BE1027113B1 - Hydro e-solar opslagsysteem - Google Patents

Abstract

De uitvinding betreft een systeem voor het omzetten en opslaan van door de zon opgewekte elektrische energie in de vorm van warmte op het moment van overproductie.

Description

1018 |oc 24. BE2019/0021 1 Hydro e-solar opslagsysteem.

De uitvinding betreft een systeem voor het omzetten en opslaan van door de zon opgewekte elektrische energie in de vorm van warmte voor later gebruik op het moment van elektrische overproductie.

Op vandaag gekende fotovoltaïsche systemen hebben een aantal nadelen.

De huidige conventionele fotovoltaïsche systemen wekken elektrische energie op voor lokaal gebruik maar plaatsen bij overproductie de volle overcapaciteit op het openbaar net.

Dit zorgt voor een paar nadelen.

Hierdoor ontstaat dubbele trafiek op het elektriciteitsnet (op het net zetten bij overproductie en terug afnemen op een later moment voor consumptie). Dit extra transport zorgt voor problemen op het net met bijkomende kosten voor de verzwaring van dat net en dus een hogere kost voor de consument op termijn.

Deze overtollig opgewekte energie wordt ook niet vergoed en is dus voor de prosument “verloren”. Conventionele systemen gaan uit van een scheiding tussen elektrische zonne-energie en zonne-energie voor het verwarmen van bijvoorbeeld sanitair water.

Hierbij zien we meerdere nadelen: hogere kosten om twee installaties te plaatsen, een voor fotovoltaïsche cellen en een zonneboiler, bovendien is het in bepaalde gevallen niet mogelijk om een zonneboiler installatie te plaatsen gezien de grote afstand tussen dak en boilerinstallatie.

Alsook hogere onderhoudskosten van beide installaties, bovenop deze van de standaard installatie voor het verwarmen van sanitair water al dan niet in combinatie met verwarming van de woning zelf.

De huidige uitvinding heeft tot doel aan minstens één van de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden. Hiertoe betreft de uitvinding een systeem voor het omzetten van elektrische overproductie in nuttig, lokaal verbruikte energie door deze op te slaan in een vloeistof, waarbij de vloeistof wordt opgewarmd door het overschot aan elektrische energie. Later, wanneer nodig, kan de verwarmde vloeistof zijn warmte afgeven.

De uitvinding betreft een systeem zoals beschreven in de conclusies met de volgende kenmerken: - Systeem voor het omzetten en opslaan van door de zon opgewekte elektrische energie in de vorm van warmte op het moment van overproductie. — Systeem waarbij de warmte wordt opgeslagen in de vorm van een warme vloeistof.

— Systeem waarbij de verwarmde vloeistof, al of niet op een later tijdstip, zijn warmte vrijgeeft op een moment dat deze vereist is.

- Systeem waarbij de warmte wordt vrijgegeven in de vorm van warm water of voor het opwarmen van een centrale verwarming.

— Systeem waarbij de overproductie lokaal is.

- Systeem waarbij het systeem een intelligente module omvat die de opgewekte elektrische energie waarneemt, vergelijkt met de opgenomen (gevraagde) elektrische energie, en wanneer er een overschot is volgens een bepaalde gedefinieerde marge deze energie wordt doorgeschakeld naar een buffervat, bijvoorbeeld een warmwaterboiler, om te worden opgeslagen in de vorm van warmte.

- Systeem waarbij het systeem een buffervat omvat voorafgaand aan, of geïntegreed in, een conventioneie boiler van een reeds bestaande installatie.

— Systeem waarbij de grootte van het buffervat gedimensioneerd is naar de gemiddelde/maximale hoeveelheid van overproductie en opslag van warmte.

- Systeem waarbij een bestaande boiler kan worden aangevuld met warm water uit het buffervat van het systeem zonder verbuik van (fossiele brandstof) energie.

- Systeem waarbij het systeem binnen de komende uren de overproductie van elektriciteit kan opslaan in het buffervat, waardoor geen additionele zonneboiler is vereist. — Systeem waarbij de (overproductie van) energie wordt opgeslagen wanneer deze energie beschikbaar is.

- Systeem waarbij de (overproductie van) energie wordt verbruikt wanneer deze vereist is.

