DE202012102677U1

DE202012102677U1 - Vorrichtung zur Eigenverbrauchssteuerung bei der Energiegewinnung mittels photovoltaischer Anlagen

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Publication number: DE202012102677U1
Application number: DE202012102677U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2012-08-21
Anticipated expiration: 2022-07-19

Abstract

Vorrichtung zur Eigenverbrauchssteuerung bei der Energiegewinnung mittels photovoltaischer Anlagen mit mindestens einem Wechselrichter, einem Einspeisezähler, einer speicherprogrammierbaren Steuereinheit (SPS) und einer mehrphasig betreibbaren elektrischen Heizeinrichtung, insbesondere Heizpatrone eines Warmwasserspeichers, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangsseitig des mindestens einen Wechselrichters ein Sensor zur Erfassung der momentan zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung angeordnet ist, wobei der Sensor mit dem Eingang der speicherprogrammierbaren Steuerung in Verbindung steht, am Ausgang des Einspeisezählers eine Schützschalteinheit angeschlossen ist, welche eine steuerbare elektrische Verbindung zur elektrischen Heizeinrichtung herstellt, wobei die Schütze der Schalteinheit über eine Steuerleitung von der speicherprogrammierbaren Steuerung derart betätigt werden, dass entsprechend dem momentanen Leistungsangebot der photovoltaischen Anlage die elektrische Heizeinrichtung zu- oder abgeschaltet wird und hierfür die elektrische Heizeinrichtung mehrere, in ihrer Leistung abgestufte, einzeln oder in Gruppen mittels der Schützschalteinheit aktivierbare Heizelemente besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Eigenverbrauchssteuerung bei der Energiegewinnung mittels photovoltaischer Anlagen mit mindestens einem Wechselrichter, einem Einspeisezähler, einer speicherprogrammierbaren Steuereinheit (SPS) und einer mehrphasig betreibbaren elektrischen Heizeinrichtung, insbesondere Heizpatrone eines Warmwasserspeichers, gemäß Anspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind mehrere Ansätze bekannt, solare Energie zur Gewinnung von Warmwasser und/oder Wärme bzw. elektrischer Energie zu nutzen.
So zeigt die US 5,293,447 eine Warmwasseraufbereitungsanlage, die durch Solarenergie betrieben wird. Bei dieser Warmwasseraufbereitungsanlage ist eine Steuereinheit vorhanden, die je nach Intensität der einfallenden solaren Strahlung elektrische Heizelemente aktiviert. Zur Ansteuerung der Heizelemente wird der aus dem Photovoltaikmodul bereitgestellte Gleichstrom genutzt. Eine Ansteuerung von Heizelementen mit Gleichstrom und gleichzeitiger Netzanbindung ist jedoch problematisch und auf diesem Wege nur schwer umsetzbar.
Ein Warmwasseraufbereitungssystem, welches mit thermischen Solarkollektoren gekoppelt ist und wobei weiterhin eine Steuerung vorgesehen ist, durch welche der aktuelle Speicherbedarf ermittelt und eine Pumpe für das Wärmeträgermedium betrieben werden kann, ist aus der US 2012/0060829 A1 vorbekannt.
Nachteilig an derartigen Systemen ist die unkontrollierte und damit nicht effektive Nutzung der Energie aus den Photovoltaikmodulen. Bei der Nutzung von solarer Energie in Kombination mit Systemen, die Strom aus öffentlichen Netzen beziehen, wird üblicherweise nicht zwischen dem Leistungsanteil, der von den Photovoltaikmodulen erzeugt wird, und dem Leistungsanteil, der aus dem öffentlichen Netz bezogen wird, differenziert. Hierdurch ist kein wirtschaftlicher Betrieb einer photovoltaischen Anlage möglich, insbesondere unter veränderten Bedingungen hinsichtlich der Einspeisevergütung.
Die DE 43 25 436 C2 offenbart ein Verfahren zur Durchführung einer Maximum-Power-Point-Regelung (MPP-Regelung) photovoltaischer Anlagen. Hierfür wird eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) eingesetzt, in der die Kennlinien der Solarmodule abgelegt werden, so dass aus dem jeweiligen Photovoltaikmodul eine maximale Leistung entnehmbar ist.
Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung zur Eigenverbrauchssteuerung bei der Energiegewinnung mittels photovoltaischer Anlagen anzugeben, welche ohne schaltungstechnischen Aufwand leicht umgesetzt werden kann und mit deren Hilfe grundsätzlich die Möglichkeit besteht, den Eigenverbrauchsanteil gezielt zu erhöhen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt demgemäß darin, die Energie einer Photovoltaikanlage im Sinne der gewünschten Erhöhung des Eigenverbrauchsanteils dadurch zu nutzen, dass die bereitgestellte elektrische Energie einer Warmwasser- oder Heizungsanlage, insbesondere einem Warmwasserspeicher zugeführt wird, der über eine elektrisch betreibbare Heizeinrichtung energetisch versorgt ist. Die Heizelemente der Heizeinrichtung, insbesondere einer eingesetzten Heizpatrone, werden erfindungsgemäß stufenweise anhand der aktuell anstehenden photovoltaischen Leistung zu- oder abgeschaltet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet unabhängig von Ausführung, Hersteller und/oder Typ eingesetzter Wechselrichter und kann ein- oder mehrphasig, insbesondere dreiphasig, ausgebildet werden.
