BR112021005611A2

BR112021005611A2 - fonte de alimentação renovável despachável

Info

Publication number: BR112021005611A2
Application number: BR112021005611-4A
Authority: BR
Inventors: Paul Jankel; Hayden POSTLE-FLOYD; Daniel Taylor
Original assignee: Aquanovis Holdings Limited
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2021-06-22
Also published as: EP3857673A1; WO2020065310A1; US11472307B2; CN113169580A; EP3857673B1; DK202170140A1; CA3112897A1; US20210339646A1

Abstract

FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL . A presente invenção refere-se a uma fonte de alimentação despachável, mais particularmente a uma fonte de alimentação fora de rede, mais particularmente a uma estação de carga de veículos elétricos fora de rede, mais particularmente a uma estação de carga de veículos elétricos alimentada por energia renovável fora de rede.

Description

FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL ESCOPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a uma fonte de alimentação despachável, por exemplo, uma fonte de alimentação despachável fora de rede, por exemplo, uma estação de carga de veículo elétrico fora de rede, por exemplo, uma estação de carga de veículo elétrico alimentada por energia renovável fora de rede.

[002] A presente invenção transforma fontes múltiplas de geração não despachável em uma fonte de energia despachável.

[003] A potência despachável é, por definição, previsível em termos de potência instantânea que pode fornecer e é 100% confiável quando carregada com demanda, até 100% de sua saída de potência máxima projetada.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[004] A tecnologia de veículos elétricos (EV) está se tornando cada vez mais comum em muitos países ao redor do mundo como parte de um esforço contínuo para reduzir as emissões globais que são prejudiciais ao meio ambiente. De fato, muitos países estão introduzindo políticas e estatutos relacionados com as emissões nocivas, em particular, limitando a venda ou mesmo proibindo a venda de veículos com motores de combustão interna, a fim de atingir os objetivos relativos à redução das emissões poluentes.

[005] O alcance do EV é limitado pela tecnologia da bateria - atualmente, a distância máxima entre as cargas é aproximadamente metade da distância percorrida por um veículo equivalente movido por um motor de combustão interna (ICE). Apesar disso, em muitas áreas ainda não há pontos de carga suficientes ao longo das rotas para justificar o usuário comprar um EV em vez do veículo ICE tradicional. Atualmente, para tornar os EV tão convenientes quanto os veículos ICE tradicionais, seria necessário pelo menos o dobro da quantidade de pontos de carga ao longo das rotas como postos de reabastecimento. Por exemplo, onde existem longas estradas entre áreas construídas, por exemplo, na América ou Austrália, os pontos de carga simplesmente não existem ainda. Isso é parcialmente como resultado do desenvolvimento da infraestrutura da grade de carregamento de EV atrasado em relação ao desenvolvimento de EV. Isso também se deve parcialmente à falta de infraestrutura da rede elétrica, ou rede nacional, nessas áreas, visto que são tipicamente subdesenvolvidas e/ou consistem em terrenos difíceis (áreas montanhosas, bosques, etc.).

[006] Em todo o mundo, a maior parte da superfície terrestre não tem conexão com uma rede nacional, ou seja, está "fora da grade". Portanto, a maioria das redes rodoviárias globais e nacionais nessas áreas também estão “fora de rede”. Por causa disso, há poucos ou nenhum ponto de carregamento de EV ao longo dessas estradas, tornando-os inacessíveis aos usuários de EVs e tornando os próprios EVs menos atraentes para os usuários do que os veículos ICE tradicionais. Há, portanto, um desejo para a presença de pontos de carga EV nessas áreas.

[007] Onde houver redes rodoviárias em áreas conectadas, os pontos de carga de EV de uso público (por exemplo, pontos de carga de EV comerciais, particularmente vários pontos de carga de EV de serviço simultâneo e contínuo) usam eletricidade diretamente da grade nacional. Isso se deve à falta de infraestrutura alternativa e ao aumento da demanda, o que significa que os pontos de carga de EV estão sendo construídos e conectados diretamente à rede elétrica nacional. Em alguns casos, a eletricidade de tais pontos de carga pode ter sido gerada inteiramente por fontes de energia renováveis, como solar, eólica, hídrica, etc. Esses podem ser referidos como pontos de cobrança de 'tarifa verde'. No entanto, os mesmos ainda precisam de uma conexão à rede para obter sua energia a partir de fontes de energia renováveis distribuídas.

[008] De forma mais geral, há uma necessidade de energia despachável fora da grade a partir de fontes de energia renováveis, por exemplo, para fornecer energia despachável a consumidores domésticos, comerciais ou industriais em locais fora da grade.

[009] Há também uma necessidade geral de energia despachável (incluindo energia despachável na grade) de fontes de energia renováveis.

NOMENCLATURA E DEFINIÇÕES

[0010] Conforme usado no presente documento, as configurações da grade elétrica (ou falta dela) são: Nome Definição grade A rede de linhas de alta tensão entre as nacional principais estações de energia, conectadas a linhas de baixa tensão em sub-redes de distribuição de energia e, por sua vez, aos usuários de eletricidade. micrograde Uma pequena rede de usuários de eletricidade com um local de origem de fonte de alimentação, geralmente conectada a uma rede nacional centralizada, mas que pode funcionar de forma independente. ilha de É quando existe uma micrograde sem qualquer micrograde ligação eléctrica à rede nacional.

fora da Um local físico sem conexão com qualquer rede grade elétrica. na grade Um local físico que tem conexão com uma rede elétrica (como uma grade nacional, micrograde ou ilha de micrograde) sem grade Um único dispositivo elétrico que gera, equilibra e descarrega carga de eletricidade despachável sem conexões de rede de qualquer tipo (por exemplo, conforme revelado no presente documento).

[0011] Conforme usado no presente documento, as medidas de energia elétrica, que normalmente é medida em watts (W), quilowatts (kW), Megawatts (MW) e Gigawatts (GW) são: Nomenclatur Tipo Descrição e Fonte a PD Fixado Energia despachável, “sempre ligada” PB-Instalada Fixado Capacidade instalada de um gerador de energia de base PB-grande demais Fixado Projeto de grande tamanho: PB- Instalada menos PD PB Variável A saída de energia instantânea de instantânea um gerador de energia de base com o tempo PB-Pico Instantâneo Saída de potência instantânea máxima de um gerador de energia de base B-Médio Fixado A produção de energia média anual Média de um gerador de energia de base PB-Baixo Instantâneo Saída de potência instantânea mínima de um gerador de energia de base PM-Médio Fixado A energia perdida média anual: Média (quando PD > PB-Médio) — PD menos PB- Médio PM-Pico Fixado Pico de energia ausente em (PB-

Instantâneo Baixo): O pico máximo instantâneo é PD menos PB PS-Necessário Fixado O pico exigiu energia solar do Instantâneo gerador de energia secundário PW-Necessário Fixado O pico exigiu energia eólica do Instantâneo gerador de energia secundária PPico Secundário Fixado Saída de potência instantânea Instantâneo máxima de um gerador de energia secundário PInstalado Fixado Capacidade instalada de um gerador Secundário de energia secundária PS-Instalado Fixado Capacidade instalada de energia solar Pw- Fixado Capacidade instalada de vento Instalado PD-Tempo de Fixado Potência adicional despachável do inatividade tempo de inatividade da carga PO-levantada Fixado O total de energia despachável levantada com tempo de inatividade

[0012] O fator de capacidade (C F) pode ser definido como a energia real gerada como uma proporção da energia total que poderia ter sido gerada se operado em potência total pelo mesmo período de tempo. Existem vários parâmetros físicos que afetam o fator de capacidade; por exemplo, o tipo de fonte de alimentação, o período de tempo durante o qual o fator de capacidade é calculado (se não instantâneo) e a geografia física de qualquer local em que a fonte de alimentação renovável esteja localizada. As medidas do fator de capacidade incluem: Nomenclatura Tipo Descrição e Fonte CF genérico Qualquer fator de capacidade CFB Média Fator de capacidade de um gerador de anualiza energia de base da Derivado de análise hidrológica de Ps-instalado CFsecundário Média Fator de capacidade de um gerador de periódic energia secundária a Somente aqueles momentos em que PB <

PD CFS Periódic Fatores de capacidade solar o Somente aqueles momentos em que PB < Média PD CFW Periódic Fatores de capacidade do vento o Somente aqueles momentos em que PB < Média PD CFS-Pico Instantâ Fator de capacidade de pico de um neo gerador de energia secundária CFS-Pico Instantâ Fator de capacidade de pico para um neo componente solar de um gerador de energia secundária CFW-pico Instantâ Fator de capacidade de pico para um neo componente eólico de um gerador de energia secundária

[0013] Nesta invenção, a Classificação de Potência (PR) refere-se à potência instantânea máxima permitida para fluir através de um sistema, mais particularmente dentro ou fora de um dispositivo de armazenamento de energia (por exemplo, uma bateria). Medido em W, kW, MW, GW. As medidas de classificação de energia incluem: Nomenclatura Descrição e Fonte PR Uma classificação de energia PRB A PR necessária para a saída do gerador de energia base. PRS A PR necessária para a saída do gerador solar. PRW A PR necessária para a saída do gerador eólico. PRInstalada A PR total necessária para a saída do gerador de energia secundária. PRInstalada O PR que está instalado.

[0014] O armazenamento de energia (ES) é medido em unidades de quilowatt-hora (kWh), megawatt-hora (MWh), gigawatt-hora (GWh). As medidas de armazenamento de energia incluem: Nomenclatura Descrição e Fonte ESB Armazenamento de energia exigido pelo gerador de energia de base ESs Armazenamento de energia exigido pelo gerador solar ESW Armazenamento de energia exigido pelo gerador eólico ESsecundário Armazenamento de energia exigido pelo gerador de energia secundário ESGeradores Armazenamento total de energia necessário para um ou todos os geradores ESTempo de Armazenamento de energia adicional para inatividade carregar durante o tempo de inatividade operacional (carga zero) ESInstalado Total de armazenamento de energia instalado, contabilizando o tempo de inatividade operacional

FONTES DE GERAÇÃO

[0015] Um fator de capacidade anual mais alto oferece geração de energia mais eficiente (e, portanto, com melhor custo-benefício), porque está gerando mais tempo. As tabelas abaixo mostram o fator de capacidade médio anualizado para geradores de energia eólica onshore, solar e hidrelétrica convencional para o ano de 2017 nos EUA e no Reino Unido. TABELA 1 - FATORES DE CAPACIDADE DOS EUA (CF):

Fonte de Energia CF anual médio (2017) Vento (onshore) 36,7% Solar 27,0% Hidrelétrica Convencional 45,2%

[0016] Dados obtidos da U.S. Energy Information Administration

[0017] (www.eia.gov/electricity/monthly/epm_tabl e_grapher.php?t=epmt_6_07_b; perma.ee/Y8MK-N9LQ). TABELA 2 - FATORES DE CAPACIDADE DO REINO UNIDO (CF): Fonte de Energia CF anual médio (2017) Vento (onshore) 28,0% Solar 10,7% Hidrelétrica Convencional 36,5%

[0018] Dados obtidos de

[0019] assets.publishing.service.gov.uk/governme nt/uploads/system/uploads/attachment_data/file/73615 3/Ch6.pdf (perma.cc/GWY8-GCGY)

VENTO

[0020] O fator de capacidade das turbinas eólicas (onshore) diminui com a densidade dos moinhos de vento, ou turbinas eólicas por quilômetro quadrado. Assim, os parques eólicos requerem muito espaço, normalmente mais de 10 hectares por MW (em terra). É geralmente aceito que os geradores de energia eólica têm um fator de capacidade de cerca de 40%. Com referência à Figura 1 dos desenhos, é mostrado um perfil de geração exemplificativo para o mesmo parque eólico ao longo de dois períodos de 4 dias com um ano de intervalo (9 a 12 de outubro de 2014 e 10 a 13 de outubro de 2013). Pode-se ver que a energia gerada varia significativamente ao longo desse período de tempo e há muito pouca ou fraca correlação entre as gerações eólicas comparadas ao longo dos dois anos. Devido às variações na velocidade do vento, a geração eólica pode variar rápida e imprevisivelmente entre 0% e 75% do fator de capacidade instantânea a qualquer momento.