- Systeem waarbij het systeem de volgende delen omvat: een omvormer (A) geconnecteerd met fotovoltaïsche cellen, (B) een conventionele aansluiting op het elektriciteitsnet, (C) een verwarmingsinstallatie voor warm water en/of (D) een boiler voor opslag van warm water, — Systeem waarbij de koppeling tussen de geproduceerde electrische energie (A,B) en de opslag van overgeproduceerde energie (D en/of A) gebeurt via een intelligente module (u) die de energiestromen waarneemt en indien mogelijk de overproductie energie doorschakelt voor het bufferen van de opgeslagen energie in de vorm van verwarmde vloeistof.

— Systeem waarbij warm water uit het buffervat wordt aangevoerd naar de conventionele installatie van warm water.

De huidige uitvinding biedt een lokale oplossing voor de voorgaande nadelen door de mogelijkheid om de overproductie om te zetten in nuttig, lokaal verbruikte energie door deze op te slaan in een vloeistof. Deze energie kan dan aangewend worden om sanitair water of verwarming te voorzien op momenten dat dit nodig is, ook na zonsondergang. 5 Hierdoor kan het verbruik van andere brandstoffen, bijvoorbeeld fossiele brandstoffen, worden teruggedrongen. Door het aanwenden van deze intelligentie wat betreft monitoring van de elektrische energiestromen kan een vereenvoudiging gebeuren in installaties. Hierdoor hoeven geen twee installaties geplaatst te worden voor hernieuwbare energie, bijvoorbeeld fotovoltaïsche cellen en boiler.

Daar de elektrische energie t.o.v. verwarmde vloeistof over grotere afstand transporteerbaar is zonder verliezen is deze oplossing ook inzetbaar op plaatsen waar geen zonneboiler kan toegepast worden.

Het systeem bestaat uit een intelligente module die de huidig opgewekte elektrische energie waarneemt en deze vergelijkt met de opgenomen (gevraagde) elektrische energie van de installatie. Deze waarnemingen kunnen gebeuren aan de hand van specifieke, voor dit systeem geplaatste, meetapparatuur of door communicatie met bestaande apparatuur zoals omvormer of intelligente meter die reeds in het net aanwezig is, in zoverre deze daarvoor voorzien zijn.

De intelligentie van deze module bestaat uit een u- controller of processor van eender welke aard die in verbinding staat met de sensoren en aan de hand van deze waarden berekeningen maakt of opslag kan voorzien worden of niet. Om een aantal factoren zoals wisselvallig weer of variaties in de verbruikte energie op te vangen zal ook een constante meting worden uitgemiddeld in de tijd. Dit om te vermijden dat energie wordt opgeslagen op het moment dat er geen overcapaciteit is.

Wanneer er een overschot is volgens een bepaalde, gedefinieerde marge kan deze energie doorgeschakeld worden naar een buffervat, bijvoorbeeld een elektrische warm water boiler, om te worden opgeslagen in de vorm van warmte (in de vloeistof).

Door de grootte van het buffervat voldoende te dimensioneren of een buffervat voorafgaand aan een conventionele boiler van een reeds bestaande installatie is het mogelijk om op die manier energie direct te gebruiken en lokale efficiëntie te verhogen.

Op deze manier zal, wanneer bijvoorbeeld sanitair warm water verbruikt wordt niet onmiddelijk de noodzaak bestaan om dit bij te verwarmen met de conventionele (fossiele) energie. De buffer zorgt voor voldoende voorraad. Wanneer dan in de loop van de volgende uren opnieuw een overproductie ontstaat op de fotovoltaïsche cellen kan de buffer worden bijverwarmd.

Het doorschakelen gebeurt door middel van conventionele elektronica aangepast aan de beschikbare stroominstallatie.

Met de bedoeling de eigenschappen van de uitvinding nog te verduidelijken volgt nu een niet limiterend voorbeeld.

Wanneer een gezin bestaande uit x gezinsleden ’s morgens een douche neemt vooraleer naar het werk te vertrekken zal op een bepaald moment de boiler een temperatuur bereiken waarop deze moet bijverwarmd worden.

Hiervoor zal typisch een fossiele brandstof, zoals aardolie of aardgas.

Echter op dat moment is het perfect mogelijk dat voor de volgende 12u geen nood meer is aan warm water.

