TWI524630B - Hybrid system for regenerative energy supply and energy storage device and control method thereof - Google Patents
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Description
本發明係一種微電網技術應用功能，可結合iEN(Intelligent Energy Network)智慧型節能服務監控系統進行能源管理服務，可以運用於住宅、基地台或機房發電設備，為iEN未來發展技術之一。
有鑒於前案之整合自然能源之儲能與供能系統，該前案應用於風力與太陽能源轉換成電能、熱能與冷能之能源儲存與供給系統，而本案為整合電化學式與機械式儲能裝置，搭配太陽光電與風力發電系統，並與市電併網。該前案風力與太陽能二項自然能源除產生電力儲存與供給外，在不需要額外的電力條件下產生熱能與冷能，供給空調冷卻與熱水需求，充分利用自然能源取代空調主機和鍋爐等設備，而本案為本混合型儲能供電系統可使住宅、基地台或機房用電自給自足。其中，本案特別針對直流(交流)電力優先供給直流(交流)負載來使用藉此減少電力耗損。該前案無法於不同時段(尖峰、離峰與停
電)依需求與電價調整發電設備(燃料電池、風力發電、太陽光電、飛輪電池、鋰鐵電池)供電順序，有效確保供電可靠度及降低發電成本。
由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待加以改良。
本案發明人鑑於上述習用方式所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統及其控制方法。
達成上述發明目的之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統及其控制方法，係指一種各類儲能系統(燃料電池、鋰鐵磷酸電池、飛輪電池)與再生能源系統(太陽光電與風力發電)均存在著一定的缺點與侷限性，由於儲能系統與再生能源本身的固有特性，若要對其進行改善又得付出研發與成本上的代價，多種儲能系統與再生能源的結合就可以揚長避短，充分發揮各種裝置的優點，實現用電自給自足的要求，並且可以延長設備壽命。
本專利提出一混合型儲能系統與再生能源供電架構，係整合電化學式儲能裝置(鋰鐵磷酸電池與燃料電池)與機械式儲能裝置(飛輪電池)，再搭配太陽光電與風力發電系統，並與市電進行併網，可作為住宅、基地台或機房供電系統使用。
本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統，其中該系統至少包括機械式儲能裝置，係為飛輪儲能裝置，連接市電並依慣性定律自行運轉儲能之裝置，依特殊情形之緊急供電裝置，混合型供電裝置，係連接之再生能源供電架構與整合電化學式儲能裝置，交直流轉換器，係與該混合型供電裝置相連接，並與交直流負載端連接，依該交直流負載端之需求提供交直流供電以及控制單元，係接收該混合型供電裝置與該交直流負載之訊號，控制監控該交直流供電程度，其中，該機械式儲能裝置以低功率方式進行運轉儲能，且該混合型供電裝置透過該交直流轉換器依控制單元判斷供給該交直流電源於交直流負載端。
如上所述之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統，其中該再生能源供電架構係為太陽光電、風力發電、燃料電池供給該交直流負載，該整合電化學式儲能裝置係為飛輪電池與鋰鐵磷酸電池，將多餘電力對該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電，作為電力備援使用。
其中該系統與市電併網連接，與電力公司進行電力測試及監控，用以避免電力瞬斷，保持電力穩定持續供給。
若遇停電時期，該風力發電、該太陽光電與該燃料電池供電量遠小於交直流負載端所需負載時，該控制單元啟動該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行供電，並將非必要負載進行卸載，以延長該系統供給必要負載時間。
該系統依序利用該太陽光電、該風力發電、該燃料電池與該市電進行供電，並將多餘電力對該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電。
其中待該系統運行穩定後，該混合型供電裝置之電能來源再依序利用該太陽光電、風力發電與燃料電池供給負載。
本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電控制方法，其步驟至少包括以下步驟：1.一市電供給電能於一機械式儲能裝置，係為自行運轉儲能之飛輪儲能裝置，且與一混合型供電裝置連接，透過相連接之交直流轉換器與控制單元，判斷及進行交直流負載端之供需電能需求；2.該市電供給電源於該飛輪儲能裝置，令該飛輪儲能裝置進行低功率慣性運轉；3.該交直流轉換器透過控制單元判斷該混合型供電裝置與該交直流負載端之供需平衡；4.當供電大於需求時，將電能儲存；5.當需求大於供電時，該混合型供電裝置持續供給電源；以及6.該控制單元判斷所需交直流電源需求，透過交直流轉換器輸出至交直流負載端。
如上所述之混合型再生能源供電與儲能裝置之系統的方法，其中該方法在控制概念上，交流電優先供給交流負載，而直流電優先供給直流負載，用以減少轉換耗損。
本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的方法，其中該方法於用電尖峰時間，該混合型供電裝置之電能來源依序利用太陽光電、風力發電與該整合電化學式儲
能裝置之燃料電池與鋰鐵磷酸電池進行供電。
