СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ СОЗДАНИЯ РЕЗЕРВНОЙ ЁМКОСТИ БАТАРЕЙ
METHOD AND SYSTEM FOR CREATING BACKUP CAPACITY OF BATTERIES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам и системам для обеспечения услуг по предоставлению резервной энергии для электрической сети, а более точно, услуг по созданию резервной энергии для гибридной электростанции, которая использует батареи в системе аккумулирования энергии, или для отдельной системы аккумулирования энергии, чтобы обеспечить дополнительную возможность по запасу энергии.
Уровень техники
Как правило, энергосистема общего пользования получает электрическую энергию из одного или нескольких первичных источников генерирования электроэнергии, таких как электростанции, работающие на газе, на угле, ядерные электростанции и/или гидроэлектростанции, для доставки потребителям через распределительную электрическую сеть. Мощность, поставляемая от этих источников, и потребности в электроэнергии могут изменяться время от времени. Обычно 'эти источники могут регулироваться, чтобы они удовлетворяли запросы потребителей и в то же время соответствовали стандартам по энергии, например, таким как номинальное напряжение и уровень частоты.
В дополнение к электроэнергии, поставляемой этими первичными источниками генерирования электроэнергии, становится более распространенным присоединение резервной системы хранения энергии для обеспечения резервной мощности, такой как батареи промышленного класса. Наряду с другими достоинствами резервная система хранения энергии может увеличивать энергию, подаваемую первичным источником генерирования электроэнергии, во время периодов пиковой нагрузки или высокого энергопотребления, во время нарушений работы сети, таких как прерывание подачи электроэнергии от первичных источников генерирования электроэнергии или ограничение на передачу во время нормальной работы, во время автономного режима работы генератора электроэнергии, или для усиления источников прерывистой или переменной энергии.
Например, электрическая сеть часто испытывает периоды высокого энергопотребления во время летних месяцев. Кроме того, периоды пиковой нагрузки также могут возникать в различные периоды в течение дня.
В такие периоды высокого потребления энергии потребности могут превышать возможности первичного источника генерирования электроэнергии энергосистемы общего пользования. Кроме того, часто существуют экономические последствия, когда реагируя на такое увеличение энергопотребления увеличивается уровень генерирования электроэнергии первичного источника генерирования электроэнергии, особенно, когда такое увеличение потребления энергии происходит в довольно короткий промежуток времени. Кроме того, если не предпринимать другие меры, то первичному источнику генерирования электроэнергии нужно иметь дополнительные возможности, чтобы удовлетворить пиковую потребность, при этом такая дополнительная возможность является избыточной большую часть времени и используется она лишь в период пикового потребления энергии.
Существует известное решение для реагирования на колебания потребления энергии. Оно состоит в добавлении к энергии, генерируемой первичным источником генерирования электроэнергии, энергии, сохраняемой в системе хранения энергии, такой как резервная система хранения энергии с батареями. Система хранения энергий может постоянно поддерживать баланс между нагрузкой и генерацией. Системами хранения энергии управляют таким образом, чтобы выполнялся набор стандартов, которые определяют величину резервной емкости по энергии, которая должна быть доступна в любой заданный момент времени. Такие регулирующие стандарты могут определяться законодательными актами, комиссиями по регулированию в области энергетики, договорными положениями, фактором требований по обеспечению безопасности и/или внутренними операционными процедурами.
В системе хранения энергии часто существует ситуация, когда согласно регулирующим стандартам требуется доступная емкость по энергии, которая превышает наиболее высокое или типичное потребление энергии от резервной системы хранения энергии. Например, согласно регулирующим стандартам может потребоваться, чтобы система с резервными батареями обеспечивала шесть часов непрерывного использования при определенном уровне отдачи энергии для определенных периодов высокого потребления энергии.
Однако в реальных условиях пиковый запрос на потребление энергии для снабжающей организации энергосистемы общего пользования может никогда не превысить четырехчасовой запас резервной емкости по энергии. В этой ситуации часть ресурсов системы с батареями растрачивается понапрасну, обеспечивая двухчасовой запас доступной резервной емкости по энергии, который возможно никогда не будет использоваться. Такая емкость определяется здесь как запасная резервная емкость по энергии. Системы хранения энергии с резервными батареями часто содержат дорогие перезаряжаемые батареи элементов промышленного класса (известные в промышленности как вторичные батареи), универсальные или однотипные, специально спроектированные для услуг по предоставлению резервной энергии. См. патентную заявку США No. 14/721,522, «способ и модульная система аккумулирования энергии», включенную в настоящее описание путем ссылки.
В такой ситуации резервные системы хранения энергии не реализуют наибольшую эффективность использования ресурсов. Поэтому существует проблема, когда дорогие ресурсы резервной системы хранения энергии растрачивается понапрасну при создании доступной резервной емкости, которая требуется по стандартам, но обычно не является необходимой для удовлетворения реального запроса на потребление энергии из электрической сети. Соответственно, желательно иметь потенциально более высокую экономическую эффективность, меньше непроизводительных расходов, и/или эффективный способ и систему для распределения и управления ресурсами резервной системы хранения энергии, так чтобы одновременно выполнялись регулирующие стандарты и реальные запросы по потреблению энергии.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к способам и системам для эффективного управления ресурсами энергосистемы общего пользования и обеспечения доступной емкости по энергии в резервной системе хранения энергии, такой как запасная резервная система хранения энергии.
