管理混合电力的产生及应用的装置、系统和方法

专利名称：管理混合电力的产生及应用的装置、系统和方法
技术领域：
本发明涉及混合电力，尤其涉及对混合电力的产生、储存和分配进行管理。
背景技术：
随着化石燃料消耗的增加，污染越来越严重了，而且在世界范围内化石燃料的供 应在减少，替代能源正变得日益重要。非燃料基能源，例如那些可再生能源，通常是高效的、 易于利用的，并且对环境友好。然而，使用者对最广泛的非燃料基能源，例如太阳能和风能， 却很难进行控制。当人们希望得到更多动力/能源时，却不能增加日照强度或风速来获得 它。反之亦然，如果人们只使用比产生的动力/能源更少的动力/能源，却不能轻易地储存 多余的日照或风力，便于以后使用。燃料基能源，例如通过氢气或化石燃料提供的能源，则可以在动力/能源的需要 一提出就马上生产出来。然而，增加动力/能源的要求不能总是被立刻满足，因为在燃料基 能源的产生中，能量转换滞后是其本身所固有的属性。例如，在氢燃料电池中增加氢气的流 量不能立刻使得氢燃料电池的电源输出功率增大。氢气的增加也需要从氢燃料源中转变出 氢气，这也会带来另一方面的滞后。其他的燃料基能源通常也具有类似的滞后。因此，需要有一种改进的管理混合电力的产生及应用的装置、系统和方法，来克服 现有技术的问题和不足。该装置、系统和方法能够提供高效的、即时的动力/能源，并且能 够储存多余的动力/能源。尤其是，该装置、系统和方法能够管理能量转换滞后的情形，并 且高效地平衡传输到电负载上的动力/能源。

发明内容
从上述描述可知，显然存在着需要，来提供一种管理混合电力的产生及应用的装 置、系统和方法。有利地，这样的装置、系统和方法可以高效地管理能量转换滞后的情形，并 且平衡传输到电负载上的电能。本发明针对现阶段的技术状况，并且特别针对那些还没能通过现有的混合电力的产生和管理系统被完全解决的技术问题和需求，进行了研究。因此，本发明提供了一种管理 混合电力的产生及应用的装置、系统和方法，以克服现有技术中上述多个或全部的不足之 处。管理混合电力的产生及应用的装置具有多个模块，这些模块配置成执行管理混合 电力的产生及应用的各个步骤。在下述的具体实施例中，这些模块包括监控模块、判断模 块、调节模块、能源储存模块、优化模块、用户超越模块和预测模块。在一具体实施例中，监控模块接收来自一个或多个传感器的信号。在进一步的实 施例中，这些信号包含电能存储设备的能级信息、一个或多个能源转换器的功率电平/能 级信息和电负载的功率电平信息。在又一具体实施例中，这些信号可包含氢气或其他燃料 的压力或状态的信息。在一具体实施例中，判断模块比较各信号，以判定来自一个或多个能源转换器的 动力/能源是否满足电负载要求。在进一步的实施例中，判断模块判定电能存储设备的能 级是否满足预定的阈电平。在一具体实施例中，预定的阈电平是根据一个或多个能源转换 器中的一个或多个发生的能量转换滞后而规定的。在又一具体实施例中，调节模块根据判断模块所做的来自一个或多个能源转换器 的电能不满足电负载阈值的判定，来调节来自一个或多个能源转换器的电能。在又一具体 实施例中，根据判断模块所做的来自一个或多个能源转换器的电能不满足电负载的判定， 以及电能存储设备不满足预定的阈电平的判定，调节模块增加来自一个或多个能源转换器 的电能。在一具体实施例中，根据判断模块所做的来自一个或多个能源转换器的电能满足 电负载的判定，能源储存模块储存来自一个或多个能源转换器的多余的电能，作为备用的 能源形式。在又一具体实施例中，能源储存模块使得一个或多个能源转换器中的至少一个 能源转换器将次要燃料转换为主要燃料，而主要燃料包括了备用能源形式。在一具体实施 例中，备用能源形式选自由氢气、热能、化学能和势能组成的群。在又一具体实施例中，根据 基本上完全备用的储能装置，能源储存模块对电能储能装置进行充电。在一具体实施例中，根据电源的优先次序，优化模块平衡传输给电负载的电能的 供应。在一具体实施例中，在电源的优先次序中，非燃料基能源转换器的优先级比电能存储 设备的优先级要高，而电能存储设备的优先级又比燃料基能源转换器的优先级更高。在又 一具体实施例中，电源的优先次序根据能量转换成本、能量转换效率和能量转换滞后性中 的一个或多个因素来考虑。在又一具体实施例中，根据用户输入，用户超越模块超越电源的 优先级。在一具体实施例中，根据电负载的历史功率消耗，预测模块对即将出现的电负载 的功率消耗预测。在又一具体实施例中，根据预测，判断模块更进一步地被配置成调节来自 一个或多个能源转换器的电能。本发明还提供了用于管理混合电力的产生及应用的系统。系统可包含一个或多个 能源转换器、电能存储设备、一个或多个传感器、控制器和电力接口。在一具体实施例中，一个或多个能源转换器中的每一个都会将能源转换为电能。 在一具体实施例中，电能存储设备储存并供应来自一个或多个能源转换器的电力。在进 一步的具体实施例中，电能存储设备包括一蓄能容器，其配置成基本上满足电负载的至少
6十二小时的功率消耗，并且一个或多个能源转换器配置成输出的电力量满足电负载的平均 功率消耗，但小于电负载的峰值功率消耗。在一具体实施例中，一个或多个能源转换器中的 至少一个包括一可折叠的结构。在进一步的具体实施例中，一个或多个能源转换器中的至 少一个是非燃料基能源转换器，这一能源转换器选自光伏电池、风轮机、水轮机、地热蒸汽 轮机、太阳能聚光器和余热发电机组成的群。在又一具体实施例中，一个或多个能源转换器中的至少一个是非燃料基能源转换 器，这一能源转换器选自燃料电池、微型汽轮机、氢重整装置设备、氢电解系统和内燃机发 电机组成的群。在一具体实施例中，一个或多个能源转换器中的至少一个配置成将次要燃 料转换为主要燃料。在又一具体实施例中，次要燃料选自水和碳氢化合物构成的组合，且主 要燃料包括氢气。在一具体实施例中，次要燃料包括化学氢化物，且主要燃料包括氢气。在 进一步的具体实施例中，化学氢化物包括固体无水化学氢化物反应物和活化剂。在进一步的具体实施例中，一个或多个传感器测量电能存储设备的功率电平、一 个或多个能源转换器的功率电平、以及与一个或多个能源转换器和电能存储设备相连接的 电负载的功率电平。在又一具体实施例中，传感器还接收一个或多个能源转换器的能源状 态和发电电势。在一具体实施例中，发电电势包括一个或多个能源转换器产生的氢气的测 量气压。在一具体实施例中，电力接口配置成与一个或多个传感器、与电能存储设备和控 制器电连接。在进一步的具体实施例中，电力接口包括一个或多个标准化端口，每一标准化 端口都配置成传输来自与一个或多个能源转换器中的一个相应的可插接连接器的连通信 号和电力。在进一步的具体实施例中，标准化端口将相应的可插接连接器与电力接口可拆 卸地连接起来。在一具体实施例中，控制器判定一个或多个能源转换器的功率电平是否满足电负 载。在进一步的实施例中，控制器确定电能存储设备的功率电平是否满足预定的阈电平。在 又一具体实施例中，根据来自一个或多个能源转换器的功率电平不满足电负载的判定，以 及电能存储设备的功率电平不满足预定的阈电平的判定，控制器增加一个或多个能源转换 器的功率电平。在进一步的具体实施例中，控制器进一步被配置成接收定制的能源转换器 类型定义，并相应于定制的能源转换器类型定义来控制能源转换器。本发明还提供了一种计算机程序产品，用于执行对电能的产生和应用进行管理的 操作。在一具体实施例中，该操作基本上包括前面描述的对混合电力的产生及应用进行管 理的装置的操作步骤。在一具体实施例中，计算机程序产品包括接收来自一个或多个传感器的信号的操 作，该信号包括电能存储设备的功率电平信息，一个或多个氢基能源转换器的功率电平信 息，氢气存储设备的压力级信息，以及电负载的功率电平信息。在又一具体实施例中，计算 机程序产品包括确定来自一个或多个氢基能源转换器的电力是否满足电负载的操作。在进 一步的实施例中，计算机程序产品包括判定电能存储设备的功率电平是否满足预定的阈电 平的操作。在一具体实施例中，根据来自一个或多个能源转换器的电能不满足电负载的判 定，以及电能存储设备的功率电平不满足预定的阈电平的判定，计算机程序产品包括增加 氢气产生设备的氢气产量的操作。在一具体实施例中，计算机程序产品包括根据来自一个或多个氢基能源转换器的电能满足电负载的判定，以及电能存储设备的功率电平满足预定 的阈电平的判定，储存来自一个或多个能源转换器的过剩电能，作为备用能源形式的操作， 还包括根据完全备用的储能装置对电能存储设备充电的操作。在进一步的实施例中，计算 机程序产品包括根据电能存储设备不满足预定的阈电平的判定，对电能存储设备充电的操作。本说明书中提及的特征、优点或类似的措辞并不表示本发明中要实现的所有的特 征和优点应该体现在本发明任一单个具体实施例中。恰当地，涉及这些特征和优点的措辞 应该理解成指结合具体实施例描述的具体的特征、优点或特性，被包含在本发明的至少一 个具体实施例中。因此，整个说明书中，这些特征、优点和类似的措辞的描述可能，但不是必 然的，指的是同一具体实施例。此外，本发明所描述的特征、优点和特性可能在一个或多个具体实施例中以任何 适当的形式组合在一起。本领域的技术人员能够认识到，本发明的某一具体实施例中可能 不具有一个或多个特定的特征或优点。在某些情形下，一些附加特征和优点可能在某些具 体实施例体现出来，但不会体现在本发明的全部具体实施例中。参见下文的描述和后附的权利要求书，本发明的这些特征和优点会变得更加清 晰，或者从本发明下文阐述的实施例中也能领悟到。