[0021] Há também uma redução na geração de energia quando a turbina eólica gira acima de uma determinada velocidade. Um gráfico exemplificativo de potência de turbina versus velocidade do vento é ilustrado na Figura 2 dos desenhos. Abaixo de uma certa velocidade do vento (a velocidade de “corte”), a turbina gera muito pouca energia para ser útil. A aproximadamente 11 metros por segundo (m/s), o pico de geração de energia chega a 1.000 Watts (1 kW). Depois disso, a turbina não gerará mais eletricidade com o aumento da velocidade do vento. A 14 m/s, a turbina eólica é desligada para evitar danos ao dispositivo. Será apreciado pelas pessoas versadas na técnica que o projeto das próprias turbinas pode contribuir para melhorar o fator de capacidade de uma turbina eólica, no entanto, o impacto do projeto no fator de capacidade é insignificante em comparação com a variabilidade da velocidade do vento e a curva de geração de energia ilustrada na Figura 2.

[0022] Outro problema com o vento é que a velocidade do vento pode cair abaixo da velocidade de “corte” por dias seguidos, e isso pode acontecer a qualquer momento. Essa é uma falha fatal em qualquer tentativa de usar o vento para fornecer energia despachável. A técnica atual da tecnologia eólica não pode fornecer energia despachável sozinha.

SOLAR

[0023] Solar é mais previsível que o vento, mas ainda tem um fator de capacidade baixo. Referindo-se adicionalmente à Figura 3 dos desenhos, variações sazonais pronunciadas de geração ocorrem com a energia solar. Como pode ser visto nos dados, que ilustram a radiação solar na Califórnia entre janeiro de 2013 e maio de 2014, três a quatro vezes mais eletricidade é gerada no verão do que no inverno. Esse diferencial entre a geração solar de verão e inverno se repete em todos os locais e aumenta com a latitude do Equador.

[0024] Para calcular a capacidade instalada necessária para fornecer 1 MW de energia solar despachável ao longo do ano (contabilizando noites e mudanças sazonais na força solar, etc.) (conforme demonstrado na Figura 3), o fator de capacidade deve ser levado em consideração. Por exemplo, para um fator de capacidade de 5%, no dia mais escuro do ano, seria necessário instalar 20 MW de painéis solares para fornecer 1 MW de energia despachável durante todo o ano. Isso causa um problema inverso; durante o verão, um sistema solar de 20 MW terá um pico de potência instantânea de 10 MW. Essa é uma ordem de magnitude maior do que o desejado requisito de potência despachável de 1 MW. Essa energia adicional precisa ser consumida. Em um dispositivo “fora da grade”, “ilha de micrograde” ou “sem grade”, o excesso de energia não pode ser transmitido para a rede.

[0025] Além disso, embora precise de menos espaço do que o vento, a energia solar requer aproximadamente um hectare por 1 MW de potência instalada.

[0026] Deixando de lado as considerações comerciais, a colocação de tal sistema de instalação solar ou eólica em grande escala em áreas ambientalmente sensíveis seria indesejável, contra a causa da preservação do meio ambiente, e provavelmente terá a licença de construção negada em qualquer caso.

HIDRO

[0027] A energia hidroelétrica convencional gerada vem em várias formas.

[0028] (a) Barragens hidroelétricas: A água é retida para liberação em um reservatório de alto nível, geralmente empregando uma barragem, armazenando energia cinética potencial gravitacional. Uma válvula ou liberação é então aberta para permitir que a água flua do nível superior para o nível inferior através de uma turbina. A turbina é conectada a um gerador, gerando energia elétrica. Normalmente, geradores de energia hidroelétrica com reservatórios são usados para energia "sob demanda" (por exemplo, horários de pico instantâneo de demanda de carga de energia). Como é conhecido na técnica anterior, a hidroeletricidade tem o tempo de resposta mais rápido de qualquer fonte de geração. Barragens hidroelétricas também são empregadas para ajudar a equilibrar o fluxo de eletricidade dentro da rede nacional e suas redes de distribuição. Mais eletricidade é gerada do que pode ser consumida no local. Os locais hidroelétricos convencionais são projetados especificamente para gerar energia (excedente às necessidades do usuário local) para ser transmitida à rede nacional para distribuição e venda. Os geradores hidroelétricos desta forma têm períodos significativos de tempo de inatividade de geração enquanto o reservatório se recarrega com o fluxo natural de água nele.

[0029] (b) Armazenamento bombeado: Na hidrelétrica de armazenamento bombeado, o excesso de energia da rede é empregado para bombear água de um reservatório de nível inferior para um reservatório de nível superior. Esta forma de hidroeletricidade convencional é um dispositivo de armazenamento de energia cinética. A hidrelétrica bombeada também requer uma conexão à rede. O armazenamento bombeado também requer tempo de inatividade para bombear a água até o reservatório superior. O armazenamento bombeado sofre com a perda dupla, tanto do bombeamento quanto da geração, sendo liberado através de uma turbina para gerar. A técnica atual tem um consenso de 20% a 25% de perdas de energia. Assim, por exemplo, 1 MW de energia usado para bombear água até o nível superior geraria cerca de 750 kW quando é liberado para gerar.

[0030] (c) Fio do rio: Esta forma convencional de hidroeletricidade é gerada sem reservatório ou barragem de água corrente; um açude baixo pode ser usado para controlar o fluxo de água no sistema. As formas comerciais de fio d'água são geralmente projetadas para maximizar a geração anual de energia; esta energia é vendida para a rede nacional.

[0031] (d) Hidrelétrica marinha: esta é uma nova forma de hidroeletricidade. Embora ainda em fase de desenvolvimento, ainda não apresenta potencial para oferecer fatores de alta capacidade. Isso ocorre porque depende do fluxo de maré ou movimento das ondas, que são sinusoidais e intermitentes, respectivamente. A técnica atual em hidrelétricas marinhas também está sendo desenvolvida como uma solução de grade elétrica nacional e, como tal, requer uma conexão à grade.

[0032] O fator de capacidade para hidrelétricas nas Tabelas 1 e 2 (acima) são derivados de tipos convencionais de hidrelétricas. A característica comum compartilhada por todas as formas de hidroelétricas convencionais é que, embora tenham um fator de capacidade maior do que a eólica e a solar, a hidroeletricidade convencional é intermitente e dependente da rede nacional.

[0033] Portanto, a energia hidrelétrica convencional não é uma solução adequada para uma rede de carregamento de EV que pode operar "fora da grade", pois não são projetadas para estar sempre ligadas e exigem uma conexão à grade.

GEOTÉRMICA

[0034] A geotérmica pode atingir CF> 70%. No entanto, o resfriamento subsuperficial periódico (às vezes permanente) ocorre devido à operação geotérmica (injeção de água nos estratos rochosos subsuperficiais quentes). Isso pode causar interrupções inesperadas de geração e até mesmo a cessação permanente da geração. Esse fenômeno é extremamente difícil de prever. Além disso, a vida útil média de uma usina de geração geotérmica é de 30 anos. Uma usina hidrelétrica bem mantida terá uma vida útil duas ou três vezes maior que a de uma usina geotérmica com a mesma produção de energia. Finalmente, a geotérmica pode causar emissões atmosféricas de produtos químicos subterrâneos. Assim, a geotérmica é uma opção secundária à hidroeletricidade.

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA

[0035] Qualquer dispositivo isolado “fora da grade” “microilha da grade” ou “sem grade” deve equilibrar perfeitamente a geração e a carga. Uma bateria em escala de grade pode ser usada para balanceamento de eletricidade. Baterias em escala de grade também são usadas para armazenar eletricidade gerada para uso posterior (armazenamento de energia). No entanto, o armazenamento da bateria é caro e os custos de instalação atualmente chegam a US$ 0,3 milhão por MWh. Por exemplo, a instalação da Hornsdale Power Reserve na Austrália (a “grande bateria Tesla”) em 2017 custou cerca de US$ 50 milhões por 129 MWh.

EVS CARREGADOS COM COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS

[0036] Os dados nas Tabelas 1 e 2 acima e os dados gráficos ilustrados nas Figuras 1 a 3 fornecem evidências dos limites das atuais fontes e sistemas convencionais de energia renovável usados, indicando que eles não são capazes de fornecer energia despachável. Particularmente quando um fornecimento despachável de eletricidade é necessário, como um ponto de carga EV comercial, as fontes de energia acima não seriam úteis por si mesmas. Como tal, o restante do fornecimento de eletricidade teria que ser complementado pela eletricidade gerada pela queima de combustíveis fósseis.

[0037] Na grande maioria dos casos, os pontos de carregamento de EV recebem toda a eletricidade de fontes não renováveis, portanto, o objetivo de mobilidade limpa não é alcançado. No que diz respeito ao fornecimento de energia para motores de veículos, é realmente mais eficiente queimar fontes de energia não renováveis em motores de combustão interna do que em centrais elétricas. A geração de energia elétrica para EVs em estações de energia é menos eficiente por causa das perdas na transmissão entre a estação de energia e o EV e, em seguida, há a nova infraestrutura necessária para EVs; é mais prejudicial ao meio ambiente do que simplesmente ter um veículo ICE queimando o combustível. Nem todos os pontos de carga terão uma opção de "tarifa verde", portanto, o usuário fica ainda mais limitado em termos de distância se quiser garantir que suas emissões sejam reduzidas.

[0038] Quando carregados com energia gerada a partir de combustíveis fósseis, os EVs causam mais danos ao meio ambiente do que os veículos ICE.

GRADE E TRANSMISSÃO

[0039] Existem problemas logísticos para fornecer pontos de carga EV que estão em locais "fora da grade". Regiões montanhosas, remotas, intransitáveis e de baixa população, por exemplo, apresentam obstáculos físicos para a instalação de uma cobertura completa de infraestrutura de grade nacional adequada.