Вариант осуществления способа включает в себя получение батарей, в качестве запасных резервных батарей, которые имеют структуру стоимости (например, закупочная цена, затраты на техническое обслуживание, затраты на хранение, и т.д.), отличающуюся, по сравнению с батареями промышленного класса, которые обычно используются в системах хранения энергии, таких как множество неперезаряжаемых батарей (также известных как первичные батареи) или батарей, которые могут быть обновлены с уровнем усилий и/или затрат, превышающим уровень для перезаряжаемых батарей (т.е. вторичных батарей). Запасная мощность также может обеспечиваться батареями других типов, которые не являются неперезаряжаемыми батареями. Запасные резервные батареи могут включать в себя батареи потребительского класса, используемые в игрушках и подобных устройствах, или относительно недорогие неперезаряжаемые батареи промышленного класса. Запасные резервные батареи соединяются с множеством перезаряжаемых батарей промышленного класса (т.е. батарей вторичных элементов) последовательно, или параллельно, или последовательно и параллельно, чтобы выполнялись требующиеся уровни доступного тока и напряжения для резервных батарей электростанции. Альтернативно, способ может включать получение батарей, которые имеют структуру стоимости, которая отличается тем, что она является более дорогой, чем обычно используемые батареи промышленного класса, но обеспечивает другие желательные свойства, например, длительный срок хранения, связанный с использованием воздушно-металлических батарей. Способ также включает подключение полученных запасных резервных батарей к инвертору, так чтобы преобразовывать мощность постоянного тока из батарей резервной энергии (т.е. неперезаряжаемых батарей и, возможно, множества других батарей промышленного класса) в мощность переменного тока, которая должна использоваться для распределения электроэнергии.
Другой вариант способа включает получение множества неперезаряжаемых батарей, таких как батареи потребительского класса или воздушно-металлические батареи, в качестве запасных резервных батарей. Способ также включает соединение множества неперезаряжаемых батарей с множеством других, главных резервных батарей последовательно, или параллельно, или последовательно и параллельно, чтобы соответствовать желаемым уровням доступного напряжения и тока, например, для резервного аккумулятора гибридной электростанции, а также для других применений. Способ включает определение требуемой величины доступной резервной емкости по энергии для электростанции, определение первой величины главной резервной емкости по энергии, этой величине должно соответствовать множество перезаряжаемых батарей (например, батарей промышленного класса), а также определение второй величины запасной резервной емкости по энергии, которой должно соответствовать множество неперезаряжаемых батарей или других батарей элементов, структура стоимости которых является благоприятной для одноразового или редкого использования за период времени, сравнимый со временем использования перезаряжаемых батарей, которые используются для хранения главной резервной энергии, при этом вторая величина определяется таким образом, чтобы когда эта величина добавляется к емкости батарей промышленного класса, общая величина доступной емкости по энергии была равна требуемой величине доступной резервной емкости по энергии. Мощность постоянного тока преобразуется из множества запасных резервных батарей и главных резервных батарей в мощность переменного тока, которая должна использоваться для распределения мощности. Мощность постоянного тока может обеспечиваться различными типами батарей в комбинации или отдельно, например, при последовательном режиме переключения или при включении раздельно.
Например, количество запасной резервной энергии и тип неперезаряжаемых батарей определяется для того, чтобы компенсировать разницу между требуемой емкостью по энергии и меньшей оценочной главной емкостью по энергии, необходимой для удовлетворения реальной потребности в энергии. Разность между величинами емкости по энергии компенсируется за счет неперезаряжаемых батарей экономичным и эффективным способом, таким образом, обеспечивая техническое решение технической проблемы соответствия требованиям нормативных документов, которые обращаются к гипотетическому, но маловероятному или редкому сценарию самого худшего пикового энергопотребления, в то же время позволяя избежать бесполезной траты ценных ресурсов в виде перезаряжаемых батарей или батарей промышленного класса.
Вариант осуществления системы может включать в себя инвертор, который конфигурирован таким образом, чтобы преобразовывать мощность постоянного тока из множества главных резервных батарей и множества запасных резервных батарей в мощность переменного тока, которая должна использоваться для распределения мощности.
Эти и другие признаки и преимущества отдельных вариантов осуществления изобретений, способа и системы резервной емкости, будут описываться посредством примеров, однако следует учитывать, что этими примерами изобретение не ограничивается.