为了使得本发明的优点更易于理解，前文简要描述的发明会结合具体实施例进行 更具体的描述，这些具体实施例在附图中有图示。应该理解，这些附图只是本发明的典型的 具体实施例，因此不能被认为是对其范围的限定，本发明将结合附图中更多的特征和细节 来描述和解释，其中图1是本发明提供的管理混合电力的产生及应用的系统的一具体实施例的示意 方框图；图2是本发明的控制器的具体实施例的示意方框图；图3是本发明提供的管理混合电力的产生及应用的方法的一具体实施例的流程 图表；以及图4是本发明提供的管理混合电力的产生及应用的方法的又一具体实施例的流 程图表；
具体实施例方式为了突出强调多个功能单元的独立运行性能，说明书中描述的这些功能单元被标 记为模块。例如，模块可能作为硬件电路运行，其包括定制VLSI电路或门阵列，成品半导 体，例如逻辑芯片、晶体管或其他的分立元件。模块也可能在可编程硬件设备中运行，这些 设备例如字段可编程门阵列、可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件等等。模块也可能通过各种型式的处理器在软件中运行。可执行程序代码的识别模块可 包含，例如一个或多个计算机指令的物理或逻辑单元，其可以表现为对象、程序或功能。不 过，识别模块的执行不必在物理上位于一起，而是可以包括储存在不同位置处的不同指令， 当它们逻辑上连接起来时，构成了该模块，并达到模块的设定目的。
需要时，可执行程序代码的模块可以是单一指令，也可以是多个指令，甚至可以分 布在几个不同的代码段中、在不同的程序中、以及多种电脑可读介质中。同样地，此处模块 内的运行数据能够被识别并被说明，还可以任何适宜的形式体现出来，在数据结构的任何 适当的类型中被组织起来。运行数据可以作为单个数据集收集起来，也可以在包括不同的 存储设备在内的不同位置处分布，还可以至少一部分仅仅作为系统或网络上的电子信号而 存在。在软件中的模块或部分模块运行的地方，软件部分贮存在一种或多种电脑可读介质 中。整个说明书所提及的“一具体实施例”、“具体实施例”或类似的措辞指的是与具体 实施例结合在一起描述的具体的特征、结构或特性，被包含在本发明的至少一个具体实施 例中。这样，整个说明书中，语句“在一具体实施例中”、“在具体实施例中”和类似的措辞可 能，但不是必然的，都是指同一具体实施例。查看电脑可读介质可以采取任何一种能够存储机器可读指令的形式，这些指令存 储在数字处理设备上。电脑可读介质可以体现为高密度磁盘、数字化视频光盘、磁带、伯努 利驱动、磁盘、穿孔卡、闪存、集成电路、射频识别(RFID)或其他的数字处理设备存储器件。此外，本发明所描述的特征、结构和特性可能在一个或多个具体实施例中以任何 适当的形式组合在一起。在下面的描述中，提供了众多的细节，例如程序的实例、软件模块、 用户选择、网络交易、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等等，以有助 于彻底理解本发明的具体实施例。然而，本领域技术人员会认识到，本发明即使没有一个或 多个上述细节，通过其他的方法、组件、材料等等，也能实施。在某些情形中，众所周知的结 构、材料或操作未做详细显示或描述，以免模糊了本发明的主要方面。图1描绘了一个旨在平衡混合电力的产生及应用的系统100的具体实施例。在一 具体实施例中，系统100包括一个或多个非燃料基能源转换器102、一个或多个燃料基能源 转换器104、一个或多个电能存储设备130和一电力控制系统106。在一具体实施例中，一个或多个非燃料基能源转换器102将一种或多种非燃料基 能源转换为电力。非燃料基能源可以包括太阳能108、风能112、地热能、波能、水能及其他 自然的、免费的非燃料基能源。非燃料基能源转换器102可以包括光伏电池110、风轮机 114、水轮机(未图示)、地热蒸汽轮机(未图示)、太阳聚光器/集电器(未图示)、余热发 电机(未图示)等等。在一具体实施例中，系统100配置成可移动的，并且一个或多个非燃料基能源转 换器102为物理模块，这样，一个或多个非燃料基能源转换器102中的每一个都既可以从 系统100中拆离，又可以再加入到系统中。一个或多个非燃料基能源转换器中的每一个都 可以包括机械式连接器，其配置成将非燃料基能源转换器102可拆卸地连接到系统100上 (例如通过如下所述的能源接口)。例如，光伏电池110可以包括连接臂等等，其将光伏电 池110可拆卸地安装在系统100上。连接臂可以人工地或自动地进行调节，这样，光伏电池 110可基本上独立于系统100的位置，调节至位于最佳发电效率的位置。在一具体实施例中，一个或多个传感器116，例如方向传感器、日光传感器、风力传 感器等等，向电力控制系统106发送信号，允许电力控制系统106让一个或多个非燃料基能 源转换器102中的一个或多个到位，或非燃料基能源转换器102的一部分到位，例如太阳能 集电器。机械式连接器可以包括一标准化通信和电力输送接口，如下所述，与动力/能源接口 158连接。在进一步的具体实施例中，一个或多个非燃料基能源转换器102中的一个或 多个配置成可移动的，还可以包括一折叠结构。具有折叠结构的非燃料基能源转换器102 的实例包括光伏电池110，其具有两个或多个折叠在一起的面板，或包括风轮机114，其具 有折叠的涡轮臂等等。在一具体实施例中，非燃料基能源转换器102包括一个或多个传感器116。在一具 体实施例中，一个或多个传感器116可包括监控非燃料基能源转换器102产生的电压和/ 或电流的电气传感器。在一具体实施例中，电压或电流之一具有一实质上已知的常数值，而 一个或多个传感器116测量另一个未知的数值。测定值可能是电压，也可能是电流。有了 已知的常数值和测定值，控制器154使用已知值和来自一个或多个传感器116的测定值，可 以计算非燃料基能源转换器102的电输出功率。在又一具体实施例中，一个或多个传感器 116可包括一个或多个能源传感器，例如日光传感器、风速传感器、水流速度传感器、温度传 感器等等，它们用来测量非燃料基能源的能源状态。一个或多个传感器116可与电力控制 系统106连接，一个或多个传感器116将通信信号发送到电力控制系统106，这些信号包括 非燃料基能源转换器102的功率电平信息，例如温度、速度、电压、电流等等。在一具体实施例中，燃料基能源转换器104将一种或多种燃料基能源118、122转 换为电力。燃料基能源118、122可以包括碳氢化合物，例如汽油、柴油、煤油、丙烷、天然气、 煤等等；铀或其他的核能；氢气或氢气源，例如氢化物、碳氢化合物和水；生物质燃料；及其 他燃料基能源。燃料基能源转换器104可包括一个或多个燃料电池系统120，例如质子交换 膜(PEM)燃料电池或固体氧化物(S0FC)燃料电池，微型汽轮机系统124、氢重整装置设备 (未图示)、氢电解系统(未图示)、碳氢化合物或氢气基发电机(未图示)，例如内燃机发 电机，等等。燃料基能源转换器104能够在产生电能之前进行多重转换。例如，燃料基能源 转换器104能从燃料基能源118、122，例如化学氢化物、碳氢化合物、水等等中生成燃料。在 一具体实施例中，生成的燃料源可以是氢气，且燃料基能源转换器104能够进行二次转换， 将氢气转换为电能。在一具体实施例中，系统100配置成可移动的，并且一个或多个非燃料基能源转 换器104为物理模块，这样，一个或多个非燃料基能源转换器104中的每一个都既可以从系 统100中拆离，又可以再加入到系统中。一个或多个燃料基能源转换器104中的每一个可 包括一机械式连接器，其配置成将燃料基能源转换器104可拆卸地连接到系统100上。机 械式连接器可以包括标准化通信和动力输送接口，如下所述，与动力/能源接口 158连接。 在进一步的具体实施例中，一个或多个燃料基能源转换器104中的一个或多个配置成可移 动的。燃料基能源118、122可向燃料基能源转换器120、124直接提供主要燃料，或者燃 料基能源118、122可向转换子系统128提供一种或多种次要燃料，用于通过燃料基能源转 换器120、124转换为主要燃料。例如，燃料基能源118可包括增压氢气储罐，用来直接向燃 料电池系统120供应氢气流或者主要燃料。可选地，燃料基能源118可包括化学氢化物、 水、天然气、生物柴油或其它的次要燃料，而转换子系统128可包括转换器，例如重整设备、 电解系统等等，将次要燃料源转换为氢气，这样，燃料电池系统120或者其它的燃料基能源 转换器124(例如内燃机)可以用来产生电能。在一个或多个燃料基能源118、122包括次要燃料的具体实施例中，燃料基能源118、122还包括备用储能装置119。备用储能装置119可以存储多余的主要燃料或势能，便 于以后转换为电能。势能存储的实例包括储热、储汽、提升诸如水之类的物体、卷绕弹簧或 其他的势能存储，都可以应要求由燃料基能源转换器104和/或非燃料基能源转换器102 转换成电能。备用储能装置119通过允许将非燃料基能源转换器102和/或燃料基能源转 换器104生产的过剩电能储存为主要燃料和/或势能，避免了被浪费，从而提高了系统100 的效率。