[0040] É conhecido na técnica que conforme a produção de energia de uma unidade de geração de eletricidade diminui, a distância em que é viável transmitir a energia gerada também diminui, devido às perdas de resistência e aos custos do transformador. Os transformadores são necessários para converter eletricidade em corrente alternada de alta tensão para reduzir as perdas na transmissão. Por exemplo, usando uma análise técnica e de custo-benefício, a distância máxima de transmissão viável é de cerca de 20 milhas para 1.000 quilowatts (kW) de energia usando CA. Assim, também existem recursos hidroelétricos remotos isolados que não podem utilizar a grade e permanecem subdesenvolvidos.

[0041] Conforme detalhado acima, quando se considera que para entregar 1 MW de energia solar despachável seria necessário pelo menos 20 MW de capacidade instalada do painel solar e uma bateria com capacidade de armazenamento de energia de mais de 60 MWh, é evidente porque nenhum sistema desse tipo foi construído, muito menos operado comercialmente.

Os pontos de carga de EV 100% renováveis “fora da grade”, portanto, não são particularmente atraentes para desenvolvedores de negócios e/ou não eram viáveis de construir anteriormente.

[0042] Portanto, há um desejo de fornecer pontos de carga EV em locais fora da grade. Além disso, há um desejo do consumidor de maximizar a disponibilidade e o uso de carregamento de EV 'verde' (ou seja, carregamento com eletricidade que foi gerada a partir de fontes sem combustível e sem emissão). Além disso, há um desejo de fornecer um ponto de carga EV que seja capaz de operar 100% do tempo, isto é, tendo um fator de capacidade de 100%. Além disso, é desejável fornecer um sistema comercialmente viável para pontos de carga EV fora da grade.

ENERGIA DESPACHÁVEL EM LOCAIS FORA DA GRADE

[0043] Os mesmos problemas acima se aplicam ao fornecimento de fonte de alimentação despachável fora da grade para outros usos, ou seja, os dados nas Tabelas 1 e 2 acima, e os dados gráficos ilustrados nas Figuras 1 a 3 fornecem evidências dos limites das atuais fontes e sistemas convencionais de energia renovável usados, indicando que eles não são capazes de fornecer energia despachável. Particularmente quando uma fonte despachável de eletricidade é necessária, como para o fornecimento de energia sob demanda para aplicações domésticas, comerciais (comerciais) ou industriais, as fontes de energia acima não seriam úteis por si mesmas. Como tal, o restante do fornecimento de eletricidade teria que ser complementado pela eletricidade gerada pela queima de combustíveis fósseis, por exemplo, com geradores a diesel.

ENERGIA DISTRIBUÍVEL NA GRADE O “TRILEMA DE ENERGIA”

[0044] Para todas as fontes de alimentação, e energia na rede em particular, existe um “trilema de energia” representado pelas demandas concorrentes de (i) sustentabilidade, (ii) segurança energética e (iii) acessibilidade. Resolver esse trilema é o objetivo de todos os governos e é um componente do Acordo de Paris. POLÍTICA 100% RENOVÁVEL

[0045] Vários países adotaram uma política de mudar apenas para fontes de energia renováveis (sustentáveis) dentro de uma a quatro décadas. O objetivo é zero emissões de poluentes nocivos, com ênfase no dióxido de carbono. Consequentemente, os outros dois polos do “Trilema da Energia” (segurança energética e acessibilidade) estão sob enorme e crescente pressão negativa.

OPERAÇÕES DA GRADE ELÉTRICA

[0046] Os operadores da grade elétrica têm duas tarefas técnicas distintas. Uma é manter o equilíbrio e a estabilidade da grade e a outra é fornecer eletricidade entre geradores e usuários finais em toda a grade. A estabilidade da grade elétrica é um pré-requisito para a segurança energética. É necessário por razões técnicas para evitar interrupções (perda de energia) e danos ao equipamento causados por alterações, por exemplo, da voltagem e/ou frequência da energia (eletricidade) que está sendo entregue aos usuários finais. Manter a estabilidade da grade enquanto os padrões de uso de carga variam instantaneamente é uma tarefa complexa e mesmo pequenos desvios dos parâmetros definidos podem ter consequências graves. A dificuldade de manter o equilíbrio instantâneo é exacerbada de geração é variável imprevisível.

[0047] O fornecimento de energia despachável sob demanda para a rede a partir de recursos renováveis é, portanto, particularmente vantajoso e, ao apoiar a estabilidade da rede, ajuda a apoiar o polo de “segurança energética” do trilema de energia.

VARIABILIDADE DE GERAÇÃO

[0048] A geração de energia eólica e solar são variáveis em sua produção de energia. O problema com a variabilidade é que ela fornece energia intermitente, interrompe a estabilidade da grade e, portanto, diminui a segurança energética. Assim, fontes de energia adicionais são necessárias, por exemplo, combustível fóssil ou nuclear.

ELETRICIDADE DESPACHÁVEL

[0049] O dilema colocado pela energia renovável e o polo de "segurança energética" do trilema de energia é reconhecido em, por exemplo, www.entura.com.au/dispatchable- renewables-a-contradiction-in-terms/ (Entura; Lee, T., julho de 2017, “Energy Storage in PJM”) e kleinmanenergy.upenn.edu/sites/default/files/Energy%20Storage %20in%20PJM.pdf (o Centro Kleinman da Universidade da Pensilvânia), que afirma que "energias renováveis intermitentes ... não podem ser despachadas”

EXCESSO DE CAPACIDADE

[0050] Tecnicamente falando, pode ser possível criar um suprimento suficiente de geração de eletricidade renovável não-emissora para garantir a sustentabilidade e a segurança energética. No entanto, isso colocaria uma enorme pressão para cima na acessibilidade, o terceiro polo do Trilema de Energia. Como tal, o excesso de capacidade não é uma solução viável. QUALIFICAÇÃO TÉCNICA: ENERGIA DESPACHÁVEL

[0051] Para participar de mercados de energia despacháveis: (por exemplo, PJM, a maior operadora de grade elétrica do mundo), um sistema deve fornecer 75% da energia despachável em três testes (PJM Manual 12 - Balancing Operations at section 4.5.2 - www.pjm.com/- /media/documents/manuals/ml2.ashx?la=en. QUALIFICAÇÃO TÉCNICA: MERCADOS DE CAPACIDADE DE

RESERVA SINCRONIZADA

[0052] As energias renováveis estão proibidas neste mercado (PJM Manual 11 at section 4.2.1 - www.pjm.com/- /media/committees-groups/committees/mic/20180404/20180404- item-06b-manual-11-revision-94.ashx): “As estimativas de Nível 1 para outros tipos de recursos que não podem fornecer o serviço de Reserva Sincronizada de maneira confiável devem ser definidas para zero MW durante o processo de compensação do mercado. Esses tipos de recursos incluem, porém, sem limitação: Unidades nucleares, eólicas, solares, de armazenamento de energia e hidrelétricas.” No entanto, “Um recurso pode ser certificado somente após atingir três pontuações consecutivas de 75% [padrão de carga de qualidade] ou acima” (PJM Manual 12: Balancing Operations Revision: 39 - Section 4.2.5 www.pjm.com/-/media/documents/manuals/ml2.ashx?la=en), qual a natureza despachável da presente invenção, será capaz de passar. QUALIFICAÇÃO TÉCNICA: DESCARGA DE ARMAZENAMENTO DE 8 A 10 HORAS

[0053] Os requisitos técnicos resultantes de Lee, T., July 2017, “Energy Storage in PJM” (acima) incluem o requisito de que, para entrar nos mercados de capacidade, uma bateria deve estar em conformidade com um bloqueio de recarga de 10 horas (ver, por exemplo, www.utilitydive.com/news/pjm- ceo-sees-ferc-storage-order-as-threat-to-demand-resource- penetration-in/554877/). Nesse artigo, os funcionários de armazenamento de energia reconhecem explicitamente o problema e afirmam preocupações sobre o requisito de descarga de 10 horas dentro do mercado de capacidade da PJM, já que os avanços tecnológicos ainda não renderam 8 horas ou 10 horas de duração contínua da bateria.”

[0054] A presente invenção procura melhorar a técnica anterior e/ou abordar, superar ou mitigar pelo menos uma das desvantagens da técnica anterior.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DA INVENÇÃO

[0055] De acordo com a presente invenção, é fornecida uma fonte de alimentação despachável fora de rede com uma saída de energia despachável (PD) de pelo menos 25 kW, a fonte de alimentação despachável fora da grade compreendendo:

[0056] (I) um gerador de energia de base selecionado de pelo menos um do grupo que consiste em: um gerador de energia hidrelétrica e um gerador de energia geotérmica;

[0057] (ii) um gerador de energia secundária que compreende pelo menos um gerador de energia renovável;

[0058] (iii) uma bateria; e

[0059] (iv) meios de transmissão de energia para comunicar a energia gerada a pelo menos um consumidor.

[0060] A fonte de alimentação despachável também pode ser referida como um sistema de fonte de alimentação despachável.

[0061] Em certas modalidades, a fonte de alimentação despachável é uma fonte de alimentação despachável fora da grade. Em certas modalidades, é uma estação de energia grade da rede despachável. Em certas modalidades, é uma estação de carga de veículo elétrico fora da grade.

[0062] Em certas modalidades, o meio de transmissão de energia é pelo menos um ponto de carga do veículo elétrico. Assim, o consumidor é pelo menos um veículo elétrico. Em tais modalidades, a fonte de alimentação despachável pode ser uma estação de carga de veículo elétrico fora da grade.

[0063] Em certas modalidades, o consumidor é uma conexão de rede, ou seja, o consumidor é uma rede elétrica ou um consumidor localizado em uma grade elétrica.

[0064] Quando o consumidor é uma conexão de rede, a bateria é preferencialmente localizada adjacente à conexão de grade, por exemplo adjacente ou em uma subestação. Em tais modalidades, um transformador e inversor podem ser fornecidos para a transmissão da energia gerada para a bateria/subestação como CA.

[0065] Opcionalmente, a fonte de alimentação pode suportar “black start”, por exemplo, com uma saída de energia e duração do serviço conforme especificado por um operador de grade local.

[0066] Opcionalmente, a fonte de alimentação pode ser fornecida com armazenamento de bateria adicional para balanceamento de carga (ou seja, absorção de energia) do consumidor, por exemplo, conforme especificado por um operador de grade local.

[0067] O gerador de energia de base também pode ser referido como o gerador de energia primário.

[0068] Em certas modalidades fora de rede, a fonte de alimentação despachável é autônoma. De preferência, a fonte de alimentação despachável não está conectada a uma microrrede. Em certas modalidades, a fonte de alimentação despachável não está conectada a nenhuma grade.

GERADOR DE ENERGIA DE BASE

[0069] De preferência, o gerador de energia de base é um gerador de energia hidroelétrica. Em certas modalidades, um gerador de energia geotérmica é usado como gerador de energia de base.

[0070] De preferência, o gerador de energia hidroelétrica está em comunicação de fluxo de fluido com uma fonte de água. A fonte de água pode ser um rio, uma barragem, uma cachoeira, um rio subterrâneo, etc. De preferência, a fonte de água é um rio. De preferência, o gerador de energia hidrelétrica é do tipo “fio d'água”.

