BE1023235B1

BE1023235B1 - Modular, hybrid electricity accumulator

Info

Publication number: BE1023235B1
Application number: BE2015/5690A
Authority: BE
Inventors: Georges Fontaine
Original assignee: Electragam Nv
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2017-01-06

Abstract

De uitvinding betreft een modulaire, hybride elektriciteitsaccumulator, met een ingang voor meerdere krachtbronnen, met UPS en mogelijkheid tot injectie in het netwerk.The invention relates to a modular, hybrid electricity accumulator, with an input for several power sources, with UPS and possibility of injection into the network.

Description

Modulaire, hybride elektriciteitsaccumulatorModular, hybrid electricity accumulator

Het domein.The domain.

Deze uitvinding heeft betrekking op een apparaat dat de opslag toestaat van elektrische energie. In het bijzonder elektrische energie uit een aantal verschillende bronnen, zoals bijvoorbeeld het elektriciteitsnetwerk, een generator, zonne-energie, wind, enz.. Het apparaat is verder ook in staat om de opgeslagen elektrische energie ter beschikking te stellen van een huishoudelijke gebruiker door middel van zowel een niet-onderbreekbare noodvoeding, ook wel UPS of Uninterruptable Power Supply genoemd, als een no-break noodvoeding. Het apparaat is verder ook in staat om, op verzoek, elektrische energie ter beschikking te stellen van het elektriciteitsnetwerk of eruit op te nemen.This invention relates to an apparatus that allows the storage of electrical energy. In particular electrical energy from a number of different sources, such as for example the electricity network, a generator, solar energy, wind, etc. The device is furthermore also able to make the stored electrical energy available to a household user by means of of a non-interruptible emergency power supply, also known as UPS or Uninterruptable Power Supply, as well as a no-break emergency power supply. The device is furthermore capable, upon request, of making electrical energy available to the electricity network or of taking it out.

De uitvinding betreft een huishoudelijke, modulaire, hybride elektriciteitsaccumulator. Meer bepaald een modulaire, hybride elektriciteitsaccumulator, met meerdere ingangen voor meerdere krachtbronnen. De accumulator bevat bovendien eveneens UPS module en een no-break module om bij storingen van het elektriciteitsnetwerk een gebruiker van elektrische stroom te voorzien. De accumulator bevat eveneens een injectie-module om elektrische stroom van de accumulator aan het elektriciteitsnetwerk aan te leveren. De uitvinding betreft dus een modulaire, hybride elektriciteitsaccumulator, met een ingang voor meerdere krachtbronnen, met UPS en no-break en mogelijkheid tot injectie in het elektriciteitsnetwerk.The invention relates to a household, modular, hybrid electricity accumulator. More specifically a modular, hybrid electricity accumulator, with multiple inputs for multiple power sources. The accumulator also includes a UPS module and a no-break module to provide a user with electrical power in the event of a failure in the electricity network. The accumulator also includes an injection module for supplying electrical current from the accumulator to the electricity network. The invention thus relates to a modular, hybrid electricity accumulator, with an input for several power sources, with UPS and no-break and possibility of injection into the electricity network.

De huidige stand van de techniek.The current state of the art.

De ontdekking en de verspreiding van hernieuwbare energiebronnen, voornamelijk uit wind- of zonne-energie, leidde op zijn beurt tot het vaststellen van nieuwe beperkingen en problemen. De productie van energie geproduceerd door deze nieuwe bronnen van groene energie, hoe krachtig ze ook zijn, is zelden in overeenstemming met de behoeften van de consument, en dus ook met de noden van het elektriciteitsnetwerk.The discovery and diffusion of renewable energy sources, mainly from wind or solar energy, in turn led to the identification of new limitations and problems. The production of energy produced by these new sources of green energy, however powerful they may be, is rarely in line with the needs of consumers, and therefore also with the needs of the electricity network.