相較於習知技術或方法，本發明所述利用混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的方法，其中供電裝置與市電併網，可依特殊情況進行電力調配，並能將多餘電力儲存賣回電力公司，達到節能並能支配調配電力所需的目的。
其中該方法於離峰時段，該混合型供電裝置之電能來源依序利用太陽光電、風力發電與該整合電化學式儲能裝置之燃料電池與市電進行供電，並將多餘電力對該飛輪儲能裝置電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電。
其中該方法於停電或斷電時，該飛輪儲能裝置與該鋰鐵磷酸電池所產生的電力，立即供給該交直流負載使用，提供中斷的電力。
本發明所提供之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統及其控制方法，與其他習用技術相互比較時，整合電化學式儲能系統(鋰鐵磷酸電池、燃料電池)、機械式儲能系統(飛輪電池)、太陽光電與風力發電系統，並與市電進行併網，更具備下列優點：
1.交流電優先供給交流負載，而直流電優先供給直流負載，來減少轉換耗損。
2.用電尖峰時段電費較貴，電力躉售價格較高，系統依序利用太陽光電、風力發電、燃料電池與鋰鐵磷酸電池進行供電，用電可以自給自足，並可將多餘電力回賣給電力公司，並持續對飛輪儲能電池進行充電，作為電力備援使用。
3.用電離峰時段電費較便宜，電力躉售價格較低，系統依序利用太陽光電、風力發電、燃料電池與市電進行供電，並將多餘電力對飛輪電池與鋰鐵磷酸電池進行充電。
4.突然停電時，飛輪與鋰鐵磷酸電池所產生的電力，可直接供給負載使用，作為電力中斷的轉接橋樑，提供零中斷的電力。待系統運行穩定後，系統依序利用太陽光電、風力發電、燃料電池供給負載，並將多餘電力對飛輪電池與鋰鐵磷酸電池進行充電，作為電力備援使用。若停電時間過長，風力發電、太陽光電、燃料電池發電量遠小於負載時，將啟動飛輪電池與鋰鐵電池進行供電，並將非必要負載進行卸載，系統需維持發電量大於負載量狀態，以延長供給必要負載時間。
10‧‧‧市電
20‧‧‧機械式儲能裝置
21‧‧‧飛輪儲能裝置
30‧‧‧混合型供電裝置
31‧‧‧再生能源供電架構
311‧‧‧太陽光電
312‧‧‧風力發電
313‧‧‧燃料電池
32‧‧‧整合電化學式儲能裝置
322‧‧‧鋰鐵磷酸電池
40‧‧‧交直流轉換器
50‧‧‧交直流負載
51‧‧‧交流負載
511‧‧‧必要交流負載
52‧‧‧直流負載
521‧‧‧必要直流負載
60‧‧‧控制單元
50‧‧‧交直流負載
51‧‧‧交流
52‧‧‧直流
60‧‧‧控制單元
S11~S16‧‧‧方法流程圖
請參閱有關本發明之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及其目的功效；有關附圖為：圖1為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統之架構圖。
圖2為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電控制方法之流程圖。
圖3為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之尖峰時段之控制流程圖1。
圖4為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之尖峰時段之控制流程圖2。
圖5為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之尖峰時段之控制流程圖3。
圖6為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之尖峰時段之控制流程圖4。
圖7為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之離峰時段之控制流程圖1。
圖8為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之離峰時段之控制流程圖2。
圖9為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之離峰時段之控制流程圖3。
圖10為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之停電時段之控制流程圖1。
圖11為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之停電時段之控制流程圖2。
圖12為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之停電時段之控制流程圖3。
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，但並
不用於限定本發明。
以下，結合附圖對本發明進一步說明：請參閱圖1為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統之架構圖，一種混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統，其中該系統至少包括機械式儲能裝置20，可係為飛輪儲能裝置21，連接市電並依慣性定律自行運轉儲能之裝置，依特殊情形之緊急供電裝置，配合實際需求而進行調整，混合型供電裝置30，係連接之再生能源供電架構31與整合電化學式儲能裝置32，交直流轉換器40，係與該混合型供電裝置30相連接，並與交直流負載端40連接，依該交直流負載端之需求提供交直流供電以及控制單元，係接收該混合型供電裝置30與該交直流負載之訊號，控制監控該交直流供電程度，其中，該機械式儲能裝置20以低功率方式進行運轉儲能，且該混合型供電裝置30透過該交直流轉換器40依控制單元判斷供給該交直流電源於交直流負載端。
