DE102006042888A1

DE102006042888A1 - Vorrichtung und Verfahren zur technischen Nutzung von Sonnenenergie

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Publication number: DE102006042888A1
Application number: DE102006042888A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr.-Ing. Tank
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2007-06-14
Also published as: WO2007065783A3; WO2007065783A2; EP1957878A2

Abstract

In einer gemeinsamen Kollektorvorrichtung sind Kollektoren (61) von photothermischem Typ und Kollektoren (62) von photovoltaischem Typ miteinander vereinigt, wobei Anteile der photothermischen Energie und der photovoltaischen Energie variiert werden können. Hierzu sind die Kollektoren z.B. in Form von Lamellen angeordnet, die nach Art einer Jalousie verstellt werden können, um entweder die einen oder die anderen Kollektoren der Sonnenstrahlung auszusetzen. DOLLAR A Ein Verfahren zur Verteilung der Energie einer Energiebereitstellungsanlage auf die drei Energienutzungsarten: Heizung, Warmwasser und Stromerzeugung sieht vor, dass anhand einer Vorhersage der zeitlichen Verfügbarkeit der Menge an solarer Energie unter Einbeziehung von Wetterdaten und einer Vorhersage der Nutzung jeder der drei Energienutzungsarten anhand von Erfahrungswerten eine derartige Aufteilung der angebotenen Energie in Nutzung, Speicherung oder Umwandlung in eine andere Energieart erfolgt, dass der Nutzungsgrad der Energieerzeugungsanlage maximiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur technischen Nutzung von Sonnenenergie, insbesondere für Heizungszwecke in Kleinanlagen zur Beheizung von Wohnhäusern.

Die technische Nutzung von Sonnenenergie wird einerseits mit Großanlagen im industriellen Rahmen und andererseits mit kleinen Systemen im privaten betrieben. Kleinanlagen sind entweder photovoltaische zur Stromerzeugung oder photothermische zur Erzeugung von Warmwasser. Dabei beträgt der Wirkungsgrad der Umsetzung der Sonnenstrahlung in thermische Energie 60 % bis 70 % bei der Umsetzung in elektrische Energie 10 % bis 25 % (10 % bei preiswerten amorphen Silizium-Solarzellen, 20 bis 25 % bei teuren, photovoltaischen- mehrschichtigen Gallium-Arsenid-Zellen). Die Kosten für Anschaffung und Betrieb, sind gegenwärtig für photothermische Anlagen geringer als für photovoltaische. Aus Wirkungsgrad und Kosten ist auf eine Überlegenheit der photothermischen Anlagen zu schließen.

Zur genaueren Beurteilung wird nachfolgend die Nutzung der gesammelten Energie betrachtet. Dazu wird hier der Begriff des Wirkungsgrads der Nutzung eingeführt, als Verhältnis von genutzter zur vom Solarsystem bereitgestellten Energie.

Bei photovoltaischen Systemen ist die Bereitstellung vollständig von der Nutzung durch den Anlagenbetreiber entkoppelt: die elektrische Energie wird ins öffentliche Stromleitungsnetz eingespeist und steht allen angeschlossenen Nutzern zur Verfügung. Der Anlagenbetreiber enthält eine finanzielle Vergütung. Sieht man von Verlusten im Leitungsnetz ab, so beträgt der Wirkungsgrad der Nutzung 100 %.

Die von photothermischen Systemen bereitgestellte Energie wird beim Anlagenbetreiber in Form erwärmten Wassers gespeichert und steht nur diesem selbst zur Nutzung zur Verfügung. Der Wirkungsgrad ihrer Nutzung hängt von der optimalen Anpassung dreier Einflussgrößen ab: dem zeitlich variierenden Angebot der Sonne, der Kapazität und den Verlusten des Speichers und den Nutzungsgewohnheiten des Betreibers. Sie wird einerseits von den angebotenen/gespeicherten Energiemengen und andererseits vom Grad der zeitlichen Übereinstimmung von Bereitstellung und Nutzung (Energieabnahme) beeinflusst.

Mit zunehmender Entfernung vom Äquator liegt auf der Erde naturbedingt eine zeitliche Fehlanpassung von Angebot und Nutzung vor: im sonnigen Sommer ist die einfallende Sonnenenergie am höchsten, der Warmwasserbedarf in Privathaushalten am geringsten, im Winter ist es umgekehrt (Hauptangebotszeit: Sommer, Hauptnutzungszeit: Winter). Ein Ausgleich dieser Fehlanpassung erforderte die Speicherung großer Wärmemengen über lange Zeiträume (Monate). Das ist mittels Latentwärmespeichern zwar technisch sogar verlustfrei möglich. Es wären aber sehr große Speicher erforderlich, wollte man bedarfsdeckend arbeiten und Angebot und Nutzung der Wärmeenergie vollständig entkoppeln. Derartige Anlagen sind gegenwärtig nicht wirtschaftlich und werden daher nicht verwendet.

Darüber hinaus sind in mittleren und nördlichen Breiten die kurz- und mittelfristigen Änderungen der Sonneneinstrahlung wetterbedingt sehr ausgeprägt. Es gibt Perioden tagelangen Sonnenscheins, sowie solche tagelanger Bewölkung. Nur bei Sonnenschein ist der Betrieb solarthermischer Anlagen effizient. Während also kein kontinuierliches Angebot an Sonnenergie vorliegt, ist aber der Bedarf an Warmwasser in den betrachteten Zeiträumen der Wetteränderungen als weitgehend kontinuierlich anzusehen. Auch auf dieser zeitlichen Ebene liegt eine Fehlanpassung von Angebot und Bedarf vor, weshalb zur Überbrückung von Schlechtwetterperioden daher Pufferspeicher erforderlich sind.

Aus Kostengründen werden in der Praxis in Kleinanlagen Speicher verwendet, die den Bedarf von zwei bis drei Tagen bevorraten können und Kollektoren mit einer Fläche, die in den Sonnenscheinmonaten den Bedarf der Betreiber für ein bis zwei Tage decken können. Die dargestellte wetter- und jahreszeitlich bedingte Fehlanpassung führt dabei immer wieder zu Phasen der Unterversorgung und der Überversorgung. Ersterer wird durch kostenwirksame Zusatzheizung begegnet, letzterer, indem die Anlage bei einer bestimmten Speichertemperatur (zwischen 50 °C und 70 °C abschaltet, um einem Verkalken der Speicherbehälter vorzubeugen oder gar ein Kochen des Wassers zu vermeiden. Der Kollektor wird dann bei andauernder Sonnenbestrahlung sehr heiß, der Druck im Leitungssystem steigt. Bei ausreichend hoher Temperatur verdampft die Sole (die Wärmeträgerflüssigkeit der Solaranlage), der Dampf entweicht durch ein Überdruckventil oder, wenn dieses nicht vorhanden ist, durch Verschraubungen, die dem Druck nicht Stand halten. Bei ausreichend hohem Verlust der Sole arbeitet die Anlage nicht mehr, es muss Sole relativ teuer eingekauft und nachgefüllt werden, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage stark beeinträchtigt. Der Ablauf kann sich mehrmals im Jahr wiederholen, bis in die sonnenarme Zeit hinein. Die Überhitzung tritt immer auch in Zeiten ohne Warmwasserentnahme ein, nämlich wenn die Betreiber längere Zeit nicht anwesend sind, z. B. wenn sie auf Reisen sind (Sommerurlaub). Dann sind auch Anlagen mit sehr kleinen Kollektorflächen betroffen.

Insgesamt können daher gegenwärtig solarthermische Kleinanlagen nur weit unterhalb ihres energetischen Potentials genutzt werden.

Darüber hinaus sind die Kollektoren (elektrische und thermische) von Kleinanlagen in aller Regel starr montiert und ihre Ausrichtung zur Sonne ist durch die jeweilige Dachneigung (Elevation) und Dachorientierung zur Himmelsrichtung (Azimut) bestimmt. Eine optimale Nutzung der Sonnenenergie ist aber nur dann gegeben, wenn die Sonnenstrahlung zu jedem Zeitpunkt senkrecht auf die Kollektoroberfläche fällt.

Als nachteilig wird angesehen, dass es bisher keine wirtschaftlich vertretbare technische Lösung für das Problem der Fehlanpassung von Angebot der Wärmeenergie photothermischer Kollektoranlagen und dem Bedarf ihrer Nutzer gibt und dass deshalb die Nutzbarmachung des hohen Wirkungsgrads dieser Systeme nicht realisierbar ist. Ein weiterer Nachteil ist der im Sommer wiederholt auftretende Verlust von Sole bei Überhitzung solarthermischer Anlagen und die deshalb notwendige Nachfüllung, wodurch beträchtliche Kosten entstehen, die die Wirtschaftlichkeit dieser Systeme stark beeinträchtigen. Es wird ferner als nachteilig angesehen, dass photovoltaische im Vergleich zu photothermischen Solaranlagen einen geringen Wirkungsgrad aufweisen, der hohe Wirkungsgrad der photothermischen in Kleinanlagen aber nicht optimal genutzt werden kann, weshalb die Installation solarelektrischer Anlagen zur Zeit bevorzugt wird. Mit diesen Anlagen kann nur ein sehr geringer Teil der zur Verfügung stehenden Solarenergie genutzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur technischen Nutzung von Sonnenenergie mittels Solarkollektoren zu schaffen, mit der eine Steigerung des Wirkungsgrads der Nutzung vor allem dezentraler Kleinanlagen erreicht wird. Außerdem soll die Gefahr von Beschädigungen durch Überhitzung wirksam vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach ist die photothermische Kollektoranlage bezüglich der Gesamtheit der angeschlossenen Verbraucher überdimensioniert. An den zugehörigen Speicher ist außer den zu versorgenden Verbrauchern ein Überschusswärmetauscher angeschlossen, der im Falle eines die Verbrauchernachfrage übersteigenden Überangebots an Sonnenenergie, die überschüssige Wärme abführt.

