CZ2023148A3

CZ2023148A3 - Zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště a způsob nakládání s elektrickou energií v zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště

Info

Publication number: CZ2023148A3
Application number: CZ2023-148A
Authority: CZ
Inventors: Grigorij Dvorský; Grigorij Ing. Dvorský; Martin Dvorský
Original assignee: MGM COMPRO s.r.o.
Priority date: 2023-04-17
Filing date: 2023-04-17
Publication date: 2024-10-30
Also published as: WO2024217607A1

Abstract

Podstatou vynálezu je paralelní zapojování fotovoltaických panelů (3) k jedné sběrnici (2). Paralelní zapojení je umožněno díky optimizérům (4), které pracují jako proudové zdroje generující optimální stejnosměrný proud. Každý z fotovoltaických panelů (3) přispívá energetickým výkonem dle svých možností, bez ohledu na typ a technický stav, a aniž by omezoval ostatní fotovoltaické panely (3). Na sběrnici (2) dochází ke sčítání stejnosměrného elektrického proudu. Sběrnice (2) je připojena k měniči (5) pro distribuci vyrobené elektrické energie ke spotřebičům a současně k bateriovému úložišti (1) pro uchovávání elektrické energie. Zapojení má zredukovaný počet přeměn parametrů elektrické energie, čímž je jeho provoz účinnější, a díky sběrnici (2) nevyžaduje běžně používanou architekturu zapojování fotovoltaických panelů (3) do stringů.

Description

Zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště a způsob nakládání s elektrickou energií v zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště

Oblast techniky

Vynález se týká zapojení fotovoltaické elektrárny pro výrobu elektrické energie a bateriového úložiště sloužícího k uchovávání vyrobené elektrické energie, a dále se týká způsobu nakládání s vyrobenou elektrickou energií pro minimalizaci ztrát elektrické energie v zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště.

Dosavadní stav techniky

Fotovoltaický panel konvertuje dopadající světlo na elektrickou energii projevující se jako elektrické napětí a proud. Elektrické napětí je možné v těch nejjednodušších aplikacích svést z fotovoltaického panelu rovnou na spotřebič, avšak takové přímé zapojení má svá omezení, mezi která patří velikost elektrického napětí limitovaná parametry fotovoltaického panelu, dále proměnlivost výkonu fotovoltaického panelu přímo závisející na světelných podmínkách panujících v daný okamžik, a dále může být jistým omezením i stejnosměmost elektrického napětí, neboť některé elektrické spotřebiče jsou koncipovány pro provoz na střídavém elektrickém napětí používaném v distribučních sítí elektrické energie.

Omezené elektrické napětí jednotlivých fotovoltaických panelů odborníci řeší tak, že zapojují fotovoltaické panely do série v tzv. stringu, čímž se jejich příspěvky k elektrickému napětí sčítají na výstupní elektrické napětí stringu. Každý string má tedy vyšší elektrické napětí, avšak ostatní omezení, jako proměnlivý výkon stringu v závislosti na světelných podmínkách, či stejnosměmost elektrického napětí zůstávají. Rovněž je v sériovém zapojení stringu nevýhodné to, že elektrický proud celého stringu je řízen elektrickým proudem „nejslabšího“ fotovoltaického panelu, ať už je fotovoltaický panel ve stringu považován za nej slabší vlivem momentálního zastínění, či jeho aktuálním technickým stavem.

Problém s nastavením elektrického proudu stringu dle „nejslabšího“ fotovoltaického panelu řeší odborník tak, že je každý fotovoltaický panel opatřen optimizérem pro výrobu elektrické energie v tzv. optimálním pracovním bodu. Optimizérje vybaven MPPT obvodem, přičemž mezinárodně používaná zkratka MPPT je odvozená od anglického spojení slov „maximum power point tracking“. To znamená, že všechny fotovoltaické panely stringu generují definovaný optimální elektrický proud, přičemž přispívají do společné sběrnice elektrickým napětím dle aktuálních možností (zastínění, technický stav, atp.), což je z pohledu odborníka v pořádku, protože v sériovém zapojení se příspěvky elektrického napětí jednoduše sčítají. Uvedením každého z panelů do optimálního pracovního bodu se zvýší provozní účinnost stringu dle některých názorů odborníků o 10 až 25 %.

