CN105990856A - 导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统 - Google Patents

Abstract

一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，第一电能储存装置的输入端与再生能源发电装置的电能输出端连接，输出端与直交流转换装置输入端连接；所述暗发酵生物质能发电装置的电能输出端与第一电能储存装置的输入端连接，所述控制装置包含有处理单元及控制单元，其中，处理单元电性连接第一电能储存装置及控制单元，控制单元设在暗发酵生物质能发电装置的电能输出端；当再生能源供电系统中，受风力与光照等气候影响的多个再生能源发电装置的发电量不足时，透过控制装置可以将暗发酵生物质能发电装置所转换的电能导入到再生能源供电系统的电网中，使电网负载率及电力倾倒率降低，达到电网稳定供电及提升再生能源利用率的功效。

Description

导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统

技术领域

本发明涉及绿色电力技术领域，特别是指一种再生能源电网中导入暗发酵生物质能电力，用以降低电网负载率，达到电网稳定供电功效的一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统。

背景技术

在能源价格高涨且能源需求大增的时代，预期全球能源需求将持续成长，各国的能源政策开始极力寻求可取自行再生的能源，例如水力、风能、太阳能及生质能电力等再生能源。其中，太阳能与风能是最为方便的绿色能源，且较不受地区限制，因此较受到瞩目，且发展也较为迅速与成熟。

目前运用太阳能与风力的风光互补再生能源供电系统有3种：1.离线型(off-grid)，使用于无市电供应地区，其不与市电电网并联，而负载完全由再生电力提供。2.并联型(grid-connect)，使用于有市电供应地区，其与市电电网并联，负载以再生电力为主。3.混合型(hybrid)，使用于有市电供应地区，其与市电电网并联，而再生电力是并入市电，负载以市电为主。

图1所示为离线型(off-grid)的完全再生电力的电网，主要是将太阳能发电装置及风能发电装置所产生的电能充入到电能储存装置，再经直交流转换装置，将直流电转换成交流电后，提供负载使用的一种再生能源供电系统。此种供电系统通常使用在市电无法送达地区的高山、偏远地区或独立岛屿。由于该供电系统受风力与光照等气候及昼夜的影响很大，因而存在着以下缺点：(1)再生能源利用率低：供电系统当电能储存装置的蓄电池充饱时，太阳能与风能等再生能源就无法再对电能储存装置充电，形成再生能源电网的电力倾倒率(dumping rate,DP)过高，造成过多电力浪费。(2)电网供电品质不稳定：当供电系统受气候与昼夜影响时，使供应端发电量来不及使用端负载使用时，会形成再生能源电网的负载率过高，造成电网供电不稳。

图2所示，其为并联型(grid-connect)的再生电力与市电电网并联的供电系统，由于离线型的太阳能发电装置及风能发电装置太阳能发电装置及风能发电装置等再生能源电网易受天候、季节和设置地点等影响，导致发电量不稳定，因此，在有市电电网地区，透过市电并入离线型再生电力电网，以及市电的备源系统的设置，可以提供负载稳定的供电。此种系统负载以再生电力为主，当再生电力输出电力不足时，则由市电电网对电能储存装置充电，或可直接切换为市电电网供电。在有市电供应地区使用，可以改善离线型(off-grid)再生能源电网供电系统的供电不稳定的缺点；但是，再生能源电网的电力倾倒率过高，使再生能源利用率无法提升的缺点，却未有获得改善。

图3所示为混合型(hybrid)的再生电力与市电电网并联的供电系统，此种系统主要是将再生能源供电系统与市电电网并联，而再生电力是通过混合器并入市电，其负载以市电为主。此种系统的缺点为：在白天无负载情况下，当电能储存装置中蓄电池充饱时，太阳能发电装置及风能发电装置等再生能源就无法再对电能储存装置的蓄电池充电，形成能源浪费仍未改善。

有鉴于此，本发明人针对使用在市电无法送达地区的完全再生能源供电系统上述缺陷与不足，经过长期研究，并配合学理的运用，终于设计出一种解决上述不足与缺陷的设计方案。

发明内容

本发明决现有技术课题在于：针对现有风光互补再生能源供电系统的电网负载率与电力倾倒率过高，所造成电网供电品质不稳定及再生能源利用率低的主要技术缺点，提供一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，其主要目的在于，通过本供电系统所导入暗发酵生物质能电力，可以降低电网负载率，达到电网稳定供电功效。