Die Erfindung geht davon aus, dass eine schulmäßige Dimensionierung des photothermischen Kollektors und des Speichers normalerweise unter Berücksichtigung des maximalen Wärmebedarfs aller Verbraucher und der maximal zulässigen Temperatur des Wärmeübertragungsmediums erfolgt. Von dieser Regel weicht die Erfindung ab, indem sie eine Überdimensionierung der photothermischen Kollektoranlage und eventuell auch des Speichers vorsieht.

Die erfindungsgemäße Solarkollektoranlage ist so ausgelegt, dass sie den Bedarf der Betreiber/Anwender in den sonnenarmen Jahreszeiten (Herbst, Winter, Frühjahr) möglichst weitgehend decken. Dazu werden unter Verwendung von Berechnungsverfahren die Kollektorflächen entsprechend groß dimensioniert. Zur Speicherung der Wärmeenergie wird ein technisch bekannter Warmwasserspeicher verwendet. Um wetterbedingte Schwankungen der Sonneneinstrahlung (über einige Tage) auszugleichen, wird dieser Speicher großzügiger als bisher üblich dimensioniert (z. B. 2000 l Wasser, oder mehr, für einen Haushalt mit 3–4 Personen). Um Überhitzungen und dadurch mögliche Schädigungen der Anlage in der sonnenreichen Jahreszeit (Sommer) zu vermeiden, wird erfindungsgemäß an geeigneter Stelle im System ein Überschusswärmetauscher vorgesehen, der die Aufgabe hat, im Bedarfsfall überschüssige Wärmeenergie entweder nur schadlos, oder sogar nutzbringend abzuführen. Dieser Überschusswärmetauscher wird in einer bevorzugten, nutzbringenden Ausführungsform als Heizkörper in einem geeigneten Raum des Hauses ausgeführt, das heißt in einem Raum, dessen Heizung auch im Sommer wünschenswert ist. Geeignet sind grundsätzlich Kellerräume (in denen keine Nahrungsmittel gelagert werden), wie z. B. Waschküchen und Räume zur Wäschetrocknung, oder Hobbyräume/Werkstätten. Gerade im Sommer trocknet Wäsche in Kellerräumen nur langsam, weshalb häufig elektrische Wäschetrockner verwendet werden, die viel Energie benötigen. Werden die Räume dagegen solarthermisch geheizt, trocknet die Wäsche schnell und ohne zusätzlichen Einsatz elektrischer Heizenergie. Ferner bleibt der Trockenraum selber trocken. Darüber hinaus ist es grundsätzlich von Nutzen, Kellerräume im Sommer zu heizen, denn ungeheizt werden sie leicht feucht (Kellerwände und Boden sind kühl, die Außenluft hat wegen der höheren Temperatur eine höhere Feuchte – kommt Außenluft in den Keller, so kondensiert die Luftfeuchte an Boden und Wänden. Als Konsequenz wird und bleibt der Keller feucht und muffig.)

Die Anlage ist erfindungsgemäß mit entsprechenden Wärmetauscherkreisläufen, Regelkreisen und Stellgliedern versehen, die es ermöglichen, bei Erreichen der vorgegebenen Wassertemperatur im Speicher, automatisch die weitere Solarwärme in den Überschusswärmetauscher zu leiten.

In diesen Wärmetauscherkreislauf wird auch der Heizkessel der in der Regel vorhandenen konventionellen Heizanlage mit einbezogen. Damit wird erreicht, dass die Temperatur im Kessel zum Schutz vor Korrosion über dem Taupunkt bleibt, was ansonsten regelmäßige kurze Feuerung des Kessels (auch im Sommer) erfordert. Ferner ist es vorgesehen, die Überschusswärme in den konventionellen Heizkreislauf der Wohnräume (z. B. Fußbodenheizung oder Heizkörpersystem) zu leiten, wofür auch hier entsprechende Rohrleitungen, Regelkreise und Stellglieder vorhanden sind. Damit wird es möglich, z. B. in der Übergangszeit und im Winter den Wohnräumen solare Überschusswärme zuzuführen. Somit wird eine noch effizientere Nutzung der Solarwärme erreicht. Die Regelanlage sorgt in technisch bekannter Weise dafür, dass die gewünschte Temperatur im Wasserspeicher (von z. B. typischerweise 50 °C) nicht über- und nicht unterschritten wird. Durch die Erfindung wird somit ein integriertes duales Versorgungssystem für Heiz- und Brauchwasser in Wohnhäusern geschaffen, das durch optimale Nutzung photothermischer Sonnenenergie den Einsatz anderer Energieträger minimiert. Um einen möglichst großen Nutzen in der sonnenarmen Jahreszeit zu erzielen, werden große Kollektorflächen dadurch geschaffen, dass die gesamte geeignete Dachfläche mit photothermischen Solarkollektoren bedeckt wird. Insbesondere für „Minimalenergiehäuser" mit Wärmerückgewinnung ist die Erfindung zur Ganzjahresheizung geeignet. In der sonnenarmen Jahreszeit (Heizperiode) wird die Überschusswärme nutzbringend zur Heizung der Wohnräume des Hauses verwendet. Eine Heizung von Kellerräumen ist zu dieser Zeit nicht notwendig, da die Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsverhältnisse im Winter ein Feuchtwerden verhindern.

Als Überschusswärmetauscher kann auch ein Wärmetauscher im Erdreich des Hauses eingebaut werden. Bei dieser letzten Lösung würde die überschüssige Wärmeenergie zwar schadlos, aber auch ohne direkten Nutzen abgeführt. Der indirekte Nutzen besteht darin, dass ein Überhitzen der Anlage und Verlust von Sole vermieden wird.

Die vorstehend genannten Verfahren zur Vermeidung von Überhitzung und Verlust von Sole sind insbesondere auch zur Nachrüstung bei bestehenden Anlagen geeignet.

Unabhängig von diesem ersten Aspekt betrifft die Erfindung den nachfolgend erläuterten zweiten Aspekt.

Gemäß dem zweiten Aspekt ist eine Vorrichtung zur technischen Nutzung von Sonnenenergie vorgesehen, die sowohl photothermische Kollektoren zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluids, als auch photovoltaische Kollektoren zur Erzeugung elektrischer Energie enthält. Die photothermischen und die photovoltaischen Kollektoren sind jeweils auf einer definierten gemeinsamen Empfangsfläche derart gekoppelt, dass der eine Typ von Kollektoren in dem Maße der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, in dem der andere Typ abgeschattet ist. Die Kollektoren sind in Kollektorfeldern angeordnet, mit denen sich große Empfangsflächen realisieren lassen, beispielsweise als Bedachung von Häusern. Die Empfangsflächen oder -felder können aus übereinander angeordneten Kollektorebenen aufgebaut sein. Hierbei besteht die untere Ebene aus einer Anordnung photothermischer Kollektoren. Die obere Ebene enthält photoelektrische Kollektoren.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist die obere Kollektorebene in Form eines Lamellenfeldes gestaltet, vergleichbar mit dem Aufbau und der Funktionsweise von Sonnenschutzjalousien. Die Lamellenfelder können wie Jalousien geschwenkt und mit ihrer Fläche mehr oder weniger der Sonne ausgesetzt werden und dabei gleichzeitig weniger oder mehr Sonnenlicht auf die darunter liegende photothermische Kollektoranordnung hindurch lassen. Die Lamellen selbst sind in Form photoelektrischer Kollektorelemente gestaltet. Eine vorzugsweise motorgetriebene Einstellung der Lamellen erlaubt eine stufenlose Aufteilung der Sonnenstrahlung zwischen beiden Kollektorebenen und -arten. Bei ganz geschlossenen Lamellen fällt die gesamte Strahlung auf diese mit ihren oben liegenden photoelektrischen Kollektorelementen und es wird ausschließlich in elektrische Energie gewandelt. Bei in Richtung des Sonneneinfalls aufgestellten Lamellen fällt alles Licht auf den unten liegenden photothermischen Kollektor und wird in thermische Energie umgewandelt (am Tage trifft in dieser Stellung auch Himmelslicht auf den photoelektrischen Kollektor, und wird in geringe Mengen elektrischer Energie umgewandelt). Es ist vorgesehen, die Lamellen in ihrer jeweiligen Stellung kontinuierlich dem Lauf der Sonne nachzuführen, so dass die Lamellen in Bezug auf eine Richtung entweder immer senkrecht zu Sonne oder in Richtung der Sonne stehen.

Alternativ ist vorgesehen, die Lamellen, die auf der Oberseite die solarelektrischen Kollektorzellen enthalten, auf der Unterseite verspiegeln und ihre Einstellvorrichtung so zu gestalten, dass nicht nur die Ausrichtung der Oberseite zur Sonne möglich ist, sondern auch die kontinuierliche Einstellung derart, dass die spiegelnde Unterseite die Sonnenstrahlung auf das unten liegende thermische Kollektormodul lenkt. Damit ist es auch hier möglich, in Bezug auf eine Richtung einen senkrechten Strahlungseinfall zu erzielen.