Deze productie van warm water kan dus worden uitgesteld tot een beter geschikt moment.

Hierin zien we twee mogelijke voordelen van de huidige uitvinding.

Door de bestaande boiler aan te vullen met warm water uit het buffervat dat deel uit maakt van de uitvinding zal geen verwarming nodig zijn op dat moment.

Dus geen verbruik van energie uit fossiele brandstof op het moment dat dit niet hoeft.

Bij overproductie op een later moment zal het systeem binnen de komende uren de overproductie van elektriciteit op die dag in het aanvullen van de buffer kunnen steken.

Hierdoor ontstaat lokaal verbruik van de overproductie zonder additionele nood aan een zonneboiler om warm water te voorzien.

Tergelijk vermijden we ook dubbel gebruik van het net.

De intelligentie van het systeem zorgt er voor dat energie enkel wordt opgeslagen wanneer deze beschikbaar is, waar een systeem zonder deze intelligentie op elk moment van de dag energie naar de buffer zou sturen,

In een gewone gezinsapplicatie zal de energie worden opgeslagen in een boiler.

Dit kan in een bestaande installatie zijn door toevoeging van een elektrische boiler (fungerend als buffer) voor de bestaande boiler.

Er zal dus heet water worden toegevoerd naar de bestaande installatie waardoor geen verwarming van sanitair water uit een andere energiebron nodig is.

Bij nieuwe systemen, kan ook gewerkt worden met bijvoorbeeld een groter volume in één vat waarbij deze uitbreiding met de nodige inteligentie reeds voorzien wordt.

Het systeem zorgt dus voor de opslag van elektrische zonneenergie in de vorm van warm water op het moment dat de energie lokaal beschikbaar is.

Uiteraard zijn hiervoor ook nog andere toepassingen mogelijk, zoals bijvoorbeeld de verwarming van een ruimte waarbij het principe van de uitvinding als basis kan gebruikt worden.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm beschreven van een systeem volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin: figuur 1 een schematische voorstelling weergeeft van een voorbeeld in toepassing van de uitvinding; figuur 2 een flowchart weergeeft van de initialisatie van de controller in het systeem; figuur 3 een flowchart weergeeft van de monitoring van het systeem; figuur 4 indicatief de beslissingsboom weergeeft van de controller van het systeem; en figuur 5 een mogelijke menustructuur weergeeft van het systeem naar de gebruiker toe.

Figuur 1 is een schematische voorstelling van een mogelijke implementatie van het systeem, waarbij een omvormer (A) geconnecteerd is met fotovoltaïsche cellen, (B) een conventionele aansluiting op het elektriciteitsnet met digitale meter, (C) een verwarmingsinstallatie (via fosiele brandstof) in de vorm van bijvoorbeeld een stookketel voor warm water en (D) een boiler voor opslag van warm sanitair water.

Typisch is tussen elektrische installatie (A+B) en sanitaire installatie (C+D) geen koppeling. Deze koppeling is hier voorzien in de vorm van (p) een intelligente module die de energie stromen waarneemt (zie stippellijn) en indien mogelijk de energie (zie vette lijn) doorschakelt naar (A) het additioneel buffervat voor het bufferen van de opgeslagen energie in de vorm van verwarmde vloeistof.

Er is eveneens een koppeling naar D waarbij warm water uit de buffer wordt aangevoerd naar de conventionele installatie van warm water.

De figuren 2 tot 5 zijn een indicatief voorbeeld van een software implementatie geënt op het voorbeeld van figuur 1. Zonder bindend te zijn, meerdere varianten zijn hierin mogelijk.

Figuur 2 toont een flowchart van de waarnemende lus in software geïmplementeerd in bijhorend voorbeeld omvattende de volgende stappen: Stap 1: Alles start met een initializatie stap waarin, bij opstart, de initializatie van het systeem gebeurt.

Stap2: RTC (real time clock) data up to date zetten. Stap3: Actuele energiewaarden worden uitgelezen op de welke eventuele beslissing zal genomen worden om energie om te schakelen naar de opslag.

Stap4: Met deze waarden als input variabelen zal de switch power decision tree worden opgeroepen zoals beschreven in figuur 4.