[0071] Um gerador de energia hidroelétrica particularmente preferido é aquele revelado em WO 2010/020779, em que os principais componentes do gerador são armazenados no subsolo e o impacto ambiental é, portanto, reduzido significativamente. No entanto, será evidente para aqueles versados na técnica que outros geradores de energia hidroelétrica também podem ser usados, e a presente invenção não se destina a ser limitada a este respeito.

[0072] Em certas modalidades, o gerador de energia de base tem uma saída de energia máxima (PB-instalada) igual ou maior que a saída de potência despachável (PD). Quando PB-instalada é maior do que PD, o tamanho adicional de PB-instalada menos PD é referido como PB-grande demais.

[0073] Em certas modalidades, o gerador de energia de base tem uma saída de energia máxima (PB-instalada) igual à saída de potência despachável (PD). PB – instalado = PD + PB – grande demais

[0074] De preferência, o gerador de energia de base tem um fator de capacidade anual (CFB) de pelo menos 50%. De preferência, o fator de capacidade do gerador de energia de base é de pelo menos 60%. Mais preferencialmente, é de pelo menos 70%. Mais preferencialmente, é de pelo menos 80%. Mais preferencialmente, é de pelo menos 90%.

[0075] Em certas modalidades, o fator de capacidade do gerador de energia de base (CFB) é inferior a 100%. Em algumas modalidades, é inferior a 99%. Em algumas modalidades, é inferior a 95%.

[0076] Os geradores de energia hidrelétrica são preferíveis para o gerador de energia de base porque eles são geralmente mais previsíveis em termos de sua produção de energia elétrica do que geotérmicos. As usinas hidrelétricas também têm uma vida útil mais longa do que as geotérmicas. Aqueles familiarizados com a técnica saberão que a geração eólica e solar raramente ou nunca atinge fatores de capacidade acima de 50%, que é o requisito mínimo para o gerador de energia de base nesta invenção. Assim, por esta razão e razões exploradas abaixo, nem a energia solar nem a eólica podem ser implantadas como o gerador principal para esta invenção.

[0077] Assim, por esta razão e razões exploradas abaixo, nem a energia solar nem a eólica podem ser implantadas como o gerador principal para esta invenção. Isso contrasta com a energia solar e eólica, que depende de padrões climáticos imprevisíveis. Em particular, o fluxo de água é muito mais previsível do que a velocidade do vento.

[0078] Embora haja variações diárias, sazonais e anuais na geração hidrelétrica, elas são, novamente, previsíveis. Em qualquer caso, as flutuações no fluxo de água (e, portanto, geração) são muito menos extremas do que com o vento e o solar (por exemplo, noite e dia), tornando o fluxo de água uma fonte de alimentação mais confiável. Um gerador hidrelétrico irá gerar vinte e quatro horas por dia, desde que haja fluxo de água suficiente. Geradores de energia hidroelétrica a fio de água são particularmente vantajosos na presente invenção porque tais geradores podem ser projetados e construídos de acordo com as especificações do local, de modo a fornecer um fator de capacidade desejado (CFB). E, portanto, a fonte de alimentação despachável pode ser construída e configurada de acordo. Além disso, o fio d'água pode ser de pequena escala e ter um impacto ambiental ultrabaixo.

[0079] Onde o gerador de energia de base é um gerador de energia hidroelétrica, ele pode ser configurado ou adaptado de modo que a geração de energia possa ser reduzida ou interrompida. Por exemplo, pode ser configurado ou adaptado de modo que o fluxo de água através da turbina possa ser reduzido ou desligado nos momentos de operação de pico do gerador de energia secundário. Assim, este pode atuar como um mecanismo de controle, de forma a equilibrar a eletricidade em seu sistema. É contraintuitivo não produzir o máximo de energia possível a partir de um sistema de geração. No entanto, nesta invenção, o excesso de energia (isto é, potência instantânea de saída maior do que PD), é sacrificado (simplesmente reduzindo ou trocando a geração do hidrogerador) a fim de manter o equilíbrio de energia dentro do sistema; e, portanto, integridade do sistema.

[0080] Assim, de preferência, a fonte de alimentação despachável compreende adicionalmente meios de controle (por exemplo, um módulo de controle) que reduz ou interrompe a geração de energia pelo gerador de energia de base.

[0081] Para apurar a potência média (Rb-Médio que será gerada a partir do gerador de base, a potência máxima de saída dessa geração, que é a sua capacidade instalada (PB- instalado) é multiplicado pelo fator de capacidade do gerador de energia base, CFB. De preferência, o fator de capacidade base, CFB, é um fator de capacidade médio anualizado. Dado por: PB – Média = PB – instalado x CFB

[0082] A fim de determinar a energia "ausente" média, PB-média é subtraído de PD para fornecer a energia ausente média (PM-média), (se houver), exigida de uma fonte de gerador de energia secundária, dada por: PM – Média = PD – PB - Média

[0083] Esse resultado é essencial para a prospecção inicial do site, classificação, comparação entre sites, iteração inicial do design do site e análise de viabilidade de primeira passagem. No entanto, as médias não são suficientes para o projeto final do sistema.

FATOR DE CAPACIDADE DE ENGENHARIA

[0084] O seguinte fornece um exemplo de como a produção de energia hidrelétrica pode ser projetada variando os parâmetros relevantes. A produção de energia hidrelétrica é determinada usando a seguinte equação:

[0085] Em que:

[0086] • P é a potência de saída (kW)

[0087] • g = 9,8 m/s2 é a aceleração da gravidade em metros por segundo ao quadrado;

[0088] • é o fluxo volumétrico de água em metros cúbicos por segundo (m3/s)

[0089] • h é a cabeça (altura vertical) em metros (m); e

[0090] • e é a eficiência, que é um valor de coeficiente. Isso é dado como a porcentagem de energia que permanece após as perdas do sistema devido a ineficiências (por exemplo, atrito, resistência, etc., mas excluindo perdas na transmissão de energia).

[0091] Conforme o fator de capacidade do gerador de energia básico é aumentado, a saída de energia é reduzida. Portanto, há uma compensação (que pode ser calculada independentemente para cada local) e um fator de capacidade máxima para o qual o gerador de energia hidrelétrica se torna ineficaz e/ou comercialmente inadequado. Portanto, limitar o fator de capacidade no ponto em que o gerador de energia hidrelétrica ainda é útil e eficaz pode ser em torno de 50% e até 100%.

[0092] É possível controlar o CFB para qualquer gerador de energia hidrelétrica, dimensionando seu 'Fluxo de Projeto da Turbina', que determina a capacidade máxima de potência instalada PB-instalada- Será evidente para os versados na técnica que a saída de energia e o projeto da turbina afetarão o CFB. Conforme discutido anteriormente, o CFB é calculado como a porcentagem média de tempo em que o sistema gerador de energia está efetivamente operando em plena capacidade, ao longo de um ano. A saída de energia de um gerador de energia hidrelétrica é proporcional ao 'Fluxo de Projeto da Turbina'. Em um gerador de energia hidrelétrica "fio d'água", uma produção de energia mais baixa (e, portanto, um "Fluxo de Projeto da Turbina" mais baixo) corresponde a uma porcentagem maior de tempo que o sistema irá gerar na potência máxima, um CFB maior.

[0093] O dimensionamento da capacidade potencial total de produção de energia de um local hidrelétrico requer modelagem hidrológica, pois cada local é único. É conhecido na técnica e será conhecido pelos versados na técnica que os dados históricos de fluxo de um local específico podem ser modelados em uma Excedência de Fluxo ou Curva de Duração de Fluxo. Uma Curva de Excedência de Fluxo tem uma porcentagem do eixo do tempo (por exemplo, o eixo geométrico x) e um eixo do fluxo de água (por exemplo, o eixo geométrico y). A curva mostra as probabilidades de qual fluxo é igualado ou excedido para cada porcentagem de tempo. A Figura 5 mostra uma Curva de Excedência de Fluxo exemplar para um site na Escócia. As condições de inundação tornam a curva não linear. Portanto, o fluxo médio, Qmédio, geralmente cai em torno de 30%, em vez de 50%. No site de exemplo ilustrado na Figura 5, Qmédio é de aproximadamente 2,65 m3/s. Curvas de Excedência de Vazão são normalmente modeladas para um ano e fornecem dados valiosos que podem ser usados ao selecionar um local adequado para um gerador de energia hidrelétrica.

[0094] O fluxo máximo através da turbina (saída de energia) pode, portanto, ser projetado usando modelagem hidrológica convencional e por meio de métodos iterativos, usando a equação acima e contabilizando as perdas devido ao atrito e eficiência operacional do sistema gerador de energia Flydroelétrico específico. Portanto, é possível para o operador ajustar o 'Fluxo de Projeto da Turbina' do gerador de energia hidrelétrica, a fim de maximizar o valor de CF do sistema. A partir do cálculo da produção de energia (ou produção de energia prevista), é então possível obter um valor histórico preciso para o fator de capacidade de um gerador de energia hidrelétrica instalado naquele local.

[0095] Em primeiro lugar, a potência de saída é calculada em vários 'Fluxos de Projeto de Turbina', ou seja, iterativamente. Em seguida, é calculado o total de energia gerada por ano. Finalmente, o fator de capacidade de geração anualizado CF do sistema é calculado, usando a seguinte fórmula: í ( − ℎ) = ê ( ) 8.760

[0096] A tabela abaixo mostra um exemplo da iteração e da relação entre fluxo, potência e energia no mesmo site escocês referido na Figura 5. Cada site dará resultados diferentes, mas as tendências gerais são semelhantes em cada caso. TABELA 3: Fluxo de Fator de Projeto de Potência Energia Anual Capacidade de turbina (MW) (GWh) Geração (m3/s) 5,81 8,58 22,6 30% 4,22 6,24 21,6 40% 3,04 4,49 19,7 50%

2,27 3,36 17,7 60% 1,73 2,56 15,7 70% 1,35 1,99 13,9 80% 1,03 1,52 12,0 90% 0,58 0,86 7,5 100%

[0097] Assim, neste local, um 'Fluxo de Projeto da Turbina' de 1,03 m3/s será necessário para operar uma turbina hidrelétrica de 1,52 MW, entregando um fator de capacidade de geração de eletricidade de 90%. Da mesma forma, a construção de um sistema hidrelétrico neste local, com menor fator de capacidade, gerará mais energia por ano.

[0098] Assumindo um preço fixo de atacado para eletricidade, será evidente que mais dinheiro é ganho com um fator de capacidade mais baixo, uma vez que fatores de capacidade mais baixos geram mais eletricidade por ano. As pessoas que estão familiarizadas com a técnica sabem que isso deixa de ser verdade abaixo de cerca de 30% do fator de capacidade. Os presentes inventores descobriram que os geradores de energia hidrelétrica a fio de água podem atingir fatores de capacidade muito elevados, reduzindo significativamente a produção de energia. Na técnica anterior, não é comercialmente desejável reduzir a produção de energia de um gerador de energia (renovável ou não) porque o resultado é menos energia que pode ser vendida.

[0099] Extrair menos água tem o importante objetivo de design adicionado e o benefício de causar proporcionalmente menos impacto ambiental direto.

[00100] Devido a essa capacidade de ajustar o fator de capacidade alterando o 'Fluxo do Projeto da Turbina', os geradores de energia hidrelétrica fornecem os recursos necessários para permitir uma geração de energia confiável fora de rede.