本发明的另一目的在于，通过本供电系统所导入暗发酵生物质能电力的规划设计，可以降低再生能源的电力倾倒率，达到提升再生能源利用率功效。

一般再生能源供电系统建置时须考虑再生能源利用率与电网供电稳定性，当再生能源利用率愈高时，电网负载率越低，电网供电就越稳定；因此，降低再生能源的电力倾倒率，是可以有效提升再生能源利用率；降低电网的负载率，也可以有效提升电网供电稳定性。

本发明若能防止或降低习用再生能源供电系统中，当电能储存装置中的蓄电池充饱时，无法再对蓄电池充电所形成的能源浪费，即可有效降低电力倾倒率，达到提升再生能源利用率目的。

本发明为了降低习用再生能源供电系统的电力倾倒率，达到提升再生能源利用率的目的，可以通过下述二种方法实现：(1)使用较大容量的蓄电池设备来增加储存量。(2)降低太阳能与风能发电装置的发电量来减少电力倾倒率。

在上述方法(1)中，使用较大容量的蓄电池设备，虽然可以降低电力倾倒率及电网负载率；但是，却增加蓄电池设备的建置成本。

在上述方法(2)中，虽然降低了减少发电量的发电设备建置成本，可以降低电网电力倾倒率，提升再生能源利用率；但是，当再生能源供电系统受到气候及昼夜影响时，再生能源的供应端发电量来不及使用端负载使用时，会形成再生能源电网的负载率过高，造成电网供电不稳。

由上述方法中得知，发明人采用方法(2)的方案设计，更改原有习用再生能源发电设备设计，让发电设备的发电量降低到可以供给离峰用电时段负载使用即可，使原有减少的发电设备建置成本，转为配置一组暗发酵生物质能发电装置，其可以24小时不受气候或昼夜影响，连续产生暗发酵生物质能电力；在尖峰时段，当再生能源供电系统中，受风力与光照等气候影响的风能发电装置及太阳能发电装置等再生能源发电装置的发电量不足时，透过暗发酵生物质能发电装置所转换的电能导入到再生能源供电系统的电网中，即可降低电网负载率及电力倾倒率，达到电网稳定供电及提升再生能源利用率的功效。

根据文献可知，氢气的热值约142百万焦耳/公斤，是汽油的3倍，天然气的3.5倍，燃烧时可产生较高密度的能量及水，不会产生二氧化碳等温室气体，是一种洁净的能源。

氢气的生产方法有热化学法、电化学法及生物法。热化学法包括蒸气重组法、煤炭气化法及部分氧化法；电化学法包括电解法及光电解法。

热化学法需要消耗大量的矿物资源及能源，同时会产生破坏地球的污染物，因此不利于未来的发展。

电化学法产氢虽没有污染的顾虑，但效率低、耗能高，且电极稳定性欠佳，并不符合经济效益。

相对于上述二种方法，利用生物法产氢可在常温常压下进行，也可应用于废水与废弃物处理来获得氢气，同时有干净、节能、不消耗资源等优点，是一种符合永续发展的方法。

以微生物生产氢气，可分为光发酵反应和暗发酵反应两种。

光发酵反应的微生物需要光能来累积生长所需的能量，才能把有机物质分解产生氢气，此种产氢方法受到光照限制。

暗发酵反应的微生物则藉由有机质厌氧发酵生产氢气，因不需光源，所以产氢不受气候与光照限制。

本发明要解决上述技术问题及其所采用的技术手段在于：提供一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，包含有再生能源供电系统、暗发酵生物质能发电装置及控制装置，其中，再生能源供电系统包含有再生能源发电装置、第一电能储存装置及直交流转换装置，其中，第一电能储存装置的输入端与再生能源发电装置的电能输出端连接，输出端与直交流转换装置输入端连接；其特征在于，所述暗发酵生物质能发电装置的电能输出端与第一电能储存装置的输入端连接，所述控制装置包含有处理单元及控制单元，其中，处理单元电性连接第一电能储存装置及控制单元，控制单元设在暗发酵生物质能发电装置的电能输出端；当处理单元感测到第一电能储存装置的电能低于处理单元低位设定位准时，可以通过控制单元将所述暗发酵生物质能发电装置所转换的电能导入到再生能源供电系统的第一电能储存装置中。

在上述所述的一种导入暗发酵生物氢能电力于再生能源电网的供电系统中，所述再生能源发电装置为任何受风力及光照等气候影响的发电装置，例如，但不限于：风力发电装置、太阳能发电装置、微水力发电装置、光发酵生物氢能发电装置或其组合中的一种。

在上述所述的一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统中，所述暗发酵生物质能发电装置采用不受光照与气候限制的暗发酵反应方法，利用微生物将大量有机废弃物料源转化为电能，再导入到再生能源供电系统电网中，可以降低电网负载率及电力倾倒率，达到电网稳定供电及提升再生能源利用率。

