GR20160100320A

GR20160100320A - Φωτοβολταϊκος σταθμος παραγωγης ενεργειας προσαρμοσμενης ισχυος

Info

Publication number: GR20160100320A
Application number: GR20160100320A
Authority: GR
Inventors: Αθανασιος Κατσανεβακης
Original assignee: Εστια Συμβουλοι Και Μηχανικοι Α.Ε.
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2018-03-09

Abstract

Φωτοβολτάϊκός Σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ο οποίος διαθέτει σύστημα αποθήκευσης ενέργειας που βασίζεται στην αρχή της αντλησιοταμίευσης. Ανάλογα με την διαθεσιμότητα ηλιακής ενέργειας καιτις ανάγκες του δικτύου, τμήμα της παραγόμενης από το φωτοβολταϊκό σταθμό ηλεκτρικής ενέργειας αξιοποιείται ώστε να διατηρεί σε πληρότητα τον άνω ταμιευτήρα του συστήματος αντλησιοταμίευσης προσφέροντας έτσι την δυνατότητα για κάλυψη των αναγκών του δικτύου οποιαδήποτε ώρα της ημέρας και ημέρα του έτους ενώ σε συγκεκριμένες περιόδους ο σταθμός μετατρέπεται σε καταναλωτή ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνοντας τη ζήτηση από το δίκτυο ώστε να εξομαλυνθεί η καμπύλη ζήτησης του δικτύου και να βελτιωθεί η λειτουργία των συμβατικών μονάδων που εξυπηρετούν το δίκτυο.

Description

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΕΥΡΕΣΙΤΕΧΝΙΑΣ

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΟΣ ΣΤΑΘΜΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΡΟΣΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΙΣΧΥΟΣ

Η εφεύρεση αναφέρεται στην μετατροπή ενός φωτοβολταϊκού σταθμού σε σταθμό με δυνατότητα κάλυψης κάθε μορφής ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας από την πλευρά των καταναλωτών αλλά ταυτόχρονα και με δυνατότητα διόρθωσης της καμπύλης ζήτησης του δικτύου με συνεπαγόμενο όφελος την ανακούφιση του δικτύου..

Το μεγαλύτερο μειονέκτημα των Φωτοβολταικών σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, είναι η διαφορά που συνήθως παρουσιάζεται μεταξύ της διαθεσιμότητας της ανανεώσιμης πηγής ενέργειας -Α.Π.Ε.- του σταθμού και της απαίτησης του δικτύου για την κάλυψη των αναγκών των καταναλωτών. Έτσι καθίσταται αναγκαία η χρήση συμβατικών σταθμών οι οποίοι είναι κατάλληλοι να παρέχουν στο δίκτυο την ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται χωρίς τον περιορισμό της διαθεσιμότητας αυτής της ενέργειας υπό κάποια ανανεώσιμη μορφή. Επιπροσθέτως λόγω της ανομοιόμορφης ζήτησης ενέργειας εκ μέρους των καταναλωτών υπάρχουν περίοδοι κατά τις οποίες, λόγω της λειτουργίας των μονάδων βάσης, το δίκτυο έχει περίσσεια ισχύος την οποία πρέπει να διαθέσει άλλως οι μονάδες βάσης θα πρέπει να μειώσουν την παραγωγή τους με λειτουργία τους σε μειωμένο φορτίο και συνεπακόλουθα με χαμηλούς βαθμούς απόδοσης. Η χρήση Φωτοβολταικών Σταθμών -ΦΒΣ- είναι μια από τις πλέον διαδεδομένες μεθοδολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από Α.Π.Ε. και συγκεκριμένα από ηλιακή ακτινοβολία. Σε περιπτώσεις μεγάλων ΦΒΣ και ιδιαίτερα σε απομονωμένα δίκτυα ένα πρόβλημα που παρουσιάζεται είναι ότι σε περιόδους μικρής ή και μηδενικής διαθεσιμότητας ηλιακής ακτινοβολίας οι ΦΒΣ δεν έχουν τη δυνατότητα να αποδώσουν στο δίκτυο ικανή ισχύ με αποτέλεσμα να τίθεται σε κίνδυνο η σταθερότητα και η αξιοπιστία του δικτύου. Για τον λόγο αυτό το ποσοστό κάλυψης των αναγκών του δικτύου από ΦΒΣ τίθεται σε περιορισμό -περιορισμός διείσδυσης Α.Π.Ε. στο δίκτυο-. Το πρόβλημα αυτό προσπαθεί να λύσει η αποταμίευση ενέργειας κατά τις περιόδους υψηλής διαθεσιμότητας Α.Π.Ε. ώστε αυτή να είναι διαθέσιμη για χρήση σε περιόδους χαμηλής διαθεσιμότητας ή πλήρους έλλειψης Α.Π.Ε.