Краткое описание чертежей
Примеры осуществления изобретения будут наилучшим образом понятны из последующего подробного описания при его прочтении в сочетании с прилагаемыми чертежами. Следует подчеркнуть, что в соответствии с обычной практикой, различные элементы на чертежах изображаются не в масштабе. Наоборот, размеры различных элементов могут быть произвольно увеличены или уменьшены для большей ясности. Чертежи включают следующие фигуры:
фиг. 1 - схема, иллюстрирующая пример энергосистемы общего пользования, содержащей электростанцию и резервную систему хранения энергии, подключенные в комбинации или раздельно к электрической сети;
фиг. 2 - схема, иллюстрирующая пример энергосистемы общего пользования, содержащей электростанцию, имеющую первичный источник генерирования электроэнергии и резервную систему хранения энергии, подключенную к электрической сети и включающую резервные батареи;
фиг. 3 - схема последовательности операций, иллюстрирующая способ хранения батарей в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
фиг. 4 - схема последовательности операций, иллюстрирующая способ хранения батарей в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;
фиг. 5 - диаграмма, показывающая потребление энергии и требования к хранению доступной энергии;
фиг. 6 - столбчатая диаграмма, показывающая емкости по энергии, обеспечиваемую первой группой батарей, второй группой батарей, а также общую объединенную доступную емкость первой и второй групп;
фиг. 7 - схема, иллюстрирующая пример узловой системы для обеспечения хранения резервной энергии;
фиг. 8 - схема, иллюстрирующая пример энергосистемы общего пользования, содержащей электростанцию и резервную систему хранения энергии, подключенную к электрической сети и включающую в себя запасные резервные батареи для зарядки системы главных батарей и обеспечения мощности для электрической сети.
Осуществление изобретения
Настоящее описание представляет только примеры вариантов осуществления изобретения и не предназначается для ограничения объема изобретения, применимости или конфигурации способов и систем резервной емкости батарей. Точнее, последующее описание вариантов осуществления изобретения предоставит специалистам в данной области техники описание, позволяющее реализовать различные варианты способов и систем резервной емкости батарей. В выполняемые функции и расположение элементов могут быть внесены различные изменения, не выходя за пределы сущности и объема способа и системы, которые сформулированы в приложенной формуле изобретения. Таким образом, в различных вариантах осуществления изобретения могут быть пропущены, заменены или добавлены различные операции или компоненты, если это уместно. Например, следует принимать во внимание, что в альтернативных вариантах способ может выполняться в порядке, который отличается от описанного порядка, а также различные этапы могут быть добавлены, пропущены или скомбинированы. Кроме того, признаки, описанные по отношению к определенным вариантам, могут комбинироваться в различных других вариантах. Различные аспекты и элементы вариантов осуществления изобретения могут комбинироваться аналогичным образом.
Запасные резервные батареи включают в себя одну или более неперезаряжаемых батарей, батарей потребительского класса, которые являются уцененными или неуцененными батареями; воздушно-металлических батарей или почти любым другим типом батарей, которые имеют более благоприятную кривую затрат для одноразового или редкого использования за весь период времени, по сравнению с перезаряжаемыми главными резервными батареями, которые используются с более частым и предсказуемым интервалом времени. Фактически, они могут быть перезаряжаемыми батареями, которые списаны (например, батареями, у которых заканчивается срок службы) со службы в качестве главных резервных батарей, или представляющими избыточный запас перезаряжаемых батарей, эффективно сохраненных. Они подключены к электрической сети и используются в качестве запасных резервных батарей до тех пор, пока они не потребуются. Уцененные батареи потребительского класса могут быть уцененными вследствие одного или более из следующих факторов: возраст, приближение соответствующих сроков годности, стоимость, качество и/или доступность. Батареи потребительского класса, например, батареи потребительского класса типоразмера С часто получают по самой низкой цене и они имеют высокую доступность. Батареи потребительского класса могут включать в себя неперезаряжаемые батареи, включающие в себя, но не ограничиваясь этим, например, батареи следующих типов, размеров и используемых материалов: 4,5 В, D, С, АА, AAA, АААА, А23, 9 В, и автомобильные батареи. Они могут быть щелочными, литиевыми, ионно-литиевыми, никелевыми, никель-кадмиевыми, цинковыми, свинцово-кислотными батареями, и т.д. Батареи потребительского класса, как правило, проектируются для непостоянного использования обычными потребителями и изготавливаются доступными для продажи в розничных магазинах. Выводы батарей часто имеют типовую конфигурацию с точечным контактом (например, спроектированы для подпружиненных контактов батареи) и проектируются для размещения в обычных потребительских товарах, таких как игрушки, электронные устройства, в автомобилях для запуска двигателя внутреннего сгорания и т.д. Кроме того, неперезаряжаемые батареи включают в себя воздушно-металлические батареи, в свою очередь включающие в себя, но не ограничиваясь этим, батареи следующих типов: воздушно-алюминиевые, воздушно-бериллиевые, воздушно-кальциевые, воздушно-железные, воздушно-литиевые, воздушно-магниевые, воздушно-натриевые, воздушно-титановые, воздушно-цинковые батареи. Металлы, используемые в воздушно-металлических батареях, могут находиться в форме различных сплавов. Эти сплавы могут изменяться в зависимости от желаемых характеристик батареи (например, скорости окисления анода, долговечности, и т.д.). Воздушно-металлические батареи обеспечивают множество преимуществ, например таких, как высокая энергоемкость, маленький вес, низкое рабочее давление, длительный срок хранения и низкая степень вредности для окружающей среды. Как правило, воздушно-металлические батареи не являются электрически перезаряжаемыми, но могут быть механически перезаряжаемыми путем замены металлического анода.
И наоборот, перезаряжаемые батареи включают в себя батареи промышленного класса, которые проектируются для значительно более длительного использования, часто имеют выходные контакты и форму, которые подходят для специального использования. В общем в настоящее время они являются в большей степени доступными через промышленные торговые компании, чем через магазины розничной торговли. Как правило, они используются в промышленных установках, источниках бесперебойного электропитания (UPS), блоках батарей для приводных систем электромобилей, перезаряжаемой потребительской электронике, механизированных инструментах и т.д.