[00101] Uma primeira etapa contraintuitiva desta invenção é usar fatores de capacidade do gerador de energia hidrelétrica muito altos, reduzindo assim a energia que poderia ser produzida no local. O sacrifício intencional da geração de energia é recompensado com um aumento significativo na confiabilidade da geração, previsibilidade e estabilidade do sistema. De preferência, o fator de capacidade do gerador de energia de base é de pelo menos 50%. Em algumas modalidades exemplares, o fator de capacidade é de pelo menos 60%. De preferência, pelas razões listadas acima, é de pelo menos 70%. Mais preferencialmente, é de pelo menos 80%. Idealmente, é de pelo menos 90%. A fim de alcançar uma saída de energia despachável igual ou maior do que a saída de energia máxima do gerador de energia de base, a presente invenção inclui pelo menos um tipo de gerador de energia secundário, e um dispositivo de armazenamento de energia (descrito em mais detalhes a seguir) para equilibrar contínua e perpetuamente a carga e a geração dentro da invenção.

GERADOR DE ENERGIA SECUNDÁRIA

[00102] O gerador de energia secundária compreende preferencialmente um dos seguintes tipos de geradores de energia renovável: solar e eólico.

[00103] Embora a energia solar e a eólica sejam inerentemente imprevisíveis, variam extremamente diariamente, ou ambas; essas duas fontes de energia renovável oferecem a capacidade de fornecer geração de energia de reserva. Essa é uma segunda etapa contraintuitiva da solução fornecida pela presente invenção, os parques solares e eólicos comerciais são normalmente conectados à rede.

[00104] É conhecido na técnica que dias particularmente secos que podem resultar em uma redução da geração de energia hidrelétrica frequentemente coincidem com dias de alta radiação solar. Tanto a energia eólica quanto a solar são candidatos adequados para fins de geração de energia de reserva. De preferência, o segundo gerador de energia é um gerador de energia solar porque os dias mais ensolarados muitas vezes coincidem com os dias com menor fluxo de água.

[00105] Já foi visto que a radiação solar é mais previsível do que a variação da velocidade do vento (ref. Figuras 1 a 3 dos desenhos), portanto, o gerador de energia secundária é de preferência um gerador de energia solar. Isso pode incluir, mas não está limitado a uma matriz de sistema fotovoltaico, unidades de energia solar concentrada (CSP) ou uma combinação.

[00106] Geradores de energia eólica adequados incluem, porém, sem limitação, turbinas eólicas onshore, turbinas eólicas offshore, turbinas eólicas de eixo geométrico horizontal, turbinas eólicas de eixo geométrico vertical, e outros sistemas de geração de energia eólica adequados conhecidos na técnica. Naturalmente, uma ou mais turbinas eólicas podem ser fornecidas conforme apropriado.

[00107] Em certas modalidades, o gerador de energia secundária compreende uma combinação de geradores de energia eólica e solar de modo a fornecer a fonte de energia mais confiável para as condições locais.

CAPACIDADE SECUNDÁRIA INSTALADA

[00108] Em algumas modalidades, a fonte de alimentação despachável tem uma saída de potência necessária não base instantânea de pico (PM-Pica) Aqueles familiarizados com a arte saberão que uma análise hidrológica convencional de um determinado local fornecerá um registro histórico do fluxo de água em, por exemplo, incrementos de 1, 5, 10 ou 15 minutos. Tal análise de um determinado local irá calcular a saída de energia mínima instantânea do gerador de energia de base, (PB- Baixo): PM – Pico = PD – PB - baixo

[00109] Aqueles familiarizados com a arte saberão que existem ferramentas de análise para prever a radiação solar ou a velocidade do vento em qualquer local específico. A arte então permite o cálculo de fatores de capacidade para energia solar e eólica, respectivamente, uma vez que ambos têm fatores de capacidade diferentes para qualquer local específico. A iteração do projeto usando esta análise é conduzida pelo operador para escolher qual proporção do PM-Pico será gerada pela energia solar e, se houver um componente eólico, qual será. A divisão da geração secundária, se houver, é representada por (SS) e (SW) que são duas percentagens que totalizam 100%. (SW) é determinado pelo valor de (SS). O tamanho do componente solar determina o componente eólico porque o solar é preferido como um gerador de energia secundária acima do vento, pelas razões explicadas acima. A falta de energia necessária do solar é fornecida por: Ps – necessária = PM – pico x Ss

[00110] E para o vento é dado por: Pw – necessária = PM – pico x Sw

[00111] CFsecundário» é o fator de capacidade periódica média apenas para aqueles dias, ou parte deles,

quando um gerador de energia de base está gerando menos energia do que a energia despachável, (PD > RB). A capacidade de geração de energia instalada necessária de um gerador de energia secundário é dada por: ! Psecundária – instalada = PM – pico x ("# ) $%&'()á+,-

[00112] CFsecundária tem valores diferentes para solar e eólico; CFS e CFW respectivamente. Onde houver componentes solar e eólico do gerador de energia secundária, a equação acima é empregada separadamente para ambas as tecnologias. A potência instalada para energia solar é dada por: ! PS-instalada = Ps-necessária x ( ) "# $

[00113] E para o vento é dado por: ! Pw-instalada = Pw-necessária x ("# ) .

CLASSIFICAÇÃO DE POTÊNCIA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA

[00114] Aqueles familiarizados com a técnica saberão que em um sistema eletricamente isolado, um dispositivo de armazenamento de energia deve ter uma classificação de potência igual ou superior ao pico de saída das fontes de geração que estão conectadas ao mesmo. A classificação de energia descreve a capacidade de energia máxima instantânea do dispositivo de armazenamento de energia para carregar ou descarregar.

[00115] O gerador de energia básico é projetado para funcionar com fator de capacidade de 100% pelo maior tempo possível. Assim, a classificação de potência do gerador de energia de base PRB é igual à sua potência de saída instantânea máxima, dada por: PRB = PB - instalada

[00116] De preferência, um único gerador de energia secundária (eólica ou solar) tem um fator de capacidade de pico instantâneo (CFSecundária-Pico); que é calculado no momento apropriado, por exemplo, o instante mais ensolarado ou a velocidade do vento instantânea operável mais alta. A Classificação de Energia exigida para um gerador secundário (PRSecundária) é dada por: PRsecundária = Psecundária-instalada x CFsecundário-pico

[00117] Solar e eólica têm diferentes fatores de capacidade de pico, CFS-Pico e CFW-pico- Usando a equação acima, a classificação de energia solar é dada por: PRs = Ps-instalada x CFs-pico

[00118] E a classificação de energia para o componente eólico é dada por: PRw = Pw-instalada x CFw-pico

[00119] Quando há componentes solar e eólico do gerador de energia secundária, as classificações de energia solar e eólica são combinadas para dar a classificação de energia para o gerador de energia secundária, dada por: PRsecundária = PRs + PRw

[00120] A classificação de energia primária não precisa ser adicionada à classificação de energia secundária. Como visto acima, o gerador hidroelétrico pode ser controlado diminuindo a entrada de água (e, portanto, a geração instantânea). Nos momentos de pico do gerador secundário, a Invenção controla a entrada de energia no acumulador de energia (por exemplo, através de um módulo de controlo, ver abaixo) reduzindo ou parando a geração a partir do gerador de base.

[00121] De preferência, o dispositivo de armazenamento de energia tem uma classificação de energia para armazenamento (PRInstalada) pelo menos igual à maior de:

[00122] (a) PRB, e

[00123] (b) PRSecundária

[00124] em que

[00125] PRB é o requisito de classificação de energia do gerador de energia de base e que é igual ou maior do que a saída de energia máxima do gerador de energia de base (PB-instalada); e

[00126] PRSecundária é o requisito de classificação de energia do gerador de energia secundário e que é igual ou superior a Psecundária-Instalada X CF CFSecundária-Pico x em que CFSecundária-Pico é o fator de capacidade de pico instantâneo do gerador secundário.

[00127] Em certas modalidades, por exemplo, aquelas em que a capacidade total da bateria deve ser descarregada em um curto período de tempo ou onde não há PRSecundária, a taxa desejada de consumo de energia pode ser maior do que PRInstalada. Por exemplo, em modalidades em que pelo menos um consumidor é um pelo menos um ponto de carga de veículo elétrico (por exemplo, uma pluralidade de pontos de carga de veículo elétrico, mais particularmente uma pluralidade de pontos de carga de veículo elétrico projetados para operar simultaneamente), PRInstalada pode ser pelo menos igual à potência total de saída de pelo menos um ponto de carga do veículo elétrico. Assim, em uma modalidade com pelo menos um ponto de carga de veículo elétrico compreendendo um ponto de carga de 350 kW, um ponto de carga de 150 kW, dois pontos de carga de 50 kW e cinco pontos de carga de 7 kW, todos projetados para operar simultaneamente, PRInstalada pode ser pelo menos igual a 635 kW.

CAPACIDADE DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA

[00128] De preferência, o armazenamento de energia usa a tecnologia mais eficiente atualmente disponível: A bateria em escala de grade é atualmente a forma preferida de dispositivo de armazenamento de energia e é referida abaixo, e a presente invenção não se destina a ser limitada a este respeito.

[00129] O armazenamento é medido por energia em, por exemplo, quilowatt-hora (kWh), megawatt-hora (MWh) ou Gigawatt-hora (GWh). Para calcular o armazenamento mínimo necessário para a bateria, cada tecnologia de gerador deve ser tratada separadamente. Os inventores determinaram que o armazenamento de energia mínimo necessário para o gerador de energia de base (ESB) é dado por: ESB = PB-instalada x 0,5

[00130] E para Solar (ESs) é dado por:

[00131] E para o vento (ESw) é dado por:

[00132] A capacidade de armazenamento de energia necessária para um gerador de energia secundário (ESsecundária) é dado por: ESsecundária = ESs + ESw

[00133] A capacidade de armazenamento de energia necessária para instalação (ESGerador) é dada por: ESgeradores = ESB + ESsecundária

[00134] De preferência, o gerador de energia secundária não é um gerador de energia hidroelétrica ou um gerador de energia geotérmica.

HORÁRIO OPERACIONAL

[00135] Em certas modalidades, pode não ser desejável ou necessário fornecer energia despachável 24 horas por dia. Por exemplo, para instalações comerciais ou industriais, o horário de funcionamento definido pode significar que a fonte de alimentação despachável deve ser fornecida apenas durante esse horário de funcionamento.

[00136] Por exemplo, onde a fonte de alimentação despachável é uma estação de carga EV, por várias razões, um operador pode decidir, ou não ser capaz, de abrir a estação de carga EV 24 horas por dia. Por exemplo, em alguns parques nacionais o acesso de veículos é restrito durante as horas de escuridão. Inversamente, por exemplo, está previsto um operador de veículos autônomos que só podem operar durante as horas de escuridão.

[00137] Se a energia da fonte de alimentação despachável não for consumida 24 horas por dia com uma carga razoavelmente estável, por exemplo, se a estação de carga EV não for operada 24 horas por dia com uma carga razoavelmente estável de veículos carregados, então o armazenamento de energia adicional pode ser necessário. Onde T é o tempo operacional (em horas por dia).