Stejnosměrné elektrické napětí odborník řeší tak, že použije tzv. měnič elektrického napětí, který dokáže změnit stejnosměrné elektrické napětí na střídavé elektrické napětí dle požadavku elektrospotřebičů, připojené elektrické distribuční soustavy, která vyrobenou elektrickou energii odebírá, atp. Je tedy možné zjednodušeně říct, že kombinace stringu z fotovoltaických panelů a měniče tvoří fotovoltaickou elektrárnu, kterou je možné použít k ostrovnímu provozu pro elektrické napájení elektrospotřebičů, či je možné takovou fotovoltaickou elektrárnu připojit k distribuční síti elektrické energie jako zdroj obnovitelné energie. Známou nevýhodou je, že měnič potřebuje pro každý připojený string vlastní obvody takže při větším počtu stringů jsou měniče konstrukčně poměrně komplikované a jejich pořízení s údržbou jsou nákladné.

Poslední zmiňovaný problém týkající se fluktuace výkonu fotovoltaické elektrárny vlivem proměnlivých světelných podmínek odborník řeší tak, že použije bateriové úložiště pro uchovávání

- 1 CZ 2023 - 148 A3 elektrické energie. Bateriové úložiště dokáže uchovávat v jeden moment nespotřebovanou elektrickou energii z fotovoltaické elektrárny, zatímco v jiném momentě dokáže kompenzovat podlimitní výrobu elektrické energie fotovoltaickou elektrárnou uvolněním uchovávané elektrické energie. Zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště je vhodné jak pro ostrovní elektrické provozy, tak pro připojení do distribuční sítě elektrické energie.

Bateriové úložiště může uchovávat přebytky elektrické energie vyrobené v momentech, kdy je produkce fotovoltaické elektrárny větší, než je aktuální spotřeba elektrické energie, a dále může bateriové úložiště uchovávat zlevněnou elektrickou energii přijímanou z distribuční soustavy pro pozdější využití v momentech, kdy už ji není v distribuční soustavě nadbytek a je opět za vyšší cenu.

Co se týče zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště, tak je známo provedení, ve kterém je nejméně jeden string sériově zapojených fotovoltaických panelů připojen k měniči. Měnič vyrábí z připojeného součtu stejnosměrných elektrických napětí střídavé elektrické napětí, ato jednofázové, či třífázové, pro elektrické spotřebiče ostrovní elektrické sítě, nebo pro distribuční elektrickou síť. Současně měnič zahrnuje technické prostředky pro další přeměnu elektrického napětí, a to na nabíjecí elektrické napětí bateriového úložiště. Kompenzace aktuálního výkonu fotovoltaické elektrárny pomocí bateriového úložiště je realizována v měniči.

Výše uvedené známé zapojení má nevýhody, mezi které patří skutečnost, že pokud nejsou fotovoltaické panely ve stringu opatřeny optimizéry, tak elektrický proud stringu je omezen nej slabším fotovoltaickým panelem daného stringu. Současně je ve známém zapojení nevýhodné to, že vícenásobně opakovanou přeměnou elektrického napětí z dochází ke ztrátám elektrické energie.

Příkladem výše zmiňovaného typu zapojení je vynález známý z dokumentu US 2018/048160 A, který vykazuje stringy z fotovoltaických panelů, měnič elektrického napětí, bateriová úložiště elektrické energie. Zveřejněný vynález neřeší problém s vícenásobnou konverzí elektrického napětí a s tím spojené energetické ztráty. Navíc je vynález koncepčně složitý, takže jeho výroba a servis budou spojeny s vysokými finančními investicemi.

Jiným známým příkladem výše zmiňovaného typu zapojení je vynález z dokumentu CN 114 944 692 A, ve kterém je zapojení použito společně se super kondenzátorem k napájení elektrospotřebičů. Jednotlivé součásti vynalezeného zapojení jsou přes řídicí moduly připojeny ke společné sběrnici stejnosměrného elektrického napětí.

I tento vynález trpí obdobnými neduhy, jako bylo uvedeno výše. Vynalezené zapojení je koncepčně velice složité, tím pádem nákladné, navíc neřeší problém několikrát opakované přeměny elektrického napětí a s tím spojené energetické ztráty.

