DE102008029548A1

DE102008029548A1 - Energiesystem, Vorrichtung und Verfahren zur optimierten Steuerung der Verteilung einer Energiemenge

Info

Publication number: DE102008029548A1
Application number: DE102008029548A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Hötzel; Andreas Warzecha
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-21
Filing date: 2008-06-21
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiesystem, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optimierten Steuerung der Verteilung einer von mindestens einer Solaranlage (2) generierten Energiemenge zu mindestens zwei Energieverbrauchern (11, 12, 13, ..., 1n).
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Energiesystem zu schaffen, bei denen die Nachteile gemäß dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Energiesystem zu schaffen, bei welchen eine optimierte Energieverteilung realisiert ist, insbesondere bei einem Ungleichgewicht zwischen erforderlicher Energiemenge und bereitgestellter Energiemenge.
Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, dass vor dem Schritt des Verteilens der Schritt des Berechnens der optimal zu verteilenden Energiemenge für jeden Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n) durchgeführt wird, um so einen optimierten Energiefluss von der Solaranlage (2) zu den Energieverbrauchern (11, 12, 13, ..., 1n) durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimierten Steuerung der Verteilung einer von mindestens einer Solaranlage generierten Energiemenge zu mindestens zwei Energieverbrauchern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur optimierten Steuerung der Verteilung einer von mindestens einer Solaranlage generierten Energiemenge zu mindestens zwei Energieverbrauchern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Energiesystem, ausgelegt für mindestens eine Solaranlage, insbesondere mit einer Multikollektorfeldstruktur, und einer Verbraucherstruktur nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Bekannt sind aus dem Stand der Technik solare Großanlagen, welche mehrere Verbraucher wie zum Beispiel Wohnungsinstallationen in Mehrfamilienhäusern und dergleichen, mit Solarenergie versorgen. Derartige Großanlagen weisen ein Kollektorfeld auf, welches über einen Kollektorfeldregler geregelt Solarenergie bereitstellt. Der Verbraucher weist einen Energiespeicher und/oder eine Übergabestation auf, beispielsweise für jeden Unterverbraucher, wie einer Wohnung in einem Mehrfamilienhaus. Um die Abnahme durch den Verbraucher zu regeln, weist auch der Verbraucher einen Verbraucherregler auf, welcher zusammen mit dem Kollektorfeldregler in dem Regelsystem umfasst ist. Bei derartigen Großanlagen ist jedem Verbraucher ein Reglermodul für den solaren Ertrag zugewiesen. Das Reglermodul des Verbrauchers kommuniziert mit dem Kollektorfeldregler. Unter anderem werden zum Beispiel Verbraucherdaten wie ein Wärmebedarf übermittelt. Anhand der übermittelten Daten ermittelt der Kollektorfeldregler eine mögliche Wärmeabnahme des Verbrauchers mit dem entsprechenden Temperaturbedarf. Eine optimierte Regelung, welche eine effiziente Wirkungsweise bewirkt und das Potenzial von Großanlagen ausschöpft, ist nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Energiesystem zu schaffen, bei denen die Nachteile gemäß dem Stand der Technik überwunden werden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, eine Vorrichtung sowie ein Energiesystem zu schaffen, bei welchen eine optimierte Energieverteilung realisiert ist, insbesondere bei einem Ungleichgewicht zwischen erforderlicher Energiemenge und bereitgestellter Energiemenge.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, des Patentanspruchs 6 und des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur optimierten Steuerung der Verteilung einer von mindestens einer Solaranlage generierten Energiemenge zu mindestens zwei Energieverbrauchern umfasst die Schritte des Erfassens von Energiedaten der Energieverbraucher und des Verteilens der zur Verfügung stehenden Energiemenge an die Energieverbraucher. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Verteilens eine Berechnung der optimal zu verteilenden Energiemenge für jeden Energieverbraucher durchgeführt wird, um so einen optimierten Energiefluss von der Solaranlage zu den Energieverbrauchern durchzuführen. Durch eine entsprechende Berechnung lässt sich das Potenzial von Großanlagen insbesondere hinsichtlich der Energieverteilung optimieren.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Schritt der Berechnung das Bilanzieren und/oder das Balancieren der bereitstellbaren Energie der Solaranlage anhand der übermittelten Energiedaten der Energieverbraucher umfasst.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Schritt der Berechnung weiter das Vergeben von Prioritäten anhand der übermittelten Energiedaten der Energieverbraucher umfasst, um prioritätsgeregelt die Energiemenge zu verteilen.
In noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Verteilung der Energiemenge an die Energieverbraucher gemäß der vergebenen Prioritäten durchgeführt wird, wenn die Summe des Energiebedarfs aller Energieverbraucher größer ist als die durch die Solaranlage zur Verfügung stehende Energiemenge.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht zudem vor, dass die Verteilung der Energiemenge zu einer Energieeinheit, zum Beispiel zu einem Energiespeicher, durchgeführt wird, um eine Stagnation der Solaranlage zu verhindern. Dieser Fall tritt ein, wenn die Summe des Energiebedarfs aller Energieverbraucher kleiner ist als die durch die Solaranlage zur Verfügung stehende Energiemenge.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optimierten Steuerung der Verteilung einer von mindestens einer Solaranlage generierten Energiemenge zu mindestens zwei Energieverbrauchern ist dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sind. Die Vorrichtung umfasst in einer Ausgestaltung mindestens eine Erfassungseinheit zum Erfassen von Energiedaten der Energieverbraucher, mindestens eine Übermittlungseinheit zum Übermitteln der Energiedaten an einen Solaranlagenregler und mindestens eine Verteilungseinheit zum Verteilen der zur Verfügung stehenden Energiemenge an die Energieverbraucher. Die einzelnen Einheiten können dabei als gemeinsame Bauteile oder getrennte Baugruppen ausgebildet sein. Die Verteilung erfolgt erfindungsgemäß optimiert.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel mindestens eine Berechnungseinheit umfassen, um vor dem Verteilen eine Berechnung der optimal zu verteilenden Energiemenge an die Energieverbraucher durchzuführen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die Berechnungseinheit Rechenbausteine zur Bilanzierung und/oder Balancierung der bereitstellbaren Energie der Solaranlage anhand der übermittelten Energiedaten des Energieverbrauchers aufweist. Außerdem kann die Berechnungseinheit Rechenbausteine zum Vergeben von Prioritäten anhand der übermittelten Energiedaten des Verbrauchers aufweisen, um prioritätsgeregelt die Energiemenge zu verteilen.
Das erfindungsgemäße Energiesystem ist ausgelegt für mindestens eine Solaranlage, insbesondere mit einer Multikollektorfeldstruktur, und einer Verbraucherstruktur, insbesondere einer heterogenen Verbraucherstruktur. Es umfasst mindestens eine Solaranlage mit mehreren, ein Multikollektorfeld bildenden, Solarmodulen und mindestens eine Energieverbrauchereinheit. Gekennzeichnet ist das Energiesystem dadurch, dass mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgesehen ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Energiesystem wird insbesondere der Vorteil realisiert, dass mehrere Verbraucher durch eine Solargroßanlage mit Energie versorgt werden. Dabei unterscheidet sich der Bedarf der einzelnen Verbraucher in der Regel, so dass von einer heterogenen Verbraucherstruktur gesprochen wird. Die Besonderheit der Optimierung liegt darin, dass im Falle einer nicht ausreichenden Energie seitens der Solargroßanlage eine Bilanzierung und Balancierung der benötigten und der bereitstellbaren Energiemenge vorgenommen wird. Dadurch werden die Energiemengen optimiert verteilt. Dies kann zum Beispiel erforderlich sein, wenn nicht alle Verbraucher gleichzeitig bedient werden können, oder die Prognose der zu erwartenden Energiemenge, die durch das Kollektorfeld erzeugt wird, geringer ausfällt als der tatsächliche Bedarf der Verbraucher. Ein entsprechender Regler verteilt dann die Energie auf Basis der übermittelten Informationen der einzelnen Verbraucher und/oder Subverbraucher. Je nach Betriebszustand wird dann entschieden, ob einzelne Anlagen bzw. Verbraucher und/oder Subverbraucher selektiv zu versorgen sind oder ob alle Verbraucher und/oder Subverbraucher parallel versorgt werden sollen. Es ist über den Regler ebenso einstellbar, ob die Verteilung allein auf Basis physikalischer Daten erfolgen soll, oder auch auf Basis ökonomischer Aspekte.
Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel erreicht, alle Teilnehmer möglichst gleichmäßig an der gewonnenen Energie gemäß ihrem individuellen Bedarf zu beteiligen oder aufgrund von Ladezuständen von Energiespeichern der Verbraucher und/oder der teilnehmerspezifischen Energiereserven eine bevorzugte, das heißt nach Prioritäten gesteuerte Versorgung durchzuführen. Auf diese Art kann die Energie zum Beispiel in einem Mehrfamilienhaus optimal und adaptiv verteilt werden. Als Gegenstation zum Kollektorfeldregler erhält jede Wohnung einen Verbraucherregler, der die spezifischen Belange der Wohnung zur Integration der solaren Energie in die dezentrale Heizungsanlage und Warmwasserbereitung – also je nach Ausstattung dieser Funktionseinheit nur Warmwasserbereitung oder auch Warmwasserbereitung und Heizung – ermittelt und die Kommunikation zum Kollektorfeldregler und zum Wohnungsregler übernimmt. Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, dass es durch diese Art der Regelung möglich ist, eine solare Großanlage für Wärmekontraktoren interessant zu machen, das heißt einfach verwaltbar und abrechenbar zu gestalten.
Zudem lässt sich mit der erfindungsgemäßen Lösung ein effektiver und ständiger Stagnationsschutz realisieren. Bei einer erfindungsgemäßen Solaranlage besteht im Betrieb die Möglichkeit, dass der Energieertrag des Kollektorfeldes größer ist als die Energieabnahme durch die Verbraucher. Bei Anlagen gemäß dem Stand der Technik müssten derartige Anlagen in einen Stagnations-Zustand gefahren werden. Es würden Kollektor und/oder Verbraucher jeweils Maximalbedingungen, zum Beispiel Maximaltemperaturen, erreichen. Die entsprechenden Anlagen müssten dann abgeschaltet werden oder eine Notkühlung würde aktiviert. Befinden sich die Kollektoren erst in einem Zustand mit Übertemperatur und Stagnation, so ist es nahezu unmöglich, die Anlage kurz nach Erreichen der Übertemperatur wieder anzufahren. Dies kann erst wieder erfolgen, wenn die Kollektoren ausgekühlt sind, zum Beispiel während der Nacht. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es nun möglich, dass ein entsprechender Regler eine Energiebilanz zwischen bereitgestellter Energie und benötigter Energie ermittelt. So kann genau und stetig definiert die überschüssige Energie, zum Beispiel Wärme, in einen zusätzlichen Speicher oder zu einer zusätzlichen Nutzung abgeführt werden. Je nach Art dieser zusätzlichen Nutzung wird das Temperaturniveau spezifisch für diese Nutzung optimiert. Dabei tritt keine Verzögerung auf, bis die Anlage sich der Maximaltemperatur genähert hat bzw. diese überschritten hat, sondern es wird der Arbeitspunkt der Solaranlage (z. B. die Kollektor-Solltemperatur) ermittelt und die Anlage wird im Wesentlichen in diesem, für die Anlage optimierten Arbeitsbereich gehalten.