Stap5: Menu op het display wordt gerefreshed. Stap6: Display backlight wordt uitgeschakeld indien geen manuele interactie met het systeem wordt waargenomen.

Stap’: Na een delay (configureerbaar afhankelijk van de gebruikte randapparatuur en communicatiesnelheden) wordt deze lus herhaald vanaf de Real time clock check (stap2).

Figuur 3 toont een flowchart van de initialisatie lus (Stap l van figuur 2) in software geïmplementeerd in bijhorend voorbeeld omvattende de volgende stappen: Stapl: laden van de bibliotheken, Stap2: Zetten van poort informatie voor communicatie, Stap3: Identificatie van de variabelen, Stap4: Initialisatie van de controller, Staps: Laden van display en RTC module, Stap6: configuratie van extra communicatie bus.

Figuur 4 geeft de belangrijkste functionaliteit van een systeem volgens de uitvinding schematisch weer. Het gaat hier om de power switching descision tree achter de gelijknamige stap in figuur 2. Deze geeft een mogelijke implementatie weer van de basis van deze uitvinding, zoals geïmplementeerd in figuur 1. In eerste instantie wordt geverifieerd of het doorschakelen van de energie naar de buffer reeds actief is, de “Is heating on” vraag. Indien dit niet het geval is gaan we na of er een overproductie in de installatie aanwezig is. Dit kan door het opgewekte vermogen uit de installatie te verminderen met het afgenomen vermogen, of mogelijks zelfs door dit eenvoudigweg uit te lezen (afhankelijk van de gebruikte apparatuur en gangbare implementatie).

Indien er geen voldoende overproductie is op dat moment, gaan we deze sub routine verlaten en gaan we verder in de lus van figuur 2, na een reset van de gemeten parameters. Wanneer er op het eigenste moment wel een overproductie is die voldoende groot is, gaat deze geregistreerd worden in het systeem met een time stamp.

Meedere van deze “time stamps” (metingen) gaan we uitmiddelen om te onderzoeken of er een echte overproductie is of er een eenmalige opstoot is in de productie die een vals beeld zou geven. Dit doen we in de stappen “min time elapsed for averaging” = meten over een langere tijdspanne, “calculation of the average overcapacity value” = gemiddeld overschot berekenen.

Een vals beeld van overproductie zou kunnen ontstaan door bijvoorbeeld op een wisselvallige dag net de meting te doen op het moment een korte opening komt in het wolkendek. Indien we niet voldoende metingen (tijdspanne) hebben om de overproductie te staven gaan we deze gegevens bewaren en terugkeren naar figuur 2.

Indien echter aan de voorwaarden van tijd en overproductie voldaan is, gaan we deze berekende waarde gaan vergelijken met een ingestelde treshhold vanaf dewelke we wensen over te gaan op opslag van de energie. Deze waarde kan afhankelijk zijn van hoeveel overschot er is alsook de dimentionering van het systeem.

Opnieuw bestaat de mogelijk dat we niet voldoen, in dat geval gaan we wel deze waarde gaan bijhouden als referentie. Wanneer echter wel aan de bovenstaande voorwaarde is voldaan, gaan we de opslag inschakelen. Ook gaan we de visuele indicatie voor de gebruiker inschakelen en het tijdstip van deze actie gaan registreren. Om daarna terug te keren uit deze subroutine naar figuur 2.

Indien in het geval dat op de eerste vraag - of het doorschakelen reeds actief is - een positief antwoord kan gegeven worden, gaan we na of deze reeds ingeschakeld is voor de minimale tijd van inschakelen.

Waarom deze minimale tijd van ingeschakeld zijn noodzakelijk is, kan op meerdere vlakken gedefinieerd worden: - er is mogelijk een noodzaak om af en toe de buffer volledig te verwarmen om bacteriegroei te vermijden.

- het is ook aangewezen om een minimale tijd van inschakelen te voorzien om te vermijden dat apperatuur constant in en uitgeschakeld zou worden (b.v. bij wisselvallig weer) om de levensduur van de elementen veilig te stellen.

