство совместимости между системой аккумулирования электроэнергии, описанной в настоящем изобретении, и другими обновляемыми источниками энергии.
Ниже приведены следующие выводы:
1. Панели солнечных батарей, аккумуляторные модули и преобразователи являются независимыми (нет необходимости в соединениях между панелью солнечной батареи, контроллером аккумуляторного модуля и преобразователем).
2. Гарантируется совместимость между преобразователем, аккумуляторными модулями и возобновляемым источником энергии.
3. Система аккумулирования электроэнергии доступна для входа другого источника энергии, например панелей солнечных батарей или ветротурбин.
4. Доступна для расширения системы (нет проблем для непосредственного расширения).
Параметры, указанные в спецификациях, как для преобразователя, так и для аккумуляторных модулей, адекватны для системы из четырех аккумуляторов на основе материалов оксида литий-железо-фосфора (LiFexPyOz), соединенных последовательно, находящихся в одном аккумуляторном модуле в качестве примера. Следует отметить, что один аккумуляторный модуль может иметь до 16 аккумуляторов, соединенных последовательно. Однако, как показано в Таблице I, будет необходимо повторение контроллеров и реле. В Таблице I приведен список параметров, адекватных для до 16 аккумуляторов, соединенных последовательно в аккумуляторном модуле. Для осуществления настоящего изобретения каждый модуль должен быть присоединен параллельно.
Число контроллеров и реле, находящихся в аккумуляторном модуле, описанном в настоящем изобретении (как показано в Таблице I), не ограничивает правомерность аккумуляторного модуля, соединенного с преобразователем и панелью солнечной батареи или свойством расширения повторения аккумуляторных модулей, соединенных параллельно. Например, аккумуляторный модуль шестнадцати аккумуляторов, соединенных последовательно, может содержать только один контроллер и одно реле, в зависимости от доступности контроллеров и реле. Однако VBH, VBH', VBL, контроль размыкания/замыкания реле, активность аккумуляторного модуля при соответствующих VBH, VBH', VBL, и конфигурации, показанные на фиг.9, всегда являются важными для поддержания правильной работы системы.
Пример I. Фотоэлектрическая энергетика, интегрированная с системой аккумулирования электроэнергии, при имитации состояния семейного использования в доме
В представленном примере для имитации состояний семейного использования в доме сделано несколько допущений:
1. Нет потребления электроэнергии во время от 8 часов утра до 6 часов вечера.
2. Постоянное потребление мощности 800 Вт (при использовании лампочек) осуществляется между 6 часами вечера и 12 часами вечера (длительность 6 часов).
3. Фотоэлектрическая энергетика (мощностью 750 Вт) с напряжением холостого хода 30 В установлена для преобразования световой энергии в электрическую энергию.
4. Преобразователь (110 В, 20 А максимум) мощностью 2,2 кВт используется для имитации одной электрической цепи, используемой типичной семьей. Преобразователь предварительно установлен для зарядки аккумулятора в течение от 12 часов ночи до 6 часов утра до 30% емкости аккумулятора.
5. Параметры, установленные для преобразователя, включают в себя:
a. VH=32 В, VL=21 В,
b. VH'=30 В, VL'=25 В,
с. V''=25,6 В, V'''=29,2 В,
d. Ток режима подзарядки = 25 А.
6. В представленном примере использован портативный батарейный источник питания 10 кВтч, использующий тип оксида литий-железо-фосфора (LiFexPyOz) ионно-литиевого аккумулятора (26,2 В, восемь аккумуляторов, соединенных последовательно, емкостью 400 А-ч). Мощность аккумулятора составляет 30 кВт (эвкивалентную 3С, то есть полный дренаж аккумулятора через 20 минут). Исходный заряд 60% емкости поддерживается в системе аккумулирования электроэнергии. Если емкость менее 30%, то система аккумулирования электроэнергии будет подзаряжаться до 30% емкости аккумулятора между 12 часами ночи и 6 часами утра. Пределы напряжения аккумулятора установлены как VBH - 4,0 В, VBL - 2,0 В.