Um einen senkrechten Strahlungseinfall in beiden Richtungen (Azimut und Elevation) zu erreichen, werden zwei Möglichkeiten vorgesehen:

1. Die ganze vorstehend beschriebene Anordnung wird auf einer beweglichen Trägerstruktur montiert, welche kontinuierlich mittels Motorsteuerung eine optimale Ausrichtung zur Sonne beider Kollektorarten senkrecht zur Bewegung der Lamellen ermöglicht.
2. Die Lamellen werden unterteilt, so dass eine schachbrettartige Struktur entsteht, deren Felder synchron in zwei zueinander senkrechten Richtungen geschwenkt werden können.

Zum Schutz insbesondere der Verstellvorrichtungen der Lamellen können Teile oder die gesamte Kollektoreinrichtung in geeigneten Gehäusen untergebracht werden – im Fall der gesamten Anlage, hat das Gehäuse die notwendigen strahlungsdurchlässigen Fenster aus Glas oder geeignetem Kunststoff.

In einer anderen möglichen Ausführungsform wird wiederum eine Kollektoranordnung in zwei Ebenen geschaffen. Photoelektrische Kollektoren werden sowohl beweglich, als auch fest aufgebaut, während die photothermischen fest montiert sind. Dazu werden Kollektormodule handhabbarer Größe geschaffen, die jeweils aus einer photothermischen und zwei photovoltaischen Kollektoreinheiten bestehen, die dieselbe Form und Fläche haben. Die photothermische Einheit und eine der photovoltaischen werden auf einem gemeinsamen Montagerahmen unmittelbar nebeneinander auf der unteren Ebene ortsfest montiert. Die zweite photovoltaische Einheit wird an dem Montagerahmen des Moduls mit einer entsprechenden Vorrichtung so montiert, dass sie verschiebbar oder schwenkbar ist und alternativ in der zweiten Ebene in geringem Abstand direkt über der ersten photovoltaischen Einheit, oder direkt über der photothermischen Einheit positioniert und mittels eines Verriegelungsmechanismus festgestellt werden kann, dergestalt dass sie diese (erste photovoltaische Einheit, bzw. die photothermische Einheit) genau überdeckt und von der Sonne abschirmt. Somit ist es möglich, entweder nur die beiden photovoltaischen Einheiten der Sonne auszusetzen, oder nur eine photovoltaische und die photothermische. Eine stufenlose Verschiebung ermöglicht auch hier eine variable Verteilung der Sonnenstrahlung, allerdings nur zwischen den beiden Extremen 50 % bis 100 % Strahlung auf den photoelektrischen Kollektor, bei gleichzeitig 50 % bis 0 % auf den photothermischen.

In einer weiteren Ausführungsform arbeitet ein modulares Kollektorsegment auf einer Seite protothermisch und auf der anderen Seite photovoltaisch. Durch einen entsprechenden Schwenkmechanismus wird die gewünschte Seite der Sonne zugewandt, die andere ist dann im Schatten. Die Kollektoren sind dazu auf entsprechenden Halterungen montiert und mit flexiblen Zuleitungen versehen (flexible Stromleitungen für die photoelektrischen, bzw. flexible Hydraulikschläuche für die photothermischen). Bevorzugt wird eine solche Anordnung in einer Lamellenform aufgebaut, ähnlich der oben dargestellten.

Eine bevorzugte Kollektoranordnung ist die thermisch/elektrisch kombinierte mit starren thermischen Kollektoren in der unteren Ebene und einstellbaren elektrischen in der Ebene darüber, in Form der beschriebenen Lamellen. Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads des gesamten Systems, vor allem aber des solarthermischen Teils sind vier mögliche Montage- und Betriebsweisen vorgesehen:

1. die Kollektormodule sind auf schwenk- und drehbaren Halterungen montiert, die über vorzugsweise Elektromotoren und gesteuert vom Steuerrechner fortlaufend für eine optimale Ausrichtung der Module zur Sonne in Elevation und Azimut sorgen.
2. Die Lamellen, die auf der Oberseite die solarelektrischen Kollektorzellen enthalten, sind auf der Unterseite verspiegelt. Ihre Einstellvorrichtung erlaubt einerseits die optimale kontinuierliche Ausrichtung der Oberseite zur Sonne, andererseits die kontinuierliche Einstellung auch derart, dass die spiegelnde Unterseite die Sonnenstrahlung auf das unten liegende thermische Kollektormodul lenkt. Diese Optimierung ist nur in einer Richtung möglich, je nach Orientierung der Lamellen entweder in Azimut oder in Elevation.
3. Unter Berücksichtigung aller Einflussparameter und gegebenenfalls ihrer zeitlichen Jahresverläufe, wie Standort, Angebot (Strahlungsleistung), Nachfrage, Kollektorwirkungsgrade, Möglichkeit die Orientierung der solarelektrischen Lamellen zu verstellen, Heizkosten, Einspeisevergütung für Strom, etc., wird eine für ein gesamtes Jahr ertrags- bzw. kostenoptimale Orientierung der solarthermischen Module in Azimut und Elevation ermittelt und diese entsprechend montiert.
4. Es wird die schachbrettartige Struktur verwendet, mit oberseitigen solarelektrischen Kollektoren, die unterseitig verspiegelt sind und darunter starr liegenden solarthermischen Kollektoren.

Zur Optimierung des Wirkungsgrades der Nutzung einer solaren Energiegewinnungsvorrichtung werden nachstehend Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Kollektoranlagen beschrieben, die die Verteilung der Sonnenenergie auf die beiden Kollektorarten und gegebenenfalls die Ableitung der Überschusswärme in Abhängigkeit von Bedarf und Angebot durchführen. Zentrale Einheit der Vorrichtung ist ein elektronischer Erfassungs- und Steuerrechner (nachfolgend „Steuerrechner" genannt) mit Speicher und Eingabeschnittstellen zur automatisierten und/oder interaktiven Eingabe von Daten, wozu auch ein Internetanschluss gehört, sowie Ausgabeschnittstellen zur Ausgabe von Steuerbefehlen an die Solarkollektor- und Warmwasseranlage, sowie Meldungen an eine Anzeigeeinrichtung (Benutzerkonsole).

Der Speicher dient der Bereitstellung angebots- und verbrauchsrelevanter Daten, z. B. der Uhrzeit, einem Kalender (mit regionalen Besonderheiten wie Feiertagen), standortrelevanten Klima- und Wetterdaten (Sonnenscheindauer, saisonalen Temperaturverläufen, etc.) und der Anlagenhistorie (Aufzeichnungen von tatsächlichem Angebot und Verbrauch und des Standortwetters und aller sonstigen Parameter seit Bestehen der jeweiligen Anlage).

Eingabedaten sind z. B. Informationen über den Wasservorrat (Menge, Temperatur, aktuelle Entnahmemengen), den Bedarf (individueller Verbrauch), das Angebot an Sonnenenergie (aktuelles Wetter, Wettervorhersage), welche online über den Internetanschluss automatisch abgefragt und eingegeben werden, sowie weitere Daten (aktuelle Änderungen verbrauchsrelevanter Größen wie z. B der Nutzerzahl, Urlaub, etc.).

Ausgabedaten sind z. B. Steuersignale zur Ausrichtung der Kollektoren, oder das Öffnen/Schließen von Ventilen und das Ein/Ausschalten von Pumpen, sowie Informationen für die Anlagenbetreiber. Alle zeitabhängigen Ein- und Ausgabedaten werden in einem Archiv als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.

Aufgabe des Verfahrens ist es, das Thermoenergiesystem so zu steuern, dass zu jedem Zeitpunkt die zur Verfügung stehende Sonnenenergie primär in Wärmeenergie (Wärmemenge) umgewandelt wird und nur dann in elektrische, wenn der Bedarf an Wärmeenergie für einen sinnvoll überschaubaren, voraus liegenden Zeitraum gedeckt ist.

Darüber hinaus wird erfindungsgemäß neben der Wärmemenge auch die tatsächliche Wassertemperatur als Parameter zur Steuerung des Systems mit einbezogen. Für die verschiedenen Verwendungszwecke des warmen Wassers (Heizung, Dusche, Bad) sind unterschiedliche Mindesttemperaturen erforderlich, um einerseits die erwünschte Wirkung, andererseits ein angenehmes Befinden zu erzielen (lauwarmes Badewasser ist meist unerwünscht).

Das Thermoenergiesystem ist mit einem Messsystem versehen, welches die Ermittlung verschiedener seiner Zustandsgrößen ermöglicht. Gemessen werden Temperaturen an mehreren Stellen des Systems und Durchflussmengen im Warmwassersystem und Heizungskreislauf, ferner die solare Einstrahlung (Strahlungsleistung) am Kollektorsystem, die Außentemperatur, die relative Luftfeuchte, sowie die Windgeschwindigkeit und -richtung.

Die Temperaturmessung im Wasserspeicher erfolgt an mehreren Stellen dergestalt, dass der Verlauf der thermischen Schichtung des Wassers erfasst wird und eine Berechnung der enthaltenen Wärmemenge unter Einbeziehung der enthaltenen, bekannten Wassermenge zu jedem Zeitpunkt möglich ist. Bei Entnahme wird die Menge und Temperatur des den Speicher verlassenden Wassers gemessen, sowie die Temperatur des nachlaufenden. Aus diesen Daten werden die jeweiligen Veränderungen der gespeicherten Wärmemenge bestimmt und der aktuelle Vorrat, sowie die aktuelle Entnahmetemperatur ermittelt. Messungen im Vorrat und der Entnahme werden laufend aktualisiert. Unter Berücksichtigung der aktuellen, kurz-, mittel-, und der historischen Verbrauchswerte wird daraus bestimmt, wie lange der Vorrat die Entnahme bei einem bestimmten Temperaturniveau ermöglicht. Alle Messdaten werden im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.