Posledním obdobným příkladem výše zmiňovaného typu zapojení, včetně obecně vytýkaných nedostatků, se je vynález veřejnosti známý z dokumentu CN 110 556 869 A.

Úkolem vynálezu je vytvoření zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště pro uchovávání elektrické energie, které by umožňovalo snížit počet celkový přeměn parametrů vyrobené elektrické energie se zachováním hlavní výhody bateriového úložiště spočívající ve vyrovnávání momentální bilance energetické výroby fotovoltaické elektrárny a energetické spotřeby měniče fotovoltaické elektrárny, a které by bylo koncepčně zjednodušené oproti známým vynálezům pro snadnou realizaci a servis. Součástí vynálezu je způsob nakládání s elektrickou energií v zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště pro minimalizování ztrát elektrické energie.

-2CZ 2023 - 148 A3

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen vytvořením zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště podle níže uvedeného vynálezu.

Zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště pro výrobu a uchování elektrické energie je tvořeno sběrnici pro elektrické propojení jednotlivých součástí zapojení. Další součástí zapojení je alespoň jeden fotovoltaický panel opatřený optimizérem pro zajištění optimálního pracovního bodu fotovoltaického panelu, který je přes optimizér připojen ke sběrnici. Dále je součástí zapojení měnič pro přeměnu parametrů vyrobené elektrické energie připojený ke sběrnici, a dále bateriové úložiště elektricky připojené k měniči.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že je optimizér současně stejnosměrný proudový zdroj a nikoliv napěťový zdroj jako je tomu v dosavadním stavu techniky, takže na sběrnici přispívá elektrickou energií z fotovoltaických panelů v podobě optimalizovaného stejnosměrného elektrického proudu. Dále je pro vynález podstatné to, že je stejnosměrný proudový zdroj ke sběrnici připojen paralelně a že sběrnice je proudová sběrnice. To je výhodné z toho důvodu, že při paralelním zapojení se příspěvky optimalizovaných stejnosměrných elektrických proudů na sběrnici jednoduše sčítají. Rovněž je pro vynález podstatné to, že elektrické propojení bateriového úložiště a měniče je také tvořeno proudovou sběrnicí, ke které jsou bateriové úložiště a měnič připojeny paralelně. Díky tomuto paralelnímu zapojení se elektrická energie přenášená sběrnicí v podobě stejnosměrného elektrického proudu samočinně dělí mezi bateriové úložiště a měnič. Je výhodné, že není potřeba parametry elektrické energie opakovaně měnit pro její ukládání a odebírání z bateriového úložiště, jako je tomu u stávajících řešení. Dále je výhodné, že dělení elektrické energie probíhá samočinně, takže není potřeba doplňková řídicí elektronika. Za další je výhodné, že toto vynalezené zapojení nepotřebuje stávající architekturu zapojování fotovoltaických panelů do stringů, takže je zjednodušena konstrukce celého systému, a měnič může být jednodušší stavby, protože neobsahuje obvody stringů, MPPT a případně i měničů pro nabíjení bateriového úložiště, čímž může mít nižší pořizovací náklady, což znamená, že vynález přináší efektivnější a levnější kombinaci fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště, která bude dostupná většímu počtu domácností, chat, karavanů, lodí, atp.

V rozšiřujícím výhodném provedení vynalezeného zapojení, je přímo ke sběrnici, anebo do měniče, připojen externí zdroj elektrické energie ze skupiny elektrocentrála, generátor větrné elektrárny, kogenerační jednotka, To je výhodné v situacích, kdy kombinace příspěvků elektrické energie z fotovoltaické elektrárny a z bateriového úložiště nedostačuje energetické spotřebě měniče. Externí zdroj dokáže po dobu nepříznivých světlených podmínek, či po dobu neočekávané energetické spotřeby, poskytovat rozdíl chybějící elektrické energie potřebné pro provoz měniče, eventuálně umožní dobíjení bateriového úložiště.