Фиг. 1 иллюстрирует энергосистему 100 общего пользования, включающую в себя первичный источник 102 генерирования электроэнергии и резервную систему 104 хранения энергии, обеспечивающую электроэнергию для сети 110 электропитания. Первичный источник 102 генерирования электроэнергии может включать в себя одну или более электростанций, работающих на газе, на угле, ядерные электростанции, и/или гидроэлектростанции, в качестве примеров источника для доставки электроэнергии потребителям через распределительную сеть. Первичный источник 102 генерирования электроэнергии может альтернативно или дополнительно включать в себя возобновляемые источники энергии, такие как ветер, солнечная энергия, приливы, биомасса, биотопливо, геотермальная или термоэлектрическая электростанции.
Электроэнергия, поставляемая первичными источниками генерирования электроэнергии, в энергосистеме общего пользования, а также потребление энергии из этих источников могут изменяться от одного момента времени к другому или в течение более продолжительных временных циклов. Например, энергосистема общего пользования часто испытывает периоды высокого потребления энергии из электрической сети во время определенных месяцев года и времени дня. Кратковременный рост уровня энергопотребления может быть вызван работающим в подключенном режиме мощным потребителем (например, промышленным оборудованием или операцией). Устройства кондиционирования воздуха более часто работают во время жарких летних месяцев, дополнительно увеличивая высокий уровень энергопотребления, нагружая электрическую сеть. Кроме того, электрические устройства и устройства кондиционирования воздуха более часто используются в определенное время дня, например, во время типичных часов рабочего дня или в середине дня, когда наружная температура является максимальной. Уровень энергопотребления обычно является предсказуемым, но электростанции, часто вследствие существующих предписаний, должны иметь возможность справляться с неожиданным или необычным уровнем энергопотребления.
Увеличение потребления энергии из электрической сети 110 компенсируется за счет увеличенной выходной мощности от первичного источника 102 генерирования электроэнергии. Первичный источник 102 генерирования электроэнергии может увеличивать общий уровень выходной мощности и скорость, с которой эта выходная мощность увеличивается, для того чтобы соответствовать текущему уровню энергопотребления из электрической сети 110. Однако увеличенный уровень выходной мощности и/или скорость, с которой этот уровень выходной мощности увеличивается за счет первичного источника 102 генерирования электроэнергии, может приводить к увеличению операционных затраты вследствие увеличенного потребления ресурсов, включая потребление топлива, износ и изнашивание, которым подвергаются системы, технического обслуживания, человеческих ресурсов и т.д.
Увеличение потребления энергии из электрической сети 110 может вызвать возникновение пиковой нагрузки, также рассматриваемой как пиковый уровень энергопотребления. В том случае, когда энергосистема общего пользования не может отреагировать достаточно быстро на такие периоды пикового уровня энергопотребления, неисправности могут произойти в энергосистеме, в сети, и на объектах, обслуживаемых электрической сетью. Такие неисправности могут быть катастрофическими и приводить к резкому снижению напряжения электропитания или временному отсутствию электропитания.
По меньшей мере часть увеличенной подачи мощности или потребления энергии может регулироваться с помощью резервной системы 104 хранения энергии. Резервная система 104 хранения энергии содержит батареи 106 и инвертор 108. Инвертор 108 преобразует постоянный ток (DC) в переменный ток (АС) для подачи мощности в электрическую сеть 110. Инвертор 108 может быть двунаправленным для того, чтобы справляться с уменьшением уровня нагрузки или с увеличением уровня генерации от первичного источника электропитания. Энергия, обеспечиваемая батарей 106, может увеличивать энергию, обеспечиваемую первичным источником 102 генерирования электроэнергии, для подачи объединенной выходной мощности в электрическую сеть 110. Резервная система 106 хранения энергии может содержать перезаряжаемые и/или неперезаряжаемые батареи, в свою очередь включающие в себя, но не ограничиваясь этим, следующие типы батарей: щелочные, литиевые, ионно-литиевые, никелевые, никель-кадмиевые, цинковые и свинцово-кислотные батареи.
Мощность, обеспечиваемая резервной системой 104 хранения энергии, может объединяться с мощностью, подаваемой от первичного источника 102 генерирования электроэнергии, для того чтобы более эффективно следовать за изменением уровня энергопотребления из электрической сети 110 и соответствовать этому уровню. Альтернативно, мощность, подаваемая резервной системой 104 хранения энергии, может передаваться в сеть отдельно от первичного источника 102 генерирования электроэнергии.
В качестве варианта осуществления изобретения, фиг. 2 иллюстрирует энергосистему 200 общего пользования, содержащую резервную систему 204 хранения энергии, в свою очередь содержащую инвертер 208 и главные резервные батареи 206, которые могут включать в себя перезаряжаемые батареи (например, батареи промышленного класса). Главные резервные батареи 206 соединены с группой запасных резервных батарей 212, при этом по меньшей мере часть резервной емкости по энергии обеспечивается запасными резервными батареями 212. Запасные резервные батареи 212 могут включать в себя неперезаряжаемые батареи (например, батареи потребительского класса или воздушно-металлические батареи). Альтернативно, запасные резервные батареи 212 могут включать в себя перезаряжаемые батареи со структурой стоимости, которая отличается от структуры стоимости главных резервных батарей 206. Выходная мощность первичного источника 202 генерирования электроэнергии объединяется с выходной мощностью резервной системы 204 хранения энергии, чтобы обеспечивать мощность для электрической сети 210.