Het gebeurt heel dikwijls dat de vraag naar energie aanzienlijk is terwijl er praktisch geen zon of wind is, waardoor het elektriciteitsnetwerk verplicht is om de ontbrekende energie in te voeren tegen hoge prijzen, of om gebruik te maken van noodcentrales die snel kunnen opgestart worden, zoals bijvoorbeeld gascentrales.It often happens that the demand for energy is considerable while there is practically no sun or wind, making the electricity network obliged to import the missing energy at high prices, or to use emergency power stations that can be started up quickly, such as for example gas plants.

Aan de andere kant kan er veel zon en wind zijn op ogenblikken dat de vraag naar energie laag is. Een soortgelijk fenomeen, dat regelmatiger voorkomt, wordt veroorzaakt door de wijziging in de vraag naar energie gedurende een dag van 24 uur, met pieken in de ochtend en de vroege avond, en dieptepunten tijdens de nacht. Het uitschakelen van steeds meer en meer kerncentrales verlaagt bovendien drastisch het beschikbare productievolume. De combinatie van deze verschijnselen is zodanig ernstig dat we momenteel rekening moeten houden met het risico van black-out-perioden of ‘brown-out’ perioden wat een gecontroleerde black-out beteken, waarbij een deel van de verbruikers van het elektriciteitsnetwerk wordt afgeschakeld.On the other hand, there can be a lot of sun and wind when the demand for energy is low. A similar phenomenon, which occurs more regularly, is caused by the change in energy demand during a 24-hour day, with peaks in the morning and early evening, and lows during the night. Moreover, switching off more and more nuclear power stations drastically reduces the available production volume. The combination of these phenomena is so serious that we currently have to take into account the risk of black-out periods or "brown-out" periods, which means a controlled black-out, whereby some of the consumers are disconnected from the electricity network.

Naast deze problemen van de elektrische energievoorziening creëert de privé-installatie door huishoudelijke gebruikers van een groot aantal zonnepanelen ernstige onevenwichtigheden in het elektrische distributienetwerk dat oorspronkelijk niet is ontworpen voor dit doel of voor deze vermogens, en dwingt de distributeur tot aanzienlijke investeringen die vaak onrendabel zijn. In geval van stroomonderbreking of blackout, hebben de eigenaars van fotovoltaische panelen te maken met een dubbele frustratie: aan de ene kant gaat de productie van hun panelen verloren want de anti-eilandbescherming van de omvormer verbreekt op een bepaald ogenblik het contact met het elektriciteitsnetwerk, en ze ondergaan de black-out op dezelfde manier als de doorsneeconsument die niet heeft geïnvesteerd in zonnepanelen.In addition to these problems of electrical energy supply, the private installation by household users of a large number of solar panels creates serious imbalances in the electrical distribution network that was not originally designed for this purpose or for these capacities, and forces the distributor to make substantial investments that are often unprofitable. . In the event of a power failure or blackout, the owners of photovoltaic panels are confronted with a double frustration: on the one hand, the production of their panels is lost because the anti-island protection of the inverter breaks off contact with the electricity network at a certain point, and they undergo the blackout in the same way as the average consumer who has not invested in solar panels.

Iedereen is het er vandaag over eens dat het niet mogelijk is om de productie van hernieuwbare energie te veralgemenen en te bevorderen zonder te beschikken over oplossingen om deze elektrische energie op te slaan.Everyone today agrees that it is not possible to generalize and promote the production of renewable energy without having solutions to store this electrical energy.

Er bestaan oplossingen. Denken we maar aan het systeem van de hydraulische buffervaten via een hoger en een lager gelegen meer in combinatie met turbines, zoals bijvoorbeeld, zoals bijvoorbeeld de spaarbekkencentrale van Coo-Trois-Points, maar ze blijven een uitzondering en zijn te gering om een algemene oplossing te bieden. Bovendien beperken hun hoge investerings- en onderhoudskosten enerzijds en anderzijds hun lage prestaties hun verspreiding.There are solutions. Just think of the system of the hydraulic buffer tanks via a higher and lower located lake in combination with turbines, such as, for example, such as the Coo-Trois-Points reservoir, but they remain an exception and are too small to provide a general solution to offer. Moreover, their high investment and maintenance costs, on the one hand, and their low performance, on the other, limit their spread.