在一具体实施例中，燃料基能源转换器104包括一个或多个转换器子系统128。每 一转换器子系统128可以接收来自电力控制系统106的控制信号。转换器子系统128可以 包括空气泵、水泵、冷却风扇、电磁阀、电子开关等等，其影响着燃料基能源转换器120、124 将次要燃料转换为主要燃料的转化率，或燃料基能源转换器120、124产生电能的比率。例 如，转换器子系统128包括将空气泵送入燃料电池系统120燃烧来产生电能的变速空气泵， 将水泵送入氢化物中来促成燃料电池系统120产生氢气的水泵，安装在燃料源118、122上 的阀门，等等。在一具体实施例中，根据所使用的燃料基能源118、122，每一燃料基能源转换器 104包括一内在的转换滞后。燃料基能源转换器104配置成通过转换器子系统128将次要 燃料转换为主要燃料，并将主要燃料转换为电能，由此所产生的转换滞后会比燃料基能源 转换器104配置成直接使用主要燃料所产生的转换滞后更大。转换滞后包括电力控制系统106向燃料基能源转换器104发送控制信号时起，直 到燃料基能源转换器104输出电能返回控制信号为止的这一段时间。控制信号可以是启动 信号、关闭信号、电能增减信号或其它的控制信号。转换滞后可以包括发电时间、燃料基能 源转换器120、124将主要燃料转换为电能花费的持续时间，或者转换滞后可以既包括发电 时间，又包括能源转换时间，燃料基能源转换器120、124与一个或多个转换器子系统128联 合将次要燃料转换为主要燃料、又将主要燃料转换为电能花费的持续时间。在一具体实施例中，燃料基能源转换器104包括氢气燃料源118和氢燃料电池系 统120。如上述实例所述，氢气源118可以存储氢气，或者氢气源118可以包括一个或多个 氢气的来源，例如氢化物、水、碳氢化合物，等等。在一具体实施例中，氢燃料电池系统120 包括一个或多个重整设备(即转换器子系统128)，其将天然气或其他的碳氢化合物从氢气 源118转换为氢气。在进一步的具体实施例中，氢气转换器子系统128采用电解方法来分 解含氢化合物，例如来自氢气源118的水，以释放氢气供燃料电池系统120使用。在一等效 的具体实施例中，燃料电池系统120直接从氢气源118中使用氢气，以产生电能。在又一具体实施例中，氢气转换器子系统128使用来自氢气源118中的水和化学 氢化物来产生氢气。在进一步的具体实施例中，氢气转换器子系统128将液体，例如水，引 入到液体可渗透的小袋中，小袋具有一个或多个孔洞，包含固体反应物，例如，固体无水化 学氢化物。在又一具体实施例中，固体反应物还可以包括固体无水活化剂，以促进水和反应 物之间的反应。在一具体实施例中，化学氢化物被认为当它与水或其他的氧化剂发生反应 时，还原了产生氢气的含氢化合物。申请日为2007年7月26日的美国专利申请序列号11/829,019公开了一个从化 学氢化物中产生氢气的系统的具体实施例，包括小袋、化学氢化物和活化剂，文献的内容在 此全部被结合作为参考。化学氢化物包括有机化合物或无机化合物。非限制性的，化学氢
11化物的实例包括硼氢化钠、硼氢化锂、氢化铝锂、氢化锂、氢化钠和氢化钙。在一具体实施例中，燃料基能源转换器104包括微型汽轮机燃料源122和微型汽 轮机系统124。在一具体实施例中，微型汽轮机系统124是氢气微型汽轮机，且微型汽轮机 燃料源122基本上类似于氢气源118。在又一具体实施例中，微型汽轮机系统124是天然气 微型汽轮机或其它的碳氢化合物微型汽轮机，且微型汽轮机燃料源122是天然气或其他的 碳氢燃料源。微型汽轮机系统124也可配置成发电机组，利用微型汽轮机系统124产生的 余热生产电能。如上所述，燃料基能源转换器104包括转换器子系统128，例如氢重整装置 设备(未图示)、氢气电解设备(未图示)、碳氢化合物发电机(未图示)或其他的燃料基 能源转换器104。在一具体实施例中，非燃料基能源转换器102向燃料基能源104供应电能。燃料 基能源转换器120、124和转换器子系统128使用来自非燃料基能源转换器102的电能，将 次要燃料转换为主要燃料，例如通过电解将液态水转换为氢气。在又一具体实施例中，非燃 料基能源转换器102和燃料基能源转换器104两者都向电力控制系统106供应电能，为系 统100提供动力并传输给电负载166。在一具体实施例中，燃料基能源转换器104包括一个或多个能源传感器126和一 个或多个能源转换器传感器127。一个或多个能源传感器126可包括压力传感器、重力传 感器、容量传感器、计数器、流量传感器、高度传感器、浮力计或其他的传感器，它们用来测 量燃料基能源118、122的能源状态。在一具体实施例中，能源传感器126监控燃料基能源 118,122的燃料充满或不足的状态。所使用的能源传感器126的类型取决于燃料基能源 118,122的类型。例如，如果燃料基能源118、122是压缩氢气，那么能源传感器126可为氢 气压力传感器。在具体实施例中，燃料基能源118、122供应次要燃料源，例如化学氢化物、碳氢化 合物或水，能源传感器126可位于转换器子系统128的后部。同样地，所使用的能源传感器 126的类型取决于转换器子系统128的类型。例如，当燃料基能源118、122为水，转换器子 系统128为将水转换为产出氢气的电解系统时，能源传感器126则可为氢气流速传感器、氢 气压力传感器或两者的组合。一个或多个传感器127可以包括监控由燃料基能源转换器120、124产生的一个或 多个电压和/或电流的电气传感器。一个或多个能源转换器传感器127包括一个或多个温 度传感器、压力传感器或其他的运行数据或安全传感器。能源传感器126和能源转换器传 感器127可与电力控制系统106连接，能源传感器126和能源转换器传感器127将通信信 号发送到电力控制系统106，这些信号包括一个或多个燃料基能源转换器104的功率电平 信息，例如温度、速度、电压、电流、压力等等。在一具体实施例中，根据一个或多个能源转换器传感器127和一个或多个能源传 感器126的读数，系统100保持所产生燃料的压力、体积、流速、温度等等位于基本恒定的 水平。为了保持传感器读数位于基本恒定的水平，系统100平衡能量的消耗，例如，由燃料 基能源118、122供应燃料的燃料电池系统120中氢燃料的消耗，通过增加燃料基能源118、 122释放的燃料，通过增加次要燃料经由转换器子系统128转换为主要燃料的转换量，或当 与系统100相连的电负载166的电力需求基本上被满足时，通过增加来自电能存储设备130 的电力释放，来保持传感器读数水平基本上恒定。类似的，根据电负载166的要求，系统100
12可保持传感器读数位于动态水平。系统100提供两种平衡。第一种平衡为电能的平衡，电能由一个或多个非燃料基 能源转换器102供应，由一个或多个燃料基能源转换器104供应，和由一个或多个电能存 储设备130供应，电能传输给与系统100相连的电负载166。根据监控到的电负载166的 变化，通过在非燃料基能源转换器102、燃料基能源转换器104和一个或多个电能存储设备 130两两之间进行转换，和/或通过操纵燃料基能源转换器104产生的电能的数量，可以平 衡电能的供应。第二种平衡在燃料基能源转换器120、124，非燃料基能源转换器102和一个或多 个转换器子系统128之间进行。控制器104利用来自能源传感器126和能源转换器传感器 127的数据，来确定如何最佳地应用可用能量，而不用区分能源的类型。能源的类型可以是 太阳能、机械能(例如风能、波能等等)和化学能，例如像氢气之类的主要化学能源，像化学 氢化物、电解水、光解作用、热分解作用等等的次要化学能源，以及待转化的碳氢化合物。控制器104处理来自能源传感器126和能源转换器传感器127的数据，然后确定 是否开启某些开关或阀门，或启动某些泵和/或子系统，以便酌情利用这些可用的非燃料 基能源、主要燃料源、次要燃料源及其他第三级燃料源。例如，假设系统100具有非燃料基 能源转换器102，例如光伏电池110、燃料电池系统120、微型汽轮机系统124和一个或多个 电能存储设备130，如电池。控制器104对来自能源传感器126、能源转换器传感器127和 电负载166的数据进行评估。在该实例中，控制器104确定负载166的需求很低，光伏电池 110的电力输出很高，但电池130是充满电的。于是，为了充分利用可用能量，控制器104会 启动转换器子系统128，以通过电解从水中产生氢气，并(通过开启泵等等)将产生的氢气 存储在可容置氢气的备用储能装置119中。通过这种方式，非燃料基能源、主要燃料源、次 要燃料源及其他第三级燃料源被尽可能高效地利用。类似地，在某情形中，负载166增加或持续了很长一段时间，控制器104检测到能 源传感器126中的变化，表明如果没有其他的非燃料基能源转换器102和/或燃料基能源 转换器104联网来增加当前的电力供应，那么当前的电力供应不能持续。控制器104可利 用能源传感器126的阈值，这样，在转换滞后带来的冲击负面影响电力供应的平稳之前，转 换器104、102和潜在地转换器子系统128形成联网。对负载166的短期峰值需求可通过利 用电能存储设备130来克服。在一具体实施例中系统100包括电力控制系统106。