Wanneer de minimale tijd is overschreden, gaan we het systeem uitschakelen en de visuele indicatie voor de gebruiker in de vorm van een indicatie led uitschakelen. Om daarna opnieuw deze sub routine te verlaten en terug te keren naar de hoofdlus in figuur 2. Wanneer de minimaal ingestelde tijd niet werd overschreden, gaan we gewoon verder met de huidige status en keren we ook terug naar figuur 2 om daar verder te gaan met de volgende stappen. Figuur 5 toont een flowchart waarin een menu selectie kan gemaakt worden op de LCD van het systeem.

Door het uitlezen van het bedieningspaneel heeft de gebruiker de mogelijkheid om een aantal menus te raadplegen of een aantal instellingen te doen in het systeem. In dit voorbeeld hebben we bijvoorbeeld: - een welkom scherm (main menu), - een menu waarin de datum en tijd worden getoond (time menu), - een menu waar de gelezen waarden van de verschillende elementen (opgewerkte en opgevraagde energie) kan worden bekeken ( power status menu), - een menu waar het tijdstip van de laatste doorschakeling zichtbaar is (heating history menu), - Een menu waarin tijdsinstellingen gewijzigd kunnen worden (change time menu).

De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een systeem volgens de uitvinding zoals gedefinieerd door de conclusies, kunnen voigens allerlei varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.

Claims (15)

s À EN > À GA S/HOËA BE2019/0021 16 Conclusies.

1. Systeem voor het omzetten en opslaan van door de zon opgewekte elektrische energie in de vorm van warmte op het moment van overproductie.

2. Systeem volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat de warmte wordt opgeslagen in de vorm van een warme vloeistof.

3. Systeem volgens conclusie 1 of 2, daardoor gekenmerkt dat de verwarmde vloeistof, al of niet op een later tijdstip, zijn warmte vrijgeeft op een moment dat deze vereist is.

4. Systeem volgens conclusie 3, daardoor gekenmerkt dat de warmte wordt vrijgegeven in de vorm van warm water of voor het opwarmen van een centrale verwarming.

5. Systeem volgens één van voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de overproductie lokaal is.

6. Systeem volgens één van voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het systeem een intelligente module omvat die de opgewekte elektrische energie waarneemt, vergelijkt met de opgenomen (gevraagde) elektrische energie, en wanneer er een overschot is volgens een bepaalde gedefinieerde marge deze energie wordt doorgeschakeld naar een buffervat, bijvoorbeeld een warmwaterboiler, om te worden opgeslagen in de vorm van warmte.

7. Systeem volgens één van voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het systeem een buffervat omvat voorafgaand aan, of geïntegreed in, een conventionele boiler van een reeds bestaande installatie.

8. Systeem volgens conclusie 7, daardoor gekenmerkt dat de grootte van het buffervat gedimensioneerd is naar de gemiddelde/maximale hoeveelheid van overproductie en opslag van warmte.

9. Systeem volgens conclusie 7 of 8, daardoor gekenmerkt dat een bestaande boiier kan worden aangevuld met warm water uit het buffervat van het systeem zonder verbuik van (fossiele brandstof) energie.

10. Systeem volgens conclusie 9, daardoor gekenmerkt dat het systeem binnen de komende uren de overproductie van elektriciteit kan opslaan in het buffervat, waardoor geen additionele zonneboiler is vereist.

11. Systeem volgens één van voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de (overproductie van) energie wordt opgeslagen wanneer deze energie beschikbaar is.

12. Systeem volgens één van voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat de (overproductie van) energie wordt verbruikt wanneer deze vereist is.

13. Systeem volgens één van voorgaande conclusies, daardoor gekenmerkt dat het systeem de volgende delen omvat: een omvormer (A) geconnecteerd met fotovoltaïsche cellen, (B) een conventionele aansluiting op het elektriciteitsnet, (C) een verwarmingsinstallatie voor warm water en/of (D) een boiler voor opslag van warm water.

14, Systeem voigens conclusie 13, daardoor gekenmerkt dat de koppeling tussen de geproduceerde electrische energie (A,B) en de opslag van overgeproduceerde energie (D en/of A) gebeurt via een intelligente module (u) die de energiestromen waarneemt en indien mogelijk de overproductie energie doorschakelt voor het bufferen van de opgeslagen energie in de vorm van verwarmde vloeistof.

15. Systeem volgens conclusie 13 of 14, daardoor gekenmerkt dat warm water uit het buffervat wordt aangevoerd naar de conventionele installatie van warm water.