Тип, размер и количество батарей в резервной системе хранения энергии определяют, получают, организуют и регулируют оптимизированным способом. Например, первая группа главных резервных батарей (например, перезаряжаемые батареи промышленного класса) объединяется со второй группой запасных резервных батарей (например, батареи потребительского класса или воздушно-металлические батареи) и для каждой группы определяется и назначается соответствующая роль, так чтобы каждая группа соответствовала различным требованиям, касающимся емкости по энергии (например, главной резервной и запасной резервной). Первая группа из главных резервных батарей может быть соединена со второй группой из запасных резервных батарей, или различные группы батарей могут быть по отдельности подключены к электросети через общие инверторы, отдельные инверторы или другие промежуточные устройства.
Фиг. 3 иллюстрирует способ, включающий получение множества батарей с различной структурой стоимости, например, батареи потребительского класса (этап 302). Батареи потребительского класса могут быть получены в большом количестве. Например, могут быть получены сотни тысяч или даже миллионы батарей потребительского класса. Этап получения может включать в себя получение множества батарей промышленного класса или перезаряжаемых батарей, которые имеют различную структуру стоимости, например, батареи являются объектом контракта с ограниченным использованием, или аренды, или политики возврата купленной продукции. Этап получения может включать в себя транспортировку батарей в качестве груза, доставляемого грузовым транспортом. Батареи потребительского класса могут быть получены посредством контракта с повторной поставкой. Контракт с повторной поставкой может включать в себя извлечение старых батарей потребительского класса из резервной системы хранения энергии, переработку старых батарей потребительского класса для повторного использования, и повторную установку старых батарей, заменяя батареи потребительского класса. Батареи потребительского класса могут извлекаться, перерабатываться для повторного использования и повторно устанавливаться на постоянной основе.
Множество запасных резервных батарей для хранения энергии (например, батарей потребительского класса) извлекается из существующей упаковки на этапе 304. Существующая упаковка может быть упаковкой, с которой сталкивается типичный потребитель, например, жесткое, герметичное пластиковое крепление с относительно маленьким количеством батарей. Альтернативно, могут быть использованы батареи в контейнерах для хранения, ожидающие упаковки потребительского класса и переадресованные из места хранения. Удаление батарей из упаковки может быть автоматизированным, когда упаковки открываются, содержимое извлекается и транспортируется в другое место для переупаковки в блоки батарей, которые включают в себя клеммы для создания межкомпонентного соединения, чтобы разместить батареи последовательно, параллельно или комбинированно, для достижения желаемого напряжения и тока для данного блока батарей. Альтернативно, этап 304 может быть пропущен и батареи могут использоваться, оставаясь в упаковках, за счет создания электрического соединения через материал упаковки (например, протыкание упаковки вставляемыми электродами), или при использовании специально изготовленной упаковки, которая позволяет коммерчески использовать батареи, находящиеся в упаковке. Например, батареи потребительского класса могут быть временно размещены на складе, но в то же время соединены с резервной системой хранения энергии, до их окончательной доставки обычным потребителям в качестве новых батарей или батарей с немного пониженным уровнем зарядки.
После того как запасные резервные батареи извлекаются из существующей упаковки, эти батареи соединяются с множеством главных резервных батарей (например, перезаряжаемых батарей или батарей промышленного класса), чтобы увеличивать общее количество доступной энергии (этап 306). Например, отдельные батареи потребительского класса могут быть размещены в поддонах, которые имеют контактные выводы, размещенные таким образом, чтобы иметь контакт с положительным или отрицательным контактными выводами отдельных батарей и имеют взаимное соединение с помощью проводников, встроенных или присоединенных к поддонам, чтобы достигать желаемого тока или напряжения. Один или несколько поддонов могут быть затем размещены и соединены между собой в большей по размеру упаковке, причем эта большая по размеру упаковка может иметь форму и соединения контактных выводов, которые имитируют батареи промышленного класса или блоки батарей, для легкой интеграции с существующими системами. Конечно, это может быть выполнено вручную.
Способ дополнительно включает преобразование мощности постоянного тока из запасных резервных батарей (например, уцененных батарей потребительского класса) и из главных резервных батарей в мощность переменного тока, которая должна использоваться для распределения мощности (этап 308). В альтернативном варианте осуществления изобретения неперезаряжаемые батареи, но не являющиеся батареями потребительского класса, такие как воздушно-металлические батареи, могут комбинироваться с множеством других батарей и использоваться для распределения мощности. Различные типы батарей могут соединяться вместе в комбинированном виде или раздельно, как правило, через промежуточные кожухи, электроды и схемы, как будет очевидно для специалистов в данной области техники. Например, различные типы батарей могут переключаться индивидуально или управляться по-другому.
