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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Versorgen von zumindest einem elektrischen Verbraucher mit elektrischer Leistung, die von zumindest einem lokalen Erzeuger erzeugt wird. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben von zumindest einem elektrischen Verbraucher und zumindest einem elektrischen Erzeuger. Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Netzwerk aus einer Mehrzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
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Mit zunehmender Dezentralisierung der Energieerzeugung, bedingt durch den Ausbau der elektrischen Nutzung erneuerbarer Energien, kommt es immer häufiger vor, dass innerhalb eines einzelnen Haushalts oder eines Industriebetriebs elektrische Energie sowohl erzeugt als auch wieder verbraucht wird. Diese Entwicklung steht der bisherigen Konzeption von Stromversorgungsnetzen diametral gegenüber. Unter einem Versorgungsnetz ist hierbei ein elektrisches Stromverteilnetz zu verstehen, über welches elektrische Leistung von einem Kraftwerk überregional und unidirektional zu elektrischen Verbrauchern übertragen wird, also z.B. ein 230V, 50 Hz Wechselstromnetz. Eine andere Bezeichnung für ein zentrales Versorgungsnetz ist auch Verbundnetz. In Versorgungsnetzen wird elektrische Energie aus großen, zentral gelegenen Kraftwerken, also z.B. Nuklear- oder Kohlekraftwerken, über räumlich weit ausgedehnte Versorgungsnetze den Endverbrauchern unidirektional zugestellt, ohne dass auf die tatsächlichen Energiebedürfnisse individueller Endverbraucher, etwa eines einzelnen Haushalts oder spezifischer elektrischer Verbraucher innerhalb des Haushalts, eingegangen werden muss. In solchen Stromverteilnetzwerken kann elektrische Energie zwar zu einem gewissen Grad auch lokal, beispielsweise von einer Windkraftanlage, erzeugt werden. Häufig wird diese Energie aber nicht an Ort und Stelle wieder verbraucht. Stattdessen speisen heutzutage lokale Energieerzeuger ihre Energie in das zentrale Stromverteilnetz ein, wofür der Betreiber dieses lokalen Energieerzeugers vom Netzbetreiber pro abgegebene Energiemenge entlohnt wird. Hierbei kann es vorkommen, dass in unmittelbarer Nähe der Windkraftanlage ein elektrischer Verbraucher aus dem selben Stromverteilnetz elektrische Energie entnimmt, in welches die Windkraftanlage seine Energie zuvor eingespeist hat. Wegen der Möglichkeit, jederzeit benötigte elektrische Leistung auch von einem Kraftwerk über das Versorgungsnetz zu beziehen und überschüssige Leistung über das Versorgungsnetz an weiter entfernte Verbraucher abzuführen, ist es hierbei aber überflüssig, den Betrieb zwischen der Windkraftanlage und dem nahegelegenen Verbraucher aufeinander abzustimmen.
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Unter Umständen kann es aber erwünscht sein, in einem eng abgegrenzten Gebiet, beispielsweise innerhalb eines Haushalts oder eines Industriebetriebs, elektrische Verbraucher und elektrische Erzeuger so aufeinander abzustimmen, dass ein autonomer Betrieb, d.h. ein versorgungsnetzunabhängiger Inselbetrieb, ermöglicht ist. Hierfür kann es technische oder wirtschaftliche Gründe gegeben, beispielsweise eine Betriebssicherheit der Geräte gegenüber Instabilitäten im umgebenden Stromverteilnetz. Mitunter erfordert auch die räumliche Lage der Geräte eine lokale Autonomie. In Gegenden, welche von einem Versorgungsnetz nicht abgedeckt sind, muss der Bedarf an elektrischer Energie gänzlich lokal abgedeckt werden. Im Folgenden wird für eine Gruppe von elektrischen Verbrauchern und Erzeugern, die sich auf einem lokal abgegrenzten Bereich, beispielsweise in einem einzelnen Haushalt oder in einem Industriebetrieb, befinden, als Prosumer-Einheit bezeichnet, wobei das Wort Prosumer ein Kofferwort ist, welches aus den Wörtern Produzent und Konsumer geschaffen ist. Produzent steht hierbei für einen elektrischen Energieerzeuger, Konsumer für einen elektrischen Verbraucher.
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Prosumer-Einheiten entstehen oft durch Investitionen einzelner Haushalte, insbesondere in ländlichen Gegenden von Entwicklungs- oder Schwellenländern. Nach und nach werden einzelne dieser Prosumer-Einheiten dann miteinander elektrisch gekoppelt, um so die einzelnen Prosumer-Einheiten gegenseitig durch Austausch von elektrischer Leistung stützen zu können.
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Der Betrieb einer einzelnen Prosumer-Einheit und der Betrieb mehrerer untereinander vernetzter Prosumer-Einheiten wird hier als Inselbetrieb bezeichnet. Im Inselbetrieb besteht keine Möglichkeit, elektrische Leistung aus einem zentralen Versorgungsnetz von einem zentralen Kraftwerk zu beziehen. Deshalb ist es besonders wichtig, dass der Leistungsbedarf der Verbraucher auf die Leistungsfähigkeit der Erzeuger abgestimmt ist. Eine besondere Herausforderung stellt vor allem die Volatilität der lokal verbauten erneuerbaren Energiequellen, also Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen, dar.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Prosumer-Einheit aus zumindest einem elektrischen Verbraucher und zumindest einem elektrischen Erzeuger zu betreiben.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, ein Netzwerk gemäß Patentanspruch 14 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Demnach weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, oder kurz Zwischenkreis, zumindest einen Verbraucheranschluss und zumindest einen Erzeugeranschluss auf. Beispielsweise kann der Zwischenkreis aus zwei Stromschienen gebildet sein, zwischen denen eine Zwischenkreisgleichspannung erzeugt wird. Jeder der Anschlüsse kann einen Stecker oder elektrische Kontakte umfassen, über welche ein elektrischer Verbraucher bzw. Erzeuger an den Zwischenkreis angeschlossen werden kann. Zusätzlich kann ein Anschluss einen elektrischen Wandler (englisch: Converter) umfassen, mittels welchem die von einem Erzeuger am Anschluss erzeugte elektrische Gleich- oder Wechselspannung in eine Gleichspannung mit einem Nennwert umgewandelt werden kann, wie er im Zwischenkreis erwünscht ist. Entsprechend kann aus der Zwischenkreisspannung durch einen weiteren Wandler eines Verbraucheranschlusses eine Gleichspannung oder Wechselspannung mit vorgebbarer Amplitude und/oder Frequenz erzeugt werden. Als Wandler kann beispielsweise ein Wechselrichter (im Falle eines Verbraucheranschlusses), ein Gleichrichter (im Falles eines Erzeugeranschlusses) oder ein Hochsetz- oder Tiefsetzsteller bereitgestellt sein. Neben einem Stecker oder elektrischen Kontakten und einem Wandler kann ein Anschluss auch beispielsweise eine Schmelzsicherung umfassen.