Es ist vorgesehen, eine Speicherkaskade in Form mehrerer hintereinander geschalteter Wasserbehälter geringen Volumens von einigen 100 l Wasser zu verwenden. Diese werden nacheinander erwärmt (beladen) und genutzt (entladen). Das führt dazu, dass die Temperaturen in der einzelnen Behältern unterschiedlich hoch sind, und bei geringerem Sonnenschein die kühleren, bei stärkerem die wärmeren beladen werden können.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verteilung der Energie einer Energiebereitstellungsanlage auf die drei Energienutzungsarten: Heizung, Warmwasser- und Stromerzeugung.

Aufgabe des Verfahrens ist es, das Angebot solarer Energie auf die drei Nachfragearten mit optimalem Wirkungsgrad zu verteilen, wobei der Bedarf an Warmwasser die höchste Priorität und der Bedarf an Raumheizung die zweite Priorität hat. Die Stromerzeugung hat überhaupt keine Priorität weil es sich hierbei um eine reine Überschusseinleitung in das Stromnetz handelt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Anspruch 11 bezeichnet. Es sieht vor, dass anhand einer Vorhersage der zeitlichen Verfügbarkeit der Menge an solarer Energie unter Einbeziehung von Wetterdaten und einer Vorhersage der Nutzung jeder der drei Energienutzungsarten anhand von Erfahrungswerten eine derartige Aufteilung der angebotenen Energie in Nutzung, Speicherung oder Umwandlung in eine andere Energieart erfolgt, dass der Nutzungsgrad der Energienutzungsanlage maximiert wird.

Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 12–24 enthalten und ergeben sich aus der nachfolgenden Verfahrensbeschreibung.

Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 Ein Blockschaltbild einer photothermischen Solarenergieanlage mit optimierbarem Wirkungsgrad der Nutzung,
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur kombinierten und gekoppelten photothermischen und photovoltaischen Sonnenstrahlungssammlung,
3 eine schematische Darstellung einer dualen Kollektoranlage mit schwenkbaren Solarkollektor-Lamellen,
4 eine schachbrettartige Kollektoranordnung, bei der die Kollektoren jeweils um eine Höhenachse und eine Azimutachse der Position der Sonne zweiachsig nachführbar sind,
5 eine Ausführungsform mit einander überlagernden Kollektoren, die in unterschiedlichen Ebenen angeordnet und relativ zueinander verschiebbar sind,
6 einen dualen Kollektor mit Kollektoren unterschiedlichen Typs auf entgegengesetzten Oberflächen, und
7 ein Diagramm des Steuerrechners, in den das erfindungsgemäße Verfahren implementiert ist, einschließlich der zugehörigen Peripheriegeräte.
1 enthält die Darstellung einer photothermischen Solarenergieanlage mit der Möglichkeit zur Nutzung bzw. Abführung von Überschusswärme bestehend aus einem Steuergerät 1 beispielsweise in Form eines Steuerrechners, einem mit dem Steuergerät gekoppelten Ein- und Ausgabegerät 11, beispielsweise in Form einer Rechnertastatur und eines Anzeigeschirms (Display), aus einem thermischen Solarkollektorfeld 2, welches hier durch ein Kollektormodul repräsentiert ist, einem Speichergefäß 3, einem konventionellen Heizkessel 4, einem Wärmeverbraucher als Wärmetauscher 5 in Form eines konventionellen Heizkörpers, einem Überschusswärmetauscher 9 in Form eines im Keller des Gebäudes installierten Heizköpers, sowie einer Warmwasserzapfstelle 7. Am Solarkollektorfeld 2 befindet sich ein nicht näher dargestellter Temperaturfühler zur Messung der Soletemperatur. Er ist über eine Messleitung mit dem Steuergerät 1 verbunden. Das Speichergefäß 3 enthält innerhalb seiner äußeren Umhüllung ein kleineres inneres Gefäß 31, welches mit dem Trinkwassersystem über einen Zulauf gekoppelt ist und einen Ablauf zur Zapfstelle 33 hat. Zwischen der äußeren Umhüllung des Speichergefäßes 3 und dem inneren Gefäß 31 befindet sich Brauchwasser. Das Speichergefäß 3 bildet mittels Hin- und Rückläufen zu dem Kessel 4 und zu den Wärmetauschern 5 und 9 drei Kreisläufe, durch die das Brauchwasser, getrieben von den Pumpen 41, 51, 61, zirkulieren kann. Drei Ventile 42, 52, 62 unterstützen die Pumpen 41, 52, 62 beim Unterbrechen der Kreisläufe. Pumpen 41, 51, 61 und Ventile 42, 52, 62 werden elektrisch vom Steuergerät 1 geschaltet und sind zu diesem Zweck über Steuerleitungen mit diesem verbunden. Im Brauchwasserbereich des Speicherbehälters 3 befindet sich ein nicht näher dargestellter Temperaturfühler, der über eine Messleitung mit dem Steuergerät 1 verbunden ist. Im Brauchwasserbereich des Speicherbehälters 3 befindet sich ferner der Wärmetauscher 22 der thermischen Solarkollektoranlage, mit deren Kollektorfeld 2 er über eine Vor- und eine Rücklaufleitung für die Sole verbunden ist. Vorzugsweise in der Rücklaufleitung befindet sich eine Pumpe 23, die den Solekreislauf zwischen Kollektor 2 und Wärmetauscher 22 unterhält. Die Pumpe 23 wird wie die übrigen Pumpen 41, 51, 61 und Ventile 42, 52, 62 elektrisch vom Steuergerät 1 geschaltet und ist zu diesem Zweck über eine Steuerleitung mit diesem verbunden.
Der Temperaturfühler im Speichergefäß 3 misst die Brauchwassertemperatur, die dann vom Steuergerät 1 erfasst wird. Übersteigt sie eine vorgegebene Temperaturschwelle, schaltet das Steuergerät 1 je nach Vorgabe durch den Benutzer entweder Ventil 51 oder Ventil 61 auf und Pumpe 52 oder Pumpe 62 ein und leitet damit das heiße Brauchwasser durch die Wärmetauscher 5 oder 9. Die Vorgabe nimmt der Benutzer durch entsprechende Eingabe am Ein- und Ausgabegerät 11 vor, wo er auch die Temperaturschwelle eingeben kann. Diese wird zweckmäßig in einem Bereich gewählt, in dem kein Ausfallen von Kalk aus dem Wasser stattfindet. Zeigt die Messung des Temperaturfühlers, dass die Temperatur im Speichergefäß 3 unter die vorgegebene Temperaturschwelle gesunken ist, schaltet das Steuergerät 1 die Ventile 51 oder 61 wieder zu und die Pumpen 52 oder 62 wider ab. Der Temperaturbereich ist ferner nach oben begrenzt. Bei einem oberen Grenzwert wird der Kreislauf durch den Überschusswärmetauscher 9 geöffnet, so dass durch diesen überschüssige Wärme abgeführt wird.