請參閱圖2為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之流程圖。
S11一市電供給電能於一機械式儲能裝置，係為自行運轉儲能之飛輪儲能裝置，且與一混合型供電裝置連接，透過相連接之交直流轉換器與控制單元，判斷及進行交直流負載端之供需電能需求。
S12該市電供給電源於該飛輪儲能裝置，令該飛輪儲能
裝置進行低功率慣性運轉。
S13該交直流轉換器透過控制單元判斷該混合型供電裝置與該交直流負載端之供需平衡。
S14當供電大於需求時，將電能儲存。
S15當需求大於供電時，該混合型供電裝置持續供給電源。
S16該控制單元判斷所需交直流電源需求，透過交直流轉換器輸出至交直流負載端。
交流電優先供給交流負載，而直流電優先供給直流負載，且依不同時段(尖峰時段、離峰時段、停電時段)，提出不同的控制方法：請參閱圖3為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之尖峰時段之控制流程圖1，包含以下步驟：
[1]尖峰時段電費較貴，電力躉售價格較高，系統依不同狀況採用不同的控制方法：控制方法1：當風力發電312與太陽光電311發電量大於交流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311優先供給直流負載52，若有不足的部分再透過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載。然後將剩餘的電，以及燃料電池313與鋰鐵磷酸電池322所產生的電能回賣給電力公司。
請參閱圖4為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之尖峰時段之控制流程圖2，包含以下步驟：控制方法2：當風力發電312、太陽光電311與燃料電池313發電量大於交流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313依次供給直流負載52，若有不足的部分再透過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載。然後將剩餘的電，以及鋰鐵磷酸電池322所產生的電能回賣給電力公司。
請參閱圖5為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之尖峰時段之控制流程圖3，包含以下步驟：控制方法3：當風力發電312、太陽光電311、燃料電池313與鋰鐵磷酸電池322發電量大於交流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313、鋰鐵磷酸電池322依序供給直流負載52，若有不足的部分再透過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，並將剩餘電能回賣給電力公司。
請參閱圖6為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之尖峰時段之控制流程圖4，包含以下步驟：控制方法4：
當風力發電312、太陽光電311、燃料電池313與鋰鐵磷酸電池322發電量小於交流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313、鋰鐵磷酸電池322依序供給直流負載52，若有不足的部分再透過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，不足的電力則由市電10提供。
請參閱圖7為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之離峰時段之控制流程圖1，包含以下步驟：
[2]離峰時段
離峰時段電費較便宜，電力躉售價格較低，系統依不同狀況採用不同的控制方法：：控制方法1：當風力發電312與太陽光電311發電量大於交流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，太陽光電311優先供給直流負載52，若有不足的部分再透過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，並將多餘的電力對飛輪電池與鋰鐵磷酸電池322進行充電，作為電力備援使用，而燃料電池313不啟動。
請參閱圖8為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之離峰時段之控制流程圖2，包含以下步驟：控制方法2：當風力發電312、太陽光電311與燃料電池313發電量大於交
流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313依次供給直流負載52，若有不足的部分再透過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，使用電力自給自足，並可將多餘電力對飛輪電池與鋰鐵磷酸電池322進行充電，作為電力備援使用。
請參閱圖9為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之離峰時段之控制流程圖3，包含以下步驟：控制方法3：當風力發電312、太陽光電311、燃料電池313發電量小於交流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313依序供給直流負載52，並透過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，電力不足的部分則由市電10提供，飛輪電池與鋰鐵磷酸電池322不啟動作為電力備援使用。