Die jeweiligen Einschaltzeitpunkte der Heizelemente werden mittels einer an sich bekannten speicherprogrammierbaren Steuerung vorgegeben.
Die Erfindung geht also von einer Vorrichtung zur Eigenverbrauchssteuerung bei der Energiegewinnung mittels photovoltaischer Anlagen mit mindestens einem Wechselrichter, einem Einspeisezähler, einer speicherprogrammierbaren Steuereinheit und einer mehrphasig betreibbaren elektrischen Heizeinrichtung, insbesondere Heizpatrone eines Warmwasserspeichers aus. Erfindungsgemäß ist ausgangsseitig des mindestens einen Wechselrichters ein Sensor zur Erfassung der momentan zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung angeordnet, wobei der Sensor mit dem Eingang der speicherprogrammierbaren Steuerung in Verbindung steht.
Am Ausgang des Einspeisezählers ist eine Schützschalteinheit oder eine Relaisschalteinheit angeschlossen, welche eine steuerbare elektrische Verbindung zur elektrischen Heizeinrichtung herstellt, wobei die Schütze der Schalteinheit über eine Steuerleitung von der SPS derartig betätigt werden, dass entsprechend dem momentanen Leistungsangebot der photovoltaischen Anlage die elektrische Heizeinrichtung zu- oder abgeschaltet wird. Hierfür besitzt die elektrische Heizeinrichtung mehrere, in ihrer Leistung abgestufte, einzeln oder in Gruppen mittels der Schützschalteinheit aktivierbare Heizelemente.
Mit der leistungsmäßig abgestuften, über die Schützschalteinheit steuerbaren Heizeinrichtung kann der Tages-Kennlinienverlauf der photovoltaischen Anlage weitgehend approximiert werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung stellt die Schützschalteinheit bedarfsweise eine elektrische Verbindung auch zum öffentlichen Versorgungsnetz her.
Die Heizelemente der Heizeinrichtung besitzen eine definierte elektrische Leistungsaufnahme und sind anschlussseitig so ausgeführt, dass eine externe Verbindung zur Schützschalteinheit realisierbar ist. In diesem Sinne ist auch ein Nachrüsten vorhandener Warmwasserspeicher mit entsprechenden elektrischen Heizeinrichtungen im erfindungsgemäßen Sinne möglich.
Mittels der Schützschalteinheit, dem Leistungserfassungssensor, der speicherprogrammierbaren Steuerung sowie einer Erfassung des momentanen Energiebedarfs eines Warmwasserspeichers kann eine Entscheidung und Auswahl hinsichtlich Eigenverbrauch oder Einspeisung in das öffentliche Netz getroffen und es können die notwendigen elektrischen Schaltzustände und Verbindungen bereitgestellt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 ein Zeit-Leistungsdiagramm einer photovoltaischen Anlage sowie approximierter Kennlinie der Heizeinrichtung;
2 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, integriert in eine an sich bekannte Warmwasserheizanlage;
3 ein Prinzipschaltbild der Ansteuerung einer elektrischen Heizeinrichtung mit drei Heizelementen und einer Erläuterung der Schützverschaltung K1 bis K3 und
4 ein Prinzipschaltbild mit einer Schützschalteinheit und mehrphasigem Betrieb mit der Möglichkeit einer stufenweisen Leistungsanpassung von 1 kW bis zur gesamten elektrischen Leistung der Heizeinrichtung in Höhe von 6 kW.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist eine unmittelbare Kontrolle gegeben, wie viel Leistung aus der photovoltaischen Anlage zur Verfügung steht und welche tatsächlich maximal eingespeist werden kann. Um die zur Verfügung stehende Energie optimal zu nutzen, erfolgt über die Schalteinheit eine leistungsabnahmeseitige Anpassung an die Kennlinie der Photovoltaikanlage, wie dies aus der 1 ersichtlich ist.
Die Leistung, die von der photovoltaischen Anlage erzeugt wird, ist sowohl von der Jahreszeit als auch der Tageszeit und hier wiederum von der solaren Einstrahlungsintensität abhängig. Die programmierbare Steuerung bewertet die von der photovoltaischen Anlage erzeugte Leistung und ermöglicht einen Betrieb derart, dass z.B. die Warmwasseraufbereitung nur zu der Zeit stattfindet, in der eine maximale Leistung bzw. ausreichend hohe Leistung vom Photovoltaikmodul erzeugt wird. Das mittels elektrischer Heizung erwärmte Warmwasser im Speicher kann dann in Zeiten geringerer photovoltaischer Leistungsausbeute, z.B. nachts genutzt werden.