В одном варианте осуществления изобретения автоматизированное устройство или система применяется для автоматического извлечения батарей потребительского класса из существующей упаковки и выполнения выравнивающих операций, для ввода батарей потребительского класса в систему хранения энергии. Автоматизированное устройство по дополнительному выбору включает в себя конвейерную ленту для транспортировки и распределения батарей внутри одной или более групп, а также станок или станки для резки, чтобы удалять любую упаковку.
Автоматизированное устройство или система могут выполнять один или несколько тестов для каждой батареи. Например, батареи могут тестироваться на предмет внутреннего или внешнего повреждения. Автоматизированное устройство или система могут применять одну или более систем формирования изображения или систем датчиков. Системы формирования изображения могут включать в себя термическое, оптическое и/или рентгеновское изображения. Кроме того, автоматизированное устройство или система могут применять датчики напряжения, тока или температурные датчики. Батареи могут тестироваться для определения напряжения, тока, температуры и емкости по энергии. Батареи, тестирование которых показало, что они были повреждены, или они иным образом не смогли пройти через процесс тестирования, могут быть автоматически идентифицированы и забракованы, или отправлены в повторную обработку. Альтернативно, батареи, которые не прошли тестирование, могут быть отсортированы в одну или более групп для дальнейшей обработки.
Автоматизированное устройство включает в себя одно или более компонующих устройств для автоматического ориентирования батарей в соответствующем направлении во время подготовки для соединения. Автоматизированное устройство может ориентировать и компоновать батареи методом просеивания. Например, может быть использована часть контейнера с серией отверстий, при этом каждое отверстие является настолько большим, чтобы позволять проходить через него только одной батарее. Отверстия могут быть с изменяющимися размерами, для того чтобы обрабатывать батареи различных типов и размеров. Часть контейнера может использовать механические средства, чтобы способствовать проходу батарей через отверстия, например, средства, использующие вибрацию или давление. Конечно, это может быть проделано вручную.
Фиг. 4 изображает способ получения множества запасных (например, с резервной энергией) батарей (например, батарей потребительского класса) (этап 402) и извлечение запасных батарей из существующей упаковки (этап 404). Несколько этапов для этого способа являются общими со способом, показанным на фиг. 3. Способ дополнительно содержит присоединение множества запасных батарей (например, батарей потребительского класса со сниженной ценой) к множеству главных резервных батарей (например, батарей промышленного класса, которые могут использоваться, например, для резервной энергии), чтобы увеличить общее количество доступной энергии (этап 406). Способ включает в себя определение требуемой величины доступной емкости по энергии (например, резервной емкости по энергии) (этап 408), определение первой величины емкости по энергии (например, резервной емкости по энергии), которой должны соответствовать главные батареи (например, перезаряжаемые батареи промышленного класса) (этап 410), и определение второй величины запасной емкости по энергии (например, резервной емкости по энергии), которой должны соответствовать запасные батареи (этап 412), при этом вторая величина определяется таким образом, чтобы общее количество доступной энергии было по меньшей мере равно требуемой величине доступной емкости по энергии (например, доступной резервной емкости по энергии). Мощность постоянного тока преобразуется из множества запасных батарей и множества главных батарей в мощность переменного тока, которая должно использоваться для распределения мощности (этап 414). В альтернативном варианте осуществления изобретения первичные батареи элементов, отличающиеся от батарей потребительского класса, такие как воздушно-металлические батареи, могут использоваться вместо батарей потребительского класса.
В другом варианте осуществления изобретения требования для доступной резервной емкости по энергии определяются и/или устанавливаются для резервной системы хранения энергии энергосистемы общего пользования. Первое требование для резервной емкости по энергии определяет общую величину доступной емкости по энергии. Первое требование для резервной емкости по энергии определяется на основе статуса, нормативного документа, технических условий контракта, фактора безопасности технических условий или внутренних процедур, гарантии, и/или стандартных операционных процедур. Например, может потребоваться, чтобы провайдер энергосистемы общего пользователя обеспечил 10 МВт-ч доступной резервной емкости по энергии, на один МВт выходной мощности от первичного источника генерирования электроэнергии (например, электростанции), для того чтобы успешно справиться с периодами пиковой нагрузки или пикового энергопотребления из электрической сети. В этом примере требуемые 10 МВт-ч доступной резервной емкости обеспечиваются главными резервными батареями (например, перезаряжаемыми батареями), для того чтобы позволить энергосистеме общего пользования предоставлять услуги высокого качества и с быстрым откликом на изменение нагрузки. Однако обеспечение требуемой общей запасной емкости 10 МВт-ч с помощью батарей высокого качества является дорогой услугой. Например, 200000 перезаряжаемых батарей (например, батарей промышленного класса) могут потребоваться для обеспечения 1 МВт-ч.
Перезаряжаемые батареи промышленного класса могут стоить в 10 раз больше, чем батареи потребительского класса или другие неперезаряжаемые батареи на единицу запасенной энергии. Разница в цене между использованием батарей промышленного класса и батарей потребительского класса или других неперезаряжаемых батарей для 100 мегаваттного места хранения является значительной. Аналогичным образом, перезаряжаемые блоки батарей промышленного класса могут стоить намного больше, чем воздушно-металлические неперезаряжаемые батареи (например, воздушно-алюминиевая батарея) на единицу аккумулированной энергии, и имеют более короткий срок хранения.