Je výhodné, pokud je sběrnice opatřena vypínačem pro odpojení bateriového úložiště od sběrnice. V případě nouzového stavu dojde odpojením bateriového úložiště k tomu, že optimizéry nebudou dodávat žádné elektrické napětí a sběrnice se ocitne bez elektrického napětí, čímž je vynalezené zapojení bezpečné, např. pro zasahující hasiče. Jediné napětí, které setrvá v zapojení po odepnutí spínače je výrobní elektrické napětí každého fotovoltaického panelu zvlášť, které se však pohybuje v mezích bezpečnosti (do 50 V) a nachází se pouze na elektricky izolovaném vodiči mezi fotovoltaickým panelem a optimizérem, tzn. neohrožuje zasahující hasiče úrazem el. proudem.

Součástí vynálezu je také způsob nakládání s elektrickou energií v zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště elektrické energie pro minimalizaci energetických ztrát.

Podstata vynalezeného způsobu spočívá v tom, že se fotovoltaický získaná elektrická energie transformuje stejnosměrným proudovým zdrojem na optimalizovaný stejnosměrný elektrický proud. Okamžitý energetický příspěvek v podobě optimalizovaného stejnosměrného elektrického

- 3 CZ 2023 - 148 A3 proudu dle aktuálních provozních možností fotovoltaického panelu neovlivňuje energetické příspěvky ostatních zapojených fotovoltaických panelů.

Poté se optimalizovaný stejnosměrný elektrický proud svede na sběrnici, na které dojde k sečtení svedených optimalizovaných stejnosměrných elektrických proudů. Paralelní připojení ke společné sběrnici vede k prostému sčítání optimalizovaných stejnosměrných elektrických proudů, takže sběrnicí protéká suma optimalizovaných stejnosměrných elektrických proudů.

Poté se přes sběrnici vede stejnosměrný elektrický proud na svorky bateriového úložiště, přičemž elektrické napětí sběrnice odpovídá elektrickému napětí na svorkách bateriového úložiště, a současně se vede stejnosměrný elektrický proud přes sběrnici na svorky měniče pro distribuci elektrické energie ke spotřebě. To je výhodné z toho důvodu, že se elektrický výkon přenášený stejnosměrným elektrickým proudem samočinně dělí dle prvního Kirchhoffova zákona ke spotřebě v měniči a k nabíjení bateriového úložiště, aniž by bylo potřeba elektrickou energii měnit buď na nabíjecí nebo na napájecí, jako je tomu ve stávajících řešeních, takže vynález zvyšuje efektivitu celého systému.

V rámci vynalezeného způsobu je výhodné, pokud se kladný energetický rozdíl mezi kombinovaným výkonem fotovoltaických panelů a požadovanou energetickou spotřebou měniče ukládá do bateriového úložiště. Přebytek elektrické energie se uloží do bateriového úložiště k pozdější spotřebě, takže bateriové úložiště nemusí být nabíjeno např. z distribuční elektrické soustavy, jako je tomu u některých stávajících řešení.

V rámci vynalezeného způsobu je výhodné, pokud se záporný energetický rozdíl mezi kombinovaným výkonem fotovoltaických panelů a požadovaným energetickým příkonem měniče kompenzuje výkonem bateriového úložiště. Je výhodné, že toto probíhá ve vynálezu samočinně a že energetický příspěvek z bateriového úložiště je automaticky přidán k aktuální výrobě elektrické energie fotovoltaické elektrárny.

V rámci vynalezeného způsobu je výhodné, pokud se záporný energetický rozdíl mezi kombinovaným energetickým výkonem fotovoltaických panelů a bateriového úložiště a požadovaným energetickým příkonem měniče kompenzuje z externího zdroje elektrické energie. V případě, že momentální výroba elektrické energie a momentální množství uložené elektrické energie nepostačují k ostrovnímu provozu elektrospotřebičů, může být chybějící elektrická energie dodána z externího energetického zdroje, např. z elektrocentrály, či z distribuční elektrické soustavy.

V rámci vynalezeného způsobuje výhodné, pokud se v případě výskytu záporného energetického rozdílu mezi kombinovanou výrobou elektrické energie fotovoltaických panelů a energetickým příspěvkem z bateriového úložiště a požadovaným energetickým příkonem měniče měnič vypne. To je důležité pro to, aby se nevybila baterie pod bezpečnou mez. Vypnutí měniče je bezpečnostním postupovým krokem.