通常，电力控制系统106监控 来自传感器116、126、127的通信信号，在一个或多个燃料基能源转换器104产生的电能和 电能存储设备130存储的电能之间，平衡传输给电负载166的电能，这样，电能的供应满足 电负载166，然后控制一个或多个转换器子系统128，这样，来自传感器116、126、127的通信 信号满足一个或多个预定的阈值。系统100利用燃料基能源转换器104、非燃料基能源转换器102和电能存储设备 130平衡电负载166。在一具体实施例中，通过控制供应给化学氢化物的水，使得使用来自 化学氢化物的氢气的燃料电池系统120产生出负载166正好需要的电力数量，来完成这一 过程。如果化学氢化物转换器128和燃料电池系统120具有转换滞后，或不能输送电负 载166要求的电量，那么控制器154进行补偿，以改进系统100的动态(瞬态)反应，提供即时的反应应对来自负载166、非燃料基能源转换器102和/或燃料基能源转换器104的变 化。有时，如果来自非燃料基能源转换器102和/或燃料基能源转换器104的电力不足，控 制器154从诸如电池之类的电能存储设备130中提取能量，电能存储设备130像水库一样 存入来自燃料基能源转换器104的过剩的能源并补偿电力短缺。此外，系统100可通过将 水供应到化学氢化物等等中，增加燃料基能源转换器104的输出电能，来充满像电池这样 的电能存储设备130，以便总是可获得某一数量的电力。在一具体实施例中，电力控制系统106包括一个或多个电能存储设备130。在一具 体实施例中，电能存储设备130是可充电的，并当部分电能未被负载166使用时，或者负载 166已经断开后，利用过剩的电能和停工期间的燃料，通过非燃料基能源转换器102和/或 燃料基能源转换器104进行充电。在系统100的启动循环期间和在燃料基能源转换器104 的转换滞后期间，电能存储设备130提供瞬时功率给负载166。这就意味着，连接到系统100 的负载166具有瞬时功率，而且不用再必须在得到电能之前等待燃料基能源转换器104的 转换滞后。在一具体实施例中，一个或多个电能存储设备130与烯料基能源转换器104并行 连接在一起，并用来削平燃料基能源转换器104的负载166，这样，根据负载166，燃料基能 源转换器104可以在它们最有效的功率电平上运行，而不会频繁改变它们的输出功率。电 能存储设备130能够在负载166的电功率曲线出现峰值期间，和在启动后的转换滞后期间 或者电力需求变化期间，补充燃料基能源转换器104产生的电力，电能存储设备130可选自 由电池、电容器、大型电容器、超级电容器及其他能够存储电能的设备中组成的群，其中电 池包括例如密封的铅酸电池、锂离子(Li-ion)电池、镍金属氢化物(NiMH)电池、或者各种 可充电电池。在一具体实施例中，电能存储设备130选用的能源容量大于补充燃料基能源 转换器104所必需的容量，以避免电能存储设备130的深度循环，从而延长电能存储设备 130的使用期限。在又一具体实施例中，非燃料基能源转换器102也与燃料基能源转换器 104和一个或多个电能存储设备130电连接，而不是向燃料基能源118、122提供电能。在一具体实施例中，非燃料基能源转换器102、燃料基能源转换器104和电能存储 设备130都与动力/能源接口 158电连接。在进一步的具体实施例中，非燃料基能源转换 器102、燃料基能源转换器104和电能存储设备130也可通过一个或多个可插接的连接器与 动力/能源接口 158可拆卸地连接。在一具体实施例中，动力/能源接口 158包括一个或 多个转换器端口 160、一个或多个电气存储器端口 162和动力输出端口 164。在一具体实施 例中，一个或多个转换器端口 160和/或电气存储器端口 162具有标准化通信和动力输送 接口。此外，非燃料基能源转换器102、燃料基能源转换器104和/或电能存储设备130都 配置成执行标准化通信和动力输送接口。在一具体实施例中，如上所述，相对于一个或多个 非燃料基能源转换器102和一个或多个燃料基能源转换器104，标准化通信和动力输送接 口与机械式连接器成一整体，并且将相应的可插接连接器可拆卸地连接到动力接口上。标准化通信和电力输送端口和用于不同类型的非燃料基能源转换器102、燃料基 能源转换器104和/或电能存储设备130中的可插接的连接器接口给系统100提供了模块 化的、可定制的结构，并且允许其他类型的转换器和/或能量储存设备添加到系统100中或 从中去除。模块化的、可定制的结构也允许系统100按比例扩展，从小型的可移动系统到大 型的家用或商用系统，并允许终端用户连接组件，而不会危害系统100。
在一具体实施例中，一个或多个转换器端口 160的通信接口和/或电存储器端口 162允许电力控制系统106接收来自传感器116、126、127、131的信号，和/或接收转换器类 型信息。转换器类型信息识别能源转换器和/或与一个或多个转换器端口 160和/或电存 储器端口 162相连的能量储存设备的具体类型。转换器类型信息的实例包括转换器类型标 识符、能源转换器类型定义标识符、能源转换器类型定义，等等。能源转换器类型定义将结 合控制器154在下文做更详细的描述。在一具体实施例中，一个或多个转换器端口 160和/或电存储器端口 162的动力 输送接口允许电能传输到动力/能源接口 158，并通过功率输出端口 164输送至电力控制系 统106的其余元件。在一具体实施例中，动力/能源接口 158包括一个或多个开关或其他 的电气接通/转换设备，例如，晶体管、二极管、继电器、转换器，等等，转换器为如下面所述 的对直流(DC)-直流变换器132，它们通过控制器154进行控制，进入平衡、接通、转换等等 状态，来管理来源于非燃料基能源转换器102、燃料基能源转换器104和/或电能存储设备 130的电能。在一具体实施例中，一个或多个非燃料基能源转换器102和/或燃料基能源转 换器104产生交流电(AC)电能，而一个或多个转换器端口 160配置为接收交流电电能。例 如，涡轮基能源转换器，如风轮机114，在产生交流电电能方面更有效率。在又一具体实施例中，电能存储设备130包括以并行结构直接连接到燃料基能源 转换器104的电容器，和位于直流_直流变换器132或者其他的电气设备之后的以并联形 式间接地连接到燃料基能源转换器104的电池组或其他的储能设备130。在一具体实施例 中，电力控制系统106连接电能和控制信号，与系统100的传感器、阀门及其他组件连通。在 一具体实施例中，电力控制系统106包括一个或多个电压和电流传感器131、直流-直流变 换器132、断路器134、接地故障断路器(GFCI)装置136、电子开关138、直流电插座140、交 流电换流器142、交流电插座144、断路器开关146、接地故障断路器开关148、显示器150、键 区152、控制器154和计算机通信接口 156。在一具体实施例中，电压和电流传感器131配置成测量电能存储设备130的两电 极的电压和电流中的至少一个。电力控制系统106利用电能存储设备130的两电极处的电 压和/或电流，来确定电能存储设备130的电量水平/功率电平。根据电压和电流传感器 131的测量值，电力控制系统106确定是否对电能存储设备130充电，是否在电能存储设备 130提取能量以补充或代理燃料基能源转换器104和/或非燃料基能源转换器102。电力 控制系统106也可将电能存储设备130的动力状况提供给用户。在一具体实施例中，直流-直流变换器132配置成将燃料基能源转换器104电路 和/或非燃料基能源转换器102直流产生部件的可变电压转换成基本上恒定的电压。在一 具体实施例中，来自燃料基能源转换器104电路和/或非燃料基能源转换器102的交流电 产生部件的电力并联通过直流-直流变换器132。在一具体实施例中，基本上恒定电压为一 标准电压，例如，5伏特、9伏特、12伏特、14伏特、24伏特等等。在一具体实施例中，直流-直 流变换器132为一开关转换器，例如，拉式(buck)、推式(boost)、拉-推式(buck-boost)、 反转式(inverting)、前进式、回扫式(flyback)、推挽式(push-pull)、半桥、全桥、Cuk式 (Cuk)或SEPIC式直流-直流变换器。在进一步的具体实施例中，直流-直流变换器132包 括调压器。通常，开关式直流-直流变换器的使用产生的功率损耗比调压式直流-直流变换 器的更少。直流-直流变换器132提供电能给系统100的电气部件，以及给与系统100相连的电负载166。在进一步的具体实施例中，直流-直流变换器132与动力/能源接口 158 成一整体。在一具体实施例中，响应于电力过载或电路短路，断路器134切断电路。如果电负 载166要求的电流比系统100可以提供的电流更多，电路中就会发生过载。在一具体实施 例中，断路器134的额定值取决于系统100的发电能力。在一具体实施例中，断路器134为 一标准额定的断路器，额定为电力控制系统106的电流电平。在一具体实施例中，断路器开 关146配置成在断路器134断开电路之后重新设定断路器134。在一具体实施例中，响应于电路的漏电，接地故障断路器装置136断开电路。接地 故障断路器装置136可以比断路器134更快地断开电路。接地故障断路器装置136配置成 检测进入电路的电流的数值与退出电路的电流的数值间的差值，指示是否有漏电或通向地 面的独立的通路。