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Insgesamt sind die Verbraucher- und die Erzeugeranschlüsse über den Zwischenkreis elektrisch miteinander gekoppelt, so dass ein Leistungsfluss von einem beliebigen der Erzeugeranschlüsse zu einem beliebigen Verbraucheranschluss ermöglicht ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist noch vorgesehen, an zumindest einem der Anschlüsse den Leistungsfluss zu steuern. Es kann sich dabei um dieselben Anschlüsse handeln, für die der Leistungsfluss auch gemessen wird. Es kann aber auch der Leistungsfluss an anderen Anschlüssen gesteuert werden. Die Steuermittel können an einem Anschluss beispielsweise durch einen steuerbaren Wandler oder einen Schalter realisiert sein. Es kann auch vorgesehen sein, ein Steuersignal für das angeschlossene Gerät zu erzeugen, das mittels des Steuersignals in seinem elektrischen Verhalten beeinflussbar ist. Beispielsweise kann hier vorgesehen sein, eine Leuchte zu dimmen oder eine Drehzahl einer Pumpe zu verändern, um den Leistungsfluss zu verändern.
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Schaltungstechnisch besteht die erfindungsgemäße Vorrichtung also im Wesentlichen aus einem Zwischenkreis mit Anschlüssen für die Verbraucher und die Erzeuger und Steuermitteln zum Einstellen eines Leistungsflusses an zumindest einem der Anschlüsse. Weiterer wichtiger Bestandteil der Vorrichtung ist dazu noch eine Prozessoreinheit, welche dazu ausgelegt ist, das folgende erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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Für vorbestimmte zukünftige Zeitintervalle wird jeweils ein voraussichtlicher Leistungsbedarf zumindest eines angeschlossenen Verbrauchers und eine voraussichtliche Leistungsfähigkeit zumindest eines angeschlossenen Erzeugers ermittelt. Hieraus ergibt sich jeweils ein Leistungswert pro Verbraucher und Erzeuger. Aus diesen Leistungswerten wird dann eine Leistungsbilanz berechnet. An dieser ist erkennbar, ob für das Zeitintervall durch die Erzeugung genauso viel elektrische Leistung bereitgestellt werden kann, wie es dem Leistungsbedarf der Verbraucher entspricht. Ist die Leistungsbilanz nicht ausgeglichen, fehlt es also an elektrischer Leistung oder muss, im Gegenteil, noch mehr elektrische Leistung von einem der Erzeuger abgenommen werden, so wird anhand der Leistungsbilanz jeweils ein Leistungsvorgabewert für zumindest einen der Verbraucher und/oder zumindest einen der Erzeuger festgelegt. Ein Leistungsvorgabewert gibt hierbei vor, welche elektrische Leistung jeweils von einem bestimmten Erzeuger planmäßig abzunehmen ist bzw. an einen elektrischen Verbraucher abgegeben werden darf. Die Leistungsvorgabewerte sind dabei in der Weise festgelegt, dass sich insgesamt durch sie eine ausgeglichene Leistungsbilanz ergibt. Diese Berechnung der Leistungsvorgabewerte erfolgt im Voraus, d.h. bevor das Zeitintervall begonnen hat. Zu Beginn des Zeitintervalls wird dann der Leistungsfluss von dem zumindest einem Erzeuger zu dem zumindest einen Verbraucher gemäß den Leistungsvorgabewerten eingestellt.
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Die Steuerung der Leistungsflüsse durch die erfindungsgemäße Vorrichtung geschieht hierbei in der Weise, dass durch die Prozessoreinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Beginn des Zeitintervalls mittels der Steuermittel, also beispielsweise der Wandler, der Leistungsfluss zu einem der Verbraucher und/oder der Leistungsfluss aus einem der Erzeuger einstellt. Hierdurch werden die Leistungsflüsse derart aufeinander abgestimmt, dass für das Zeitintervall die Leistungsbilanz ausgeglichen ist, wenn sich Verbraucher und Erzeuger wie anhand der Leistungswerte vorausgesagt verhalten. Als geeignete Prozessoreinheit kann beispielsweise ein Mikrokontroller oder eine CPU (Central Processing Unit) mit zugehöriger Peripherie oder auch ein integrierter Schaltkreis bereitgestellt sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen den Vorteil auf, dass das elektrische Verhalten der Verbraucher und Erzeuger einer Prosumer-Einheit aufeinander abgestimmt werden. Hierzu werden im Voraus die Leistungsbilanz ermittelt und dann Leistungsvorgabewerte berechnet, so dass für ein zukünftiges Zeitintervall bekannt ist, wie die einzelnen Erzeuger und Verbraucher zu betreiben sind, damit die Prosumer-Einheit stabil betrieben wird. Im Zusammenhang mit der Erfindung kann es hierbei insbesondere auch ermöglicht sein, die erfindungsgemäße Vorrichtung über einen Erzeugeranschluss auch an ein externes, großes Versorgungsnetz anzuschließen, also ein Verbundnetz. So kann beispielsweise in einem Gebiet, in welchem durch dieses Versorgungsnetz nur sehr unzuverlässig oder nur zu bestimmten Zeiten elektrische Leistung bereitgestellt wird, dieses Versorgungsnetz aus Sicht der Vorrichtung wie einer von mehreren Erzeugern behandelt werden, wobei dem Versorgungsnetz dann der gleiche Stellenwert wie anderen Erzeugern eingeräumt ist.