V rámci vynalezeného způsobu je výhodné, pokud se v případě kladného energetického rozdílu mezi výkonem fotovoltaických zdrojů při nabitém bateriovém úložišti a požadovaným energetickým příkonem měniče omezí výroba elektrické energie na optimizérech fotovoltaických panelů, aby dodávaly menší proud. Ačkoliv mají bateriová úložiště z výroby vlastní bateriový řídicí systém, který chrání akumulátory bateriového úložiště před poškozujícími stavy, je výhodným, nebo v některý ch instalacích i nutným dalším krokem zabezpečení omezení výroby elektrické energie fotovoltaických panelů, respektive jejich optimizérů.

Mezi výhody vynálezu patří zjednodušení architektury zapojení fotovoltaické elektrárny včetně bateriového úložiště. Není potřeba spojovat fotovoltaické panely do stringů, které mají v měničích fotovoltaických elektráren vyhrazené obvody a řízení, nýbrž je vyrobená elektrická energie sjednocena na společné sběrnici stejnosměrného elektrického proudu. Je výhodné, že v cestě

-4CZ 2023 - 148 A3 elektrické energie od fotovoltaického panelu k nabíjení bateriového úložiště proběhne jen jedna konverze v optimizéru. Rovněž je výhodné, že je možné snadno kombinovat a doplňovat různé fotovoltaické panely, např. po nějakém čase dokoupit další jiné, novější, atp., což by v rámci stringu bylo komplikované. Rovněž není limitován počet panelů připojených ke sběrnici, zatímco stringy takové limity počtu panelů ve stringu mají. Elektrická energie přenášená stejnosměrným elektrickým proudem ve sběrnici je samočinně dělena mezi bateriové úložiště a měnič, takže není potřeba elektrickou energii transformovat na různé elektrická napětí a proudy pro nabíjení bateriového úložiště atp. jako je tomu ve stávajících řešeních, čímž nedochází k energetickým ztrátám, jako u stávajících řešení. Dále je výhodné, že díky použití společné sběrnice jsou měniče konstrukčně jednodušší, levnější, a tím pádem je vynález dostupnější širší veřejnosti. Další výhodou je možnost aplikace vynálezu do ostrovních provozů na karavanech, chatách, lodích atp.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 schematicky znázorňuje vynalezené zapojení s měničem pro distribuci elektrické energie v podobě střídavého elektrického proudu a napětí, obr. 2 schematicky znázorňuje alternativu měniče pro distribuci elektrické energie v podobě stejnosměrného elektrického proudu a napětí.

Příklad uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána.

Na obr. 1 je znázorněno zapojení fotovoltaické elektrárny s měničem 5 pro distribuci elektrické energie v podobě střídavého elektrického proudu a napětí včetně bateriového úložiště 1. Fotovoltaická elektrárna je tvořena skupinou fotovoltaických panelů 3, přičemž každý z fotovoltaických panelů 3 je opatřen optimizérem 4, který slouží jako proudový zdroj. Tento přístup k optimalizaci pracovního bodu fotovoltaického panelu 3 je znám z patentu CZ 308 936 B6, kde má odborník podrobnější informace o proudovému zdroji - optimizéru 4.

Počet fotovoltaických panelů 3 ve fotovoltaické elektrárně teoreticky není omezen, záleží na konkrétních projektech fotovoltaických elektráren. Z obr. 1 je patrný rozdíl od dosavadního stavu techniky, a to takový, že fotovoltaické panely 3 nejsou řazeny do jednotlivých stringů, ale jsou přes optimizéry 4 připojeny kjediné sběrnici 2. Na sběrnici 2 dochází ke sčítání optimalizovaných stejnosměrných elektrických proudů (li, E, E, I_n) do jednoho stejnosměrného elektrického proudu £1. Fotovoltaické panely 3, díky absenci stringu, nemusí být stejného typu, takže je možné kombinovat parametricky rozdílné fotovoltaické panely 3, např. v rámci výměny špatně fungujícího fotovoltaického panelu 3 po několika letech provozu elektrárny, za novější typ, atp.