在一具体实施例中，接地故障断路器装置136能检测出像4或5毫安这么 小的电流失配，也可以对电流失配尽快地再动作，三十分之一秒即可。在一具体实施例中， 接地故障断路器开关148配置成在接地故障断路器装置136断开电路后，为接地故障断路 器装置136重置。在一具体实施例中，电子开关138断开来自电能的负载166，而不断开电路的其余 部分。在一具体实施例中，在用户启动系统的电力下行阶段后，电子开关138断开负载166。 在停机状态，系统100可启动电子开关138，并断开负载166，继续产生电力，给电能存储设 备130充电，并使用燃料基能源118、122产生的过剩燃料。在一具体实施例中，直流电源插座140为给直流装置输出电力提供了一个或多个 插座或插头接口。在一具体实施例中，直流电功率具有标准化的直流电压。在一具体实施 例中，标准化的直流电压大约9-15伏特。在进一步的具体实施例中，直流电源插座140为 一"点烟器"式的插头，类似于许多汽车中的直流电源插座。在一具体实施例中，交流电换流器142从直流-直流变换器136将直流电源转换 为交流电源。在一具体实施例中，交流电换流器142将直流电源转换为具有标准交流电压 的交流电源。标准的交流电压可根据地区或系统100的使用情况进行选择。在一具体实施 例中，标准的交流电压大约110到120伏特。在又一具体实施例中，标准的交流电压大约 220到240伏特。在一具体实施例中，交流电换流器142将直流电源转换为具有标准频率的 交流电源，例如50赫兹或60赫兹。标准频率也可以根据地区或拟使用的情况进行选择，例 如16. 7赫兹或400赫兹。在一具体实施例中，交流电插座144提供一个或多个插座或插头接口，提供来自 交流电换流器142的交流电源到交流电装置。在一具体实施例中，交流电插座144根据地 理区域，被配置为标准的交流电插座。交流电插座144也可以包括多种交流电插座，或设置 于整个房间或建筑物的交流电插座系统，在一具体实施例中，显示器150配置成向用户传送信息。显示器150可以是液晶显 示器0XD)、发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(0LED)显示器、阴极射线管(CRT) 显示器或其它能够发信号给用户的显示装置。在一具体实施例中，显示器150配置成向用 户传送出错信息。在进一步的具体实施例中，显示器150配置成向用户传送电能存储设备 130的所存储能源的数值。在又一具体实施例中，显示器150配置成向用户传送燃料基能源 118、122的使用状况。
在一具体实施例中，键区152配置成接收用户的输入。在一具体实施例中，用户为 技术人员，并且键区152配置成便于技术人员进行诊断或调试系统错误。输入可以配置成 向系统100发信号开始一启动或关机阶段，导航信息、选项、或显示在显示器150上的菜单， 发送用户选定的菜单项的信号，或向系统100传送出错信息、调试信息或其他的信息。键区 152包括一个或多个键、数字小键盘、按钮、鼠标等等。在一具体实施例中，控制器154配置成控制一个或多个系统100的组件。控制器 154将结合图2和图3进行更详细的描述。通常，控制器106监控来自传感器116、126、127、 131的通信信号，在一个或多个燃料基能源转换器104产生的电能和一个或多个电能存储 设备130存储的电能之间，平衡传输给电负载166的电能，这样，电能的供应基本上满足电 负载166，然后控制一个或多个转换器子系统128，这样，来自传感器116、126、127、131的一 个或多个通信信号满足一个或多个预定的阈值。控制器154可以是集成电路，例如微型处 理器、专用集成电路(ASIC)、字段可编程门阵列(FPGA)、嵌入式控制器等等和相关的控制 电路。控制器154与非燃料基能源转换器传感器116、燃料基能源传感器126、燃料基能源 转换器传感器127、转换器子系统128、电力传感器131、显示器150、键区152、动力/能源接 口 158和/或系统100的其他的组件均连通。在一具体实施例中，控制器154使用控制总线对系统100的各个组件进行连通。控 制总线可以是一个或多个导线，或其它传播介质，以串联或并联方式提供控制命令和数据。 控制器154可以利用数字的或模拟的通信系统与总线连通。控制器154监控并使系统效率 和系统安全最优化，如下文结合图2和图3所述。在一具体实施例中，控制器154存储记录 里的一个或多个系统状况信息、性能数据或统计数值，用户利用显示器152或计算机通信 接口 156可以对其进行访问。在一具体实施例中，控制器154及其他电路的位置可以防止 系统100内的水引起的短路和起火。在一具体实施例中，例如，控制器154及其他电路的位 置接近系统100的顶部。在一具体实施例中，控制器154进一步配置成接收定制的能源转换器类型定义。 在进一步的具体实施例中，控制器154利用来自定制的能源转换器类型定义的信息控制与 定制的能源转换器类型定义相应的能源转换器。与定制的能源转换器类型定义相应的能源 转换器类似于非燃料基能源转换器102、一个燃料基能源转换器104，也可以是不同的或新 的能源转换器类型。在一具体实施例中，定制的能源转换器类型定义限定了一种用于控制器154的能 源转换器，这样，系统100就是可定制的、可改进的且可升级的。例如，系统100包括一个或 多个默认的能源转换器类型定义，这样，当它们与一个或多个转换器端口 160相连时，电力 控制系统106可以控制一组默认的能源转换器类型的各部件。制造商、用户、技术人员、安 装人员等等限定一个或多个定制的能源转换器类型，当它们与一个或多个转换器端口 160 相连时，使电力控制系统106控制其他的能源转换器类型。在一具体实施例中，能源转换器类型定义包括优先级信息、通信信号/传感器信 息、转换器默认设置值或信息、电流、电压、功率电平、能级或其他的信息，使得控制器154 与能源转换器或与能源转换器类型定义相当的能量储存装置进行连通并对其进行控制。在 一具体实施例中，控制器154配置成确定一种能源转换器，其根据来自能源转换器和能源 转换器类型定义的信号，插入转换器端口 160的一个端口中。在一具体实施例中，控制器
17154可以接收通过上述的系统总线过来的来自计算机通信接口 156、或来自其它模块、系统 或装置、或经由其他通信接口而来的定制的能源转换器类型定义。在一具体实施例中，计算机通信接口 156配置成控制器154与电脑或其他的电子 设备的接口。计算机通信接口 156包括一个或多个端口、终端、适配器、插座或插头，例如串 行端口、以太网端口、通用串行总线(USB)端口或其他的通信端口。在一具体实施例中，电 脑可以使用计算机通信接口 156来获取系统日志、性能数据、系统状况，修改系统设置值， 或编制控制器154的程序。图2描述了控制器200的一个具体实施例。在一具体实施例中，控制器基本上类 似于图1的控制器154。控制器200包括监控模块202、判断模块204和调节模块206。在一具体实施例中，监控模块202接收来自能源传感器126、能源转换器传感器 116、127和/或电力传感器131的通信信号。如上所述，通信信号包括来自传感器116、126、 127、131的读数，例如压力、温度、电压、电流、速度等等，这些读数包括非燃料基能源转换器 102、燃料基能源转换器104、电能存储设备130和/或与系统100相连的电负载166的功率 电平信息。在又一具体实施例中，通信信号进一步包括能源的填充状态、能源转换器的次要 燃料转换为主要燃料的状态、能源转换器的发电状态、储能装置的电力状态，等等。在又一具体实施例中，通信信号包括安全信息，例如燃料泄漏的检测、电力过电流 数据或电力低电流数据等等。在一具体实施例中，每一传感器116、126、127、131都与多种 微处理器相连。微处理器通过控制总线，例如，串行外围接口(SPI)总线，与监控模块202 相连通。在一具体实施例中，判断模块204比较各通信信号，以确定来自非燃料基能源转 换器102和/或燃料基能源转换器104的电能是否满足电负载166。在进一步的实施例中， 判断模块204进一步确定电能存储设备130的功率电平是否满足预定的阈电平。判断模块 204可以在由一个或多个非燃料基能源转换器102、一个或多个燃料基能源转换器104产生 的电能和/或电能存储设备130存储的电能之间，平衡传输给电负载166的电能的供应。判 断模块204还可平衡来自其他供应源的电能，例如市政电力。判断模块204根据监控模块 202接收的通信信号，电负载166的电能需求，和/或能源转换器102、104和/或电能存储 设备130的优先请求来平衡电能的供应。在一具体实施例中，判断模块204管理非燃料基能源转换器102、燃料基能源转换 器104和一个或多个备用储能装置119之间的动力/能源的生产。本领域技术人员认识 到，备用储能装置119包括化学制品装置，例如，电池、氢气供应器、化学氢化物、可燃液体 燃料、储热器、蒸汽、弹簧或发条，提升水槽，等等。在一具体实施例中，判断模块204使用来自一个或多个能源传感器126的数据，作 为决定因素，来控制是否改变一个或多个燃料基转换器120、124，一个或多个转换器子系统 128的运行速度，或是向一个或多个储能装置103中储存或是从中提取动力/能源。