В другом варианте осуществления изобретения, распространяющемся на предыдущий пример, определяется второе требование для резервной емкости по энергии. Второе требование для резервной емкости по энергии определяется на основе действительного или вероятного пикового энергопотребления для решения реальных задач. Например, провайдеру энергосистемы общего пользования может потребоваться обеспечить 10 МВт-ч доступной резервной емкости по энергии на один МВт. Однако даже в самом худшем сценарии резервная система хранения энергии в батареях может никогда не столкнуться с такой задачей, чтобы обеспечивать более чем 6 МВт-ч доступной энергии, чтобы удовлетворить уровень пиковой нагрузки для решения реальных задач. Соответственно, батареи, предназначенные для обеспечения запасной энергии в 4 МВт-ч на один МВт, обеспечивают разницу между требуемой доступной емкостью по энергии и действительно необходимой доступной емкостью по энергии, и они являются незагруженными, таким образом, создается меньшее, чем желаемое распределение ресурсов батарей. Для эффективного использования, часть батарей может существовать в постоянном состоянии ожидания или дежурном режиме, когда они редко или никогда не используются для обслуживания пикового энергопотребления из электрической сети.
В варианте осуществления изобретения неперезаряжаемые батареи, например, такие как батареи потребительского класса или воздушно-металлические батареи, выбираются как запасные резервные батареи, чтобы обеспечивать разность в 4 МВт-ч емкости по энергии на один МВт, а для удовлетворения действительного или вероятного для решения реальных задач пикового энергопотребления в 6 МВт-ч емкости по энергии выбираются батареи более высокого качества. Таким образом, удовлетворяется требование по обеспечению общих 10 МВт-ч на один МВт, но в то же время при этом осуществляется более эффективное распределение ресурсов. Например, батареи потребительского класса могут соответствовать разности в 4 МВт-ч емкости по энергии на МВт при стоимости, составляющей около одной десятой от стоимости использования перезаряжаемых батарей промышленного класса. Затраты на замену, связанные с заменой батарей потребительского класса, имеют другую структуру стоимости по сравнению с батареями промышленного класса, и эта замена является более выгодной, учитывая, что разность в 4 МВт-ч емкости по энергии на МВт вероятно не будет необходимой, или в том случае, если она будет необходима, с высокой вероятностью она будет использоваться только в редких ситуациях. Другими словами, в условиях решения реальных задач батареи потребительского класса с высокой степенью вероятности не будет необходимости часто заменять. Аналогичным образом, другие неперезаряжаемые батареи, такие как воздушно-металлические батареи, могут использоваться как запасные резервные батареи для хранения энергии, чтобы закрыть разницу в 4 МВт-ч емкости по энергии на один МВт при меньшей стоимости, чем при использовании перезаряжаемых батарей промышленного класса, в то же время также обеспечивается более длительный срок годности при хранении и другие преимущества, которые могут обеспечиваться только воздушно-металлическими батареями.
Например, фиг. 5 показывает график энергии, потребляемой из резервной системы хранения энергии в различные дни, в соответствии с нагрузкой на электрическую сеть. Дни нанесены по оси X графика. Требуемая энергия в МВт-ч нанесена по оси Y графика.
Линия А представляет самый высокий уровень доступной энергии, запрашиваемой из резервной системы хранения энергии на основе энергопотребления в реальных условиях. Однако этот уровень может определяться в соответствии с другим критерием, таким как среднее потребление энергии, вероятное потребление энергии, историческое или прогнозируемое потребление энергии, или уровнем, определяемым пользователем. Этот уровень также может определяться на основе анализа затрат и результатов, который проверяет такие факторы, как требования по сервису, требования технической поддержки и стоимость. Факторы имеют назначенные весовые коэффициенты, в соответствии со стоимостью или важностью. В варианте осуществления изобретения батареи высокого качества используются для того, чтобы обеспечивать емкость по энергии, определяемую уровнем, показанным как линия А.
Линия В представляет общую величину доступной резервной емкости, которая требуется от энергосистемы общего пользования или другого регулятора, например, емкость по энергии, определяемая соглашением или контрактом. Разница между линией В и линией А представляет часть требуемой доступной резервной емкости по энергии, которая недоиспользуется или даже не используется, и в дальнейшем называется емкостью в режиме ожидания. Неперезаряжаемые батареи, такие как батареи потребительского класса или воздушно-металлические батареи, получают для запасных резервных батарей, чтобы удовлетворять требуемой емкости в режиме ожидания, и используются они вместе с главными батареями резервной энергии (например, батареями промышленного класса), для того чтобы удовлетворять требование по общей величине доступной резервной емкости по энергии. Таким образом, система может обеспечивать полные 10 МВт-ч доступной энергии на МВт в том редком случае, когда такое потребление энергии запрашивается от системы.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения, уровень доступной емкости по энергии, требуемый для того, чтобы отвечать потреблению энергии в реальных условиях, как показано линией А, определяется одним или несколькими следующими способами: эвристика, статистический анализ, историческая статистика, профили использования, прогнозные утверждения, контрактные соглашения, вероятности, а также устанавливаются законом или другими требованиями. Например, алгоритм аукциона применяется для назначения стоимости для различных величин доступной емкости по энергии, используемой при реагировании на энергопотребление в реальных условиях.