在上述所述的一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统中，为了提供监测供应端发电量、使用端负载量、电能储存及使用状况等侦测，所述控制装置更包含一第一感测元件、一第二感测元件、一第三感测元件以及一显示界面，其中，所述第一感测元件设在再生能源发电装置的电能输出端上，所述第二感测元件设在暗发酵生物质能发电装置的电能输出端上，所述第三感测元件设在负载输入端上，所述显示界面与处理单元连接。

在上述所述的一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统中，为了提供较佳精确的电压与电流撷取资料，所述第一感测元件与第二感测元件使用比流器；所述第三感测元件使用电流感测器。

在上述所述的一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统中，所述暗发酵生物质能发电装置采用了两种发电技术手段。

第一种技术手段特征在于：所述暗发酵发生物质能发电装置，包含一暗发酵生物反应器、一储氢罐及一燃料电池，其中，所述暗发酵生物反应器利用微生物将有机质料源进行厌氧发酵生产生质气体，所述储氢罐入口端与暗发酵生物反应器的燃料出口端连接，出口端与燃料电池入口端连接，燃料电池的电能输出端通过所述控制单元与第一电能储存装置输入端连接。

第二种技术手段特征在于：所述暗发酵发生物质能发电装置，包含一暗发酵生物反应器、一发电机及一第二电能储存装置，其中，所述暗发酵生物反应器利用微生物将有机质料源进行厌氧发酵生产生质气体，所述发电机燃料入口端与暗发酵生物反应器的燃料出口端连接；电能输出端与第二电能储存装置连接，第二电能储存装置的电能输出端通过控制单元与第一电能储存装置输入端连接。

本发明一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，可以应用于独立岛屿或偏远地区，将大量有机废弃物利用暗发酵生物质能发电装置转化为电能后，再导入到由传统再生能源供电系统的电网中，可以降低再生能源电网负载率及电力倾倒率，达到增加电网稳定供电及提升再生能源利用率的功效。同时，还可以透过电脑软体来监控显示目前再生能源的发电状态与光照、风速等当前资讯，还有使用端负载量、电能储存及使用状况等侦测数据与资料。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为习用离线型完全再生电力的供应系统示意图；

图2为习用并联型再生电力与市电电网并联的供电系统示意图；

图3为习用混合型再生电力并入市电电网的供电系统示意图；

图4为用控制装置导入暗发酵生物质能电力实现本发明的第一种系统架构图；

图5为图4用显示界面及感测元件监测供应端发电量与使用端负载量的系统架构图；

图6为用控制装置导入暗发酵生物质能电力实现本发明的第二种系统架构图；

图7为图6用显示界面及感测元件监测供应端发电量与使用端负载量的系统架构图。

附图标号说明：

100--再生能源供电系统

10---再生能源发电装置

10a--风力发电装置

10b--太阳能发电装置

20、20a--暗发酵生物质能发电装置

21、21a--暗发酵生物反应器

22---储氢罐

22a--发电机

23---燃料电池

23a--第二电能储存装置

30---第一电能储存装置

40---直交流转换装置

50---控制装置

51---处理单元

52---控制单元

53---显示界面

54---第一感测元件

55---第二感测元件

56---第三感测元件

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下以举二种较佳具体实施例进一步说明本创的内容、特征及功效；其中图4及图5为第一实施例；图6及图7为第二实施例；惟此实施例为方便说明本发明的结构，并不对本发明加以任何的限制。

第一实施例：+

首先请参阅图4所示，其揭露用控制装置导入暗发酵生物质能电力实现本发明的第一种系统架构图，图示中，本发明导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，包括有：再生能源供电系统100、暗发酵生物质能发电装置20及控制装置50；其中，所述再生能源供电系统100包含有再生能源发电装置10、第一电能储存装置30及直交流转换装置40；其中，所述第一电能储存装置30的输入端与再生能源发电装置10及暗发酵生物质能发电装置20的电能输出端连接，输出端与直交流转换装置40输入端连接，可以提供电能储存及输出；所述直交流转换装置40输出端与使用端负载连接，可以将第一电能储存装置30的直流电转变为交流电源提供负载使用。

所述再生能源发电装置10，主要用以将再生能源转换成电能，在本实施例图4中，再生能源发电装置10用风能发电装置10a及太阳能发电装置10b为例说明，惟，本发明并未限定再生能源发电装置10的数量及种类，任何受风力及光照等气候影响的再生能源发电装置10，例如，但不限于：风能发电装置、太阳能发电装置、微水力发电装置、光发酵生物质能发电装置及他们的组合都可以实施，本发明不以此为限。