請參閱圖10為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之停電時段之控制流程圖1，包含以下步驟：
[3]停電時段
突然停電時，為避免電力瞬斷，系統採下面控制方法：控制方法1：飛輪電池與鋰鐵電池322作為電力突然中斷之轉接橋樑，馬上提供負載電力，以達到電力零中斷的目標，太陽光電311、風力發電312、燃料電池313再依次供給負載，並透過交直流轉
換器40交互供給直流或交流負載。
請參閱圖11為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之停電時段之控制流程圖2，包含以下步驟：停電穩定後，系統再依不同狀況採用不同的控制方法：控制方法2：當風力發電312、太陽光電311、燃料電池313發電量大於交流負載51與直流負載52時，風力發電312優先供給交流負載51，而太陽光電311、燃料電池313依次供給直流負載52，若有不足的部分再透過交直流轉換器40交互供給直流或交流負載，並將多餘電力對飛輪電池與鋰鐵磷酸電池322進行充電，作為電力備援使用。
請參閱圖12為本發明之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法之停電時段之控制流程圖3，包含以下步驟：控制方法3：停電時間過長，風力發電312、太陽光電311、燃料電池313發電量小於負載時，啟動飛輪電池與鋰鐵磷酸電池322進行供電，並將非必要直流負載521與必要交流負載511進行卸載，系統維持發電量大於負載量狀態，以延長系統供給必要負載時間。
上列詳細說明乃針對本發明之一可行實施例進行具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案
之專利範圍中。
綜上所述，本案不僅於技術思想上確屬創新，並具備習用之傳統方法所不及之上述多項功效，已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
S11~S16‧‧‧方法流程圖
Claims (6)
- 一種混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統，其中該系統至少包括：一機械式儲能裝置，係為飛輪儲能裝置，連接市電並依慣性定律自行運轉儲能之裝置，依特殊情形之緊急供電裝置；一混合型供電裝置，係連接之再生能源供電架構與整合電化學式儲能裝置，該再生能源供電架構係為太陽光電、風力發電、燃料電池供給該交直流負載，該整合電化學式儲能裝置係為飛輪電池與鋰鐵磷酸電池；一交直流轉換器，係與該混合型供電裝置相連接，並與交直流負載端連接，依該交直流負載端之需求提供交直流供電；以及一控制單元，係接收該混合型供電裝置與該交直流負載之訊號，控制監控該交直流供電程度；其中，該機械式儲能裝置以低功率方式進行運轉儲能，且該混合型供電裝置透過該交直流轉換器依控制單元判斷供給該交直流電源於交直流負載端，且該系統依序利用該太陽光電、該風力發電、該燃料電池與該市電進行供電，並將多餘電力對該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電。
- 如申請專利範圍第1項所述之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統，其中該系統與市電併網連接，與電力公司進行電力測試及監控，用以避免電力瞬斷，保持電力穩 定持續供給。
- 如申請專利範圍第1項所述之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統，其中若遇停電時期，該風力發電、該太陽光電與該燃料電池供電量遠小於該交直流負載端所需負載時，該控制單元啟動該飛輪電池與該鋰鐵磷酸電池進行供電，並將非必要負載進行卸載，以延長該系統供給必要負載時間。
- 一種混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電控制方法，其步驟至少包括：A.一市電供給電能於一機械式儲能裝置，係為自行運轉儲能之飛輪儲能裝置，且與一混合型供電裝置連接，透過相連接之交直流轉換器與控制單元，判斷及進行交直流負載端之供需電能需求；B.該市電供給電源於該飛輪儲能裝置，令該飛輪儲能裝置進行低功率慣性運轉；C.該交直流轉換器透過控制單元判斷該混合型供電裝置與該交直流負載端之供需平衡；D.當供電大於需求時，該混合型供電裝置將電能儲存；E.當需求大於供電時，該混合型供電裝置持續供給電源；以及F.該控制單元判斷所需交直流電源需求，透過交直流轉換器輸出至交直流負載端；其中，該方法於用電尖峰時間，該混合型供電裝置之電能來源依序利用太陽光電、風力發電與該整合電化學式儲能 裝置之燃料電池與鋰鐵磷酸電池進行供電；該方法於離峰時段，該混合型供電裝置之電能來源依序利用太陽光電、風力發電與該整合電化學式儲能裝置之燃料電池與市電進行供電，並將多餘電力對該飛輪儲能裝置電池與該鋰鐵磷酸電池進行充電；該方法於停電或斷電時，該飛輪儲能裝置與該鋰鐵磷酸電池所產生的電力，立即供給該交直流負載使用，提供中斷的電力。
- 如申請專利範圍第4項所述之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法，其中該方法在控制概念上，交流電優先供給交流負載，而直流電優先供給直流負載，用以減少轉換耗損。
- 如申請專利範圍第4項所述之混合型再生能源供電裝置與儲能裝置之系統的供電方法，其中待該系統運行穩定後，該混合型供電裝置之電能來源再依序利用該太陽光電、風力發電與燃料電池供給負載。
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