Η μέθοδος που χρησιμοποιείται είναι να χρησιμοποιηθούν παράλληλα με τους ΦΒΣ ηλεκτρικοί συσσωρευτές στους οποίους αποθηκεύεται ηλεκτρική ενέργεια κατά τις ώρες υψηλής ηλιοφάνειας και η οποία ηλεκτρική ενέργεια αποδίδεται στο δίκτυο κατά τις ώρες χαμηλής ή μηδενικής ηλιοφάνειας. Ενώ η μεθοδολογία αυτή σε μικρούς ΦΒΣ είναι επαρκής, σε μεγάλους ΦΒΣ είναι ανέφικτη λόγω του κόστους και της δυναμικότητας των ηλεκτρικών συσσωρευτών που απαιτούνται.

Μια εναλλακτική μεθοδολογία αποθήκευσης ενέργειας είναι η αντλησιοταμίευση. Τέτοια προσέγγιση έχει προταθεί ως αποθηκευτικό μέσο ενέργειας π.χ. στις αιτήσεις ΕΡ1925817, FR2964401, DE4301659. Η προσέγγιση αυτή λύνει μερικώς το πρόβλημα της αποθήκευσης ενέργειας γενικώς από ΑΠΕ και όχι συγκεκριμένα από Φωτοβολταικούς σταθμούς. Επιπλέον δεν δίνει λύση στο θέμα της συνεργασίας του φωτοβολταικού σταθμού με το δίκτυο στο οποίο αυτός είναι συνδεδεμένος. Αυτό το πρόβλημα επιλύει η παρούσα εφεύρεση.

Σύμφωνα με την παρούσα εφεύρεση στον Φωτοβολαϊκό σταθμό -ΦΒΣ-σταθερών ή, προτιμότερο, μεταβαλλόμενης σε δύο άξονες θέσης φωτοβολταικών συλλεκτών κατασκευάζεται και συνδέεται λειτουργικά μαζί του ένας υδροηλεκτρικός και ένα αντλητικός σταθμός οι οποίοι λειτουργούν μεταξύ δύο ταμιευτήρων ύδατος του άνω και του κάτω ταμιευτήρα. Κατά τη διάρκεια περιόδων υψηλής διαθεσιμότητας ηλιακής ακτινοβολίας τμήμα της παραγόμενης από το ΦΒ σταθμό ηλεκτρικής ενέργειας αντί να διατίθεται για την κάλυψη των αναγκών του δικτύου χρησιμοποιείται για τη λειτουργία του αντλητικού σταθμού ο οποίος αντλεί νερό από τον κάτω ταμιευτήρα και το μεταφέρει στον άνω ταμιευτήρα προσδίδοντάς του δυναμική ενέργεια. Κατά τη διάρκεια των περιόδων χαμηλής ή μηδενικής διαθεσιμότητας ηλιακής ενέργειας το νερό από τον άνω ταμιευτήρα επιστρέφει διά του στροβίλου στον κάτω ταμιευτήρα παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια η οποία αποδίδεται μέσω του δικτύου στους καταναλωτές. Επίσης κατά τις ώρες χαμηλής ζήτησης ενέργειας από το δίκτυο π.χ. τις νυκτερινές ώρες και παρόλο που δεν υπάρχει διαθέσιμη ηλιακή ακτινοβολία ο αντλητικός σταθμός μετατρέπεται σε καταναλωτή ηλεκτρικής ενέργειας απορροφώντας ηλεκτρική ενέργεια από το δίκτυο με την οποία μεταφέρει νερό από τον κάτω στον άνω ταμιευτήρα ώστε αυτό να είναι διαθέσιμο ως φορέας δυναμικής ενέργειας. Με τον τρόπο αυτό αυξάνεται τεχνητά η ζήτηση ενέργειας από το δίκτυο δίδοντας τη δυνατότητα στις συμβατικές μονάδες του δικτύου να εξομαλύνουν τη λειτουργία τους.