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Zweckmäßigerweise erfolgt eine Anpassung der Leistungsvorgabewerte für aufeinanderfolgende, eine vorbestimmte Zeitdauer aufweisende Zeitintervalle, also beispielsweise alle fünf oder zehn Minuten. Dann kann flexibel auf ein geändertes Verbraucher- oder Erzeugerverhalten reagiert werden. Als besonders geeignet hat sich eine Wiederholdung in Zeitabständen von einer Minute bis zehn Minuten erwiesen. Die Dauer der Zeitintervalle kann auch variabel und auch dynamisch anpassbar sein.
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Bevorzugt weist der Zwischenkreis zusätzlich mindestens einen Anschluss für einen Energiespeicher auf. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Energiespeicher auch direkt galvanisch an den Zwischenkreis der Vorrichtung angeschlossen sein, also ohne einen zwischengeschalteten Wandler. Als Energiespeicher kann beispielsweise ein elektrischer Akkumulator oder ein Doppelschichtkondensator bereitgestellt sein. Größere Mengen Energie können beispielsweise auf Wasserstoffbasis chemisch gespeichert werden. Die Speicherkapazität des Energiespeichers wird dann durch die Prozessoreinrichtung bei der Berechnung der Leistungsvorgabewerte berücksichtigt. Mit anderen Worten muss der Leistungsbedarf der Verbraucher nicht kontinuierlich durch die Energieerzeuger abgedeckt werden. Vielmehr ist nun eine Pufferung der Energie in dem Energiespeicher möglich. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine Volatilität der Energieerzeuger ausgeglichen werden kann. Aufgrund der Puffermöglichkeit kann auch vorgesehen sein, dass die Leistungswerte nur für zumindest einen Verbraucher und keinen Erzeuger oder nur für zumindest einen Erzeuger und keinen Verbraucher ermittelt werden.
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Um die Leistungswerte für die Berechnung der Leistungsbilanz zu ermitteln, sieht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, dass die Prozessoreinheit einen Datenbankspeicher mit Leistungsprofildaten zu wenigstens einem der Verbraucher und/oder Erzeuger aufweist. Unter Leistungsprofildaten werden Daten mit Informationen zu einem elektrischen Verhalten des jeweiligen Geräts und/oder zu möglichen, auswählbaren Betriebsmodi oder Steuermöglichkeiten des Geräts verstanden. So kann vorgesehen sein, dass die Leistungsprofildaten einen zeitlichen Verlauf eines Leistungsflusses beschreiben, wie er sich zwischen dem jeweiligen Gerät und der erfindungsgemäßen Vorrichtung typischerweise ergibt. Hieraus wird dann eine Voraussage eines Leistungsbedarfs bzw. einer Leistungsfähigkeit ermittelt. Ist beispielsweise an die Vorrichtung eine Waschmaschine angeschlossen und wird ein bestimmtes Waschprogramm eingestellt, so kann anhand solcher Leistungsprofildaten zu diesem Waschprogramm aus dem Datenbankspeicher von der Prozessoreinheit ermittelt werden, welcher elektrischer Leistungsfluss über den Verbraucheranschluss, an welchem die Waschmaschine angeschlossen ist, bspw. in den kommenden zwei Stunden zu erwarten ist.
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Bei Vorhandensein eines Datenbankspeichers lässt sich die Prozessoreinheit dazu nutzen, anhand der Leistungsprofildaten die voraussichtlichen Leistungswerte zu ermitteln, also die Werte zum voraussichtlichen Leistungsbedarf bzw. der voraussichtlichen Leistungsfähigkeit.
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Anhand der Leistungsprofildaten kann durch die Prozessoreinheit auch zumindest einer der Leistungsvorgabewerte festgelegt werden. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Leistungsprofildaten ein Zeitintervall für einen frei wählbaren Einschaltzeitpunkt beschreiben. So kann beispielsweise in dem Beispiel mit der Waschmaschine angegeben sein, dass diese nicht sofort starten muss, sondern irgendwann innerhalb bspw. der kommenden vier Stunden gestartet werden kann. So ist es der Prozessoreinheit möglich, den Leistungsbedarf der Waschmaschine mit einer Leistungsfähigkeit eines elektrischen Erzeugers zu decken, der beispielsweise erst in zwei Stunden zur Verfügung steht.
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Anhand der Leistungsprofildaten können aber durch die Prozessoreinheit auch die Steuermittel angesteuert werden. So können die Leistungsprofildaten beispielsweise auch ein Leistungsintervall für eine einstellbare Betriebsleistung eines an einem Anschluss angeschlossenen Geräts vorgeben, also ein Intervall, innerhalb welchem der Leistungsfluss variiert werden kann, ohne dass hierdurch der Betrieb des Geräts gestört wird. Beispielsweise kann bei einer LED-Beleuchtung (LED – Leuchtdioden) ermöglicht sein, deren Helligkeit innerhalb eines bestimmten Leistungsintervalls zu dimmen. Genauso kann bei einer Pumpe deren Drehzahl verändert werden, ohne dass sie ihre Funktionsfähigkeit gänzlich verliert.