Op dit ogenblik zijn er studies en waarschijnlijk ook projecten aan de gang met betrekking tot de installatie van industriële batterijen met zeer groot vermogen, maar hiervan zijn geen praktische voorbeelden. Deze oplossing zal, hoe dan ook, de problemen van de distributie die het gevolg zijn van de plaatsing van krachtige zonnepanelen voor privégebruik, niet oplossen.Studies and probably also projects are underway concerning the installation of very high-capacity industrial batteries, but there are no practical examples of this. This solution, however, will not solve the distribution problems that result from the installation of powerful solar panels for private use.

Andere onderzoeken die uitgevoerd worden betreffen kleine en middelgrote geïntegreerde systemen, maar afgezien van het feit dat de meeste niet daadwerkelijk operationeel zijn, zijn ze soms gebaseerd op oudere batterijtechnologie of op batterijen waarvan de hoge spanning, dit wil zeggen het voltage, niet toepasbaar is binnen een huishoudelijke context, of die zo speciaal ontworpen zijn dat hun verdere ontwikkeling naar toekomstige en nieuwe batterijtechnologieën en / of nieuwe toepassingen binnen de elektronica moeilijk zal worden. Geen enkel bekend systeem is echt modulair of geïntegreerd.Other studies that are being conducted concern small and medium-sized integrated systems, but apart from the fact that most are not actually operational, they are sometimes based on older battery technology or on batteries whose high voltage, that is, the voltage, cannot be applied within a domestic context, or that have been specially designed so that their further development into future and new battery technologies and / or new applications within electronics will become difficult. No known system is really modular or integrated.

Beschrijving van de uitvinding.Description of the invention.

Een uitvoeringsvorm van de modulaire accumulator wordt weergegeven in de bijhorende Figuur 1. Het spreekt voor zich dat alternatieve uitvoeringsvormen mogelijk zijn.An embodiment of the modular accumulator is shown in the accompanying Figure 1. It goes without saying that alternative embodiments are possible.

De oplossing bestaat uit een grote groep aan elkaar gekoppelde, ofwel 'cloud' van opslagbatterijen-omvormers die geïnstalleerd zijn bij verschillende huishoudens en die via een centraal platform communiceren en intelligentie hebben, waarbij elk element zo dicht mogelijk bij de binnenlandse productie van fotovoltaische energie geplaatst wordt en het laden en ontladen kan gebeuren op verzoek van de energiedistributeur.The solution consists of a large group of interconnected, or 'cloud', storage storage inverters installed at different households and communicating through a central platform and having intelligence, with each element placed as close as possible to domestic photovoltaic energy production and the loading and unloading can take place at the request of the energy distributor.