[00138] O armazenamento mínimo necessário para carregar a bateria enquanto a energia da fonte de alimentação despachável não está sendo consumida (por exemplo, uma estação EV, como uma estação de carregamento de veículos elétricos fora de rede, não está carregando os veículos) (ESTempo de inatividade), é dado por:

[00139] Assim, o requisito de capacidade total da bateria de armazenamento de energia, contabilizando horas operacionais inferiores a 24 horas por dia (ESInstalado), é dado por: ESinstalada = ESgeradores + EStempo de inatividade

[00140] A redução das horas de carregamento da carga operacional aumenta proporcionalmente a energia despachável que pode ser fornecida durante as horas de operação. O aumento da energia despachável para as horas reduzidas (PD-Bônus) é dado por: PD-bônus = EStempo de inatividade/T

[00141] Por exemplo, operando apenas 12 horas por dia, a potência despachável efetiva pode ser duplicada nas 12 horas operacionais.

[00142] Alternativamente, o operador pode decidir desligar a invenção enquanto ela não estiver operacional. A potência despachável permaneceria constante em (PD) durante as horas operacionais. Esta modalidade eliminaria a necessidade do custo de capital extra de baterias para ESTempo de Inatividade.

[00143] Os inventores preveem que alguns operadores podem iniciar a operação do local sem capacidade de armazenamento para carregar a energia gerada enquanto a energia da fonte de alimentação despachável não está sendo consumida (por exemplo, a estação de carga EV está 'fechada' (ou seja, não está carregando EVs)). Conforme a demanda por energia da fonte de alimentação despachável aumenta (por exemplo, a demanda por carregamento de EV aumenta com as vendas de veículos EV), o armazenamento adicional pode ser instalado e pago pelas receitas obtidas na instalação inicial.

BATERIA

[00144] A bateria é qualquer componente adequado para armazenamento de energia elétrica. Pode incluir uma pluralidade de células de bateria ou capacitores acoplados como será conhecido na técnica, e a presente invenção não se destina necessariamente a ser limitada a este respeito. A bateria é necessária por vários motivos técnicos:

[00145] (a) o sistema de bateria oferece suporte para os sistemas de geração de energia primária e secundária. Ele faz isso oferecendo a capacidade de gerenciar a saída de energia de todo o sistema, bem como a energia dentro do sistema.

[00146] (b) A bateria pode ser carregada e descarregada em uma fração de segundo, permitindo que ela mantenha o perfil de geração estável, apesar de quaisquer falhas ou interrupções que os sistemas de geração de energia primária ou secundária experimentem.

[00147] (c) O sistema de bateria também pode conter carga e energia, permitindo que ele mude o perfil de energia para atender a uma demanda variável.

[00148] (d) Isso proporciona um sistema confiável e robusto, capaz de se equilibrar e manter-se, e funcionar independentemente de uma infraestrutura de rede externa, em vez disso, capaz de utilizar, para uma eficiência máxima, uma ou mais fontes de geração renováveis complementares para fornecer energia. As baterias devem ser capazes de casar com os geradores de energia independentes, a fim de fornecer uma energia despachável previsível.

[00149] Os custos de instalação da bateria são atualmente de até US$ 0,3 milhão por MWh. Portanto, para manter o custo do sistema baixo (tornando-o uma solução comercialmente viável), é desejável reduzir a capacidade de armazenamento da bateria tanto quanto possível.

[00150] Quando o gerador de energia de base é hidro e para reduzir a capacidade necessária da bateria, o fluxo de água para o gerador de energia de base pode ser reduzido ou interrompido. Isso significa que em momentos de pico de saída de energia pelo gerador de energia secundária, o gerador de energia de base pode ser desligado. Isso reduz a necessidade de capacidade adicional da bateria para armazenar energia do gerador de energia base enquanto o gerador de energia secundária, (que como exploramos acima é menos previsível), está no pico.

SAÍDA DE ENERGIA DESPACHÁVEL

[00151] De preferência, a fonte de alimentação despachável tem uma potência de saída despachável total (PD) de pelo menos 25 kW. Mais preferencialmente, a fonte de alimentação despachável tem uma saída de energia despachável total (PD) de pelo menos 50, 75, 100, 200, 250, 300, 400, 500, 750 ou 1.000 kW. Em certas modalidades, a saída de energia despachável total é maior do que 1.000 kW.

[00152] Quando a fonte de alimentação despachável é um pelo menos um ponto de carga de veículo elétrico, o pelo menos um ponto de carga de veículo elétrico pode ser uma pluralidade de pontos de carga de veículo elétrico de modo que mais de um EV possa ser carregado ao mesmo tempo em uma única estação de carga de EV.

MÓDULO DE CONTROLE

[00153] De preferência, a fonte de alimentação despachável compreende adicionalmente um módulo de controle.

[00154] O módulo de controle compreende, de preferência, circuitos de controle e/ou meios de controle configurados para controlar a saída de energia do gerador de energia de base e/ou do gerador de energia secundária, e para controlar o fornecimento de energia para e da bateria.

De preferência, o módulo de controlo está configurado para fornecer a potência total despachável (PD) do gerador de base, do gerador secundário e da bateria.

Exatamente como isso será feito dependerá de uma variedade de fatores, por exemplo, a época do ano, as condições climáticas (a quantidade de sol, vento e chuva e a correspondente água disponível para o gerador de energia hidrelétrica). De preferência, onde o gerador de energia de base é um gerador de energia hidroelétrica, o gerador de energia de base compreende um atuador, meios de comutação ou controle para controlar a saída de energia dele.

Por exemplo, em modalidades em que o gerador de energia de base é um gerador de energia hidroelétrica, isso pode ser na forma de uma barreira móvel ou sistema de válvula que controla o fluxo de água (ou seja, a entrada de água) no gerador de energia hidrelétrica.

Em modalidades em que o gerador de energia secundária é um gerador eólico, o gerador eólico pode compreender meios de controle para controlar a saída de energia dele, por exemplo, alterando o ângulo das pás do gerador de energia eólica.

Quando o gerador de energia secundária é um gerador de energia solar, pode compreender meios de controle para ajustar o posicionamento ou ângulo das células solares a fim de controlar a saída de energia delas.

Os exemplos acima não são exaustivos e os meios de controle adequados são bem conhecidos e serão facilmente evidentes para o especialista na técnica.

[00155] Por exemplo, em uma modalidade em que o gerador de energia de base é um gerador de energia hidrelétrica e o gerador de energia secundária é um gerador de energia solar, os meios de controle podem ser configurados para controlar a quantidade de energia gerada pelo gerador de energia hidrelétrica. Por exemplo, onde energia suficiente pode ser gerada pelo gerador de energia secundária (o gerador de energia solar), pode ser desejável reduzir a energia gerada pelo gerador de energia de base (o gerador de energia hidrelétrica), a fim de reduzir a quantidade de água usada e/ou evitar a geração de energia elétrica excedente.

[00156] De preferência, os meios de controle são adaptados ou configurados para controlar a energia fornecida aos veículos elétricos. De preferência, os meios de controle compreendem meios de comunicação, por exemplo, meios de comunicação de dados, tais como telefonia móvel, dados celulares ou meios de comunicação por satélite. De preferência, os meios de controle são adaptados ou configurados para se comunicarem com os meios de processamento de transações a fim de obter e/ou fornecer autorização para cobrança e faturamento para cobrança.

[00157] De preferência, o módulo de controle compreende um computador ou banco de dados configurado para gerenciar a saída de energia do gerador de energia de base e do gerador de energia secundário, e a bateria, de modo que a saída de energia despachável, (PD), permanece constante. Será evidente para os especialistas na técnica que um software de gestão conhecido pode ser adequado para este fim.

[00158] O módulo de controle também permite a entrega de diferentes níveis de carga de energia para diferentes EVs ao longo do tempo.

TRANSMISSÃO DE ENERGIA DC

[00159] De preferência, a energia elétrica de saída dos vários componentes é DC (corrente contínua). De preferência, a transmissão de energia elétrica entre os vários componentes é DC.

[00160] De preferência, a fonte de alimentação despachável é configurada ou adaptada para transmissão de energia elétrica entre os vários componentes como DC.

[00161] De preferência, o sistema de transmissão de energia elétrica entre os vários componentes é um sistema de transmissão de energia elétrica DC.

[00162] De preferência, as interconexões elétricas entre os vários componentes são interconexões elétricas DC.

[00163] Mais preferencialmente, isto é, em relação ao gerador de energia de base, ao gerador de energia secundária e à bateria.

[00164] Mais preferencialmente, isto é, em relação ao gerador de energia de base, o gerador de energia secundária, a bateria e o pelo menos um ponto de carga do veículo elétrico.

[00165] De preferência, as conexões de energia elétrica entre os componentes individuais estão a uma distância não superior a 4 km (ou seja, inferior ou igual a 4 km).

[00166] Geradores de energia, como geradores de energia hidrelétrica, geotérmica, eólica e solar, produzem uma saída de energia de corrente contínua (DC). A saída de energia elétrica DC é convertida em AC (corrente alternada) para transmissão, em particular para conexão e transmissão para grades locais e nacionais. Essa conversão requer o uso de inversores DC para AC e transformadores de tensão. Isso introduz perdas significativas na forma de perdas do inversor e perdas do transformador, juntamente com custos de capital para os inversores e transformadores.

[00167] De preferência, a fonte de alimentação despachável não inclui um inversor >5 Kw.

[00168] Tais modalidades podem ser particularmente úteis no fornecimento de uma fonte de alimentação despachável que é resiliente a tempestades de sol ou outros eventos eletromagnéticos. Em particular, a falta de transformadores/inversores reduz a suscetibilidade a danos por eventos eletromagnéticos.

[00169] Em certas modalidades, as partes componentes da fonte de alimentação despachável e o consumidor estão localizados em um raio de 10 km. Em certas modalidades, eles estão localizados em um raio de 5 km. Em certas modalidades, eles estão localizados em um raio de 2 km. Em certas modalidades, eles estão localizados em um raio de 1 km. Em certas modalidades, eles estão localizados em um raio de 500 metros. O fornecimento de tal raio restrito reduz o potencial de indução elétrica e danos subsequentes causados por um evento eletromagnético.

[00170] Em certas modalidades, a fonte de alimentação despachável também é fornecida com peças sobressalentes localizadas dentro de uma gaiola de Faraday. Em tais modalidades, as peças sobressalentes não são conectadas eletricamente ao gerador de energia de base, gerador de energia secundária (quando presente), bateria ou meios de transmissão de energia.

PONTO DE CARGA DO VEÍCULO ELÉTRICO

[00171] Os pontos de carga do veículo elétrico são bem conhecidos na técnica e serão facilmente evidentes para o a pessoa versada. De preferência, o pelo menos um ponto de carga de veículo elétrico compreende as características conhecidas de pontos de carga de veículo elétrico existentes, incluindo, mas não se limitando a, carga eletrônica de energia, um conector de carregamento, cabeamento para transmissão de energia da eletrônica de potência para o conector de carregamento.