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Um Leistungsprofildaten bereitzustellen, kann beispielsweise vorgesehen sein, für jeden Gerätetyp entsprechende Daten im Voraus bereitzustellen. Eine weitere Möglichkeit besteht in dem Bereitstellen einer Kommunikationseinrichtung, beispielsweise einer Bluetooth-Schnittstelle, einem USB-Anschluss, einem WLAN-Netzwerkzugang oder einem anderen Netzwerkzugang, einem Mobilfunknetzwerk oder einem Satellitenempfänger, wobei dann die Prozessoreinrichtung dazu ausgelegt sein kann, Leistungsprofildaten von an den Anschlüssen angeschlossenen Geräten über die Kommunikationseinrichtung zu empfangen oder einzulesen.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Erfassungsmittel auf, die beispielsweise ein Amperemeter oder eine Leistungsmesseinrichtung umfassen können, wie sie an sich bekannt sind. Mit diesen wird dann der elektrische Leistungsfluss an zumindest einem der Anschlüsse in Form eines aktuellen Messwerts erfasst. Es kann aber auch vorgesehen sein, einen aktuellen Messwert nicht selbst zu messen, sondern einen Messwert von einem Erzeuger oder Verbraucher zu empfangen, welcher diese Information selbst ermittelt. Dann umfassen die Erfassungsmittel eine entsprechende Kommunikationseinrichtung, z. B. einen USB-Anschluss oder ein Bluetooth-Modul. Die Prozesseinrichtung dabei dazu ausgelegt, die Leistungsprofildaten aus den aktuellen Messwerten zu akkumulieren und in dem Datenbankspeicher zu speichern. Dann ist es nicht nötig, die Leistungsprofildaten im Voraus zu ermitteln. Sie werden stattdessen durch Beobachten des elektrischen Verhaltens der angeschlossenen Geräte für eine zukünftige Verwendung ermittelt. Es kann auch vorgesehen sein, aus den Messwerten direkt Leistungswerte für ein nachfolgendes Zeitintervall oder mehrere nachfolgende Zeitintervalle zu berechnen.
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Die Leistungswerte betreffend das voraussichtliche elektrische Verhalten lassen sich noch genauer ermitteln, wenn eine Empfangseinrichtung bereitgestellt ist, die dazu ausgelegt ist, Wetterdaten und/oder Positionsdaten zu einer geografischen Position der Vorrichtung zu empfangen. Bei der Empfangseinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Internetverbindung, einen GPS-Empfänger (GPS – Global Positioning System) oder um eine Ortungseinrichtung für eine Ortung über ein Mobilfunknetzwerk handeln. Auch eine integrierte Wetterstation kann vorgesehen sein. Durch die Wetterdaten und Positionsdaten kann das elektrische Verhalten einer Photovoltaikanlage oder einer Windkraftanlage wetterabhängig und jahreszeitabhängig und damit genauer vorhergesagt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Leistungsvorgabewerte durch die Prozessoreinheit nicht nur derart festgelegt, dass sich eine ausgeglichene Leistungsbilanz ergibt. Stattdessen wird zusätzlich ein Optimierungskriterium durch entsprechende Wahl der Leistungsvorgabewerte erfüllt. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Wirtschaftlichkeitskriterium handeln, gemäß welchem beispielsweise zeitabhängige Bezugskosten von elektrischer Leistung von einer anderen Prosumer-Einheit bzw. ein entsprechender Einspeisepreis berücksichtigt wird und beispielsweise bei einer positiven Leistungsbilanz, wenn mehr Energie erzeugt werden kann, als die Verbraucher benötigen, die überschüssige Leistung dennoch von den Erzeugern abgegriffen und an die weitere Prosumer-Einheit abgegeben wird. Auch technische Rahmenbedingungen können von dem Optimierungskriterium umfasst sein. Beispielsweise kann berücksichtigt werden, dass ein als Energiespeicher angeschlossener Akkumulator bestimmte Ladezyklen durchlaufen muss, um nicht vorzeitig zu altern. Auch soziale Komponenten können berücksichtigt werden. Hierunter fällt beispielsweise die Einteilung der Woche in Arbeitstage und Feiertage, woraus sich ein entsprechend variierender Leistungsbedarf der Verbraucher ergeben kann. Auch die Auswertung eines Fernsehprogramms kann eine zuverlässige Vorhersage eines Leistungsbedarfs z.B. eines Fernsehers ermöglichen. Des Weiteren können geografische Informationen berücksichtigt sein, wie beispielsweise die Überprüfung, ob die Vorrichtung in einer eher nördlichen Region oder einer südlichen, beispielsweise tropischen, Region aufgestellt ist.
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Eine weitere wichtige Quelle für Informationen betreffend den voraussichtlichen Leistungsbedarf von Verbrauchern ist der Benutzer der Vorrichtung selbst. Daher ist bevorzugt eine Benutzerschnittstelle vorgesehen, die dazu ausgelegt ist, Daten zu einem Verbraucherverhalten des Benutzers zu empfangen. Beispielsweise kann hier der Benutzer eingeben, wann er sich voraussichtlich in einem Haushalt aufhalten möchte, in welchem die Vorrichtung eingebaut sein kann, oder wann er bestimmte Verbraucher, wie etwa eine Warmwasserheizung, nutzen möchte.
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Werden mehrere Prosumer-Einheiten untereinander vernetzt, so ist ein stabilerer Betrieb der Vorrichtungen möglich. Entsprechend sieht eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zumindest eine Koppeleinrichtung vor, welche dazu ausgerichtet ist, zwischen dem Zwischenkreis der Vorrichtung und einem Zwischenkreis einer weiteren Vorrichtung, die bevorzugt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer entsprechenden Koppeleinrichtung ist, elektrische Leistung auszutauschen. Damit dies nicht unkontrolliert geschieht, sind in diesem Fall die Prozessoreinheit und die Steuermittel dazu ausgelegt, einen über die Koppeleinrichtung fließenden Leistungsfluss zu Beginn jedes Zeitintervalls einzustellen. Die kann beispielsweise mit einem steuerbaren Wandler in der an sich bekannten Weise ermöglicht sein. Dann kann auch ausgehend von einer der Vorrichtungen die über die Koppeleinrichtung zugeschaltete weitere Vorrichtung wie ein zusätzlicher Verbraucher oder ein zusätzlicher Erzeuger behandelt werden und in die Berechnung der Leistungsvorgabewerte mit einbezogen werden. Im vernetzten Betrieb ist es auch möglich, dass zumindest eine der vernetzten Vorrichtungen nur über einen oder mehrere Erzeuger, aber keinen Verbraucher, und/oder zumindest eine der vernetzten Vorrichtungen nur über einen oder mehrere Verbraucher, aber keinen Erzeuger, verfügen kann.