Результаты:
Случай I. В течение солнечного дня:
На фиг.10 приведена кривая зависимости I, V от времени в течение 24 часов (от 4 часов утра одного дня до 4 часов утра следующего дня). Электрические показатели, показанные на фиг.10, являются интеграцией тока (панели солнечной батареи или аккумулятора), времени и напряжения аккумулятора.
Благодаря интеграции I, V и времени, аккумулируемая и передаваемая энергия перечислена в Таблице II.
1. Без системы аккумулирования электроэнергии и фотоэлектрической энергетики стоимость потребления электроэнергии составляет 4,8*0,1=0,48 долл. США
2. Экономия с системой аккумулирования электроэнергии и фотоэлектрической энергетикой путем вычисления цены ввода энергии, требуемой из сети, составляет 1,4*0,05=0,07 долл. США
3. Общая экономия составляет 0,48-0,07=0,41 долл. США
**Экономия, основанная только на наличии фотоэлектрической энергетики (допуская 100% преобразование к сети) вычислена следующим образом:
1. Без системы аккумулирования электроэнергии и фотоэлектрической энергетики стоимость потребления электроэнергии составляет 4,8*0,1=0,48 долл. США
2. Экономия только с фотоэлектрической энергетикой путем вычисления цены ввода сетевой электроэнергии, требуемой из сети, составляет (4,8-3,4)*0,1=0,14 долл. США
3. Общая экономия составляет 0,48-0,14=0,34 долл. США
Случай II. В течение облачного дня:
Подобно Случаю I, в Таблице III иллюстрируется один пример аккумулируемой и подаваемой электроэнергии в течение облачного дня.
1. Без системы аккумулирования электроэнергии и фотоэлектрической энергетики стоимость потребления электроэнергии составляет 4,8*0,1=0,48 долл. США
2. Экономия с системой аккумулирования электроэнергии и фотоэлектрической энергетикой путем вычисления цены ввода энергии, требуемой из сети, составляет 0,8*0,1+3*0,05=0,23 долл. США
3. Общая экономия составляет 0,48-0,23=0,25 долл. США
**Экономия, основанная только на наличии фотоэлектрической энергетики (допуская 100% преобразование к сети) вычислена следующим образом:
1. Без системы аккумулирования электроэнергии и фотоэлектрической энергетики стоимость потребления электроэнергии составляет 4,8*0,1=0,48 долл. США
2. Экономия только с фотоэлектрической энергетикой путем вычисления цены ввода сетевой электроэнергии, требуемой из сети, составляют (4,8-1,0)*0,1=0,38 долл. США
3. Общая экономия составляет 0,48-0,38=0,1 долл. США
Выводы
1. Система является полностью автоматизированной без требования ручных операций.
2. Максимальная экономия может быть достигнута только, если потребляемая электроэнергия меньше энергии, получаемой от фотоэлектрической энергетики.
3. Без системы аккумулирования электроэнергии экономия на цене с помощью фотоэлектрической энергетики увеличивается с увеличением электроэнергии, получаемой с помощью фотоэлектрической энергетики.
4. С системой аккумулирования электроэнергии экономия на цене может быть даже больше по сравнению с тем, когда фотоэлектрическую энергетику используют только одну, вследствие ценовой разности между пиковым и пониженным потреблениями сетевой электроэнергии.
Изобретение относится к системам аккумулирования электроэнергии, пригодным для использования в обычных домах и офисах. Система аккумулирования электроэнергии, описываемая в этой заявке, может быть просто установлена в доме или офисе и может быть интегрирована с панелями солнечных батарей, ветротурбинами или другими возобновляемыми источниками энергии. Система аккумулирования электроэнергии содержит множество аккумуляторных модулей, электрически соединенных параллельно, причем каждое множество аккумуляторных модулей имеет преобразователь, электрически соединенный с ним для образования комбинации множества аккумуляторных модулей и преобразователя, при этом преобразователь имеет выход переменного тока, соединенный с одним или более устройствами, потребляющими электроэнергию, и вход переменного тока, соединенный с электрической сетью. Технический результат - экономия электроэнергии. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил., 3 табл.