[00172] De preferência, o pelo menos um ponto de carga do veículo elétrico inclui medidas de segurança adequadas, como será conhecido na técnica, para evitar curto- circuito, rupturas elétricas, picos de energia e semelhantes.

[00173] De preferência, a fonte de alimentação despachável (por exemplo, uma estação de carga fora de rede) compreende uma pluralidade de pontos de carga do veículo elétrico de modo que mais de um EV possa ser carregado a qualquer momento.

[00174] De preferência, o pelo menos um ponto de carga do veículo elétrico tem uma potência de saída de pelo menos 7 kW. De preferência, a potência de saída é de pelo menos 10, 20, 30, 40, 50, 130, 150, 350, 500 ou 1.000 kW.

[00175] De preferência, a fonte de alimentação despachável é uma estação de carga de veículo elétrico fora da grade. De preferência, compreende pelo menos um ponto de carga de veículo elétrico, mais preferencialmente uma pluralidade de pontos de carga de veículo elétrico e é configurado e/ou adaptado para carregamento simultâneo múltiplo e serviço contínuo.

VEÍCULOS ELÉTRICOS

[00176] Os veículos elétricos incluem todos os veículos com propulsão elétrica que podem ser carregados usando a fonte de alimentação despachável da presente invenção. Em particular, eles incluem, mas não estão limitados a carros, vans, caminhões, ônibus urbanos, ônibus de viagem, motos e motocicletas (mais particularmente, motos e motocicletas elétricas), ciclomotores, veículos leves, veículos de médio porte, veículos de grande porte, quadriciclos, micro-ônibus, tratores e outros veículos agrícolas, veículos sobre esteiras, bicicletas e barcos.

APENAS GERADOR DE ENERGIA BASE

[00177] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecida uma fonte de alimentação despachável que tem uma saída de energia despachável total (PD), de pelo menos 25 kW, a fonte de alimentação despachável compreendendo:

[00178] (I) um gerador de energia de base selecionado de pelo menos um do grupo que consiste em: um gerador de energia hidrelétrica e um gerador de energia geotérmica;

[00179] (ii) uma bateria; e

[00180] (iii) meios de transmissão de energia para comunicar a energia gerada a pelo menos um consumidor.

[00181] A fonte de alimentação despachável também pode ser referida como um sistema de fonte de alimentação fora da grade despachável.

[00182] Em certas modalidades, a fonte de alimentação despachável é uma fonte de alimentação despachável fora da grade. Em certas modalidades, é uma estação de energia grade da rede despachável. Mais preferencialmente, é uma estação de carregamento de veículos elétricos fora da grade.

[00183] Em certas modalidades, o meio de transmissão de energia é pelo menos um ponto de carga do veículo elétrico. Assim, o consumidor é pelo menos um veículo elétrico.

[00184] Será evidente para os versados na técnica que em regiões onde o clima é razoavelmente previsível (ou seja, o fluxo do rio ou fluxo da fonte de água é excepcionalmente previsível, como liberações ambientais mínimas em uma barragem sem energia), será possível atingir um fator de capacidade de 100% ao longo do ano. Portanto, a presente invenção fornece um ponto de carga EV confiável, sempre ligado, completamente fora da grade e com fonte de alimentação renovável.

[00185] De preferência, o gerador de energia de base é um gerador de energia hidroelétrica.

[00186] De preferência, a bateria tem uma classificação de energia do gerador de energia primário (PRB) que é igual ou maior do que a capacidade instalada do gerador de energia de base (PB-Instalado).

RESILIÊNCIA

[00187] Em modalidades em que o Para aumentar a resiliência da fonte de alimentação despachável, por exemplo, para tempestades solares ou outros eventos eletromagnéticos,

[00188] Em modalidades em que a fonte de alimentação despachável é fornecida em um local com acessibilidade limitada (por exemplo, uma distância significativa de um grande centro populacional). Para fontes de alimentação despacháveis fora da grade em particular,

ASPECTOS ADICIONAIS

[00189] Também é fornecido de acordo com a presente invenção um método de carga de um veículo elétrico, sendo que o método compreende as etapas de colocar o veículo em conexão de carga elétrica com a fonte de alimentação despachável (por exemplo, com um pelo menos um ponto de carga) e carregar o veículo elétrico. Em modalidades particulares, a fonte de alimentação despachável é uma fonte de alimentação despachável fora da grade.

[00190] De preferência, o veículo elétrico é conectado à fonte de alimentação despachável (o pelo menos um ponto de carga) por um cabo de carga. O cabo de carga pode ser um conjunto de cabos. O conjunto de cabo/cabo de carga é usado para estabelecer uma conexão (uma conexão de carga elétrica) entre o veículo elétrico e o ponto de carga. De preferência, o cabo de carga/conjunto de cabo é fixado e incluído na fonte de alimentação despachável. Alternativamente, o mesmo é desacoplável da fonte de alimentação despachável e do veículo elétrico. De preferência, o cabo de carga/montagem de cabo inclui um cabo flexível, um conector de veículo e/ou plugue que são necessários para a conexão adequada. De preferência, o cabo de carga é um conjunto de cabo conforme definido em IEC 62196-1 (International Electrotechnical Commission; www.iec.ch). De preferência, o cabo de carga compreende pelo menos um primeiro plugue/conector, mais preferencialmente um conector de veículo.

[00191] De preferência, a fonte de alimentação despachável (particularmente, onde é uma estação de carga de veículo elétrico) é compatível com IEC 61851-1, mais preferencialmente com IEC 61851-1:2017.

[00192] De preferência, o cabo de carga/montagem de cabo é compatível com o padrão IEC 62196. Mais preferencialmente, é compatível com IEC 62196-1, IEC-62196-2 e/ou IEC 62196-3.

[00193] Os tipos de conectores IEC 62196 adequados incluem Tipo 1, Tipo 2, CCS1, CCS2, CHAdeMO, Combol, Combo2, SAE J1772, SAE J3068

[00194] A menos que o contexto indique o contrário, os vários recursos opcionais de cada aspecto são igualmente aplicáveis aos outros aspectos.

MODALIDADES

[00195] A menos que o contexto dite o contrário, as palavras "compreendem", "compreende", "que compreende" e semelhantes devem ser interpretadas em um sentido inclusivo, em vez de exaustivo, ou seja, o sentido de "incluindo, porém, sem limitação". Os termos incluem modalidades nas quais nenhum outro componente está presente.

[00196] Os aspectos particulares e preferidos da invenção são apresentados nas reivindicações independentes anexas. As características das reivindicações dependentes podem ser combinadas com as características das reivindicações independentes conforme desejado e apropriado e não apenas conforme explicitamente estabelecido nas reivindicações.

[00197] Uma divulgação que permite a presente invenção, para um versado na técnica, é fornecida no presente documento. Agora será feita referência em detalhes às modalidades da invenção, um ou mais exemplos das quais são apresentados abaixo. Cada exemplo é fornecido a título de explicação da invenção e não de limitação da invenção. Das figuras:

[00198] A Figura 1 é uma representação gráfica da energia gerada por um parque eólico ilustrando a variação diária ao longo de um período de 4 dias em dois anos;

[00199] A Figura 2 é uma representação gráfica da energia gerada por uma turbina eólica contra a velocidade do vento;

[00200] A Figura 3 é uma representação gráfica da radiação solar na Califórnia dada mensalmente durante 2013/2014 (www.eia.gov/todayinenergy/detail. php?id=16851; perma.cc/K7FIC-FIPW8);

[00201] A Figura 4 é um diagrama esquemático de um sistema de carregamento fora de rede de acordo com pelo menos uma modalidade exemplar da presente invenção;

[00202] A Figura 5 é um gráfico que mostra a curva de fluxo de excedência para um sítio hidrológico na Escócia; e

[00203] A Figura 6 é um diagrama esquemático de uma fonte de alimentação conectada à rede despachável de acordo com as modalidades 4-7.

[00204] Uma lista dos sinais de referência usados neste documento é fornecida no final das modalidades específicas. O uso repetido de símbolos de referência na presente especificação e nos desenhos pretende representar as mesmas características ou elementos análogos. MODALIDADE 1

[00205] Em uma primeira modalidade, e com referência à Figura 4 dos desenhos, é fornecida uma estação de carga de veículo elétrico (EV) fora de rede (10) capaz de fornecer saída de energia despachável de 100 kW (PD). A estação de carga de veículos elétricos fora de rede (10) compreende um gerador de energia de base (11) (também referido como um gerador de energia primária) na forma de um gerador de energia hidrelétrica. O gerador de energia hidrelétrica está em comunicação de fluxo de fluido com uma fonte de água e compreende uma turbina e um gerador.

[00206] A estação de carga de veículo elétrico fora de rede (10) compreende ainda capacidade de armazenamento na forma de uma bateria (12) ("bateria de rede") eletricamente acoplada ao gerador de energia de base (11). Um gerador de energia secundária (13) na forma de um gerador de energia solar (compreendendo células fotovoltaicas) também é acoplado à bateria (12), e ambos os geradores de energia (11, 13) são configuráveis para gerar energia a partir de suas respectivas fontes de energia renováveis e enviar a energia para a bateria (12).

[00207] As conexões entre os componentes da invenção são ilustradas esquematicamente como linhas passando entre cada parte. No entanto, será evidente para o especialista na técnica que tais conexões podem ser qualquer conexão adequada, como fios, cabos, comunicação RF, etc., que é configurada para transmitir energia sob demanda.

[00208] Um módulo de controle (14) é acoplado aos geradores de energia (11, 13) a bateria (12) e os quatro pontos de carga (15). O módulo de controle (14) é um computador localizado no local. O módulo de controle (14) é configurado para se comunicar com cada componente relevante usando uma rede de controle separada e enviar energia após o recebimento de um sinal de carga dos pontos de carga do veículo elétrico (15) e transmitir a energia para os pontos de carga (15) com capacidade. O módulo de controle (14) também é configurado para garantir que cada ponto de carga EV (15) tenha a potência de saída necessária de pelo menos 7 kW a qualquer momento. O módulo de controle (14) é fornecido com acesso remoto de VPN seguro.

[00209] Por exemplo

[00210] Localização: Escócia, Área do Parque Nacional

[00211] Perfil do usuário: estacionar, caminhar e carregar devagar Entradas Nomenclatura Entrada Potência despachável da PD 100 kW estação de carga EV gerador de energia de base PB-tamanho grande 0 kW (hidro) de tamanho grande fator de capacidade anual CFB 80% médio (base) geração de base mais baixa PB-Baixa 0 kW componente solar do gerador de Ss 100% energia secundária fator de capacidade solar CFS 12% fator de capacidade vento CFW n/a fator de capacidade de pico CFs-Pico 50% solar fator de capacidade de pico CFW-pico n/a solar horas operacionais (por dia) T 24 horas Especificações Nomenclatura Tamanho do Projeto gerador de energia de base - PB-Instalada 100 kW hidro (11) classificação de energia da PRInstalada 417 kW bateria de grade (12) capacidade da bateria da grade ESInstalada 1,3 MWh (12)

gerador de energia secundária Ps-Instalada(ou 833 kW - solar (13) seja, Psecundária- instalada)

[00212] Conforme ilustrado na Figura 4, nesta modalidade quatro pontos de carga de 25 kW são fornecidos. A energia despachável de 100 kW pode ser distribuída com outras configurações de pontos de carga, conforme ilustrado abaixo: ponto (ou pontos) de Potênci Carregamen Simultâne Cargas carga (15) Exemplos a to por o de EV de cenários de uso veículo Cargas por por hora hora Carregamento lento ( 7 kW 7 kWh 14 14 > 1 hora) Carregamento médio ( 25 kW 25 kWh 4 4 > 1 hora) Carregamento rápido 50 kW 25 kWh 2 4 (30 minutos) Carregamento super 100 kW 25 kWh 1 4 rápido (15 minutos) MODALIDADE 2

[00213] Uma segunda modalidade exemplar da invenção compreende o gerador de energia de base (11), a bateria (12), o módulo de controle (14) e o ponto de carga EV (15) como descrito acima.