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Hierzu ist es dann insbesondere zweckmäßig, dass die Koppeleinrichtung auch eine Kommunikationsverbindung umfasst, die dazu ausgelegt ist, die aus den Leistungswerten ermittelten Leistungsbilanzdaten zwischen den Vorrichtungen auszutauschen. Hierzu kann ein Stromkabel, welches auch die elektrische Leistung zwischen den Vorrichtungen transportiert, als eine Powerline-Communication-Einrichtung dienen oder auch eine zusätzliche Kommunikationsleitung umfassen. Die Kommunikationsverbindung kann aber auch beispielsweise über das Internet oder über eine Mobilfunkverbindung ermöglicht sein. Im Zusammenhang mit der Vernetzung mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen ist von der Erfindung auch das sich ergebende Netzwerk aus einer Mehrzahl der erfindungsgemäßen Vorrichtungen umfasst, welche die beschriebenen Koppeleinrichtungen aufweisen.
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Das Netz kann gemäß dem Verfahren betrieben werden, wie es von der Anmelderin am selben Anmeldetag wie diese Anmeldung zum Patent angemeldet wurde. Aus diesem Grunde ist der Inhalt der parallelen Anmeldung hier vollumfänglich als Bestandteil der vorliegenden Erfindungsbeschreibung anzusehen.
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Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal genauer anhand von konkreten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines prinzipiellen Aufbaus einer Prosumer-Einheit mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 ein Blockschaltbild zu einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Bei den im Folgenden erläuterten Beispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Vorrichtung jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In 1 ist eine Prosumer-Einheit 10 gezeigt, wie sie beispielsweise in einem Haushalt oder in einem Industriebetrieb installiert sein kann. Die Prosumer-Einheit 10 kann einen oder mehrere elektrische Erzeuger 12, einen oder mehrere elektrische Verbraucher 14 und einen oder mehrere elektrische Energiespeicher 16 umfassen, die alle über eine Schaltvorrichtung 18 miteinander verschaltet sind. Bei der Schaltvorrichtung 18 handelt es sich um eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Schaltvorrichtung 18 kann zudem über ein Kabel 20 mit weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbunden sein. Die Prosumer-Einheit 10 und die über das Kabel 20 angeschlossenen weiteren Prosumer-Einheiten bilden ein Energieversorgungssystem, das nicht auf die Versorgung durch zentrale Kraftwerke über ein Energieversorgungsnetz angewiesen ist. Die Schaltvorrichtung 18 verwaltet hierbei die angeschlossenen Erzeuger 12, Verbraucher 14 und Speicher 16 sowie den Energiefluss über das Kabel 20 zu den übrigen Prosumer-Einheiten. Die Schaltvorrichtung 18 kann auch mehrere Anschlüsse vom Typ des Anschlusses 66 aufweist, so dass sie über mehrere Kabel mit mehreren weiteren Schaltvorrichtungen verbunden sein kann.
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Die Schaltvorrichtung 18 umfasst einen leistungselektronischen Teil 22 und eine Prozessoreinheit 24, die in einem gemeinsamen Gehäuse 26 angeordnet sein können.
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Bei der Prozessoreinheit 24 kann es sich z.B. um einen Mikrokontroller oder ein Embedded-System (Integriertes Computersystem) handeln. Über die Leistungselektronik 22 sind die an die Schaltvorrichtung 18 angeschlossenen Geräte 12, 14, 16, 20 elektrisch miteinander gekoppelt.
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Die Leistungselektronik 22 umfasst einen Zwischenkreis ZK, der beispielsweise mehrere Stromschienen 28 und einen Glättungskondensator 30 umfassen kann.
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Die Erzeuger 12 sind jeweils über einen Erzeugeranschluss 32 mit dem Zwischenkreis ZK verbunden. In dem Zwischenkreis ZK ist eine Gleichspannung Uzk bereitgestellt. Sie kann beispielsweise einen Nennwert zwischen 10 Volt und 400 Volt aufweisen. Jeder Erzeugeranschluss 32 weist diejenigen elektrischen Komponenten auf, die zur Übertragung von elektrischer Leistung von einem der Erzeuger 12 in den Zwischenkreis ZK nötig sind. So kann ein Anschluss 32 beispielsweise einen am Gehäuse 26 befestigten Stecker 34 für ein Anschlusskabel 36 eines Erzeugers und einen Wandler 38 umfassen. Bei dem Wandler 38 kann es sich je nach anzuschließendem Erzeuger um einen DC-DC-Wandler (DC-Gleichstrom) oder einen AC-DC-Wandler (AC-Wechselstrom) handeln. Von den Komponenten der Anschlüsse 32 sind in 1 der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei mit einem Bezugszeichen versehen. Über die Erzeugeranschlüsse 32 ist in dem in 1 gezeigten Beispiel eine Photovoltaikanlage 40, eine Brennstoffzelle 42, eine Windkraftanlage 44 und eine Wasserkraftanlage 46 angeschlossen.
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Ein Speicheranschluss 48 verbindet den Zwischenkreis ZK mit dem Energiespeicher 16. Auch der Speicheranschluss 48 kann einen im Gehäuse 26 befestigten Stecker 50 und einen Wandler 52 aufweisen. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist als Energiespeicher 16 eine wiederaufladbare Batterie 54 (d.h. ein Akkumulator) bereitgestellt. Entsprechend handelt es sich bei dem Wandler 52 um einen DC-DC-Wandler.