Η μεθοδολογία αυτής της συνδυασμένης λειτουργίας ΦΒΣ και αντλησιοταμίευσης με την απορρόφηση ισχύος από το δίκτυο κατά τις περιόδους μικρής ή και μηδενικής διαθεσιμότητας ανανεώσιμης ενέργειας με σκοπό την διόρθωση της καμπύλης ζήτησης του δικτύου ώστε αυτή να προσαρμοστεί στα χαρακτηριστικά των συμβατικών μονάδων παραγωγής που τροφοδοτούν το δίκτυο μπορεί να ονομαστεί Υβριδικός Φωτοβολταϊκός σταθμός παραγωγής ενέργειας προσαρμοζμένης ισχύος. Το πλεονέκτημα του παραπάνω σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι ότι σε περιοχές με υψηλό ηλιακό δυναμικό, υπάρχει η δυνατότητα πρόβλεψης με μεγάλη ακρίβεια της διαθέσιμης ενέργειας από τους ΦΒΣ και άρα η δυνατότητα προγραμματισμού της λειτουργίας των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ανάλογα με τις ανάγκες του δικτύου δηλ. των καταναλωτών. Επιπλέον σε περιοχές με υψηλό ηλιακό δυναμικό επιτυγχάνεται υψηλή αξιοποίηση των διαθέσιμων Α.Π.Ε. και έτσι παρέχεται η δυνατότητα κάλυψης των αναγκών του δικτύου σχεδόν αποκλειστικά με Α.Π.Ε.

Ως παράδειγμα της παρούσας εφεύρεσης μπορεί να θεωρηθεί η εφαρμογή της σε μια περιοχή όπου το διαθέσιμο ηλιακό δυναμικό αποδίδει μέσω ενός ΦΒ σταθμού 2.500 kWh/kWpel ανανεώσιμης ηλ. Ενέργειας ανά έτος. Με εφαρμογή της παρούσας εφεύρεσης, από την ενέργεια αυτή μπορούν για παράδειγμα οι 1500 kWh να αποδοθούν απευθείας στο δίκτυο ενώ οι υπόλοιπες να αξιοποιηθούν με τη διαδικασία της αντλησιοταμίευσης και να αποδοθούν στο δίκτυο ως περίπου 720 kWh ενέργειας διαθέσιμες κατά τις ώρες έλλειψης ηλιοφάνειας. Επιπρόσθετα μπορεί ο σταθμός να απορροφήσει από το δίκτυο 1000 kWh διορθώνοντας με τον τρόπο αυτό την περίοδο χαμηλής ζήτησης του δικτύου ενέργεια την οποία στη συνέχεια μπορεί να αποδώσει ως περίπου 750 kWh κατά την περίοδο υψηλής ζήτησης. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να γίνει κάλυψη των αναγκών του δικτύου αποκλειστικά από ηλιακή ενέργεια ή αν αυτό δεν είναι δυνατόν, να γίνει εύκολα προγραμματισμός της λειτουργίας των συμβατικών μονάδων ηλεκτροπαραγωγής ώστε αυτές να εργάζονται κοντά στην ονομαστική τους ισχύ και σε υψηλό βαθμό απόδοσης ώστε να καλυφθούν αποδοτικά οι ανάγκες των καταναλωτών.