举例来说，假定系统100的实例包括燃料基能源转换器102，例如燃料电池系统 120。系统100的实例包括转换器子系统128，例如通过增加可控制的水量将化学氢化物转 换为氢气的系统。系统100的实例包括一个或多个电能存储设备130，例如锂离子电池。控 制器104对来自能源传感器126、能源转换器传感器127和电负载166的数据进行评估。在 这一实例中 判断模块204，根据来自氢气压力传感器的输入信息，可以确定转换器子系统128所生产的氢气比当前要得到来自燃料电池系统120的电力输出所需要的更多，和/或比 满足电负载166所需要的更多。这可以通过氢气压力超过某一阈值而显示出来。所设定的 阈值可设定成表明系统的不同部件的某些转换滞后。在又一具体实施例中，判断模块204 可根据来自能源转换器传感器116、127的电流和/或电压或其他的功率电平/能源量级信 息，做出这样的判定。于是，为了利用增加的氢气，判断模块204可增加燃料电池系统120的电力生产定 额。而且，判断模块204可将燃料电池系统120生产的电力转移到一个或多个电能存储设 备130上。此外，如果电能存储设备130已经被充满了，判断模块204可将转换器子系统 128生产的氢气转移到氢气存储装置119(即，氢气储罐)中，例如，通过打开子系统转换器 128和氢气储罐119之间的阀门，和/或启动泵来将过剩的氢气送入氢气储罐119中。此 外，判断模块204可减少泵送入化学氢化物转换器子系统128中的水量，以减少所产生的氢 气的量，或将燃料电池系统120产生的过剩的电能转移到氢气或其他的燃料或势能的生产 中，用于存储在备用储能装置119中。通过这种方式，非燃料基能源、主要燃料源、次要燃料源及其他第三级燃料源、转 换器子系统128和电能存储设备130被尽可能高效地利用。根据本说明书，结合上述的系 统示例，本领域技术人员能够认识到，所有需要更多电力来满足负载166的情形，都可以应 用判断模块204的运行模式。类似地，根据本说明书，本领域技术人员能够认识到，如何去 应用这样的概念，即响应于互相联合的一个或多个能源传感器126和一个或多个能源转换 器传感器127，来调节非燃料基能源、主要燃料源、次要燃料源、及其他第三级燃料源、转换 器子系统128、和电能存储设备130的投入产出。在一具体实施例中，电能存储设备130具有能够基本上满足电负载166至少十二 小时内的功率消耗的存储容量。有了这一存储容量，非燃料基能源转换器102和/或燃料 基能源转换器104可配置成输出电能的数量满足电负载166的平均功率消耗，但是小于满 足电负载166的峰值功率消耗所需要的数量。这就提高了系统100的整体效率，降低了系 统100的总体支出。判断模块204可主动或被动平衡电能的供应。例如，每一燃料基能源转换器104 和电能存储设备130都可以并行结构进行电连接，这样，判断模块204通过控制电能产生的 多少在两者之间被动平衡传输给电负载166的电能。判断模块204在高负载时和转换滞后 期间消耗电能存储设备130，而在低负载时对电能存储设备130充电，由此平衡电能。在一 具体实施例中，判断模块204通过操作动力/能源接口 158的开关、转换器等等主动平衡电 能的供应。判断模块204可通过控制转换器子系统128来控制燃料基能源转换器104所提供 的电能。例如，有了化学氢化物转换器子系统128，判断模块204可调节加入到化学氢化物 中的水的额度。根据电负载166的要求、系统100的自身消耗和电能存储设备130的充电 幅度/功率电平的状态，判断模块204确定和控制从燃料基能源转换器104中释放出多少 电力，以便负载166的(长期的)电力需求和系统自身的消耗得到满足，并且可以保持电能 存储设备130的充电幅度为合乎需要的阈值。在又一具体实施例，根据来自能源传感器126、能源转换器传感器116、127和电力 传感器131的通信信号，判断模块204利用转换装置平衡传输到电负载166的电能。判断
19模块204通过发送控制信号给电连接到一个或多个燃料基能源转换器、非燃料基能源转换 器和/或储能装置的一个或多个开关，来平衡电能。在一具体实施例中，如上所述，开关设 置于动力/能源接口 158的内部。在一具体实施例中，控制信号为脉宽调制(PWM)信号，而 开关为脉宽调制控制的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)。在又一具体实施例中，电能存储设备130与直流-直流变换器132的输出直接相 连接，以便负载166的短期的大功率的需求可以得到即时满足，而且系统100可以给负载 166提供比一个或多个燃料基能源转换器104能够提供的最大运行容量高得多的功率输 出。直流-直流变换器132从非燃料基能源转换器102和/或燃料基能源转换器104中以 可控制的额度提取电力，这样，发电得到最优化，并且不会断开。在又一具体实施例中，判断模块204还包括可根据能源转换器102、104和/或电 能存储设备130的优先次序，平衡电能的优化模块208。优化可以是经济上的优化、能量转 换成本的优化、能量转换效率的优化、环境的优化、能量转换滞后的优化、剩余燃料的优化、 安全优化、前述优化的组合，等等。根据用户输入或根据来自传感器116、126、127、131的读 数，优化可以是静态的或动态的。优化可建立在一个或多个数学的或统计的曲线上。响应于 较高优先级转换器或装置输出电力的下降，较高优先级转换器或装置的转换滞后，负载166 的电力需求增加，等等，优化模块208可通过增加来自较低优先级的转换器或装置的电力， 来平衡电能。在一具体实施例中，当电负载166超过系统100能够产生的电力时，优化模块 208断开电负载166与系统100的连接。在一具体实施例中，在电源的优化过程中，非燃料基能源转换器102的优先级比 电能存储设备130的优先级要高，而电能存储设备130的优先级又比燃料基能源转换器104 的优先级更高。例如，电源的优化包括非燃料基能源转换器102具有高优先级、电能存储设 备130具有中优先级和燃料基能源转换器104具有低优先级。在这一优化方案中，优化模 块208首先从非燃料基能源转换器102输送电力给负载166，这样，不可控制的电力源不会 被浪费。如果非燃料基能源转换器102输送的电力不能满足电负载166的需求，优化模块 208就从电能存储设备130中输送电力到电负载166中。如果电负载166具有比非燃料基 能源转换器102和储能装置130所能提供的更高的消耗，优化模块208就从燃料基能源转 换器104输送电力给电负载166，或者给电能存储设备130进行再充电，这样它们就满足电 负载166。在一具体实施例中，判断模块204包括一用户超越模块210。在一具体实施例中， 用户超越模块210根据用户的输入，超越优化模块208的电力源的优先级。用户的输入来 自键区152、计算机通信接口 156，或通过能源接口端口 160、162直接来自非燃料基能源转 换器102、燃料基能源转换器104和/或电能存储设备130，或来自其它的来源。在一具体实施例中，判断模块204包括能源储存模块212。在一具体实施例中，能 源储存模块212存储来自非燃料基能源转换器102和/或燃料基能源转换器104的过剩电 力，作为备用能源形式。如上所述，备用能源形式可被储存在备用储能装置119中。响应于 判断模块204所做的判定，即，来自非燃料基能源转换器102和/或燃料基能源转换器104 的电力满足电负载166，而且电能存储设备130的功率电平满足预定的阈电平，能源储存模 块212将过剩的电力存储为备用能源形式。能源储存模块212可使得一个或多个燃料基能源转换器104将过剩的电力转换为另一种能源形式，例如，燃料、热能、化学能或势能。例如，燃料基能源转换器104利用过剩 的电力通过电解将水转换为氢气，将氢气存储在备用储能装置119中。在又一实施例中，燃 料基能源转换器104利用过剩的电力来加热水，利用随后的热水和/或蒸汽通过微型汽轮 机产生电力，余热再生，与集热器/集电器连接，促进氢气的还原反应，以及其它方面。在另 一个例子中，燃料基能源转换器104和/或非燃料基能源转换器104利用过剩的电力来卷 绕或压缩弹簧、来泵送液体/提升物体到高处，或者执行其他的可以今后转变成电力的存 储势能的方式。在一具体实施例中，判断模块204包括一预测模块214。在一具体实施例中，根据 电负载166的从前的或历史的功率消耗，预测模块214对即将出现的电负载166的功率消 耗做出预测。例如，功率使用图形可以被跟踪，并用来预测负载将超过选定的能级的时间周 期。在一具体实施例中，根据预测，预测模块214可调节燃料基能源转换器104产生的电力 和/或燃料。在进一步的具体实施例中，预测模块214配置成根据从前的或历史的输出功 率能级，类似地预测非燃料基能源转换器102的输出功率能级。例如，风力转换器104在一 天的不同时间或一年的在不同时期可产生更多动力。预测模块214因此会检测电负载166 和/或非燃料基能源转换器102中的图形。图形的实例包括在每日的某时间开动一仪器或 装置，记录光伏电池110在日落时电力能级的下降和在日出时电力能级的相应上升，或记 录其他有规律的图形。