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Die Verbraucher 14 sind jeweils über Verbraucheranschlüsse 56 mit dem Zwischenkreis ZK verbunden. Auch die Verbraucheranschlüsse 56 können jeweils einen Stecker 58 und einen Wandler 60 aufweisen, von denen in 1 lediglich jeweils nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Je nach Typ der angeschlossenen Verbraucher ist als Wandler 60 ein DC-DC-Wandler oder ein DC-AC-Wandler bereitgestellt. Als Verbraucher sind in 1 beispielhaft zwei Gleichstrom-Verbraucher 62 und zwei Wechselstrom-Verbraucher 64 bereitgestellt, wobei letztere beispielsweise mit 230 Volt, 50 Hz Wechselspannung zu betreiben sein können.
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Das Kabel 20 ist über einen Netzanschluss 66 mit dem Zwischenkreis ZK verbunden. Auch der Netzanschluss 66 kann einen Wandler 68 aufweisen. Die Leistungsübertragung über das Kabel 20 kann als Gleichstrom (DC) oder als Wechselstrom (AC) erfolgen. Entsprechend handelt es sich bei dem Wandler 68 um einen DC-DC-Wandler oder einen AC-DC-Wandler.
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Die Wandler 38, 52, 60, 68 der Anschlüsse 32, 48, 56, 66 können steuerbar sein. Die Steuerung erfolgt dann durch die Prozessoreinheit 24. Insgesamt sind hierdurch Steuermittel bereitgestellt. Die Prozessoreinheit 24 steuert den Leistungsfluss zwischen den angeschlossenen Geräten 12, 14, 16, 20 und dem Zwischenkreis ZK. Hierbei wird eine vorausschauende Ansteuerung der lokalen Erzeuger 12, Speicher 16 und Verbraucher 14 realisiert, so dass Schwankungen im lokalen Energiehaushalt dadurch vermieden werden, dass einzelne Verbraucher 14 stets nur dann betrieben werden, wenn entsprechende Leistung von den Erzeugern 12 oder von anderen Prosumer-Einheiten über das Kabel 20 oder aus dem Speicher 16 bezogen werden kann. Die Anpassung der Betriebsspannung und gegebenenfalls der Betriebsfrequenz der angeschlossenen Erzeuger 12, Verbraucher 14, Speicher 16 und dem Kabel 20 kann hierbei über die Wandler 38, 52, 60, 68 bewirkt werden. Die elektrische Sicherheit kann beispielsweise durch Isolationswächterschaltungen gewährleistet sein, welche Isolationsfehler im Zwischenkreis oder in den angeschlossenen Geräten 12, 14, 16, 20 erkennen und gegebenenfalls einen entsprechenden Stromfluss über die Wandler 38, 52, 60, 68 blockieren. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Anzeige des erkannten Fehlers und/oder eine Benachrichtigung eines Servicetechnikers automatisch erfolgt.
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Ein Anschluss 32, 48, 56, 66 kann des Weiteren eine Sicherung oder einen Trennschalter, z.B. ein Relais, umfassen sowie die für den Leistungsfluss benötigten Starkstromleitungen. Des Weiteren kann ein Anschluss 32, 48, 56, 66 ein Filter zur Unterdrückung von Oberwellen und auch ein separates Gehäuse umfassen. In einem Anschluss 32, 48, 56, 66 können durch einen Energiezähler und/oder ein Amperemeter und/oder eine Messschaltung für elektrische Leistung Erfassungsmittel bereitgestellt sein.
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Des Weiteren kann eine Kommunikationsleitung in den Anschluss integriert sein, über welches ein angeschlossenes Gerät Daten mit der Prozessoreinheit 24 austauschen kann. Die Prozessoreinheit 24 kann die Daten der angeschlossenen Geräte 12, 14, 16, 20 dazu nutzen, deren voraussichtlichen Bedarf an elektrischer Leistung bzw., im Falle eines Erzeugers oder eines Energiespeichers, die von der Schaltvorrichtung 18 empfangbare elektrische Leistung für eine vorbestimmtes zukünftiges Zeitintervall vorherzusagen. Des Weiteren können hierzu externe Datendienste von der Prozessoreinheit 24 genutzt werden, wie beispielsweise Wetterdaten oder auch eine Information über die geografische Lage der Prosumer-Einheit 10, wie sie beispielsweise über GPS ermittelt werden kann. Auch ein Leistungsbedarf bzw. ein Leistungsüberschuss einer anderen Prosumer-Einheit, die über das Kabel 20 angeschlossen ist, kann der Planung der Leistungsflüsse zugrundegelegt werden. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass ein Benutzer der Prosumer-Einheit 10 diese über eine Benutzeroberfläche konfiguriert und hierbei Informationen über einen voraussichtlichen Leistungsbedarf bereitstellt. Die Benutzeroberfläche kann z.B. eine grafische Benutzeroberfläche auf einem Bildschirm und/oder ein Bedienfeld aus Bedienelementen umfassen. Auch eine Bedienung über eine Netzwerkverbindung z. B. von einem Computer aus kann vorgesehen sein. Informationen über den voraussichtlichen Leistungsbedarf einzelner Verbraucher bzw. die Leistungsfähigkeit einzelner Erzeuger können beispielsweise auch über das Internet von der Prozessoreinheit 24 empfangen werden. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass Hersteller der entsprechenden Geräte solche Informationen bereitstellen.
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Die entsprechenden von der Prozessoreinheit 24 gesammelten Informationen sind dabei sicher innerhalb der Schaltvorrichtung 18 gespeichert. Sie werden bevorzugt nicht über beispielsweise das Kabel 20 an andere Prosumer-Einheiten übermittelt. Lediglich das Ergebnis des Abgleichs aus verfügbarer Leistung und benötigter Leistung, d.h. die Leistungsbilanz, wird mit anderen Schaltvorrichtungen ausgetauscht.
