CH708618B1

CH708618B1 - Energie-Optimierer.

Info

Publication number: CH708618B1
Application number: CH01669/13A
Authority: CH
Inventors: Marcel Sonderegger Dr
Original assignee: Sonderegger Eng Ag
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2017-08-31
Also published as: CH708618A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Optimierung der Nutzung einer hauseigenen netzverbundenen Photovoltaikanlage. Die Photovoltaikanlage umfasst mindestens ein Solarmodul und einen Wechselrichter, welcher den von den Solarzellen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und damit einen Verbraucher (4) versorgt. Die Vorrichtung selbst besteht im Wesentlichen aus einer Schaltung (6), welche den Strombedarf des Verbrauchers (4) analysiert sowie aus einer weiteren Schaltung (7), welche den Verbraucher (4) energieeffizient speist.

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Optimierung der Nutzungs-Effizienz von hauseigenen netzverbundenen PV-Anlagen.

[0002] Im Folgenden soll unter hauseigener PV-Anlage jede PV-Anlage verstanden werden, die nicht von einem industriellen Stromerzeuger (Elektrizitätswerk) betrieben wird, sondern mit bspw. einem Privathaus, einem Wohn- oder Hotelkomplex oder einem Firmengebäude, welche alle mit mindestens einem eigenen Ohm’schen-Energieverbraucher gekoppelt sind.

Durch die Verbindung dieser PV-Anlagen zu einem grossen Verbundnetz (z. B. das öffentliche Stromnetz) kann sichergestellt werden, dass zu jedem Zeitpunkt genügend Verbraucher vorhanden sind, die den Solarstrom sofort nutzen können. Eine Zwischenspeicherung, Pufferung ist dabei unnötig.

Westliche Regierungen fördern den Bau solcher PV-Anlagen aus verschiedenen Gründen, bspw. das Restrisiko bei Atomkraftwerken, die C02-Emissionen bei konventionellen Stromerzeugern. Darüber hinaus wird heute auch die Einspeisung des selbsterzeugten Solarstroms ins öffentliche Netz vergütet. Diese Einspeisevergütung beträgt in der Schweiz zurzeit je nach Grösse der Anlage 4 bis 16 Rp/kWh. Die Kosten für den Bezug aus dem öffentlichen Netz belaufen sich jedoch auf 11 bis 25 Rp/kWh. Analoge Kosten-Situationen liegen in allen Industrienationen vor, deren Regierungen Anreize für die vermehrte Nutzung erneuerbarer Energien schaffen wollen. Es versteht sich, dass deshalb auch Anordnungen zur besseren Nutzung der hauseigenen PV-Anlagen-Stromproduktion im Einsatz sind.

[0003] Anordnungen zur besseren Nutzung hauseigener PV-Anlagen sind hinlänglich bekannt und weisen in aller Regel ein Speichersystem auf. Eine solche Anlage ist bspw. in der DE-10 2011 010 791 näher beschrieben. Diese Anlage umfasst einen Solargenerator, dessen Gleichstrom über einen Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom gewandelt wird, welcher für den Eigenverbrauch oder die Einspeisung ins öffentliche Stromnetz genutzt werden kann. Dazu weist diese Anlage eine intelligente Energieverwaltungseinheit auf, welche einen Laderegler, einen Netzwechselrichter und einen regelbaren Verteiler umfasst. Diese Energieverwaltungseinheit ist mit einem lokalen Energiespeicher, einem lokalen Verbraucher und einem externen Stromnetz verbunden.

[0004] Aus der DE-10 2012 103 081 ist eine Vorrichtung zum Optimieren des zeitlichen Verlaufs des Verbrauchs von elektrischer Leistung für einen Verbraucher aus einer Gruppe von Verbrauchern unter Berücksichtigung des Angebots an elektrischer Leistung der hauseigenen Anlage sowie von Leistung, die bidirektional mit einem Speicher für elektrische Energie und/oder einem öffentlichen Stromnetz ausgetauscht wird.

[0005] Bei anderen bekannten Anlagen überwacht ein mit dem Wechselrichter gekoppelter System-Manager sowohl den PV-Generator als auch das Stromnetz. Ein Energiemanagement bietet den Überblick über sämtliche Energieflüsse im Haushalt, die automatische Steuerung von Verbrauchern sowie die Einbindung von Batterien als Zwischenspeicher. Durch ein solches elektronisches Verbrauchs- resp. Lastenmanagement kann eine wesentlich höhere Eigenverbrauchsquote erzielt werden und/oder die ins öffentliche Stromnetz abgegebene Wirkleistung auf einen beliebigen Wert zwischen 10 Prozent und 100 Prozent der installierten Generatorleistung begrenzt werden [0006] Diese bekannten Anlagen verwenden alle einen Zwischenspeicher, d.h. wandeln die erzeugte elektrische Energie in eine speicherbare Energieform um, bspw. in ein chemisches (Batterie) oder physikalisches Potential (Wasserspeicher}, welche wiederum in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Es versteht sich, dass der Wirkungsgrad solcher Vorrichtungen nennenswert beschränkt ist.