在一具体实施例中，调节模块206通过一个或多个控制信号控制能源转换器104， 这样来自传感器116、126、127、131的监控模块202接收到的通信信号满足一个或多个预定 的阈值。响应于判断模块204所做的判定，S卩，来自一个或多个能源转换器的电力不满足电 负载166设定的电负载阈值，和/或电能存储设备130的功率电平不满足预定的阈电平，调 节模块206利用控制信号调节燃料基能源转换器104输出的电力。根据电力输出与当前的电负载166或者预计的电负载比较，调节模块206向上或 向下调节(增加或减少)电力输出。为了增加电力输出，调节模块206向燃料基能源转换 器104发出信号，在更高的输出功率下运行，以便每分钟产生更多电力。“更高的输出功率” 的含义根据燃料基能源转换器104的类型会发生变动，例如，对于内燃机而言，增加输出功 率可以通过增加引擎的每分钟转速(RPMS)来完成，对于油箱能源转换器104引擎而言，增 加输出功率可以通过增加传输至油箱的氢气的流速来完成。本领域技术人员认识到，首先， 某些燃料基能源转换器104具有或不具有增加或降低电力输出功率的能力，其次，增加或 降低电力输出功率的因素会在各燃料基能源转换器104之间发生变动。针对描述的这一情 形，调节模块206配置成考虑这些变化，并发送信号给燃料基能源转换器104，由此调节电 力输出功率。类似地，为了降低电力输出功率，调节模块206可发送信号给燃料基能源转换器 104，在较低速度或流量下运行，或者甚至让某些燃料基能源转换器104下线(即，完全停 机)，以便每分钟产生更少的电力。电负载阈值限定了触发调节模块206对电力输出功率做 出增加或减少这样的调整的一个电力输出功率。电负载阈值可以包括与电负载166的数值 相等的一个数值，或者小于电负载166的数值。可选择地，或另外地，电负载阈值可以包括 电负载166的数值的一个比值。在一具体实施例中，调节模块206发送控制信号给转换器子系统128。控制信号可以是给金属氧化物半导体(M0S)场效应晶体管的脉宽调制信号或其他给转换器子系统128 的控制信号。在一具体实施例中，转换器子系统128可以响应于来自调节模块206的控制 信号，通过燃料基能源转换器120、124增加或减少主要燃料的生产。在又一具体实施例中， 转换器子系统128可以响应于来自调节模块206的控制信号，通过燃料基能源转换器120、 124增加或减少发电量。在进一步的具体实施例中，转换器子系统128可以响应于来自调节 模块206的控制信号，可以增加来自燃料基能源118、122的主要燃料或次要燃料的输出量。在一具体实施例中，转换器子系统128可对泵的转速变化、冷却系统的调整、阀门 的打开或关闭、或者其它的转换器子系统128的调整作出响应。例如，调节模块206发送控 制信号给转换器子系统128，其配置成响应于来自能源转换器传感器127、监控模块202中 的一个的氢气压力读数等于或低于一预定的“低压”阈值，而增加泵送入化学氢化物中的水 量、增加传输给电解系统的电力，或者增加氢气罐流出的氢气流，阈值可以是目标燃料来源燃料基能源转换器120、124的压强，燃料基能源转换器 120、124的安全转换温度，燃料基能源转换器120、124的目标电力输出功率，电能存储设备 130的目标能量储存数量，等等。在一具体实施例中，阈值反映了转换器优先级阈值可以是 静态的，或者根据电力负载166、电能存储设备130的充电状态，等等，可以是动态的，在一 具体实施例中，阈值包括具有电力需求的转换器子系统128的数学的或者统计的曲线，其 通过坐标示出转换器子系统128的状态、速度、定额等等，或者传感器116、126、127、131的 阈值。在一具体实施例中，电能存储设备130的阈值可建立在燃料基能源转换器104的 动力转换滞后的基础上。例如，如果燃料基能源转换器104具有十分钟的能量转换滞后，电 能存储设备130的阈值可被如下计算或确定，使得当阈值到达时，电能存储设备130还具有 充足的电力，满足电负载166至少一分钟或数分钟。例如，如果已知在燃料基能源转换器 104开始给它们充电之前，电能存储设备130的功率电平可能下降到50%或更低，阈值可以 设置在60%。后附的示意性流程图通常作为逻辑流程图进行阐述。因而，描述的次序和标记的 步骤表现为本发明方法的一个具体实施例。与所述的方法的一个或多个步骤、或部分步骤 在功能、逻辑、或效果方面相当的其它步骤和方法也能构思出来。另外，所采用的格式与符 号用于解释方法的合乎逻辑的步骤，并应理解为并非对方法的保护范围的限制。虽然流 程图中采用了各种箭头类型和线条类型，它们应该理解为不是对相应方法的保护范围的限 制。甚至，可以用一些箭头或其他的连接符号只指示方法的逻辑流程。例如，一个箭头可能 指示在所述方法列举的步骤之间的未明确的持续时间的等待期或监控期。另外，一具体的 方法的次序可以是，也可不是严格地对应所示的相应步骤的次序。图3图示了用于管理电力的生产和利用的方法300。在一具体实施例中，系统100 执行302 —启动循环。响应于用户输入，例如，按钮按压、开关翻转、另一用户输入，或响应 于计时器或其他的状态改变，系统100启动302。执行302启动循环可包括执行一个或多 个自我检测，包括检测一个或多个电能存储设备130的充电状态，一个或多个燃料基能源 118、122的填充状态，能源传感器126、能源转换器传感器116、127和电力传感器131的读 数，等等。在另一个具体实施例中，执行302启动循环可包括执行多个可能的启动循环中的 一个，例如一正常启动循环、一快速启动循环，等等。在启动循环的执行302期间，判断模块204可平衡传输给负载166的电力，这样，在一个或多个燃料基能量变换器104的转换滞后 期间，电力能满足负载166的电力需求量。在一具体实施例中，监控模块202接收304来自一个或多个传感器116、126、127、 131的通信信号。判断模块204确定306通信信号是否满足一个或多个阈值。判断模块204 也可计算动态的阈值。如果判断模块204判定306 —个或多个通信信号不满足阈值，判断模块204可以 在非燃料基能源转换器102、燃料基能源转换器104和/或电能存储设备130两两之间，平 衡314传输给负载166的电力。平衡314可以一个或多个转换器优化、转换滞后、电力状 态等等为基础。平衡314包括增加或减少由非燃料基能源转换器102、燃料基能源转换器 104、电能存储设备130和/或其他电力来源传输给负载166的电力的份额。在一具体实施 例中，判断模块204可在整个方法300中，平衡314传输给负载166的电力。如果判断模块204判定306 —个或多个通信信号不满足阈值，调节模块206就发 送312 —个或多个控制信号给一个或多个转换器子系统128。一个或多个控制信号可配置 成在阈值范围内生成不满足阈值的通信信号，例如增加燃料基能源118、122输出的燃料、 增加燃料基能源转换器120、124由次要燃料转换的主要燃料、降低温度、增加燃料基能源 转换器120、124生产的电力，等等。如果判断模块204判定306通信信号满足阈值，控制器200就判定308系统100 是否已经进入停机状态。响应于定时器、系统错误条件、安全风险或其它系统的状态变化， 控制器200可根据用户输入，例如按钮按压、开关翻转、其它的用户输入来判定308系统100 是否停机。如果控制器200判定308系统100要停机，系统100就执行310停机循环。执行 310停机循环可包括一个或多个系统净化、冷却循环、自我测试等等。在一具体实施例中，执 行310停机循环包括对一个或多个电能存储设备130充电。在另一个具体实施例中，执行 310停机循环可包括执行多个可能的停机循环中的一个，例如一正常停机循环、一快速停机 循环，等等。判断模块204可在停机循环的执行310期间平衡电力，这样电力就不会传输给 负载166，但是会传输给一个或多个电能存储设备130。这样可给电能存储设备130充电， 并利用来自燃料基能源118、122的过剩燃料，而不会浪费燃料。图4图示了用于管理电力的生产和利用的方法400。在一具体实施例中方法400 基本上类似于前述的图3中的方法300。在一具体实施例中，如上所述，系统100执行402 一启动循环。在一具体实施例中，监控模块202接收来自一个或多个传感器116、126、127、 131的通信信号404。通信信号包括非燃料基能源转换器102、燃料基能源转换器104、电能 存储设备130和/或电负载166的功率电平或功率电平信息。判断模块204判定406来自非燃料基能源转换器102的电力是否满足电负载166。 如果判断模块204判定406来自非燃料基能源转换器102的电力不满足电负载166，判断 模块就判定408电能存储设备130的电力能级是否低于预定的阈电平。如果电能存储设备 130的功率电平低于预定的阈电平，调节模块206增加410来自燃料基能源转换器104的 电力，并对电能存储设备130充电418，方法400继续进行停机判定步骤422。如果判断模 块204判定408电能存储设备130的功率电平不低于预定的阈电平，则方法400继续进行 停机判定步骤422。