Sběrnice 2 je realizována vhodně dimenzovaným vodičem elektrického proudu a ke sběrnici 2 jsou připojeny svorky bateriového úložiště L Sběrnice 2 kromě přenášení elektrické energie může přenášet i data mezi integrovaným řídicím systémem bateriového úložiště 1 a optimizéry 4, případně i mezi měničem 5, a řídit nebo limitovat tak velikost celkově generovaného proudu £1 do sběrnice 2. Tato komunikace ale může probíhat v principu po jakékoli externí sběrnici, např. po CAN (Controller Area Network), takže může ovládací elektronika jednotlivých součástí zapojení

- 5 CZ 2023 - 148 A3 spolu komunikovat. V rámci těchto komunikací lze získávat rovněž data o stavu a výkonu jednotlivých fotovoltaických panelů 3, resp. i optimizérů 4.

Bateriové úložiště 1 je sestava akumulátorů, které jsou schopny uchovávat elektrickou energii. Současná bateriová úložiště 1 mají integrovány bateriové řídicí systémy tzv. BMS, které chrání jak jednotlivé články akumulátorů, tak akumulátor jako celek před extrémními stavy (přebití, přílišné vybití, nevyhovující teplota, příliš velký nabíjecí nebo vybíjecí proud apod.). Na svorkách bateriového úložiště 1 a sběrnice 2 může dojít ke třem stavům. Buď je část stejnosměrného elektrického proudu £1 spotřebována k nabíjení akumulátorů bateriového úložiště 1, nebo bateriové úložiště 1 přispěje svým výkonem do sběrnice 2 pro pokrytí spotřeby měniče 5, tak či onak sběrnicí 2 pokračuje stejnosměrný elektrický proud I_COnv pro napájení měniče 5, nebo je systém v „rovnováze“, kdy je generovaný proud £1 spotřebován celý v měniči a do/z bateriového úložiště 1 neteče žádný proud.

Měnič 5 je v podstatě pro odborníka standardním vybavením, které mění parametry elektrické energie mezi jeho vstupem od výroby / uskladnění a výstupem pro distribuci k elektrospotřebičům. Rozdíl měniče 5 ve vynálezu oproti měničům z dosavadního stavu techniky je takový, že je jeho architektura zjednodušena, protože nepotřebuje řídicí obvody pro jednotlivé stringy fotovoltaických panelů 3, ani obvody MPPT. Na druhou stranu, musí umět měnič 5 transformovat vyrobenou stejnosměrnou elektrickou energii s parametry stejnosměrného elektrického napětí dle bateriového úložiště 1 a stejnosměrného elektrického proudu sběrnice 2 na napětí a výkon požadované uživatelem (ať stejnosměrné nebo střídavé).

Rovněž musí mít měnič 5 elektroniku uzpůsobenou pro komunikaci s bateriovým řídicím systémem bateriového úložiště 1, a případně i s optimizéry 4, avšak to už je nadstavbové řešení. Z pohledu vynálezu ta nej důležitější komunikace probíhá mezi optimizéry 4 a BMS bateriového úložiště 1.

Na obr. 1 je znázorněn měnič 5 pro přeměnu parametrů vyrobené elektrické energie na parametry distribuované elektrické energie v podobě střídavého elektrického proudu a třífázového elektrického napětí. Tento měnič 5 je vhodný pro napájení elektrospotřebičů napájených jedno nebo tří fázovou standardní sítí, které jsou vyrobeny pro napájení z distribuční elektrické soustavy (3χ240 V, 3x110 V apod.), přičemž při přebytku vyrobené elektrické energie, je-li to možné, je přebytek dodáván do distribuční elektrické soustavy, nebo při nedostatku elektrické energie slouží distribuční elektrická soustava jako externí zdroj 6 elektrické energie.

Na obr. 2 je znázorněn měnič 5 pro přeměnu parametrů vyrobené elektrické energie na parametry distribuované elektrické energie v podobě stejnosměrného elektrického proudu a napětí (např. 12 V nebo 24 V apod.). Tento příklad uskutečnění vynálezu je vhodný pro stejnosměrné palubní sítě lodí, karavanů, atp.