In tegenstelling tot de oplossingen die zich reeds op de markt bevinden onderscheid deze uitvinding zich op verschillende fronten tegelijk: 1. Het systeem bestaat uit één of meer behuizingen, ofwel "housings", die alle elektrische onderdelen, elektronica en batterijen bevatten. De bedrading tussen deze onderdelen is geïntegreerd in de behuizing en vereist geen externe bedrading aan modules. 2. De behuizing is elegant qua grootte, ziet er mooi en ergonomisch uit in tegenstelling tot de bestaande modellen voor ophanging aan de muur en is smaller dan de modellen welke op de grond geplaatst worden. 3. De behuizing is samengesteld uit modules met een gewicht van ongeveer 30 kilo en is dus gemakkelijk te transporteren en installeren. 4. Het systeem omvat een niet-onderbreekbare vermogensvoorziening, eveneens gerefereerd als UPS, die tegelijkertijd toelaat om een permanente voeding online te hebben, die zonder onderbreking aanschakelt, wanneer het netwerk wegvalt, bijvoorbeeld voor gevoelig elektronische installaties of computers, en een klassieke voeding no-break met lage schakeltijd of een lichte onderbreking. 5. Het systeem omvat een centrale computer die onafhankelijk is van de elektronische vermogenscomponenten, wat toelaat om te werken met elektronische onderdelen van verschillende leveranciers zonder dat de werking in het gedrang komt. 6. Het systeem is modulair in die zin dat, afhankelijk van de evolutie van de behoeften en investeringen van de gebruiker, een groot aantal opties kunnen worden toegevoegd aan het systeem. Het betreft bijvoorbeeld een toevoeging van een windturbine, zonnepanelen, een generator en een kleine hydraulische installatie, enz., toevoeging van één of meer omvormers voor injectie in het netwerk, het toevoegen van een uitbreidingsmodule van batterijen... 7. Het basissysteem beschikt over een bluetooth communicatiemodule waardoor de gebruiker zelf zijn systeem kan configureren via een tablet en visueel de staat van de onderdelen en batterijen kan opvolgen. 8. Het systeem heeft standaard (of optioneel) een GPRS-communicatiemogelijkheid waardoor het berichten kan verzenden en instructies kan ontvangen van de distributeur of van de gebruiker. 9. Het systeem heeft optioneel Wifi-communicatie wat het toelaat om over lange afstand te communiceren of gegevens te ontvangen, vooral over de stand van de netwerkbelasting en de weersverwachting. 10. Het systeem kan, in functie van de toekomstige standaarden van de energiedistributeur, uitgerust worden met andere communicatiemogelijkheden, meer bepaald om gegevens te kunnen uitwisselen met de toekomstige slimme meters. 11. Het systeem is schaalbaar, omdat haar centrale computer zich kan aanpassen aan toekomstige technologieën, vooral op het vlak van batterijen of elektronica. 12. Het systeem is uitgerust met een real-time klok, waardoor het zichzelf autonoom kan opladen tijdens goedkope perioden en ontladen (gebruik van het opgeslagen vermogen) tijdens perioden van vol tarief. 13. Het systeem heeft een vrij elektrisch contact dat kan worden gebruikt door de gebruiker voor de ontkoppeling van delen van zijn elektrische installatie in tijden van pieken in de vraag of kritieke momenten voor het netwerk. 14. Indien er geen opdrachten zijn van de energiedistributeur loopt het systeem autonoom wat betreft laden en ontladen evenals het tijdstip hiervoor.In contrast to the solutions already on the market, this invention distinguishes itself on several fronts at the same time: 1. The system consists of one or more housings, or "housings", which contain all electrical components, electronics and batteries. The wiring between these components is integrated in the housing and does not require external wiring to modules. 2. The housing is elegant in size, looks nice and ergonomic in contrast to the existing models for hanging on the wall and is narrower than the models that are placed on the floor. 3. The housing is composed of modules with a weight of approximately 30 kilos and is therefore easy to transport and install. 4. The system comprises a non-interruptible power supply, also referred to as UPS, which at the same time allows to have a permanent power supply online, which switches on without interruption if the network fails, for example for sensitive electronic installations or computers, and a traditional power supply no. -break with low switching time or a slight break. 5. The system comprises a central computer that is independent of the electronic power components, which makes it possible to work with electronic components from different suppliers without compromising on operation. 6. The system is modular in the sense that, depending on the evolution of user needs and investments, a large number of options can be added to the system. This concerns, for example, an addition of a wind turbine, solar panels, a generator and a small hydraulic installation, etc., addition of one or more inverters for injection into the network, adding an expansion module of batteries ... 7. The basic system has a bluetooth communication module that allows the user to configure his system via a tablet and visually monitor the condition of the parts and batteries. 8. The system has standard (or optional) GPRS communication capability that allows it to send messages and receive instructions from the distributor or the user. 9. The system has optional Wi-Fi communication which makes it possible to communicate over a long distance or to receive data, especially about the state of the network load and the weather forecast. 10. Depending on the future standards of the energy distributor, the system can be equipped with other communication options, in particular to be able to exchange data with the future smart meters. 11. The system is scalable because its central computer can adapt to future technologies, especially in the field of batteries or electronics. 12. The system is equipped with a real-time clock, which means that it can charge itself autonomously during cheap periods and discharge (use of the stored power) during periods of full tariff. 13. The system has a free electrical contact that can be used by the user to disconnect parts of his electrical installation in times of peak demand or critical moments for the network. 14. If there are no orders from the energy distributor, the system runs autonomously with regard to charging and discharging, as well as the time for this.