[0007] Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit welcher die Nutzungs-Effizienz resp. der Wirkungsgrad q zur Erhöhung der Eigenverbrauchsquote von hauseigenen netzverbundenen PV-Anlagen gesteigert werden kann, insbesondere auf über 90%.

[0008] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einer Vorrichtung, im Folgenden auch Energy-Optimizer oder Energie-Optimierer genannt, gelöst, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Insbesondere umfasst diese Vorrichtung einen Wechselrichter, um den erzeugten Solar-Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln und mindestens einen Verteiler, um einen Verbraucher mit Strom zu versorgen, wobei die hauseigene netzverbundene PV-Anlage mit einem Stromzähler für die Messung des Strombezugs und der Stromeinspeisung verbunden ist, bspw. ein Einspeise- und Bezugszählerpaar oder einen Zweirichtungszähler und wobei hausnetzseitig unmittelbar nach dem Stromzähler eine Master-Elektronik zur Analyse des hauseigenen Strombedarfs geschaltet ist und unmittelbar vor dem Verbraucher eine Slave-Elektronik zur energieeffizienten Speisung des Verbrauchers geschaltet ist.

[0009] Besondere Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche.

[0010] Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe der Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 : schematische Darstellung einer Anordnung bekannter Art zur Nutzung einer hauseigenen PV-Anlage;

Fig. 2: Schaltbild zu einer erfindungsgemässen Vorrichtung;