Co se týká externího zdroje 6 elektrické energie, tak dle nevyobrazeného příkladu uskutečnění vynálezu, může odborník použít jakékoliv zařízení, které mu umožní dodávat elektrickou energii buď přímo na sběrnici 2 v podobě stejnosměrného elektrického proudu za předpokladu, že by externí zdroj 6 komunikoval se součástmi vynalezeného zapojení pro řízení svého chodu a výkonu dle aktuálních provozních stavů, nebo přímo do měniče 5 viz obr. 1, ve kterém už k součtu energii dojde. Externím zdrojem 6 může být elektrocentrála, generátor vodní elektrárny nebo větřené elektrárny, kogenerační jednotka, distribuční soustava elektrické energie, atp.

V rámci vynálezu se elektrickou energií nakládá tak, že se elektrická energie z každého n-fotovoltaického panelu 3 převede na optimalizovaný stejnosměrný elektrický proud I_n. Všechny tyto stejnosměrné elektrické proudy I_n jsou svedeny na společnou sběrnici 2, takže dojde k jejich sečtení, čímž lze na sběrnici detekovat stejnosměrný elektrický proud £1. Tento stejnosměrný elektrický proud £1 je přiveden na svorky bateriového úložiště L Tím, že je ke sběrnici 2 připojeno

-6CZ 2023 - 148 A3 bateriové úložiště 1, je elektrické napětí na sběrnici 2 stejné jako elektrické napětí Ubat na svorkách bateriového úložiště 1.

V tento moment může nastat stav, že je požadavek měniče 5 na přívod elektrické energie menší, než je aktuální výroba elektrické energie z fotovoltaických panelů 3, tím pádem kladný energetický rozdíl se samočinně spotřebuje k uložení elektrické energie do bateriového úložiště 1, aniž by se musela elektrická energie pro ukládání dále měnit, jako je tomu u známých řešení. Do bateriového úložiště se odvede nabíjecí elektrický proud Eat a do měniče pokračuje zbývající elektrický proud Iconv.

Pokud je energetický rozdíl záporný, tzn., že měnič 5 potřebuje více elektrické energie, než je momentální výroba z fotovoltaických panelů 3, tak se z bateriového úložiště 1 elektrická energie samočinně vyváže a energetický rozdíl vykompenzuje. Vyvázaná energie se jako stejnosměrný elektrický proud baterie Ibat přičte ke stejnosměrnému elektrickému proudu £1 sběrnice 2 a elektrická energie pokračující do měniče 5 je elektrický stejnosměrný proud I_COnv.

Samočinnost vychází z přírodních zákonů, takže ji není potřeba nějakým způsobem ovládat. Řídicí elektronika jednotlivých součástí zapojení pouze hlídá extrémní stavy pro ochranu technologického vybavení, zdraví a majetku.

Pokud je součet momentálně vyrobené elektrické energie a příspěvku z bateriového úložiště 1 nedostatečný k pokrytí spotřeby měniče 5, je možné přispět elektrickou energií z externího zdroje 6 elektrické energie. Externí zdroj 6 může vykrýt chybějící energetický rozdíl, eventuálně může kromě vykrytí rozdílu přispět nad rámec spotřeby a tuto elektrickou energii navíc začne bateriové úložiště 1 do sebe ukládat.

V případě, že není možné použít externí zdroj 6 elektrické energie, tak se měnič 5 vypne, aby nezpůsobil podbití / hluboké vybití bateriového úložiště 1.

Za situace, že je bateriové úložiště 1 téměř na maximu své kapacity uchovávané elektrické energie a že je momentální výroba elektrické energie převyšující spotřebu elektrické energie, optimizéry 4 omezí proudové příspěvky z fotovoltaických panelů 3 a jejich optimizérů 4 na sběrnici 2.

Na obr. 1 je znázorněn vypínač 7, který umožní odpojit bateriové úložiště 1 od sběrnice 2. Jakmile dojde k odpojení bateriového úložiště 1, sběrnice 2 ztratí napětí Ubat, takže je bezpečná z hlediska úrazu elektrickým proudem. Optimizéry 4 elektrické napětí na sběrnici 2 v tomto případě nepřinášejí, takže jediné elektrické napětí, které setrvá v zapojení po aktivaci vypínače 7 je elektrické napětí nacházející se mezi fotovoltaickým panelem 3 a optimizérem 4, které je však z hlediska ochrany zdraví a majetku bezpečné.