KenmerkenCharacteristics

Geïntegreerd modulair apparaat voor energieopslag, met een totale integratie van alle elementen in modules, binnen één zelfde behuizing of housing met lage dikte, waardoor geen andere bedrading nodig is dan diegene die zorgt voor hun verbinding met externe apparaten die energie produceren of verbruiken.Integrated modular device for energy storage, with total integration of all elements into modules, within one and the same housing or housing with low thickness, so that no other wiring is required than the one that ensures their connection to external devices that produce or consume energy.

Additionele kenmerken: 1. samengesteld uit één of meerdere ergonomische add-on modules met een gewicht van ongeveer 30 kg, batterijen inbegrepen 2. bevat een systeem van ononderbroken voeding met twee uitgangen: een online-uitgang en een no-break uitgang 3. bezit optioneel de specifieke mogelijkheid om een generator, zonnepanelen of een windturbine aan te koppelen als vervanging voor het normale stroomnet 4. is modulair opgebouwd zowel op het vlak van de uitrusting als van de opties 5. heeft standaard of als optie de installatie van verschillende communicatiemogelijkheden en van een specifieke tablettoepassing 6. heeft een centrale processor die zich kan aanpassen aan een groot aantal producten uit de elektronica alsook aan de huidige en toekomstige technologie van batterijen 7. bezit standaard een real-time klok, waardoor de processor op autonome wijze beslissingen kan nemen betreffende het laden en het ontladen/gebruiken van de batterijen 8. beschikt over een vrij contact zodat de gebruiker in staat is om een gedeelte van zijn elektriciteit verbruikende apparaten af te zetten tijdens momenten van piekverbruik en dit in functie van de vraag van de distributienetbeheerder 9. biedt de mogelijkheid aan de distributienetbeheerder om vanop afstand het commando door te geven om het laden van de batterijen op te starten (verplichten tot energieverbruik) tijdens periodes van lage belasting van het net. 10. beschikt standaard over een systeem voor het ontvangen van weerberichten en de prognoses van black-out, zodat autonome beslissingen kunnen genomen worden met betrekking tot de gebruikte vermogens en de tijden van laden en ontladen van de batterijenAdditional features: 1. composed of one or more ergonomic add-on modules with a weight of approximately 30 kg, including batteries 2. contains a system of uninterrupted power supply with two outputs: an online output and a no-break output 3. possesses optionally the specific possibility to connect a generator, solar panels or a wind turbine as a replacement for the normal power grid 4. has a modular structure both in terms of equipment and options 5. has as standard or option the installation of various communication options and of a specific tablet application 6. has a central processor that can adapt to a large number of products from the electronics as well as to the current and future technology of batteries 7. has a real-time clock as standard, allowing the processor to make autonomous decisions concerning the charging and discharging / use of the batteries 8. has a free contact so that the the user is able to switch off part of his electricity consuming devices during peak consumption times and this depending on the demand of the distribution system operator 9. offers the possibility for the distribution system operator to remotely send the command to charge the start up batteries (obligate to use energy) during periods of low load on the network. 10. has a standard system for receiving weather reports and forecasting black-out, so that autonomous decisions can be made regarding the power used and the times of charging and discharging the batteries

In het algemeen bestaat de uitvinding dus uit een modulaire, hybride elektriciteitsaccumulator, met een ingang voor meerdere krachtbronnen, met UPS en mogelijkheid tot injectie van opgeslagen energie in het netwerk.In general, the invention therefore consists of a modular, hybrid electricity accumulator, with an input for several power sources, with UPS and the possibility of injecting stored energy into the network.