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Neben der eigentlichen Steuerung der Leistungsflüsse durch die Prozessoreinheit 24 kann auch eine Optimierung derselben erfolgen, um beispielsweise einen Energiespeicher 16 zu schonen, indem dieser nur in der Weise auf- bzw. entladen wird, wie es für eine Maximierung der Lebensdauer beispielsweise der Batterie 24 nötig ist.
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Das Beispiel von 1 veranschaulicht, wie durch den Einsatz von Rechentechnik, Kommunikationstechnik und Leistungselektronik in der Schaltvorrichtung 18 ein Gesamtsystem bereitgestellt werden kann, das zu einer zuverlässigen, sicheren und wirtschaftlichen Energieversorgung führt, indem eine lokale Steuerung und Kontrolle der Erzeuger 12, Verbraucher 14 und Speicher 16 in einer einzelnen Prosumer-Einheit 10 sowie die Einbindung der Prosumer-Einheit 10 in ein Netz aus mehreren Prosumer-Einheiten ermöglicht ist.
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In 2 ist eine konkrete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung genauer dargestellt. 2 zeigt eine Schaltvorrichtung 70, die in ihrer Funktionsweise der Schaltvorrichtung 18 entspricht. Die Schaltvorrichtung 70 kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, eine Summenanschlussleistung von 500 Watt bereitzustellen, d.h. es können Verbraucher 72 mit einem Leistungsbedarf von insgesamt maximal 500 Watt an entsprechende Anschlüsse 74 angeschlossen sein. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass insgesamt 11 Verbraucheranschlüsse 74 bereitgestellt sind. Die Schaltvorrichtung 80 kann für die Versorgung der Verbraucher 72 einen Photovoltaikanschluss 76 für eine (nicht dargestellte) Photovoltaikanlage aufweisen. Weitere benötigte elektrische Leistung bzw. überschüssige elektrische Leistung kann über einen Anschluss 78 für ein Stromkabel mit einer weiteren Schaltvorrichtung ausgetauscht werden, die ebenfalls eine Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein kann. Es können auch mehrere Anschlüsse vom Typ des Anschlusses 78 parallel an den Zwischenkreis ZK angeschlossen sein.
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Der Aufbau eines Verbraucheranschlusses 74 ist im Folgenden beispielhaft an einem der Verbraucheranschlüsse 74 erklärt. Anschlusskontakte 80, beispielsweise in Form eines Stecksockels, können über eine Sicherung 82, beispielsweise eine Schmelzsicherung, gegen einen Überstrom geschützt sein. Ein Leistungsmeter 84 erfasst eine über den Anschluss 74 abgegebene elektrische Leistung, d.h. den Leistungsfluss, und überträgt in regelmäßigen Abständen einen aktuellen Messwert an eine Prozessoreinheit 86 der Schaltvorrichtung 70. Eine Leistungsflusssteuerung 88 des Verbraucheranschlusses 74 ist von der Prozessoreinheit 86 ansteuerbar und ermöglicht es, die über den Verbraucheranschluss 74 abgegebene elektrische Leistung, d.h. den Leistungsfluss, zu regulieren. Bei der Leistungsflusskontrolle 88 kann es sich beispielsweise um einen steuerbaren Wandler handeln.
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Die Verbraucheranschlüsse 74 können in Anschlussgruppen 90 aufgeteilt sein, wobei die Verbraucheranschlüsse 74 unterschiedlicher Anschlussgruppen 90 beispielsweise durch Sicherungen mit unterschiedlichen Nennströmen (hier 2 Ampere, 10 Ampere, 40 Ampere) gesichert sein können. Die Anschlussgruppen können sich auch darin unterscheiden, dass an eine jeweilige Anschlussgruppe 90 Verbraucher mit unterschiedlicher Abhängigkeit von einem konstanten Leistungsfluss angeschlossen sind. Beispielsweise kann eine erste Anschlussgruppe 90 für Verbraucher vorgesehen sein, bei denen der Leistungsfluss durch den Verbraucheranschluss 74 gedrosselt werden kann, ohne dass hierdurch der Betrieb der Verbraucher unmöglich wird. Beispielsweise können an diese Anschlussgruppe eine dimmbare LED-Lampe, ein Aufladegerät für ein Mobiltelefon (CHARGE) oder auch ein Ventilator mit variierbarer Drehzahl (FAN) angeschlossen sein.
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Eine andere Gruppe von Verbrauchern kann an eine Anschlussgruppe angeschlossen sein, bei der im Rahmen der verfügbaren elektrischen Leistung ein möglichst konstanter Leistungsfluss über die Verbraucheranschlüsse 74 bereitgestellt werden sollte. Beispielsweise können hier Haushaltsgeräte (APP – Appliances), ein Fernseher (TV) und ein Kühlschrank (FRIDGE) angeschlossen sein.
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An eine weitere Anschlussgruppe 90 kann beispielsweise ein Verbraucher angeschlossen sein, der einen hohen Leistungsbedarf hat, aber dennoch auch mit einer niedrigeren Leistung betrieben werden kann. Hier kann beispielsweise eine Wasserpumpe (PUMP) angeschlossen sein, die zwar innerhalb eines Tages eine bestimmte Gesamtförderung erbringen soll, hierbei aber mit unregelmäßiger Drehzahl betrieben werden kann.
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Die Verbraucheranschlüsse 74 sind über einen Zwischenkreis ZK dem Photovoltaikanschluss 76, dem Anschluss 78 und einem in ein Gehäuse 92 der Schaltvorrichtung 70 integrierten Energiespeicher 94 elektrisch verbunden. Bei dem Energiespeicher 94 handelt es sich beispielsweise um eine oder mehrere Akkumulatoren, beispielsweise zwei 12-Volt-Akkumulatoren mit jeweils einer Speicherkapazität von 100 Ah. Beispielsweise kann vorgesehen sein, in dem Energiespeicher 94 elektrische Energie für zwei Stunden bei einer Leistungsabgabe von 500 Watt zu speichern.