所述控制装置50，包含有处理单元51及控制单元52；其中，所述处理单元51有电性连接第一电能储存装置30及控制单元52，用以接收与处理电能储存量讯号及启动控制单元52，所述控制单元52设在上述暗发酵生物质能发电装置20中的燃料电池23与第一电能储存装置30之间，用以开启或关闭燃料电池23电能导入到第一电能储存装置30。

所述暗发酵生物质能发电装置20，包含有暗发酵生物反应器21、储氢罐22及燃料电池23；其中，所述暗发酵生物反应器21可以在不须光源下，利用微生物将大量有机质废弃物进行24小时连续厌氧发酵产生生质气体；所述储氢罐22入口端与暗发酵生物反应器21的燃料出口端连接，可以储存来自暗发酵生物反应器21的燃料，出口端与燃料电池23入口端连接；所述燃料电池23的电能输出端通过上述控制单元52与第一电能储存装置30输入端连接。

本发明运作时，由风能发电装置10a及太阳能发电装置10b所转换的电能可以储存在第一电能储存装置30中，当使用端有负载使用时，第一电能储存装置30中的直流电经过直交流转换装置40，转换为交流电源，就可以提供使用端负载使用。由于使用端负载量大于风能发电装置10a及太阳能发电装置10b等再生能源发电装置10的总发电量时，第一电能储存装置30的电能会下降，而控制装置50中的处理单元51侦测到第一电能储存装置30电能低于处理单元51的低位设定位准时，处理单元51会传送讯号给控制单元52，让控制单元52开启暗发酵生物质能发电装置20中的燃料电池23，并令燃料电池23导入电能到第一电能储存装置30，可以降低电网负载率，达到电网稳定供电的功效。反之，当第一电能储存装置30电能高于处理单元51的高位设定位准时，处理单元51会传送讯号给控制单元52，关闭暗发酵生物质能发电装置20中的燃料电池停止输出电能

再请参阅图5所示，其揭露图4用显示界面及感测元件监测供应端发电量与使用端负载量的系统架构图，图示中，所述控制装置50还包含有：一第一感测元件54，耦接在再生能源发电装置10的电能输出端上，用以侦测电能输出量；一第二感测元件55，耦接在暗发酵生物质能发电装置20的电能输出端上，用以侦测电能输出量；一第三感测元件56，耦接在负载输入端上，用以侦测使用端负载量；以及一显示界面53，其与处理单元51连接，用以提供操作及显示供应端发电量与使用端负载量的监测数据。在本实施例图5中，所述第一感测元件54与第二感测元件55为比流器。所述第三感测元件56为电流感测器。所述处理单元51为可对撷取硬体进行沟通，达成输入与输出数据的功能的处理模组(DAQ Assistant)。

第二实施例

请参阅图6及图7所示，其中图6揭露用控制装置导入暗发酵生物质能电力实现本发明的第二种系统架构图；图7揭露图6用显示界面及感测元件监测供应端发电量与使用端负载量的系统架构图。

在图6中，本发明导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，包括有：再生能源供电系统100、暗发酵生物质能发电装置20及控制装置50；其中，所述再生能源供电系统100包含有一由风能发电装置10a与太阳能发电装置10b构成的再生能源发电装置10、第一电能储存装置30及直交流转换装置40；所述暗发酵生物质能发电装置20a包含一暗发酵生物反应器21a、一发电机22a以及一第二电能储存装置23a；所述控制装置50包含有处理单元51及控制单元52。

本实施例与第一实施例中的图4不同之处为：所述暗发酵生物质能发电装置20a包含一暗发酵生物反应器21a、一发电机22a以及一第二电能储存装置23a；其中所述暗发酵生物反应器21a可以在不须光源下，利用微生物将有机质料源进行厌氧发酵生产生质气体；所述发电机22a可以将来自暗发酵生物反应器21a所生产生质气体，例如氢气、甲烷气或混合气体等进行燃烧发电，其燃料入口端连接暗发酵生物反应器21a的燃料出口端；所述第二电能储存装置23a可以提供储存来自发电机22a的电能，其电能输入端连接发电机22a的电能输出端，电能输出端通过控制单元52与第一电能储存装置30输入端连接。