Deze uitvinding heeft betrekking op een apparaat dat: elektrische energie opslaat via moderne elektrische batterijen, • beschikt over een UPS en een no-break, • standaard kan aangesloten worden op een generator, zonnepanelen of windturbine • in staat is om energie te injecteren in het netwerk • beschikt over een CPU uitgerust met een real time klok, • autonoom in staat is om beslissingen te nemen, • beschikt over een innovatief communicatiesysteem dat toelaat data en informatie te vergaren of opdrachten te ontvangen o naar of van de gebruiker o naar of van de distributienetbeheerder • geïntegreerd is in modules die ergonomische dun en vervoerbaar en handelbaar zijn • volledig modulair en schaalbaar is.This invention relates to a device that: stores electrical energy via modern electrical batteries, • has a UPS and a no-break, • can be connected as standard to a generator, solar panels or wind turbine • is capable of injecting energy into the network • has a CPU equipped with a real-time clock, • is autonomously capable of making decisions, • has an innovative communication system that allows data and information to be collected or to receive orders o to or from the user o to or from the distribution system operator • is integrated into modules that are ergonomically thin and transportable and manageable • is completely modular and scalable.

Claims

Conclusions

An apparatus comprising: - a battery module, containing at least one battery, and selectively connectable to various connection points for various energy sources; - an ups module coupled to the battery module and configured to convert electrical energy from the battery and to at least one ups output for connecting a household electrical installation; and - a controller that controls the selective connection of the modules and connection points.

A device according to claim 1, characterized in that the device further comprises: - a communication module that allows to connect the device to a communication network, so that the device can be controlled remotely and / or the device can be connected to one or more other such devices for coordinated control.

The device according to claim 1 or 2, characterized in that the ups module: - contains at least one online ups output that permanently supplies electrical energy, and / or - contains at least one no-break output.

The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the device comprises: - a battery charger; and - a connection point for the electricity network and / or a connection point for an emergency generator, selectively linkable to the battery charger and / or the no-break module, by the controller.

The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the device further comprises at least one connection point for a non-constant electrical energy source, wherein the non-constant electrical energy source can be selectively coupled to the battery module via an inverter.

The device according to claim 5, characterized in that the device comprises at least one of the following connection points for non-constant electrical energy sources: - a connection point for photovoltaic solar panels; - a connection point for a wind turbine

The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the controller is a real-time clock and configured to selectively couple the battery charger and / or ups module to the battery module according to a predetermined pattern, in order to connect the batteries loading and respectively discharging or using.

The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that these switch-off commands are generated as a function of the load on the electricity network, for example during periods of a high load on the electricity network.

The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the controller is configured to temporarily activate the battery charger to charge the batteries as a function of charge commands received via the communication module.

The device according to claim 9, characterized in that these charging commands are generated as a function of the load on the electricity network, for example during periods of a low load on the electricity network.

The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the device comprises a housing within which the battery module, battery charger, ups module and connection points are arranged.

The device according to claim 11, characterized in that the housing is suitable for mounting the device on a wall and contains a certain maximum thickness.

The device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the controller can exchange one or more of the following data via the communication module: - data on weather reports; - data on the projections of a risk of blackout.

The device according to claim 13, characterized in that the controller determines the selective connection of the connection points, battery charger and, in function of the power used, controls the times of charging and discharging of the battery.

A system comprising a plurality of the devices according to one or more of the preceding claims, characterized in that the plurality of the devices is coupled to a central platform to realize coordinated control.