Die Leistungserfassung mittels entsprechender Sensorik erfolgt ausgangsseitig des Wechselrichters und vor dem Einspeisezähler, um Netzungenauigkeiten zu vermeiden. Für den Fall, dass Wechselrichter zur Verfügung stehen, die über eine integrierte Leistungssensorik verfügen, kann selbige genutzt werden.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel besitzt die Heizeinrichtung drei Heizelemente, z.B. in Form von drei elektrischen Heizpatronen, die stufenweise zu- und abgeschaltet werden können. Zur Ansteuerung der Heizelemente oder Heizpatronen werden Schütze eingesetzt, die von der speicherprogrammierbaren Steuerung betätigbar sind. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, eine unterbrechungsfreie Stromversorgung anzuschließen, um vorhandene Leistungsreserven über die in der unterbrechungsfreien Stromversorgung enthaltenen Sekundärelemente abzuspeichern.
In der grafischen Darstellung nach 1 ist schematisch der von der photovoltaischen Anlage erzeugte Leistungsverlauf in Abhängigkeit von der Tageszeit bezogen auf ein bestimmtes kalendarischer Datum dargestellt.
Der stufenförmige Verlauf 35 stellt die approximierte Anpassung der Heizeinrichtung an den Kennlinienverlauf der photovoltaischen Anlage dar. Da die Heizeinrichtung die am photovoltaischen Modul anstehende Leistung gemäß Kurvenverlauf 30 nicht 100%ig ausnutzen kann, verbleibt ein Leistungsanteil 36. Dieser kann über bekannte elektrische Speichermittel, z.B. Sekundärelemente gespeichert werden.
Die 2 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einer herkömmlichen Heizanlage 25 und einem Solarmodul 1.
Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist der Einfachheit halber nur ein einziges PV-Modul dargestellt, wobei selbstverständlich auch eine Vielzahl von Modulen zu einer photovoltaischen Anlage zusammengefügt und gemeinsam betrieben werden können.
Dem Modul 1 ist über die Gleichstrom-Versorgungsleitung 9 ein Wechselrichter 10 nachgeschaltet, der ausgangsseitig Wechselstrom 11 definierter Spannung und Frequenz erzeugt.
Der Wechselrichter 10 kann sowohl ein- als auch mehrphasig, insbesondere dreiphasig ausgeführt sein.
Dem Wechselrichter 10 ist ein Einspeisezähler 6 nachgeordnet, der ins Netz eingespeiste Energie bewertet.
Die vom Photovoltaikmodul 1 erzeugte Energie wird nach dem Wechselrichter 10, jedoch vor dem Einspeisezähler 6 leistungsmäßig bewertet (Punkt A). Diese Bewertung erfolgt mit Hilfe eines geeigneten Sensors 8.
Ausgangsseitig steht der Sensor 8 mit einer SPS-Heizungssteuerung 5 in Verbindung.
Die Heizungssteuerung 5 steht netzseitig mit dem Ausgang des Einspeisezählers 6 in Verbindung, wobei diese Verbindung vor dem Haushaltszähler liegt, so dass hier auch Strom aus dem öffentlichen Netz 2 über den Haushaltszähler 7 genutzt werden kann.
Die aus dem Photovoltaikmodul 1 erzeugte Energie wird also nach dem Einspeisezähler 6 direkt in das Hausnetz über die Verbindung 12 weitergegeben.
Die Heizungssteuerung 5 wirkt mit einer Heizeinrichtung 16 zusammen, die sich innerhalb eines Warmwasserspeichers 15 befindet, der wiederum mit üblichen Radiatoren einer Warmwasserheizung in Verbindung steht. Die vom Heizkessel 25 erzeugte thermische Energie gelangt auf den Wärmetauscher 20, der im Speicher 15 angeordnet ist.
Gemäß den Darstellungen nach den 3 und 4 besteht die Heizeinrichtung 16 z.B. aus drei einzeln ansteuerbaren Heizelementen oder Heizpatronen 17, 18 und 19.
Die SPS 5 führt auf Betätigungskontakte der Schütze K1 bis K3 nach 3 und ist in der Lage, je nach zur Verfügung stehender Leistung aus dem Photovoltaikmodul 1 die Heizelemente 17, 18 und/oder 19 anzusteuern. Die in der 3 und 4 integrierte Tabelle gibt an, wie die jeweiligen Schütze K1 bis K3 bzw. K1 bis K5 zu aktivieren, d.h. zu schließen sind, um die Leistungsausgabe und Leistungsanpassung zu realisieren.
Wird über den Leistungssensor 8 nach 3 erkannt, dass ca. 1,3 kW Leistung aus der Photovoltaikanlage 1 bereitsteht, wird Schütz K2 aktiviert, um eine Leistung von 1 kW zu schalten und diesbezüglich das Heizelement 18 mit Strom zu versorgen.
Soll eine Leistung von 4 kW aufgenommen werden, werden die Schütze K1 und K2 aktiviert.
Nicht verbrauchte „Restleistung“ kann entweder im angeschlossenen Hausnetz genutzt, ins öffentliche Stromnetz 2 eingespeist oder mit einer geeigneten Einrichtung unter Wandlung des Wechselstroms in Gleichstrom über Akkumulatoren gespeichert werden.
Die 4 zeigt ein Prinzipschaltbild einschließlich Schützschalteinheit mit den Schützen K1 bis K5 und der Möglichkeit, stufenweise Leistung von 1 bis 6 kW mit einer Schrittweite von 1 kW abzurufen. Die jeweilig auszuwählende Schaltung der Schützkombination ist aus der in der 4 enthaltenen Tabelle entnehmbar.
Darüber hinaus ist eine kundenspezifische Anpassung an vorhandene Heizungsanlagen und der gewünschten Energiemenge für den jeweiligen Eigenverbrauch möglich, ohne den erfinderischen Lösungsansatz zu veranlassen.
Bezugszeichenliste