В одном варианте осуществления изобретения уровень емкости в режиме ожидания, как показано линией В, определяется одним или более из следующих способов: эвристика, статистический анализ, историческая статистика, прогнозные утверждения, контрактные соглашения, вероятности, а также устанавливаются законом или другими требованиями. Например, алгоритм аукциона применяется для назначения стоимости для различных уровней доступной запасной емкости по энергии в режиме ожидания.
Фиг. 6 иллюстрирует столбчатую диаграмму 600 с емкостью по энергии (МВт-ч), отложенной по оси Y 610, и группами перечисленных батарей по оси X 608. Как показано на фиг. 6, доступная емкость по энергии в 6 МВт-ч на МВт обеспечивается первой группой главных батарей 602 резервной энергии для реагирования на типичное пиковое потребление энергии в реальных условиях из электрической сети. Вторая группа запасных батарей 604 резервной энергии обеспечивает 4 МВт-ч доступной емкости по энергии в режиме ожидания на один МВт. Столбец 606 диаграммы представляет объединенную доступную емкость по энергии хранения, составляющую 10 МВт-ч на МВт, обеспечиваемую первой группой главных резервных батарей 602 и второй группой запасных резервных батарей 604.
Фиг. 7 показывает пример, который включает в себя энергосистему 700 общего пользования, обеспечивающую запасные резервные батареи 702 в модульной (например, стойка с полками) системе 708 хранения батарей, в которой размещено множество других главных резервных батарей 704, которые могут использоваться в резервной системе хранения энергии. Модульная система 708 хранения батарей включает в себя систему 706 управления батареями, включающую процессор; блок 710 распределения хранения; и систему 712 управления мощностью, включающую процессор 714 и преобразователь 716 мощности, такой как инвертер. Модульная система 708 хранения батарей подключена через линию 718 электропередачи к нагрузке, такой как электрическая сеть.
В одном варианте модульная система хранения батарей может обеспечивать множество киловатт-часов (кВт-ч) емкости по энергии. Система хранения батарей в виде стойки с полками может быть соединена с другими системам хранения батарей в виде стойки с полками, чтобы увеличивать общее количество доступной энергии, в виде расширяемой структуры. Например, множество систем хранения батарей в виде стойки с полками могут быть соединены в виде расширяемой архитектуры, для того чтобы обеспечить емкость по энергии в количестве нескольких мегаватт-часов.
Пример осуществления изобретения, показанный на фиг. 8, иллюстрирует энергосистему общего пользования 800, включающую в себя резервную систему 804 хранения энергии, которая в свою очередь включает инвертер 808 и главные резервные батареи 806, содержащие перезаряжаемые батареи (например, батареи промышленного класса), аналогично вариантам, показанным на фиг. 1 и 2, но с дополнительной возможностью использовать запасные резервные батареи 812 для заряда главных резервных батарей 806 при соответствующих обстоятельствах. Т.е., как показано, главные резервные батареи 806 соединены с группой запасных резервных батарей 812. Запасные резервные батареи 812 могут включать в себя неперезаряжаемые батареи (например, батареи потребительского класса, воздушно-металлические батареи или другие батареи со структурой стоимости, которая отличается от батарей промышленного класса). Выходная мощность первичного источника 802 генерирования электроэнергии объединяется с выходной мощностью резервной системы 804 хранения энергии, чтобы обеспечить электричество для электрической сети 810. Выходная мощность от резервной системы 804 хранения энергии может изменяться, для того чтобы реагировать на изменяющееся потребление энергии, путем выборочного переключения между мощностью от главных резервных батарей 806 и запасных резервных батарей 812, как показано с помощью переключателя 818. При этом выборочно переключаются некоторые или все главные резервные батареи и некоторые или все запасные резервные батареи, чтобы оптимизировать их использование при получении желаемого уровня выходной мощности. Мощность, обеспечиваемая главными резервными батареями 806, может комбинироваться в изменяющемся режиме с мощностью, обеспечиваемой запасными резервными батареями 812, или ее частями. Например, переключатель 818 может выбирать различные части мощности, которые должна быть предоставлены от одной из групп или обеих групп, главных резервных батарей 806 и запасных резервных батарей 812, для объединенной выходной мощности, подаваемой в инвертер 808.
Кроме того, мощность, обеспечиваемая запасными резервными батареями 812, может избирательно переключаться между зарядкой главных резервных батарей 806 через переключатель 814 и преобразователь 816, и предоставлением мощности в электрическую сеть 810 через переключатель 818 и инвертер 808. Например, запасные резервные батареи 812 могут использоваться для быстрого реагирования на периоды пикового потребления энергии из сети, а когда сеть больше не подвергается пиковой нагрузке или мощность для сети от запасных резервных батарей 812 больше не требуется, мощность, обеспечиваемая запасными резервными батареями 812, может быть использована для перезарядки главных резервных батарей 806.
Несмотря на то, что различные варианты реализации системы и способа описаны выше, следует понимать, что они были представлены только в качестве примеров, но не для ограничения. Они не являются исчерпывающими и не ограничивают изобретение точной раскрытой формой. Модификации и изменения возможны с учетом приведенных выше идей изобретения, или они могут быть получены исходя из практической реализации изобретения, но не выходя за пределы объема притязаний.