Průmyslová využitelnost

Zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště a způsob nakládání s elektrickou energií v zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště podle vynálezu naleznou uplatnění v instalacích pro domácnosti, pro komerční prostory, pro chaty, pro obytné vozy, pro lodě a hausbóty atp.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zapojení fotovoltaické elektrárny a bateriového úložiště (1) pro výrobu a uchování elektrické energie zahrnující sběrnici (2) pro elektrické propojení součástí zapojení, dále zahrnující alespoň jeden fotovoltaický panel (3) pro výrobu elektrické energie opatřený optimizérem (4) pro zajištění optimálního pracovního bodu fotovoltaického panelu (3), který je přes optimizér (4) připojen ke sběrnici (2), dále zahrnující měnič (5) pro přeměnu vyrobené elektrické energie k distribuci připojený ke sběrnici (2), a dále zahrnující bateriové úložiště (1) pro uchovávání elektrické energie elektricky připojené k měniči (5), vyznačující se tím, že optimizér (4) je současně stejnosměrný proudový zdroj a že je ke sběrnici (2) připojen paralelně, že sběrnice (2) je proudová sběrnice (2), a že elektrické propojení bateriového úložiště (1) a měniče (5) je tvořeno sběrnicí (2), ke které jsou bateriové úložiště (1) a měnič (5) připojeny paralelně.
2. Zapojení podle nároku 1, vyznačující se tím, že ke sběrnici (2), anebo k měniči (5), je připojen externí zdroj (6) elektrické energie ze skupiny elektrocentrála, generátor větrné elektrárny, kogenerační jednotka, distribuční elektrická soustava.
3. Zapojení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že sběrnice (2) je opatřena vypínačem (7) pro odpojení bateriového úložiště od sběrnice (2).
4. Způsob nakládání s elektrickou energií pro minimalizaci energetických ztrát ve fotovoltaické elektrárně zapojené s bateriovým úložištěm (1) elektrické energie podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že se fotovoltaický získaná elektrická energie transformuje stejnosměrným proudovým zdrojem na optimalizovaný stejnosměrný elektrický proud (I_n), poté se optimalizovaný stejnosměrný elektrický proud (I_n) svede na sběrnici (2), na které dojde k sečtení svedených optimalizovaných stejnosměrných elektrických proudů (I_n), poté se přes sběrnici (2) vede stejnosměrný elektrický proud (£1) na svorky bateriového úložiště (1), přičemž bateriové úložiště (1) spotřebuje nebo dodá stejnosměrný elektrický proud (Eat) pro navození stejnosměrného elektrického proudu (I_COnv) pro napájení měniče (5) a současně odpovídá elektrické napětí sběrnice (2) elektrickému napětí (Ubat) na svorkách bateriového úložiště (1), a dále se vede stejnosměrný elektrický proud (I_COnv) přes sběrnici (2) na svorky měniče (5) pro distribuci elektrické energie ke spotřebě.
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že kladný energetický rozdíl mezi kombinovaným výkonem fotovoltaických panelů (3) a požadovaným příkonem měniče (5) se ukládá do bateriového úložiště (1).
6. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že záporný energetický rozdíl mezi kombinovaným výkonem fotovoltaických panelů (3) a požadovaným příkonem měniče (5) se kompenzuje výkonem bateriového úložiště (1).
7. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že záporný energetický rozdíl mezi kombinovaným výkonem fotovoltaických panelů (3) včetně bateriového úložiště (1) a požadovaným příkonem měniče (5) se kompenzuje z externího zdroje (6) elektrické energie.
8. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že v případě výskytu záporného energetického rozdílu mezi kombinovaným výkonem fotovoltaických panelů (3) včetně bateriového úložiště (1) a požadovaným příkonem měniče (5) se měnič (5) vypne, pokud nelze kompenzovat z externího zdroje (6).

-8CZ 2023 - 148 A3
9. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že v případě kladného energetického rozdílu mezi výkonem fotovoltaických panelů (3) při nabitém bateriovém úložišti (1) a požadovaným příkonem měniče (5) se omezí elektrická výroba v optimizérech (4).