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Der Photovoltaikanschluss 76 ist dazu ausgelegt, dass über Anschlusskontakte 96 Solarpaneelen mit einer Gesamtleistung von beispielsweise 1,1 kWp (Spitzenleistung) an die Schaltvorrichtung 70 angeschlossen werden können. Eine Leistungsmesseinrichtung 98 misst die tatsächlich verfügbare elektrische Leistung und übermittelt an zuvor bestimmten Zeitpunkten aktuelle Messwerte zur tatsächlich empfangenen elektrischen Leistung an die Prozessoreinheit 86. Die von der Photovoltaikanlage empfangbare elektrische Leistung wird über einen MPPT-Konvertierer (MPPT – Maximum Powerpoint Tracker) in den Zwischenkreis ZK eingespeist.
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Über den Anschluss 78 kann elektrische Leistung zwischen einem (nicht dargestellten) Stromkabel und dem Zwischenkreis ZK über Kabelkontakte 102 mit einer weiteren Schaltvorrichtung ausgetauscht werden. Sind mehrere Anschlüsse dieses Typs vorhanden, kann elektrische Leistung mit mehreren weiteren Schaltvorrichtungen ausgetauscht werden. Der tatsächlich übertragene Leistungsfluss wird von einer Leistungsmesseinheit 104 gemessen und die aktuellen Messwerte in zuvor bestimmten Zeitpunkten an die Prozessoreinheit 86 übermittelt. Der Leistungsfluss, der über den Anschluss 78 geführt ist, wird von der Prozesseinheit 86 mittels eines DC-DC-Wandlers 106 gesteuert, welcher einen Nennleistungswert von 500 Watt aufweisen kann. Durch den Wandler 106 ist auch eine Potentialtrennung zwischen dem Zwischenkreis ZK und dem angeschlossenen Kabel ermöglicht, so dass z.B. ein Kurzschluss des Kabels nicht zu einer Beeinträchtigung des Betriebs der Schaltvorrichtung 70 führt.
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Die Prozessoreinheit 86 kann ein Computersystem mit einem Betriebssystem 108 sowie eine Schaltsteuerung 110 für die Steuerung der leistungselektronischen Komponenten der Anschlüsse 74, 76, 78 aufweisen. Anstelle eines Betriebssystems kann auch z. B. eine feste Programmierung z. B. für einen Mikrokontroller oder auch ein integrierter Schaltkreis mit fester Logik (z. B. ein ASIC – application specific integrated circuit) oder z. B. auch ein entsprechend programmiertes FPGA (field programmable gate array) bereitgestellt sein. Die Schaltsteuerung 110 kann auch die Empfangseinrichtung für die von den Leistungsmesseinheiten 84, 98, 104 übermittelten aktuellen Messwerte umfassen. Durch das Betriebssystem 108 erfolgt eine Steuerung der Wandler 88, 106 und des Konverters 100, um die Leistungsflüsse über die Anschlüsse 84, 76, 78 zu steuern und hierdurch eine ausgeglichene Leistungsbilanz, eventuell unter Berücksichtigung des Energiespeichers 94, zu erreichen. Hierzu kann auch eine voraussichtliche Leistungsfähigkeit der Photovoltaikanlage und ein voraussichtlicher Leistungsbedarf der angeschlossenen Verbraucher aus einem (nicht dargestellten) Datenspeicher der Prozessoreinheit 86 ausgelesen, über einen externen Datendienst bezogen und/oder aus einem beobachteten Verhalten der angeschlossenen Geräte, wie es aus den Messwerten ablesbar ist, extrapoliert werden. Auch eine Fehlerbehandlung ist durch das Betriebssystem 108 möglich.
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Die Leistungsflusskontrolle kann beispielsweise konkret umfassen: Das Dimmen der LED-Leuchte, die Steuerung der Drehzahl des Lüfters, das Einstellen der Pumpgeschwindigkeit der angeschlossenen Wasserpumpe und auch das An- bzw. Abschalten von angeschlossenen Geräten. Beispielsweise kann ein Gerät verzögert angeschaltet werden, wenn sicher ist, dass zu einem späteren Zeitpunkt mehr elektrische Leistung für einen zuverlässigen Betrieb des Geräts bereitsteht. Wandler ermöglichen es auch, eine Gleich- bzw. Wechselspannung mit einstellbarer effektiver Spannung und einstellbarer Frequenz für die angeschlossenen Geräte an den Verbraucheranschlüssen 74 zu erzeugen.
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Das Betriebssystem 108 legt fest, welche Leistungsflüsse über die einzelnen Verbraucheranschlüsse 74, den Photovoltaikanschluss 76 und den Kabelanschluss 78 geführt werden müssen, damit sich eine ausgeglichene Leistungsbilanz für die Schaltvorrichtung 70 ergibt. Diese Vorgabewerte werden für einzelne, zukünftige Zeitintervalle berechnet, also z.B. alle fünf bis zehn Minuten, und auf Grundlage der aktuellen Messwerte und der übrigen Informationen über angeschlossenen Geräte für weitere zukünftige Zeitintervalle angepasst. Durch diese vorausschauende Planung wird durch die Schaltvorrichtung 70 ein reibungsloser Betrieb der angeschlossenen Geräte sichergestellt. Der Leistungsflusskontrolle können auch Optimierungskriterien zugrunde gelegt werden, wie beispielsweise ein möglichst schonender Betrieb des Energiespeichers 94. Auch die bereits erwähnten wirtschaftlichen, weitere technische, soziale und anders geartete Optimierungskriterien können hier zusätzlich oder alternativ dazu zugrunde gelegt werden.