2 zeigt eine Vorrichtung zur kombinierten und gekoppelten photothermischen und photovoltaischen Sonnenstrahlungssammlung. Sie ist weitgehend identisch mit der in 1 dargestellten Vorrichtung. Sie enthält aber statt des solarthermischen Kollektorfeldes ein Feld von kombiniert solarthermischen/solarelektrischen Kollektoren, von denen hier drei Module 6 dargestellt sind. Jedes Modul ist über eine Messleitung (zur Temperaturmessung) und eine Steuerleitung mit dem Steuerrechner 1 verbunden. Außerdem enthält sie einen Messsensor 21 zur Messung der solaren Einstrahlung (Strahlungsleistung). Ferner verfügt die Anlage über einen Wechselrichter 7. Dieser ist über eine elektrische Sammelleitung mit den solarelektrischen Einheiten der Kollektormodule 6 verbunden und verfügt über eine elektrische Verbindung 71 zum öffentlichen Stromnetz. Die Kollektormodule sind in zwei Ebenen aufgebaut., wobei die untere Ebene die starre solarthermische Kollektoreinheit 61 enthält, die obere die verstellbare solarelektrische, hier in Form von verstellbaren Lamellen 62. Die Einstellung der Lamellen erfolgt über Elektromotoren o. ä. Stellglieder, die hier nicht näher dargestellt sind. Diese Stellglieder werden vom Steuerrechner 1 über Steuerleitungen betätigt. Die drei dargestellten Kollektormodule zeigen drei unterschiedliche Einstellungen, die durch unterschiedliche Stellung der solarelektrischen Kollektorlamellen 62 bewirkt sind. Im linken Modul sind die Lamellen 62 aufgestellt, so dass sie selbst kein direktes Sonnenlicht empfangen. Das Sonnenlicht fällt zu Gänze auf die solarthermische Ebene der Kollektoreinheiten 61. Im rechten Modul sind die Lamellen 62 vollständig geschlossen, das Sonnenlicht fällt zur Gänze auf sie, die solarthermische Ebene der Kollektoreinheiten 61 empfängt kein Sonnenlicht. Im mittleren Modul sind die Lamellen so geneigt, dass das Sonnenlicht jeweils zur Hälfte auf beide Ebenen fällt.
In 2 nicht näher dargestellt sind die Rohrleitungsverbindungen der einzelnen Kollektormodule. Sie sind so gestaltet und mit den notwendigen Ventilen versehen (vom Steuerrechner betätigt), dass jedes Modul individuell je nach Bedarf in den Solekreislauf eingefügt oder ausgeschlossen werden kann. Alternativ kann auf diese Möglichkeit verzichtet werden, wodurch der Wirkungsgrad leidet, da dann immer alle Kollektoren von Sole durchströmt sind, auch wenn nicht auf alle Sonnenlicht fällt. Dabei geht Wärmeenergie in den nicht besonnten Kollektoren an die Umwelt verloren.
3 zeigt schematisch eine Kollektoranordnung mit einem photothermischen Kollektor 65 und zahlreichen darüber angeordneten photovoltaischen Kollektoren 66, die lamellenförmig gestaltet sind und um jeweils eine Achse 67 schwenkbar sind. Die photovoltaischen Kollektoren 66 bilden ein Lamellenfeld und sie können gemeinsam nach Art einer Jalousie geschwenkt werden, um den photothermischen Kollektor 65 entweder zu bedecken und dadurch gegenüber der Sonne abzuschatten, oder ihn der einfallenden Solarstrahlung auszusetzen. Die photothermischen und die photovoltaischen Kollektoren sind also derart gekoppelt, dass jeweils der eine Typ in dem Maße der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, in dem der andere Typ abgeschattet ist. Der photothermische Kollektor 65, der hier den Träger bildet, kann um eine Horizontalachse 68 motorisch gesteuert verschwenkt werden, um den Elevationswinkel der gesamten Kollektoranordnung entsprechend dem Sonnenstand zu verändern. Die Vertikalachse 69, die die Kollektoranordnung trägt, kann in Richtung des Pfeiles 70 verschwenkt werden, um eine Nachführung des Azimutwinkels entsprechend dem Sonnenstand vorzunehmen.
Es besteht die Möglichkeit, die Lamellen auf ihrer Unterseite zu verspiegeln und ihre Einstellvorrichtung so zu gestalten, dass nicht nur die Ausrichtung der Oberseite zur Sonne möglich ist, sondern auch die kontinuierliche Nachführung der spiegelnden Unterseite, so dass diese stets die Solarstrahlung auf den photothermischen Kollektor 65 lenkt.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 4 sind die Lamellen, die die photovoltaischen Kollektoren 66 bilden, unterteilt, so dass sich eine schachbrettartige Struktur ergibt. Jedes Feld 80 ist individuell um eine horizontale Höhenachse 81 schwenkbar, die der Achse 67 von 3 entspricht, und um eine senkrecht dazu verlaufende Azimutachse 82 zur Nachführung entsprechend dem Azimutwinkel der Sonne.
Bei dem Ausführungsbeispiel von 5 ist ein photothermischer Kollektor 85 in einer gemeinsamen Ebene mit einem ersten photovoltaischen Kollektor 86 angeordnet. In einer Ebene über den beiden Kollektoren 85, 86 befindet sich ein zweiter photovoltaischer Kollektor 87, der in dieser Ebene verschiebbar ist. Alle drei Kollektoren haben gleiche Form und Größe. Wenn der Kollektor 87 über dem Kollektor 86 steht, werden die Kollektoren 85 und 87 von der Sonne beschienen, während der Kollektor 86 abgeschirmt ist. Auf diese Weise wird jeweils die Hälfte der Solarstrahlung von dem photothermischen Kollektor 85 aufgenommen und die andere Hälfte von dem photovoltaischen Kollektor 87. Wenn der obere Kollektor 87 über den photothermischen Kollektor 85 geschoben ist, wird die gesamte Solarstrahlung, die auf die betreffende Fläche fällt, in elektrische Energie umgewandelt. Durch Zwischenstellungen des oberen Kollektors 87 kann der Anteil der gewonnenen thermischen Energie an der Gesamtenergie stufenlos verändert werden.
Auch bei dieser Ausführungsvariante kann die Unterseite des oberen Kollektors 87 verspiegelt sein.
6 zeigt ein Kollektormodul, bei dem ein photothermischer Kollektor 90 mit einem photovoltaischen Kollektor 91 zu einer Plattenstruktur vereinigt ist, die um eine horizontale Achse 92 schwenkbar ist, um entweder den einen oder den anderen Kollektor der Sonnenstrahlung auszusetzen. Der Kollektor 90 ist über nicht dargestellte flexible Schläuche an ein Schlauchsystem angeschlossen und der Kollektor 91 ist über flexible elektrische Leitungen an ein Leitungsnetz angeschlossen.
Nachfolgend wird das Verfahren zur bedarfs- und angebotsangepassten Steuerung einer hybriden Energiebereitstellungsanlage mit solarer Energiegewinnung beschrieben.
Die erfindungsgemäße Steuerung hat allgemein die Aufgabe, den "Wirkungsgrad der Nutzung" η_N zu optimieren. Der Wirkungsgrad der Nutzung ist das Verhältnis der in einem bestimmten Zeitraum genutzten Energie E_N zu einer nicht zwangsläufig im gleichen Zeitraum angebotenen Energie E_A (im Unterschied dazu bezieht der bekannte "Nutzungsgrad" Angebot und Nutzung auf denselben Zeitraum)
mit der Optimierungsaufgabe: max(ηN) (2)Die angebotene Energie E_A liegt in Form solarer Strahlungsenergie E_S vor: EA = ES (3)
Die Nutzung erfolgt teils als thermische Energie E_T für Warmwasser E_TW und Heizung E_TH im eigenen Haus, teils als elektrische Energie E_E, die ins öffentliche Netz eingespeist wird. EN = ETW + ETH + EE (4)
Im speziellen besteht die erfindungsgemäße Aufgabe darin, die zu jedem Zeitpunkt tatsächlich angebotene Menge solarer Energie E_Stat(t) = E_Atat(t) so mittels der Anlage zu wandeln, speichern und/oder direkt zu nutzen, dass insbesondere die zu einem späteren Zeitpunkt erfolgende tatsächliche Nutzung thermischer Energie E_Ttat (in Form von Warmwasser E_RWtat und Heizwasser E_THtat), aber auch die gegebenenfalls gleichzeitig mit dem Angebot erfolgende, tatsächliche Nutzung thermischer E_Ttat und außerdem elektrischer Energie E_Etat Forderung (2) erfüllt. Dabei sind im Detail folgende Besonderheiten zu berücksichtigen:

– die Menge angebotener -Solarenergie E_S unterliegt starken zeitlichen Schwankungen und ist darüber hinaus streng mit dem Sonnenstand korreliert.
– die Nutzung der beiden thermischen Energiearten E_TW und E_TH ist zeitlich und mengenmäßig überwiegend weder untereinander noch mit dem Angebot korreliert und zeitlich stark schwankend. Die Nutzung warmen Wassers liegt nahezu immer zeitlich versetzt zum Angebot (um Stunden und Tage), die der Heizenergie häufig (meist um Stunden).
– die Nutzung der elektrischen Energie E_E ist zeitlich mit dem Angebot korreliert, jedoch abhängig vom Bedarf (von der Nutzung) thermischer Energie und diesem untergeordnet.

Erfindungsgemäß werden im Vorhinein Vorhersagen über die angebotene Energie E_Avor und die genutzte Energie E_Nvor über einen Zeitraum Δt von mehreren Tagen erstellt und mittels dieser Vorhersagen wird der Nutzungsgrad für diesen Zeitraum Δt nach (2) optimiert. Die Optimierung besteht erfindungsgemäß darin, dass zu jedem Zeitpunkt der Vorhersage die dann tatsächlich angebotene Energie E_Atat in die drei möglichen Nutzungsenergien E_TW, E_TH und E_E in einem Maß und Verhältnis übergeführt wird, dass der Bedarf (vorhergesagte Nutzung) an thermischer Energie E_Tvor, primär an E_TWvor und sekundär an E_THvor, über den Zeitraum Δt so weit wie möglich gedeckt ist (unter Berücksichtigung der Speicherkapazität der Anlage für thermische Energie) und in elektrische Energie E_E nur dann gewandelt wird, wenn eine weitere Wandlung in thermische Energie E_TW, und/oder E_TH den Bedarf an dieser Energie für den Zeitraum Δt (unter Berücksichtigung der im gesamten Zeitraum Δt zu erwartenden Energieangebots E_Avor), oder aber die Speicherkapazität übersteigen würde (Überhitzung). Wie dargestellt, ist die Umwandlung in elektrische Energie E_E vollkommen unabhängig vom Bedarf des Betreibers (Einspeisung ins Stromnetz). Die Optimierung braucht daher dessen Bedarf nicht zu berücksichtigen, weshalb darüber auch keine Vorhersage gemacht wird. Allerdings wird die Kenntnis über zeitliche Strombedarfsspitzen im Netz berücksichtigt (erfindungsgemäß wird bevorzugt daher z. B. zur Mittagszeit in elektrische Energie gewandelt, weil dann besonders viel Strom benötigt wird), wenn primäre und sekundäre Optimierungsforderung (auch unter Berücksichtigung des Angebots und der Nutzung von weiter in der Zukunft liegenden Zeiträumen der Vorhersagephase Δt) das zulassen.
Die Vorhersagen werden erfindungsgemäß ergänzt durch eine Überwachung vorhergesagter Parameter, wie z. B. Sonneneinstrahlung, daraus abgeleitet das tatsächliche Angebot solarer Energie E_Atat = E_Stat, die im Speicher vorhandene Wärmemenge, ihm zugeführte, sowie genutzte Wärmemenge, sowie in elektrische Energie gewandelte, solare Energie, daraus abgeleitet die tatsächlich genutzte Energie, nach Nutzungsarten getrennt. Damit wird der Vergleich Vorhersage gegen den tatsächlichen Zustand durchgeführt. Dieser dient zur Überprüfung des Funktionszustandes der Anlage sowie zur weiteren Optimierung des Betriebs, indem Korrekturen vorgenommen werden, wenn der tatsächliche Zustand von der Vorhersage abweicht.
Die Optimierung erfolgt erfindungsgemäß also mittels Vorhersagen über Energieangebot und Energienutzung und deren Überprüfung und daraus abgeleiteter Steuerung der Anlage.
Zur Vorhersage werden technisch bekannte Verfahren und Vorrichtungen verwendet, wie das Bayestheorem, die Dempster-Shafer-Theorie, das MaximumLikelyhood-Verfahren oder Künstliche Neuronale Netze KNN.
Die Überprüfung (Ermittlung des tatsächlichen Zustands) basiert auf Messungen der relevanten Parameter.
Die technische Überführung der tatsächlich angebotenen solaren Energie E_Stat in die drei Nutzungsarten zu jedem Zeitpunkt des tatsächlichen Angebots erfolgt auf der Basis der Vorhersagen von Angebot und Nutzung mittels entsprechender Betätigung und Einstellung der Kollektorsteuerung (solarelektrisch/solarthermisch) sowie der zugeordneten Ventile, Pumpen und Schalter in technisch bekannter Weise durch den Steuerrechner der Anlage. Dadurch wird die gewandelte Energie jeweils Speichern für Warmwasser und/oder Heizenergie für spätere Nutzung, oder der direkten Heizung, oder in Form elektrischer Energie direkt dem öffentlichen Stromnetz zugeführt. Das tatsächliche Angebot und die tatsächliche Nutzung werden dabei berücksichtigt.
Bei erstmaliger Inbetriebnahme der Energiebereitstellungsanlage wird von geschätzten Verbrauchswerten ausgegangen. Beginnend mit der Inbetriebnahme werden alle Verbrauchsvorgänge erfasst und durch Messungen quantifiziert, womit die tatsächlichen Verbrauchsgewohnheiten und deren Veränderungen dokumentiert werden. Alle erfassten Daten werden im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Bei der Abschätzung des zu erwartenden kurz- und mittelfristigen (einige Tage bis zu einer Woche) Verbrauchs werden außer den genannten Messdaten auch aktuelle und Wettervorhersagedaten berücksichtigt und unter Einbeziehung der aktuellen und historischen Verbrauchsgewohnheiten in verbrauchsrelevante Einflussgrößen umgesetzt. Bedarf und Angebot sind nämlich nicht unabhängig voneinander; zum Beispiel wird an sehr heißen Sommertagen häufig bei geringerer Wassertemperatur und kürzer geduscht, als im kalten Winter, wo wiederum auch öfter und mit größeren Wassermengen gebadet wird. Wind und sehr tiefe Außentemperaturen erfordern im Winter mehr Heizenergie als milde Temperaturen und Windstille. Die Abschätzung des Bedarfs, unter Einbeziehung relevanter Daten aus dem Archivspeicher des Steuerrechners, geschieht mittels bekannter Verfahren, bevorzugt unter Verwendung Künstlicher Neuronaler Netze (KNN), die später näher erläutert werden.
In einer bevorzugten Betriebsform wird bei der Abschätzung des Bedarfs der Verbrauch warmem Brauchwasser mit höchster Priorität bedacht, danach die Heizung von Räumen, bei denen das notwendig ist (Wohnräume), als drittes die Stromerzeugung, als viertes die Heizung von Kellerräumen o. ä. und mit letzter Priorität, und nur bei rein photothermischen Altanlagen, die Abführung der Überschusswärme ohne direkte Nutzung. Das System ermöglicht die Steuerung des Betriebs mit anderen Prioritäten. Alle ermittelten Verbrauchsdaten werden im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Es werden alle für den Standort verfügbaren angebotsrelevanten Daten der Vergangenheit (Wetterbeobachtungen) für einen möglichst großen Zeitraum von einigen Jahren bis zu einigen Jahrzehnten vor Inbetriebnahme der Anlage erfasst und im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert. Ebenso werden alle verfügbaren angebotsrelevanten Daten seit Inbetriebnahme der Anlage zeitlich kontinuierlich erfasst und im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Es werden das aktuelle sowie das kurz- (ein bis zwei Tage) und mittelfristig (drei bis vier Tage, bis zu einer Woche) zu erwartende Angebot an Sonnenenergie ermittelt bzw. geschätzt und bei der Steuerung der Anlage berücksichtigt. Dazu werden im Steuerrechner verschiedene Informationen verarbeitet. Das sind einerseits konstante Parameter, wie die geographischen Standortkoordinaten, die Orientierung der Kollektoranlage zur Erdoberfläche, die Kenndaten der Anlage (Kollektorfläche, Wirkungsgrad, Speichervolumen, etc.). Dann sind es periodisch veränderliche Parameter, mit bekanntem zeitlichen Verlauf, wie Tages- und Jahresgang des Sonnenstandes, Abfolge von Werk- und Feiertagen, etc.. Schließlich sind es veränderliche Parameter, deren zeitlicher Verlauf nur für kurze Zeiträume (einige Tage) und mit endlicher Genauigkeit vorhergesagt werden kann, wie das kurz- und mittelfristig zu erwartende Wetter z. B. aus den Vorhersagen des Deutschen Wetterdienstes o. ä. Einrichtungen, die automatisch über den Internetanschluss abgefragt und eingegeben werden. Dazu gehört auch die jeweils aktuelle Sonneneinstrahlung, die am Kollektorfeld gemessen wird. Aus diesen Daten werden, unter Einbeziehung der gespeicherten Archivdaten, die kurz- und mittelfristig zu erwartenden Wärmemengen und Temperaturen im Speicherbehälter berechnet, bzw. abgeschätzt. Das geschieht mit bekannten technischen Verfahren, vorzugsweise mit Künstlichen Neuronalen Netzen (KNN), die nachstehend näher erläutert werden. Alle ermittelten Angebotsdaten werden im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Die Parameter des zu erwartenden Verbrauchs und des zu erwartenden Angebots als Funktion der Zeit, sowie der durch Messung ermittelte Vorrat an Wärmeenergie und seine Temperatur werden im Steuerrechner in technisch bekannter Weise verwendet, um die Steuerung der gesamten Anlage zu optimieren. Das Ziel ist dabei, soviel Sonnenenergie in Wärmeenergie umzuwandeln, wie möglich und nur dann auf Wandlung in elektrische Energie umzuschalten, wenn Angebot und Nachfrage an thermischer Energie aktuell, kurz- und mittelfristig übereinstimmen, oder wenn die Nachfrage zwar nicht gedeckt ist, die Kapazität der Speicher aber erschöpft ist. Bevorzugt wird dabei die Technik der Künstlichen Neuronalen Netze (KNN) verwendet. Eingabedaten sind die oben genannten Parameter zur Ermittlung von Angebot und Nachfrage. Ausgabeparameter sind Abschätzungen des kurz- und mittelfristig voraus liegenden Angebots und des Verbrauchs, aus denen wiederum Stellsignale abgeleitet werden. Die Stellsignale betätigen z. B. Ventile und Pumpen der Warmwasser- und Heizwasseranlage, sowie der Motoren mit Winkelgebern und sonstigen Stellglieder (elektrische Schalter, Pumpen, Ventile) der Solarstrahlungskollektoreinrichtungen. Das System hält also die Temperatur und ihre Schichtung, sowie die Menge an warmem Trinkwasser im Vorratsbehälter für bestimmte wählbare Zeiträume innerhalb bestimmter vorgegebener Grenzen. Bei Überschreiten der Grenzen führt das System die überschüssige Wärmeenergie bei Bedarf dem Heizsystem direkt oder über einen für Heizungszwecke vorgesehenen Pufferspeicher indirekt zu. Wenn der Bedarf an Heizenergie gedeckt ist, oder der Speicher voll ist, oder keine Heizenergie benötigt wird, und der Warmwasserbedarf für den vorgesehenen Zeitraum gesättigt ist, oder erbracht werden kann, schaltet das System auf den Betrieb der solarelektrischen Energiesammlung um. Wie bei KNN üblich, wird das System fortlaufend trainiert, wobei die Methode des „error backpropagation" verwendet wird, um die Spezifika von Angebot und Verbrauch einer jeden individuellen Anlage optimal zu berücksichtigen.