[00214] Onde uma fonte de alimentação confiável é conhecida, não é necessário fornecer um gerador de energia secundária. Por exemplo, as barragens podem frequentemente ter um fluxo mínimo de água ou vazamento do reservatório para permitir que a água flua rio abaixo, reduzindo o impacto ambiental da barragem. Portanto, há um fluxo de água garantido em todas as épocas do ano. Portanto, o gerador de energia de base (11) pode ser construído de acordo com as especificações para a quantidade exata de fluxo de água, e a bateria (12) dimensionada apropriadamente de modo a fornecer a estação de carregamento EV "fora da grade", sempre ligada, da presente invenção.

[00215] Em uso, a estação de carga de veículos elétricos (10) fornece uma fonte de energia fora de rede, sempre ligada para veículos EV e é totalmente alimentada por fontes de energia renováveis. A bateria (12) e o gerador de energia de base (11) se combinam para fornecer energia despachável de modo que o ponto de carga EV (15) esteja sempre disponível para o usuário. Quando necessário, e dependendo do local, um gerador de energia secundária (13) pode ser usado para suplementar o fator de capacidade ausente se o gerador de energia de base (11) não estiver operando no fator de capacidade preferido. O gerador de energia de base (11) é capaz de limitar a entrada de água (pois é preferencialmente um sistema de geração de energia hidrelétrica) de modo a não gerar energia em excesso. Isso permite que a capacidade de armazenamento, ou bateria (12), seja pequena e, portanto, reduz significativamente o custo e o impacto ambiental da construção da estação de carregamento de veículos elétricos (10). A estação de carregamento de veículos elétricos (10) está totalmente “fora da grade”, portanto, pode estar localizada em áreas que ainda não estão conectadas à rede elétrica local. MODALIDADE 3

[00216] Uma terceira modalidade exemplificativa compreende instalações comerciais com uma demanda de energia típica durante as horas de operação (8 h – 18 h) de 75 kW e uma demanda de energia máxima de 95 kW. Uma fonte de alimentação despachável fora da grade é fornecida de acordo com a Modalidade 1, capaz de fornecer 100 kW de energia despachável. MODALIDADE 4

[00217] Um quarto exemplo de modalidade na forma de uma fonte de alimentação despachável na rede (18) é ilustrado na Figura 6 e compreende o gerador de energia de base (11), a bateria (12) e o módulo de controle (14) como descrito acima. Uma fonte de alimentação despachável é fornecida de acordo com a Modalidade 1, capaz de fornecer energia despachável. Em vez de ter um ponto de carga EV (15), um consumidor é fornecido na forma de uma conexão de rede (17). A energia gerada a partir do gerador de energia de base (11) é transmitida ao inversor e transformador (16) e, em seguida, à bateria 12 que está localizada adjacente à conexão de rede (17). A geração adicional não despachável pode ser vendida na rede (por exemplo, em momentos de pico do sistema). MODALIDADE 5

[00218] Em uma configuração de descarga de armazenamento de 3 MW de 8 horas, uma fonte de alimentação despachável é fornecida de acordo com a Modalidade 4. A geração despachável de 1 MW é fornecida pelo gerador de energia de base (11) e o gerador de energia secundário (13). A bateria (12) tem capacidade de 16 MWh. Fornece 8 horas de energia despachável a 3 MW, em conformidade com os requisitos do mercado de capacidade. Quanto à modalidade 4, a energia gerada a partir do gerador de energia de base (11) é transmitida ao inversor e transformador (16) e, em seguida, à bateria 12 que está localizada adjacente à conexão de rede (17). MODALIDADE 6

[00219] Em uma configuração de descarga de armazenamento de 1,5 MW de 16 horas (por exemplo, "black start"), uma fonte de alimentação despachável é fornecida de acordo com a Modalidade 4. A geração despachável de 1 MW é fornecida pelo gerador de energia de base (11) e o gerador de energia secundário (13). A bateria (12) tem capacidade de 8 MWh. Isso fornece 16 horas de energia despachável a 1,5 MW, em conformidade com os requisitos para um serviço de “black start” no mercado de PJM. Quanto à modalidade 4, a energia gerada a partir do gerador de energia de base (11) é transmitida ao inversor e transformador (16) e, em seguida, à bateria 12 que está localizada adjacente à conexão de rede (17). MODALIDADE 7

[00220] Em uma configuração de descarga de armazenamento de 120 MW de 12 minutos, uma fonte de alimentação despachável é fornecida de acordo com a Modalidade 4. A geração despachável de 1 MW é fornecida pelo gerador de energia de base (11) e o gerador de energia secundário (13). A bateria (12) tem capacidade de 24 MWh. Isso fornece 12 minutos de energia despachável a 120 MW, disponível a cada 24 horas. Isso é suficiente para substituir a reserva giratória sempre na planta de gás. Em vez de operar as usinas de gás sempre durante os horários de pico, esta invenção carregará uma carga de 120 MW enquanto a usina de gás é aquecida. Quanto à modalidade 4, a energia gerada a partir do gerador de energia de base (11) é transmitida ao inversor e transformador (16) e, em seguida, à bateria 12 que está localizada adjacente à conexão de rede (17). MODALIDADE 8

[00221] Uma fonte de alimentação despachável é fornecida de acordo com a Modalidade 4. A conexão de rede (17) é substituída por um consumidor local e uma rede local, por exemplo, uma instalação industrial. Assim, um serviço UPS (fonte de alimentação ininterrupta) pode ser fornecido para um consumidor local, preenchendo pequenas lacunas na energia fornecida à rede quando necessário e fornecendo energia em situações críticas de modo a permitir um desligamento normal dos serviços.

[00222] Os sinais de referência são incorporados nas reivindicações apenas para facilitar sua compreensão e não limitam o escopo das reivindicações. A presente invenção não está limitada apenas às modalidades acima, e outras modalidades serão prontamente aparentes para um versado na técnica sem se afastar do escopo das reivindicações anexas. SINAIS DE REFERÊNCIA: 10 - Estação de carga de veículos elétricos 11 - Gerador de energia de base 12 - Bateria 13 - Gerador de energia secundária 14 - Módulo de Controle 15 - Ponto (ou pontos) de carga de EV 16 - Inversor e transformador 17 - Conexão da grade 18 - Fonte de alimentação despachável na grade

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL (10) que tem uma saída de energia despachável total (pd) de pelo menos 25 kW, sendo que a fonte de alimentação despachável é caracterizada por compreender: (I) um gerador de energia de base (11) selecionado de pelo menos um do grupo que consiste em: um gerador de energia hidrelétrica e um gerador de energia geotérmica; (ii) um gerador de energia secundária (13) que compreende pelo menos um gerador de energia renovável; (iii) uma bateria (12); e (iv) meios de transmissão de energia para comunicar a energia gerada a pelo menos um consumidor.

2. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo gerador de energia de base (11) ter uma saída de energia máxima (PB-Instalada) igual ou maior que a saída de potência despachável total (PD).

3. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo gerador de energia de base (11) ter uma saída de energia máxima (PB-Instalada) igual à saída de potência despachável total (PD).

4. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo gerador de energia de base (10) ter um fator de capacidade anualizado (CFB) de pelo menos 50%.

5. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada: (a) pela fonte de alimentação despachável ter uma saída de potência necessária não básica instantânea de pico

(PM-Pico), (b) pelo gerador de energia secundária (13) ter um fator de capacidade (CFsecundário), e (c) pela capacidade total de geração de energia instalada do gerador de energia secundária (13) (Psecundário- Instalado) ser igual a PM-Pico X (1/CFsecundário)

6. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pela bateria (12) ter uma potência nominal total instalada (PRInstalado) do maior de PRB e PRSecundário, em que: PRB é o requisito de classificação de energia do gerador de energia de base (11) e que é igual ou maior do que a saída de energia máxima do gerador de energia de base (11) (PB-Instalado); e PRSecundário é o requisito de classificação de energia do gerador de energia secundário (13) e que é igual ou maior que PSecundário-Instalado X CFSecundário-Pico, em que CFS-Pico é o fator de capacidade de pico instantâneo do gerador de energia secundário (13).

7. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 6 quando dependente da reivindicação 2, caracterizada pela bateria (12) ter uma capacidade de armazenamento (ESGeradores) igual ou maior que ESB + ESsecundária, em que ESB é o armazenamento de energia mínimo necessário para o gerador de energia de base e ESsecundária é a capacidade de armazenamento de energia mínima necessária para o gerador de energia secundário.

8. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo gerador de energia secundária (13) não ser um gerador de energia hidroelétrica ou um gerador de energia geotérmica.

9. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo gerador de energia secundária (13) ser selecionado de pelo menos um do grupo que consiste em: um gerador de energia solar e um gerador de energia eólica.

10. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo gerador de energia secundária (13) compreender um gerador de energia solar e um gerador de energia eólica.

11. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por ter uma saída de energia despachável total (PT) de pelo menos 50, 75, 100, 200, 250, 300, 400, 500, 750 ou 1.000 kW.

12. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo gerador de energia de base (11) ser um gerador de energia hidroelétrica.

13. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo gerador de energia hidrelétrica estar em comunicação de fluxo de fluido com uma fonte de água.

14. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL QUE TEM UMA SAÍDA DE ENERGIA DESPACHÁVEL TOTAL (PT) DE PELO MENOS 25 kW, sendo que a fonte de alimentação renovável despachável é caracterizada por compreender: (i) um gerador de energia de base (11) selecionado de pelo menos um do grupo que consiste em: um gerador de energia hidrelétrica e um gerador de energia geotérmica; (ii) uma bateria (12); e (iii) meios de transmissão de energia para comunicar a energia gerada a pelo menos um consumidor.

15. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 14, caracterizada pelo gerador de energia de base (11) ser um gerador de energia hidroelétrica.

16. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por ser uma fonte de alimentação fora de rede.

17. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 16, caracterizada por ser uma estação de carga de veículo elétrico fora de rede (10).

18. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 17, caracterizada pelo meio de transmissão de energia compreender pelo menos um ponto de carga de veículo elétrico (15).

19. FONTE DE ALIMENTAÇÃO RENOVÁVEL DESPACHÁVEL, de acordo com a reivindicação 18, caracterizada por pelo menos um ponto de carga de veículo elétrico (15) ter uma saída de energia de pelo menos 7 kW.