1: Photovoltaikanlage bzw. photovoltaischer Modul
2: öffentliches Stromnetz
5: Steuerung (SPS)
6: Einspeisezähler
7: Haushaltszähler
8: Sensor/Wandler
9: Gleichstrom
10: Wechselrichter
11: Wechselstrom
12: Hausnetz
15: Warmwasserspeicher
16: Heizeinrichtung
17, 18, 19: Heizelement bzw. Heizpatrone oder Heizstab
20: Wärmetauscher
21: Heizkörper
25: Heizkessel
30: Leistungskurve der photovoltaischen Anlage
35: approximierte Leistungsanpassung der Heizeinrichtung
36: Leistungsdifferenz
K1 bis K5: Schütz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5293447 [0003]
US 2012/0060829 A1 [0004]
DE 4325436 C2 [0006]

Claims

Vorrichtung zur Eigenverbrauchssteuerung bei der Energiegewinnung mittels photovoltaischer Anlagen mit mindestens einem Wechselrichter, einem Einspeisezähler, einer speicherprogrammierbaren Steuereinheit (SPS) und einer mehrphasig betreibbaren elektrischen Heizeinrichtung, insbesondere Heizpatrone eines Warmwasserspeichers, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangsseitig des mindestens einen Wechselrichters ein Sensor zur Erfassung der momentan zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung angeordnet ist, wobei der Sensor mit dem Eingang der speicherprogrammierbaren Steuerung in Verbindung steht, am Ausgang des Einspeisezählers eine Schützschalteinheit angeschlossen ist, welche eine steuerbare elektrische Verbindung zur elektrischen Heizeinrichtung herstellt, wobei die Schütze der Schalteinheit über eine Steuerleitung von der speicherprogrammierbaren Steuerung derart betätigt werden, dass entsprechend dem momentanen Leistungsangebot der photovoltaischen Anlage die elektrische Heizeinrichtung zu- oder abgeschaltet wird und hierfür die elektrische Heizeinrichtung mehrere, in ihrer Leistung abgestufte, einzeln oder in Gruppen mittels der Schützschalteinheit aktivierbare Heizelemente besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der leistungsmäßig abgestuften, über die Schützschalteinheit steuerbaren Heizeinrichtung der Tagesgang-Kennlinienverlauf der photovoltaischen Anlage approximiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schützschalteinheit bedarfsweise eine elektrische Verbindung zum öffentlichen Versorgungsnetz herstellt.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente der Heizeinrichtung eine definierte elektrische Leistungsaufnahme besitzen und anschlussseitig so ausgeführt sind, dass eine externe Verbindung zur Schützschalteinheit realisierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schützschalteinheit, dem Leistungserfassungssensor, der speicherprogrammierbaren Steuerung sowie einer Erfassung des momentanen Energiebedarfs eines Warmwasserspeichers oder dergleichen Mittels eine Entscheidung und Auswahl hinsichtlich Eigenverbrauch oder Einspeisung ins öffentliche Netz getroffen und die notwendigen elektrischen Schaltzustände und Verbindungen bereitgestellt werden.