Claims

Fig. 3: Schaltbild zu einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung. [0011] Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist zur Erzeugung von Gleichstrom eine Gruppe von PV-Modulen 1,1 1 ", 1 auf, welche mit einem Wechselrichter 2 verbunden sind, um den erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Dieser Wechselrichter 2 ist ausgangsseitig mit einem Verteiler 3 verbunden, welcher den erzeugten Wechselstrom einem Verbraucher 4 zuführt. Allenfalls sind - wie hier dargestellt - weitere Verteiler 3' vorgesehen, um weitere Verbraucher 4' mit dem erforderlichen Strom zu versorgen. Der letzte Verteiler 3' ist übereine Sicherung 10 mit einem Stromzähler 5 für die Messung des Strombezugs aus dem öffentlichen Netz verbunden. Bei diesem Stromzähler 5 kann es sich um ein Einspeise- und Bezugszählerpaar oder einen Zweirichtungszähler handeln. [0012] Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung. Diese weist hausnetzseitig (4-polig: Li, l_2, L3, N) unmittelbar nach dem Stromzähler 5 (nicht dargestellt) eine Master-Elektronik 6 auf, welche für die Analyse des eigenen Strombedarfs vorgesehen ist. Diese Master-Elektronik 6 umfasst mindestens einen Wandler 18 mit einer Wandler-Elektronik 8, um die unmittelbar nach dem Stromzähler 5 detektierten Stromsignale zu digitalisieren und für die Verwendung in einer CPU 9 einem ersten Bus 11 zuführt. Dieser erste Bus 11 ist mit einem zweiten Bus 13 einer Slave-Elektronik 7 verbunden. Es versteht sich, dass diese beiden Busse über eine eigene Verbindung direkt miteinander verdrahtet sind, jedoch auch über bestehende Leitungen miteinander gekoppelt sein können. Die Slave-Elektronik 7 umfasst eine Auswerte-Elektronik 12, um die über den zweiten Bus 13 eintreffenden Signale für einen Signalgeber 16 aufzubereiten. Die Slave-Elektronik (7) ist jeweils direkt vor dem Verbraucher 4 angeordnet, um die Stromversorgung für diesen Verbraucher über ein elektronisches Relais 14 (Verteiler 4) zu steuern. [0013] Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten Anordnung lediglich darin, dass anstelle des Wandlers 18 eine Sicherung 15 im Leiter vorgesehen ist, dessen Spannungsdifferenz von der Master-Elektronik 6 abgegriffen wird. Damit kann der Spannungsabfall über die Sicherung detektiert werden und die anliegende Leistung in einfacher Weise bestimmt werden. Es versteht sich, dass anstelle des 3-phasigen Systems auch nur eine Phase berücksichtigt werden kann. Situationsabhängig kann die Direktverdrahtung zwischen dem ersten 11 und zweiten Bus 13 ersetzt werden und können die Bus-Signale über bestehende Leitungen geführt werden. [0014] Im Folgenden sollen zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden. Beispiel 1 [0015] Bei einer ersten konkreten Ausführungsform wurde die Effizienz des Energy-Optimizers zur Unterstützung eines Warmwasserboilers für ein Heizsystem mit der Effizienz des Hauptsystems per se verglichen. Dabei wurden 33 I kaltes Wasser innerhalb einer Stunde auf 60 °C mit dem Hauptsystem aufgeheizt. Die erforderliche Leistung betrug 1 bis 29 kW und ergab einen Wirkungsgrad von ca. 80%. Die mit dem Energy-Optimizer ausgeführte Heizunterstützung führte zu einem Wirkungsgrad von über 90% innerhalb einiger Stunden (je nach Sonnenstand und Restverbraucher im Gebäude) und zu einer Wassertemperatur von 40 °C bis 60 °C bei einer erforderlichen Leistung von 1 bis 5 kW. Beispiel 2 [0016] Bei einer zweiten Ausführungsform wurde eine Kompressor-Pneumatik mit dem erfindungsgemässen Energy-Optimizer ausgerüstet. Das dazugehörige Hauptsystem mit einem 50 I fassenden Tank war auf 2 kW ausgelegt und hat es erlaubt, den maximalen Systemdruck innerhalb einer Minute aufzubauen. Mit dem erfindungsgemässen Energy-Optimizer konnte der maximale Systemdruck von 6 bar mit 200 W Zusatzleistung nach ca. 15 Minuten aufgebaut werden. [0017] Obige Beschreibung macht deutlich, wie mit der erfindungsgemässen Vorrichtung überschüssige Energie aus der Solaranlage durch Zuschalten von Verbrauchern und ohne Abgabe ins öffentliche Netz in effizienter Weise selbst verbraucht werden kann. Als mögliche Verbraucher kommen alle ohmschen Verbraucher in Frage, wie bspw. Heisswasserboiler zur Heizunterstützung, Tiefkühltruhen, die vor allem am Tag zusätzlich kühlen sollen, langsam laufende Kompressoren zur Druckluftaufbereitung, Vorrichtung zur Prozessdampfherstellung etc. Die erfindungsgemäss gespeisten Systeme sind immer nur unterstützend zum bestehenden System gedacht. Die erfindungsgemässen Systeme haben immer eine kleinere Leistung als das Hauptsystem und sind deshalb immer auch energieeffizienter als das Hauptsystem. Es versteht sich, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung bei unzureichender Leistung des Energy-Optimizers das Hauptsystem automatisch zuschaltet, bspw. wenn der Systemdruck bei einer Kompressor-Pneumatik unterschritten wird oder wenn die Temperatur des Warmwassers bei einem Heizsystem unter 40 °C fällt. [0018] Die Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung sind dem Fachmann unmittelbar ersichtlich und im Wesentlichen in der einfachen Bauweise und der hohen Nutzungseffizienz von über 90% zu sehen. Darüber hinaus macht die Verwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung den Einsatz von Zwischenspeichern hinfällig. Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Optimierung der Nutzungs-Effizienz einer hauseigenen netzverbundenen PV-Anlage, welche mindestens ein Solarmodul (1) zur Stromerzeugung, einen Wechselrichter (2), um den erzeugten Solar-Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln, und mindestens einen Verteiler (3), um einen Verbraucher (4) der hauseigenen netz verbundenen PV-Anlage mit Strom zu versorgen, umfasst, welche hauseigene netzverbundene PV-Anlage mit einem Stromzähler (5) für die Messung des Strombezugs und der Stromeinspeisung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung hausnetzseitig eine unmittelbar nach dem Stromzähler (5) der hauseigenen netzverbundenen PV-Anlage zuschaltbare Master-Elektronik (6) zur Analyse des hauseigenen Strombedarfs umfasst und eine unmittelbar vor dem Verbraucher (4) der hauseigenen netzverbundenen PV-Anlage zuschaltbare Slave-Elektronik (7) zur energieeffizienten Speisung des Verbrauchers (4) umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Master-Elektronik (6) eine Analyse-Elektronik mit mindestens einem Stromwandler (8), einer CPU (9) und einem ersten Bus (11) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Slave-Elektronik (7) eine Auswerte-Elektronik (12) mit einem zweiten Bus (13) und mindestens einem digitalen Signalgeber (16) für die Steuerung eines elektronischen Relais (14) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Master-Elektronik (6) mindestens eine Sicherung (15), insbesondere einen Leistungsschutzschalter, aufweist, dessen Spannungsdifferenz zur Bestimmung des Innenwiderstands (Rf) und damit der anliegenden Leistung abgreifbar ist.