如果判断模块204判定406来自非燃料基能源转换器102的电力满足电负载166，那么能源储存模块212就接着判定电能存储设备130的功率电平是否高于预定的设置点。 设置点包括电能存储设备130的最佳或目标功率电平/充电能级。设置点的实例包括80%、 90%,95%,或其他功率电平。如果能源存储模块212判定412电能存储设备130不大于预定的设置点，调节模 块206利用非燃料基能源转换器102产生的过剩电力对电能存储设备130充电418，接着方 法400继续进行停机判定步骤422。如果能源储存模块212判定412电能存储设备130的功率电平/充电能级大于设 置点，能源储存模块212判定414备用储能装置119是否处于饱和。如果能源储存模块212 判定414备用储能装置119是饱和的，那么能源储存模块212判定416电能存储设备130 是否处于饱和，如果它们不是饱和的，调节模块206可对电能存储设备130充电。如果能源储存模块212判定414备用储能装置119是不饱和的，那么调节模块206 就驱使燃料基能源转换器104和/或非燃料基能源转换器102利用过剩的电力，生产备用 能源形式，例如燃料和/或势能，并储存到备用储能装置119中。控制器200判定422系统 100是否已经进入停机状态。如果控制器200判定422系统100要停机，系统100就执行 424停机循环。本发明可在不脱离其精神实质或基本特征的基础上以其他具体的形式展示出来。 所述的具体实施例应该从整体上被认为只是作为说明性的而非限制性的实例。因此，本发 明的保护范围由随附的权利要求来主张，而不是前面的描述。在权利要求的等同的意义和 范围内的全部变化都将被包括在其范围内。
权利要求
一种管理电力的生产及利用的装置，该装置包括监控模块，配置成接收来自一个或多个传感器的信号，该信号包括一个或多个能源转换器的功率电平信息，和电负载的功率电平信息；判断模块，配置成比较各信号，以判定来自一个或多个功率转换器的电能是否满足电负载；以及调节模块，配置成响应于判断模块所做的来自一个或多个能源转换器的电能不满足电负载阈值的判定，来调节来自一个或多个能源转换器的电能。
2.如权利要求1所述的装置，还包括能源储存模块，配置成响应于判断模块所做的来 自一个或多个能源转换器的电能满足电负载的判定，存储来自一个或多个能源转换器的过 剩的电能，作为备用的能源形式。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，能源储存模块还配置成，使得一个或多个能 源转换器中的至少一个能源转换器将次要燃料转换为主要燃料，而主要燃料包括了备用能 源形式。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，备用能源形式选自由氢气、热能、化学能和 势能组成的群。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，能源储存模块还配置成响应于基本上完全 备用的储能装置，对电能存储设备充电。
6.如权利要求1所述的装置，还包括优化模块，配置成根据动力源/能源的优先次序， 平衡传输给电负载的电力供应。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，一个或多个能源转换器包括燃料基能源转 换器和非燃料基能源转换器，且在电源的优先次序中，非燃料基能源转换器的优先级比电 能存储设备的优先级要高，而电能存储设备的优先级又比燃料基能源转换器的优先级更 尚ο
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，电源的优先次序根据能量转换成本、能量转 换效率和能量转换滞后中的一个或多个因素进行选择，用户超越模块配置成根据用户输入 超越电源的优先次序。
9.如权利要求1所述的装置，还包括预测模块，配置成根据历史的电负载的功率消耗， 预测将来的电负载的功率消耗，而且其中的判断模块还配置成根据预测调节来自一个或多 个能源转换器的电能。
10.一种管理电力的生产及利用的系统，该系统包括一个或多个能源转换器，均配置成将能源转换为电力；电能存储设备，配置成存储并供应来自一个或多个能源转换器的电力/电能；一个或多个传感器，测量电能存储设备的功率电平/能级，一个或多个能源转换器的 功率电平/能级，以及与一个或多个能源转换器和电能存储设备相连接的电负载的功率电 平；控制器，配置成判定一个或多个能源转换器的功率电平是否满足电负载，以及电能存 储设备的功率电平是否满足预定的阈电平，并响应于一个或多个能源转换器的功率电平不 满足电负载，以及电能存储设备的功率电平没能满足预定的阈电平的判定，增加一个或多 个能源转换器的功率电平；以及电力接口，配置成与一个或多个传感器、与电能存储设备和控制器电连接。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，信号还包括一个或多个能源转换器的能 源状态和产生电力/电能的势。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，发电电势包括由一个或多个能源转换器 产生的氢气的测量气压。
13.如权利要求10所述的系统，其特征在于，一个或多个能源转换器中的至少一个是 非燃料基能源转换器，该非燃料基能源转换器选自光伏电池、风轮机、水轮机、地热蒸汽轮 机、太阳聚光器和余热发电机组成的群。
14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，一个或多个能源转换器中的至少一个是 燃料基能源转换器，该燃料基能源转换器选自燃料电池、微型汽轮机系统、氢重整装置、氢 电解系统和内燃机发电机组成的群。
15.如权利要求10所述的系统，其特征在于，电力接口包括一个或多个标准化端口，每 一标准化端口配置成传输来自相应的一个或多个能源转换器中的一个的可插接的连接器 的通信信号和电能，并可拆卸地将相应的可插接的连接器连接至电力接口。
16.如权利要求10所述的系统，其特征在于，控制器还配置成接收定制的能源转换器 类型定义，并相应于定制的能源转换器类型定义来控制能源转换器。
17.如权利要求10所述的系统，其特征在于，一个或多个能源转换器中的至少一个包 括可折叠的结构。
18.如权利要求10所述的系统，其特征在于，一个或多个能源转换器中的至少一个配 置成将次要燃料转换为主要燃料。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，次要燃料选自由水和碳氢化合物组成的 群，并且主要燃料包括氢。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，次要燃料包括化学氢化物，且主要燃料包 括氢。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，化学氢化物包括固态无水化学氢化物反 应物和活化剂。
22.如权利要求10所述的系统，其特征在于，电能存储设备包括一蓄能容器，其配置成 基本上满足至少十二小时的电负载的功率消耗，并且进一步地，一个或多个能源转换器配 置成输出的电力量满足电负载的平均功率消耗，但小于电负载的峰值功率消耗。
23.一种计算机程序产品，包括计算机可读介质，该计算机可读介质具有计算机可用的 程序代码，该程序代码可被运行来执行管理电力/电能的产生及利用的操作，计算机程序 产品的该操作包括接收来自一个或多个传感器的信号，信号包括电能存储设备的电平/能级信息、一个 或多个氢基能源转换器的功率电平/能级信息、氢气存储装置的压力级信息和电负载的功 率电平/能级信息；判定来自一个或多个氢基能源转换器的电力/电能是否满足电负载；判定电能存储设备的能级是否满足预定的阈电平；根据来自一个或多个氢基能源转换器的电力/电能不满足电负载的判定，以及电能存 储设备的能级不满足预定的阈电平的判定，增加氢气产生装置的氢气产生量。
24.如权利要求23所述的计算机程序产品，还包括响应于来自一个或多个氢基能源转 换器的电力满足电负载的判定，以及电能存储设备的功率电平/能级满足预定的阈电平的 判定，存储来自一个或多个能源转换器的多余的电力/电能，作为备用能源形式，还包括响 应于完全备用的储能装置，对电能存储设备充电。
25.如权利要求24所述的计算机程序产品，还包括响应于电能存储设备不满足预定的 阈电平的判定，对电能存储设备充电。
全文摘要
本发明公开了一种管理混合电力的产生及利用的装置、系统及其方法。监控模块202接收来自一个或多个传感器116的信号。这些信号包含电能存储设备的功率电平信息、一个或多个能源转换器102/104的功率电平信息和电负载的功率电平信息。判断模块204比较各信号以判定来自能源转换器102/104的电力是否满足电负载。调节模块206响应于判断模块204所做的来自能源转换器102/104的电力不满足电负载阈值的判定，来调节来自能源转换器102/104的电力。
文档编号H01M8/18GK101855769SQ200880108666
公开日2010年10月6日 申请日期2008年7月25日 优先权日2007年7月25日
发明者克里斯·布莱顿, 尤金·尤, 广德·王, 肯·皮尔森 申请人:特鲁丽特公司