In dem Prozess werden auch die einstrahlungsabhängigen Wirkungsgrade der Kollektorsysteme berücksichtigt. In Situationen, in denen der Warmwasserbedarf nicht gedeckt ist, der Wirkungsgrad der photoelektrischen Kollektoren aber größer als der der photothermischen ist, werden die photoelektrischen eingesetzt. Diese liefern auch bei geringer Sonneneinstrahlung elektrische Energie, während z. B. die Temperaturerhöhung im thermischen Kollektor unnutzbar gering sein kann, weil der unterhalb der aktuellen Speichertemperatur liegt.
Erfindungsgemäß wird die Vorhersage des Energieangebots im wesentlichen über die Wettervorhersage (z. B. Deutscher Wetterdienst) erstellt, sowie über geographische (Ort, Orientierung der Kollektoren) und zeitliche Daten (Jahreszeit, Tageszeit). Die Vorhersagen werden regelmäßig und dynamisch situationsangepasst aktualisiert, d. h. bei stabiler Angebotssituation (z. B. stabiler Wetterlage) wird z. B. täglich einmal aktualisiert, bei instabiler Situation (instabiler Wetterlage) wird häufiger aktualisiert. Die Überprüfung wird mit den Daten der zur Anlage gehörenden Messsysteme durchgeführt.
Die Vorhersage der Nutzung wird aus deren Beobachtung abgeleitet, wozu individuelle Nutzungsgewohnheiten aller Nutzer erfasst werden. Dabei wird eine regelmäßige Aktualisierung vorgenommen, um zeitliche Schwankungen (z. B. jahreszeitliche) und Veränderungen der Nutzungsgewohnheiten zu berücksichtigen. Das System wird dazu trainiert. Während des Trainings zu Beginn des Betriebs und auch bei späteren Trainingsphasen zur Aktualisierung des Nutzungsverhaltens werden Anzahl und Identität der Nutzer dem System eingegeben. Insbesondere unmittelbar vor der Nutzung größerer Mengen warmen Wassers (zum Baden, Dusche, Haare waschen) werden die aktuellen Nutzer dem System bekannt gemacht (Identifikation) und die dann ermittelten Energienutzungsmengen der Identität zugeordnet. Auf diese Weise ist eine nutzerbezogene Vorhersage möglich, wozu die An- und Abwesenheit einzelner Nutzer dem System mit Identität bekannt gegeben wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Steuerung aus einer Anordnung, die in 7 schematisch dargestellt ist. Der Steuerrechner 1, z. B. in Form eines PCs verfügt über den Archivspeicher und stellt außerdem Datum und Uhrzeit zur Verfügung. Über Schnittstellen ist er mit folgenden Untereinheiten verbunden: der interaktiven Eingabeeinheit 24, der automatischen Eingabe/Ausgabeeinheit 25, dem Internetanschluss 26, der Ausgabeeinheit 27, der Anzeigeeinheit 28 und dem Künstlichen Neuronalen Netzwerk, KNN 29. Kern der eigentlichen Steuerung ist dabei das Künstliche Neuronale Netzwerk, welches aus der Vielzahl der zu berücksichtigenden Eingangsparameter (Wettervorhersage, Nutzungsvorhersage, aktuelle Wetter- und Nutzungsdaten) optimale zeitliche Steuer- und Stellfunktionen für die Systeme zur Energieumwandlung und -speicherung ableitet. Das gesamte System kann in einen zentralen Heimcomputer integriert sein. Alternativ können Teile dezentral angelegt sein und z. B. über -Funk (WLAN) oder Draht mit einem Zentralrechner kommunizieren. Der Zentralrechner kann in diesem Fall z. B. die interaktive Eingabeeinheit enthalten (Tastatur).
Über die interaktive Eingabeeinheit 24 gibt der Anwender nutzungsspezifische Daten und deren Änderungen an den Steuerrechner 1. Dieses sind beispielsweise Anzahl und Identität der anwesenden Nutzer N_i (die Identität schließt Geschlecht und Geburtsdatum sowie Berufsangaben – berufstätig, halbtags, ganztags oder nicht, Schüler etc. ein und wird verwendet zur Erkennung und Berücksichtigung individueller Nutzungsgewohnheiten an Warmwasser und Heizenergie) als Funktion der Kalenderzeit t (genaues Datum, über Tage, Monate, im Jahresverlauf), wobei z. B. Urlaubsreisen und andere Abwesenheiten sowie Gäste etc. berücksichtigt werden. Diese Daten werden soweit möglich im Vorhinein eingegeben, wenigstens mit mehreren Tagen Vorlauf. Allerdings werden auch nicht vorhergesehene kurzfristige Änderungen eingegeben; dabei wird die Eigenschaft von KNNs genutzt, bei ähnlichen, wie den trainierten Eingangsparametern, auch ähnliche, wie die erwarteten Ausgangsparameter zu liefern – sie arbeiten "intuitiv". Aus den nutzungsspezifischen Daten wird die Vorhersage der Nutzung thermischer Energie E_Tvor(t) als Summe der Energiemengen zur Bereitung von Warmwasser E_TWvor(t) und zur Raumheizung E_THvor(t) unter Berücksichtigung zeitlicher Besonderheiten (Jahreszeit, Monat, Wochentag) als Funktion der Zeit t ermittelt (Basis dazu ist ein Training, dem das System unterzogen wird: ETvor(t) = ETWvor(t) + ETHvor(t) (5)
Über die automatische Eingabe/Ausgabeeinheit 25 werden die Daten von einzelnen oder allen Sensoren und Fühlern zur Überprüfung der Vorhersagen abgefragt und eingelesen, die vorstehend beschrieben und nachstehend zusammengefasst sind: k (k = Element der Menge der natürlichen Zahlen) verschiedene Wassertemperaturen T_Wk(t) in verschiedenen Schichten des Speicherbehälters, Vor- und Rücklauftemperatur der im thermischen Kollektorsystem zirkulierenden Sole T_Sv(t), T_Sr(t), Außenlufttemperatur T_L(t), solare Einstrahlung L_SOL(t), außerdem Windgeschwindigkeit v_W(t) und -richtung φ_W(t), Luftdruck p(t), Strom I_SOL(t) und Spannung U_SOL(t) am Ausgang der photovoltaischen Solarkollektoren, etc., jeweils als Funktion der Zeit t. Ferner sind in den mit thermischer Solarenergie zu beheizenden Wohnräumen Thermostate angebracht, von denen Soll- und Isttemperatur T_Rsoll(t), T_Rist(t) über die automatische Eingabe/Ausgabeeinheit 25 an den Steuerrechner 1 gegeben werden. Letztere fließen auch ein in die vorstehend beschriebene Überprüfung der vorhergesagten Nutzung (auch in das Training zur Verbesserung des Systembetriebs), ansonsten dienen die Daten zur Bestimmung der tatsächlichen Menge solarer Energie E_Stat(t) und der tatsächlichen Nutzung thermischer Energie E_Ttat(t) für die Warmwasserbereitung E_TWtat(t) und die Heizung E_THtat(t) sowie des tatsächlich angebotenen Energieüberschusses solarer Energie E_S(t), der nach Wandlung im photoelektrischen Kollektor als Angebot solarelektrischer Energie E_E(t) ins Stromnetz eingespeist werden kann, jeweils als Funktion der Zeit t. Aus den gemessenen Temperaturen T_Wk(t) und den bekannten Speicherparametern, wie Wassermenge und Position der Temperaturfühler, wird die im Speicher vorhandene Wärmemenge Q_W berechnet. Es gilt: ETtat(t) = ETWtat(t) + ETHtat(t) (6) EStat(t) = ETtat(t) + ESPLUStat(t) = ETWtat(t) + ETHtat(t) + ESPLUS(t) (7)ferner QW = f(TWk) (8)
Bei der Ermittlung von E_TWtat(t) und E_THtat(t) sind Kapazität und Verluste des Warmwasserspeichers sowie Verluste der Heizwärme durch die Hausisolation berücksichtigt, letztere unter Einbeziehung der aktuellen Wetterdaten und der weiter unten beschriebenen Wettervorhersage (Außentemperatur, Wind, Solare Einstrahlung, etc., woraus sich Wärmeverluste durch die Außenhülle des Hauses bestimmen lassen).
Die Eingabe (Übernahme/Speicherung und Verwendung der Messdaten) erfolgt in sich dynamisch anpassenden Intervallen. Dazu stellt das System durch wiederholte, kontinuierliche Abfrage fest, wie stark sich jeder Parameter ändert. Bleibt er konstant, erfolgt keine Datenübernahme. Überschreitet die Änderung einen vorgegebenen Schwellwert, so werden die Messdaten übernommen. Die Intervalle der kontinuierlichen Abfrage sind dabei den aktuell zu erwartenden Änderungsgeschwindigkeiten jedes spezifischen Parameters angepasst. Ändert sich ein Parameter schnell, z. B. die solare Einstrahlung bei bewölktem, windigem Wetter, so wird der Parameter in kurzen Zeitintervallen (Minuten oder einige Sekunden) abgefragt (bei diesem Beispiel dann außerdem auch die Vor- und Rücklauftemperatur der Sole), ändert er sich langsam, wie meist der Luftdruck, so wird in langen Zeitintervallen abgefragt (z. B. in Stunden). Die Abfrageintervalle werden dynamisch angepasst, sie werden verkürzt, wenn festgestellt wird, dass die Änderungsgeschwindigkeit zunimmt und verlängert, wenn diese abnimmt.
Über den Internetanschluss werden die Daten der Wettervorhersage, z. B. des Deutschen Wetterdienstes, abgefragt und eingegeben. Das sind die vorhergesagte Außentemperatur T_Lvor(t), Strahlungsintensität (Leistung) der Sonne am Boden bzw. am Kollektor I_Svor(t), Bewölkungsgrad, Windrichtung/geschwindigkeit φ_Wvor(t), v_Wvor(t). Luftdruck p(t), als Funktion der Tageszeit. Die geographischen Parameter (Lage, Ausrichtung der Kollektoren zur Sonne), ebenso wie die Wirkungsgrade der Kollektoren und sonstige benötigte Systemparameter (Speicherkapazität, Wärmeverlustparameter des Gebäudes, etc.) werden dem System bei Installation eingegeben. Datum und Uhrzeit stellt der Rechner bereit. Diese Daten dienen einerseits der Ermittlung des vorhergesagten Angebots an solarer Energie E_Avor(t) als Funktion der Zeit t. Mit den ermittelten Werten der zu erwartenden Nutzung E_Nvor(t) an thermischer Energie (zur Bereitung von Warmwasser E_TWvor(t) und zur Raumheizung E_THvor,(t)) wird daraus auch der zu erwartende Überschuss, also das zu erwartende Angebot an überschüssiger Energie E_PLUSvor(t) als Funktion der Zeit t ermittelt, wobei hier insbesondere die geographischen und sonstigen Systemparameter berücksichtigt werden: ESPLUSvor(t) = ESvor(t) – ETvor(t) (9)
Aufgabe der Steuerung ist es, das Angebot solarer Energie auf die drei Nachfragearten Warmwasser, Heizung, elektrischer Strom mit optimalem Wirkungsgrad, zu verteilen, d. h. mit höchster Priorität den Bedarf an Warmwasser zu bedienen, als zweite Priorität den Bedarf an Raumheizung, als letzt die Stromerzeugung, als reine Überschussnutzung, d. h. der Strombedarf wird nicht als Steuergröße verwendet.
Zur Optimierung gehören folgende Teilaufgaben:
Als erstes sollen die erwarteten Größen möglichst genau mit den tatsächlichen übereinstimmen, d. h. die Vorhersagen möglichst genau sein, es ist also zu minimieren: min(ETvor – ETtat) (10) min(ETWvor – ETWtat) (11) min(ETHvor – ETHtat) (12) min(ESvor – EStat) (13)
Gleichungen (10) bis (13) sind durch das KNN unter Verwendung der Mess- und Eingabedaten zu erfüllen. Das KNN wird dazu in technisch bekannter Weise trainiert, wobei mittels wiederholter Trainingsphasen während der Betriebsdauer die Genauigkeit des Systems gesteigert wird. Bei Erfüllung von Gleichungen (10) bis (13) sind drei verschiedene Fälle möglich, die eine entsprechend angepasste Steuerung zur Folge haben:

1.) EStat = ETvor (14)

Dann wird die Anlage so gesteuert, dass die erwartet integrale Nutzung (Bedarf) an Warmwasser E_TWvor und Heizung E_THvor in einer dem aktuellen zeitlichen Verlauf der Nutzung (Bedarf) gerechten, zeitlichen Einteilung gedeckt wird. Das heißt, es wird auf die zeitlichen Verbrauchsgewohnheiten der Bewohner Rücksicht genommen. Zum Beispiel: Sind im Winter tagsüber Personen im Haus, so wird Heizungsbedarf bereits am Vormittag bedient, auch wenn der Warmwasserbedarf (der am Abend oder Morgen am höchsten ist) noch nicht gedeckt ist – solange zu erwarten ist, dass er im Laufe des Tages noch gedeckt werden kann. Sind Personen nur am Abend und in der Nacht sowie am frühen Morgen im Haus, kann die Raumheizung auch über Tag reduziert werden, entsprechend schneller kann der Bedarf an Warmwasser gedeckt werden und die Heizung am Nachmittag verstärkt werden.

2.) EStat > ETvor (15)

Dann wird in der kalten Jahreszeit wie vorstehend verfahren und zusätzlich solare Überschussenergie in elektrische gewandelt und ins Stromnetz eingespeist (wenn möglich, zu Zeiten des Spitzenbedarfs an Strom). Im Sommer wird der meist geringere Bedarf an Warmwasser/Heizung in Tageszeiten geringen allgemeinen Strombedarfs gedeckt, in Zeiten hohen Strombedarfs (um den Mittag) wird Strom erzeugt und ins Netz gespeist.

3) EStat < ETvor

Dann wird der Bedarf an Warmwasser versorgt und nur wenn dieser gedeckt ist, wird bei Bedarf geheizt, ansonsten bedarfsangepasst (siehe oben) Strom erzeugt.
In jedem Falle ist zu optimieren: min(a EStat – ETWvor) (13) min(b EStat – ETHvor) (14) min(c EStat – ESPLUSvor) (15) wobei als Lösungen sich a, b und c ergeben, mit: a + b + c = 1 (16)
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Eingangsgrößen für das KNN die vorhergesagten und die tatsächlichen Energieparameter als Funktion der Zeit.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Eingangsgrößen für das KNN die vorhergesagten und die tatsächlichen Größen und Messparameter, die über die Schnittstellen (interaktive Eingabeeinheit, automatische Eingabe/Ausgabeeinheit, Internetanschluss) eingegeben werden, also Wetterdaten, Nutzungsparameter, Temperaturen im System, etc.
Das System und die Steuerung sind ferner so gestaltet, dass vor allem auch eine Überdeckung des Bedarfs primär an Warmwasser, außerdem an Heizenergie, vermieden wird. Eine Unterdeckung des Warmwasserbedarfs wird dadurch vermieden, dass geringe Überschussmengen zur Sicherheit im Warmwasserspeicher bereitgestellt werden. Dieser Warmwasserspeicher dient dabei auch als Puffer, aus dem gegebenenfalls Energie zur Raumheizung entnommen werden kann, wenn eine Überdeckung an Warmwasser festgestellt wird. Darüber hinaus ist es vorgesehen, Speicherkapazität auch für die Raumheizung bereitzustellen, die es ermöglicht, während der Sonnenstunden gesammelte Energie in den sonnenlosen Zeiten des Tages zur Raumheizung zu verwenden. Dazu werden entsprechend große Speicher vorgesehen.

Claims

Vorrichtung zur thermischen Nutzung von Sonnenenergie, mit thermischen Kollektoren (2) zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluids, einem Speicher (3) zur Speicherung des Wärmeträgerfluids und zu dessen Abgabe an mindestens einen Verbraucherkreislauf, dadurch gekennzeichnet dass die Gesamtheit der Kollektoren (2) und/oder der Speicher (3) bezüglich der Gesamtheit der angeschlossenen Verbraucher überdimensioniert ist, und dass an den Speicher (3) ein Überschusswärmetauscher angeschlossen ist, der im Fall eines die Nachfrage der Verbraucher übersteigenden Überangebots an Sonnenenergie, die überschüssige Wärme abführt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschusswärmetauscher ein in einem Kellerraum enthaltener Heizkörper ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschusswärmetauscher in das Erdreich, in -thermischem Kontakt mit diesem, eingebaut ist.
Vorrichtung zur technischen Nutzung von Sonnenenergie, mit photothermischen Kollektoren (61) zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluids und photovoltaischen Kollektoren (62) zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die photothermischen und photovoltaischen Kollektoren jeweils auf einer definierten Empfangsfläche derart gekoppelt sind, dass jeweils der eine Typ in dem Maße der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, in dem der andere Typ abgeschattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die photothermischen Kollektoren durch eine automatische Steuerung dann der Sonne ausgesetzt werden, wenn in einem Wärmeverbrauchssystem ein Wärmebedarf – z. B. durch Absinken einer Temperatur – erkannt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Lamellen mit photothermischen Kollektoren (61) und Lamellen mit photovoltaischen Kollektoren (62) rechtwinklig zueinander in zwei sich überdeckenden Ebenen angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass verstellbare/schwenkbare Lamellen mit photothermischen Kollektoren und verstellbare/schwenkbare Lamellen mit photovoltaischen Kollektoren rechtwinklig zueinander übereinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren aus Platten bestehen, die der Position der Sonne durch Verschwenken um eine Höhenachse (81) und eine Azimutachse (82) zweiachsig nachführbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren (85, 86, 87) unterschiedlichen Typs übereinander angeordnet und relativ zueinander bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4–9, dadurch gekennzeichnet, dass Kollektoren (90, 91) unterschiedlichen Typs mit entgegengesetzten Oberflächen an einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, welcher um eine Achse (92) schwenkbar ist, um die eine oder andere Oberfläche der Sonnenstrahlung auszusetzen.
Verfahren zur Verteilung der Energie einer eine solare Energiegewinnungsanlage enthaltenden Energiebereitstellungsanlage auf die drei Energienutzungsarten: Heizung, Warmwasser und Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer Vorhersage der zeitlichen Verfügbarkeit der Menge an solarer Energie unter Einbeziehung von Wetterdaten und einer Vorhersage der Nutzung der Energienutzungsarten anhand von Erfahrungswerten eine derartige Aufteilung der angebotenen Energie in Nutzung, Speicherung oder Umwandlung in eine andere Energieart erfolgt, dass der Nutzungsgrad der Energieerzeugungsanlage maximiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhersage der Nutzung über einen Zeitraum von mehreren Tagen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maximierung des Nutzungsgrades die Speicherfähigkeit der Anlage für thermische Energie und elektrische Energie berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung derjenigen Energie, die für die Stromerzeugung verwendet wird, der zeitliche Strombedarf des Netzes, in das eingespeist wird, berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–14, dadurch gekennzeichnet, dass der tatsächliche Betriebszustand der Energiebereitstellungsanlage auf Übereinstimmung mit der aufgrund der Vorhersage angenommenen Verfügbarkeiten und/oder Energienutzungsarten untersucht wird und aufgrund festgestellter Abweichungen Korrekturen der Vorhersage vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhersage der Nutzungsarten durch Lern- und Korrekturprozesse des Benutzerverhaltens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Benutzerverhalten individuellen Benutzern zugeordnet wird und dass deren Anwesenheit durch ein Erkennungssystem detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Benutzer eine Datei zugeordnet ist, die Angaben über Eigenschaften, Gewohnheiten und Vorhaben des Benutzers enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–18, dadurch gekennzeichnet, dass ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) aus einer Vielzahl von Eingangsparametern Steuer- und Stellfunktionen für die Energieumwandlung und -speicherung ableitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–19, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorhersage zeitliche Besonderheiten wie Jahreszeiten, Wochentage usw. berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–20, dadurch gekennzeichnet, dass Daten über die tatsächliche Menge eingefangener solarer Energie und die tatsächliche Nutzung thermischer Energie sowie von Überschussenergie, die in das Netz eingespeist werden kann, ermittelt und gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–21, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Änderungen mindestens eines Parameters erfasst werden, wobei bei Überschreitung eines Schwellwertes anstelle der Vorhersage eine Übernahme des tatsächlichen Wertes erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–22, dadurch gekennzeichnet, dass Wetterdaten über einen Internetanschluss abgefragt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11–23, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Vorhersage des Angebots an solarer Energie und der Vorhersage der Nutzung an thermischer Energie das zu erwartende Angebot an überschüssiger Energie als Funktion der Zeit ermittelt wird.