1. Система аккумулирования электроэнергии, содержащая
множество аккумуляторных модулей, электрически соединенных параллельно, причем каждое множество аккумуляторных модулей имеет преобразователь, электрически соединенный с ним для образования комбинации множества аккумуляторных модулей и преобразователя, при этом преобразователь имеет выход переменного тока, соединенный с одним или более устройств, потребляющих электроэнергию, и вход переменного тока, соединенный с электрической сетью,
каждый аккумуляторный модуль указанного множества аккумуляторных модулей имеет электрические свойства, подобные оставшегося(-ихся) аккумуляторного(-ых) модуля(-ей), и
каждый аккумуляторный модуль имеет максимальную номинальную выходную мощность, равную или большую, чем непрерывная максимальная выходная номинальная мощность преобразователя, в которой
комбинация множества аккумуляторных модулей и преобразователя управляется в одном из режимов управления системы, причем указанные режимы управления системы включают в себя:
1) режим чрезмерной зарядки, в котором, если напряжение, определенное на указанном аккумуляторном модуле (V), больше поддерживаемого верхнего предела (VH) напряжения преобразователя, то функционирование преобразователя прекращается до тех пор, пока не будет достигнут нижний предел (VH') напряжения;
2) режим чрезмерной разрядки, в котором, если напряжение (V) меньше предварительно установленного напряжения (VL), то преобразователь отсоединяется от множества аккумуляторных модулей, а вход преобразователя переменного тока, соединенный с сетевым источником электроснабжения переменного тока, соединен во время отключения аккумулятора от источника электроснабжения с одним или более устройством, потребляющим электроэнергию;
3) режим подзарядки, в котором, если напряжение (V) меньше предварительно установленного напряжения (V'') и если время дня (Т) находится в пределах предварительно установленного диапазона (R), то множество аккумуляторных модулей подзаряжается от входа преобразователя переменного тока, соединенного с электрической сетью; и
4) режим нормальной работы, в котором, если напряжение (V)≤(VH), и если (V)≥(VL), и если (Т) не находится в диапазоне (R), то множество аккумуляторных модулей соединяется с преобразователем для обеспечения электроэнергии через выход преобразователя переменного тока к одному или более устройств, потребляющих электроэнергию (энергоемких).
2. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, дополнительно содержащая
режим обслуживания (профилактический), в котором, если период времени, прошедший со времени установления режима обслуживания, является предварительно установленным (заданным) периодом времени, то преобразователь обеспечивает зарядку постоянным напряжением при напряжении V'' к множеству аккумуляторных модулей в течение предварительно установленного (заданного) периода времени.
3. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, в которой
каждый аккумуляторный модуль имеет в нем, по меньшей мере, один контроллер для текущего контроля напряжения аккумуляторных ячеек в аккумуляторном модуле.
4. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, в которой
каждый аккумуляторный модуль имеет в нем реле для отсоединения аккумуляторного модуля.
5. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, в которой
каждый аккумуляторный модуль имеет в нем, по меньшей мере, одно средство для отсоединения аккумуляторного модуля от остальных аккумуляторных модулей и преобразователя, когда аккумулятор(ы) находится в состоянии чрезмерной зарядки (V>VВН) или в состоянии чрезмерной разрядки (V<VBL), где VBH является напряжением чрезмерной зарядки аккумулятора, а VBL является напряжением на разрядки аккумулятора.
6. Система аккумулирования электроэнергии по п.5, в которой
каждый аккумуляторный модуль имеет в нем, по меньшей мере, одно средство для повторного соединения аккумуляторного модуля с остальными аккумуляторными модулями и преобразователем, когда аккумулятор(ы) превышает предел (V>VBL) чрезмерной зарядки, с последующим состоянием, когда (V)<(VBH'), где VBH' является нормальным напряжением работы аккумулятора.
7. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, в которой
каждый аккумуляторный модуль, когда находится в состоянии чрезмерной разрядки, обеспечивает (издает) визуальный или звуковой сигнал.
8. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, в которой
преобразователь имеет непрерывный выход мощности в диапазоне 2-3 кВт, а каждый аккумуляторный модуль имеет емкость в диапазоне 5-10 кВтч и выходное напряжение 100 В.
9. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, в которой
преобразователь имеет непрерывный выход мощности в диапазоне 2-3 кВт, а каждый аккумуляторный модуль имеет емкость в диапазоне 1-10 кВтч и выходное напряжение 60 В.
10. Система аккумулирования электроэнергии, содержащая
аккумуляторный модуль, причем каждый аккумуляторный модуль имеет преобразователь, соединенный с ним для образования комбинации аккумуляторного модуля и преобразователя, преобразователь имеет выход переменного тока, соединенный с одним или более устройств, потребляющих электроэнергию, и вход переменного тока, соединенный с электрической сетью,
аккумуляторный модуль имеет максимальную номинальную выходную мощность, равную или большую, чем постоянная максимальная выходная мощность преобразователя, в которой
комбинация аккумуляторного модуля и преобразователя управляется в одном из режимов управления системы, причем указанные режимы управления системы включают в себя:
1) режим чрезмерной зарядки, в котором, если напряжение, определенное на указанном аккумуляторном модуле (V), больше поддерживаемого верхнего предела (VH) напряжения преобразователя, то функционирование преобразователя прекращается до тех пор, пока не будет достигнут нижний предел (VH'') напряжения;
2) режим чрезмерной разрядки, в котором, если напряжение (V) меньше предварительно установленного напряжения (VL), то преобразователь отсоединяется от аккумуляторного модуля, а вход переменного тока преобразователя, соединен с сетевым источником электроснабжения переменным током, соединенный во время отключения аккумулятора от источника электроснабжения с одним или более устройством, потребляющим электроэнергию;
3) режим подзарядки, в котором, если напряжение (V) меньше предварительно установленного напряжения (V'') и если время дня (Т) находится в пределах предварительно установленного диапазона (R), то аккумуляторный модуль подзаряжается от входа преобразователя переменного тока, соединенного с электрической сетью, и
4) режим нормальной работы, в котором, если (V) меньше или равно (VH), и если (V) больше или равно (VL), и если (Т) не находится в диапазоне (R), то аккумуляторный модуль соединяется с преобразователем для обеспечения электроэнергии через выход преобразователя переменного тока к одному или более устройств, потребляющих электроэнергию.
11. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, дополнительно содержащая возобновляемый источник энергии, соединенный с множеством аккумуляторных модулей.
12. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, в которой
преобразователь отключается от множества аккумуляторных модулей с использованием реле.
13. Система аккумулирования электроэнергии по п.1, в которой
аккумуляторные модули содержат аккумуляторные ячейки на основе оксида литий-железо-фосфора.
14. Комбинированная система аккумулирования электроэнергии, содержащая
множество систем аккумулирования электроэнергии по п.1, в которой множество аккумуляторных модулей каждой системы аккумулирования электроэнергии по п.1 соединено параллельно с множеством аккумуляторных модулей каждой другой системы аккумулирования электроэнергии по п.1, а количество аккумуляторных модулей равно, по меньшей мере, (N+1), где N - число преобразователей.
| US 7248490 B2, 24.07.2007 | |||
| US 7145266 B2, 05.12.2006 | |||
| US 7072194 B2, 04.07.2006 | |||
| US 7102251 B2, 05.09.2006 | |||
| US 7304453 B2, 04.12.2007 | |||
| US 5153497 A, 06.10.1992 | |||
| US 6518728 B2, 11.02.2003 | |||
| US 2003047209 A1, 13.03.2003 | |||
| US 6949843 B2, 27.09.2005. |