Η εφεύρεση συνίσταται στην κατασκευή ενός Φωτοβολταϊκού σταθμού -ΦΒΣ- παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ο οποίος αποτελείται από Φωτοβολταϊκούς συλλέκτες και από συγκρότημα αντλησιοταμίευσης -Υβριδικό Σύστημα ΦΒΣ και αντλησιοταμίευσης-. Ανάλογα με τις ανάγκες του δικτύου το οποίο εξυπηρετείται από τον παραπάνω ΦΒΣ σταθμό, ή με το οποίο συνεργάζεται ο παραπάνω σταθμός, τμήμα της παραγόμενης, κατά τη διάρκεια της ημέρας, ηλεκτρικής ενέργειας από τους ΦΒ συλλέκτες, χρησιμοποιείται για τη λειτουργία των αντλιών του συστήματος και την πλήρωση του άνω ταμιευτήρα. Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια περιόδων με μειωμένη ή μηδενική ηλιοφάνεια (νύχτα) και ανάλογα με τις απαιτήσεις του δικτύου, νερό από τον άνω ταμιευτήρα οδηγείται μέσω υδροστροβίλου(ων) στον κάτω ταμιευτήρα παράγοντας την απαιτούμενη από το δίκτυο ενέργεια. Ταυτόχρονα σε περιόδους χαμηλής ζήτησης ενέργειας από το δίκτυο ο ΦΒΣ απορροφά ηλ. ενέργεια από το δίκτυο για την πλήρωση του άνω ταμιευτήρα κατά τις ώρες που αυτό είναι απαραίτητο ώστε να αυξηθεί η ζήτηση ισχύος από το δίκτυο και να εξομαλυνθεί η μεταβολή της ώστε να είναι διαθέσιμη η απαιτούμενη ποσότητα ενέργειας στον άνω ταμιευτήρα ανάλογα με τις καιρικές συνθήκες και τις ανάγκες του δικτύου.

Claims

ΑΞΙΩΣΕΙΣ

1. Φωτοβολταικός Σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ο οποίος αποτελείται από Φωτοβολταϊκούς συλλέκτες οιασδήποτε τεχνολογίας που βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο συνδυασμένους με σύστημα αντλησιοταμίευσης το οποίο περιλαμβάνει αναστρέψιμο υδροηλεκτρικό σταθμό αποτελούμενο από αντλητικό σταθμό, υδροστροβιλικό σταθμό, άνω και κάτω ταμιευτήρες νερού και ο οποίος Φωτοβολταικός Σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αποδίδει ελεγχόμενη και εγγυημένη ηλεκτρική ισχύ ακόμα και σε ώρες χαμηλής ή μηδενικής ηλιοφάνειας αλλά επιπρόσθετα απορροφά ελεγχόμενα εγγυημένη ηλεκτρική ισχύ κατά τις περιόδους χαμηλής ζήτησης ισχύος από το δίκτυο την οποία αποθηκεύει ώστε αφενός να υπάρχει διαθέσιμη ισχύς κατά τις περιόδους υψηλής ζήτησης, και αφετέρου να εξομαλύνεται η καμπύλη ζήτησης του δικτύου σύμφωνα με προδιαγεγραμμένο τρόπο.

2. Φωτοβολταικός Σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σύμφωνα με την αξίωση 1 στον οποίο συνδυάζονται ένας ή περισσότεροι Φωτοβολταϊκοί Σταθμοί με ένα ή περισσότερα συστήματα αντλησιοταμίευσης.

3. Φωτοβολταικός Σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σύμφωνα με την αξίωση 1 στον οποίο οι Φωτοβολταϊκοί συλλέκτες είναι επάνω σε ειδικές βάσεις οι οποίες τους προσανατολίζουν κινούμενες σε 1 ή 2 άξονες ή/και είναι φωτοβολταϊκοί συλλέκτες με συγκεντρωτικά κάτοπτρα -Concentrated PV- για μεγιστοποίηση της παραγόμενης από τον ήλιο ηλεκτρικής ενέργειας.

4. Φωτοβολταικός Σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σύμφωνα με την αξίωση 1 στον οποίο οι αντλίες και οι στρόβιλοι στο σύστημα αντλησιοταμίευσης μπορούν να είναι ξεχωριστές μονάδες ή οι ίδιες μονάδες που λειτουργούν με αντιστροφή της λειτουργίας τους.

5. Φωτοβολταικός Σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σύμφωνα με την αξίωση 1 ο οποίος μπορεί να λειτουργεί και μεμονωμένα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και την εξυπηρέτηση ενός δικτύου ή μπορεί να αποτελεί τμήμα ενός ευρύτερου συστήματος προσφοράς και ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας στο οποίο λειτουργούν και άλλες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας συμβατικές ή μή συμβατικές.

6. Φωτοβολταικός σταθμός σύμφωνα με την αξίωση 1 στον οποίο χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα και άλλες μεθοδολογίες αποταμίευσης ενέργειας λόγου χάριν μπαταρίες-συσσωρευτές.