在图7中，其揭露图6用显示界面及感测元件监测供应端发电量与使用端负载量的系统架构图，图示中，本发明导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，其控制装置50除有处理单元51及控制单元52外，为了提供操作与监测供应端发电量及使用端负载量，其中，所述控制装置50还包含有：一第一感测元件54，耦接在再生能源发电装置10的电能输出端上，用以侦测电能输出量；一第二感测元件55，耦接在暗发酵生物质能发电装置20的电能输出端上，用以侦测电能输出量；一第三感测元件56，耦接在负载输入端上，用以侦测使用端负载量；以及一显示界面53，其与处理单元51连接，用以提供操作及显示供应端发电量与使用端负载量的监测数据。在本实施例图7中，所述第一感测元件54与第二感测元件55为比流器。所述第三感测元件56为电流感测器。所述处理单元51为可对撷取硬体进行沟通，达成输入与输出数据的功能的处理模组(DAQ Assistant)。

请再参阅实施例图6所示，本发明在运作时，由风能发电装置10a及太阳能发电装置10b所转换的电能可以储存在第一电能储存装置30中，当使用端有负载使用时，第一电能储存装置30中的直流电经过直交流转换装置40，转换为交流电源，可以提供使用端负载使用。由于使用端负载量大于风能发电装置10a及太阳能发电装置10b等再生能源发电装置10的总发电量时，第一电能储存装置30的电能会下降，而控制装置50中的处理单元51侦测到第一电能储存装置30电能低于处理单元51的低位设定位准时，处理单元51会传送讯号给控制单元52，让控制单元52开启暗发酵生物质能发电装置20a中的第二电能储存装置23a，并令第二电能储存装置23a导入电能到第一电能储存装置30，可以降低电网负载率，达到电网稳定供电的功效。反之，当第一电能储存装置30电能高于处理单元51的高位设定位准时，处理单元51会传送讯号给控制单元52，关闭暗发酵生物质能发电装置20a中的第二电能储存装置23a停止输出电能。

综上所述，本发明所举的实施例及附图，仅供作为对本发明加以说明的一种较佳实施例，然而，熟悉该技术者在不脱离本发明的说明书及申请专利范围的目的与功效下所为的等效结构变化的实施，均应视为本案申请专利范围的等效实施。

Claims (6)

1.一种导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，包含一再生能源供电系统、一暗发酵生物质能发电装置及一控制装置，其中，所述再生能源供电系统包含多个再生能源发电装置、第一电能储存装置及一直交流转换装置，其中，所述第一电能储存装置的输入端与再生能源发电装置的电能输出端连接，输出端与直交流转换装置输入端连接；其特征在于，所述暗发酵生物质能发电装置的电能输出端与第一电能储存装置的输入端连接，所述控制装置包含一处理单元及一控制单元，其中，所述处理单元电性连接第一电能储存装置及控制单元，所述控制单元设在暗发酵生物质能发电装置的电能输出端；当处理单元感测到第一电能储存装置的电能低于处理单元低位设定位准时，通过控制单元将所述暗发酵生物质能发电装置所转换的电能导入到再生能源供电系统的第一电能储存装置中。

2.依据权利要求1所述导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，其特征在于，所述暗发酵发生物质能发电装置包含一暗发酵生物反应器、一储氢罐及一燃料电池，其中，所述暗发酵生物反应器利用微生物将有机质料源进行厌氧发酵生产生质气体，所述储氢罐入口端与暗发酵生物反应器的燃料出口端连接，出口端与燃料电池入口端连接，燃料电池的电能输出端通过所述控制单元与第一电能储存装置输入端连接。

3.依据权利要求1所述导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，其特征在于，所述暗发酵发生物质能发电装置包含一暗发酵生物反应器、一发电机及一第二电能储存装置，其中，所述暗发酵生物反应器利用微生物将有机质料源进行厌氧发酵生产生质气体，所述发电机燃料入口端与暗发酵生物反应器的燃料出口端连接；电能输出端与第二电能储存装置输入端连接，第二电能储存装置的电能输出端通过控制单元与第一电能储存装置输入端连接。

4.依据权利要求1所述导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，其特征在于，所述控制装置更包含一第一感测元件、一第二感测元件、一第三感测元件以及一显示界面，其中，所述第一感测元件设在再生能源发电装置的电能输出端上，所述第二感测元件设在暗发酵生物质能发电装置的电能输出端上，所述第三感测元件设在负载输入端上，所述显示界面与处理单元连接。

5.依据权利要求4所述导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，其特征在于，所述第一感测元件与第二感测元件为比流器，所述第三感测元件为电流感测器。

6.依据权利要求1所述导入暗发酵生物质能电力于再生能源电网的供电系统，其特征在于，所述再生能源发电装置为风力发电装置、太阳能发电装置、微水力发电装置、光发酵生物质能发电装置或其组合中的一种。