Dadurch wird die Verfügbarkeit der Solaranlage erheblich erhöht, und dies auch bei unregelmäßiger Nutzung durch die Verbraucher, zum Beispiel in einer Wohnanlage. Gerade die unstetige Nutzung der Verbraucher ist es, welche das Risiko für eine Stagnation erhöht. Am Beispiel Spaniens wir dies deutlich, denn dort wird je nach Region ein solarer Deckungsgrad für die Trinkwassererwärmung von 30% bis 70% gefordert, ohne dass es hierbei zu wesentlichen Überschreitungen kommen darf. Diese Forderung ist aber kombiniert mit einem besonderen Wohnverhalten, nämlich einer Stadtwohnung zum Arbeiten und einer Strandwohnung für das Wochenende oder für den Sommer. Dies macht die Notwendigkeit oben genannter Funktion deutlich.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind die folgenden, zentralen neuen Funktionen bereitgestellt: Erstens erfolgt eine Bilanzierung und Balancierung der Energiemenge und/oder der Energieverteilung einer Solaranlage, nach verschiedenen physikalischen und ökonomischen Aspekten. Hierdurch ergibt sich eine Optimierung der Energiemengenverteilung insbesondere auch für Wärmekontraktoren. Zudem wird ein stetiger, präventiver und optimierter Stagnationsschutz zur Steigerung der Verfügbarkeit der Solaranlage bereitgestellt. Mögliche Daten, die von dem Verbraucher- an den Kollektorfeldregler übertragen werden können, sind beispielsweise vorhandene Gesamtkapazität, freie Kapazität, belegte Kapazität, aktuell eingetragene Leistung, eingetragene Energiemenge, vorhandenes Temperaturniveau, vorhandener Volumenstrom je nach Warmwassersystem und aktueller Zapfung. Je nach Anforderung können sowohl die gemessenen Basisgrößen als auch die daraus berechneten bzw. abgeleiteten Größen übertragen werden. Aus diesen Daten ermittelt der Regler des Kollektorfeldes die mögliche Abnahme mit dem dazugehörigen Temperaturbedarf.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist.
Die Zeichnung zeigt in einer einzigen Figur eine Solaranlage mit mehreren Verbrauchern in einer schematischen Darstellung.
Mehrere Verbraucher 11, 12, 14, ... 1n, werden durch eine gemeinsame Solaranlage 2 mit Energie versorgt. Die Verbraucher 11, 12, 13, ..., 1n senden zu diesem Zweck ihren Energiebedarf an die Solaranlage 2, welche mehrere Kollektoren oder Kollektorfelder 21, 22, ..., 2m umfasst. Diese können gemeinsam oder selektiv betrieben werden.
Erfindungsgemäß wird der Bedarf der einzelnen Verbraucher 11, 12, 13, ..., 1n an ein Reglermodul 20 gesendet. Das Reglermodul 20 verteilt die von der Solaranlage 2 gelieferte Energiemenge an die Verbraucher 11, 12, 13, ..., 1n. Sofern die gelieferte Energiemenge nicht mit dem Energiebedarf der Verbraucher 11, 12, 13, ..., 1n übereinstimmt, findet eine Optimierung der Verteilung, insbesondere durch Bilanzierung und Balancierung statt.
Falls der Energiebedarf die maximal lieferbare Energiemenge übersteigt, ist es in einer Ausgestaltung möglich zu berücksichtigen, dass einzelne Verbraucher 11, 13, in zusätzlich über eine dezentrale Heizungsanlage und Warmwasserbereitung 31, 33, 3n versorgt werden können. Zusätzlich oder alternativ lassen sich andere Kriterien zum Setzen von Prioritäten für die Verteilung vorgeben.
Falls der Energiebedarf geringer ist als eine lieferbare Energiemenge, können in einer Ausgestaltung einzelne Kollektorfelder 21, 22, 2m abgeschaltet werden, um so die gelieferte Energiemenge an den Energiebedarf anzupassen. Um ein Abschalten der Kollektorfelder 21, 22, 2m zu verhindern und/oder um alle Kollektorfelder 21, 22, 2m optimal zu betreiben, ist erfindungsgemäß weiter eine Energieeinheit 4 vorgesehen. Dabei wird – wenn der Energiebedarf die lieferbare Energiemenge übersteigt, die überschüssige Energie der Energieeinheit 4 zugeführt.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Speichereinheit 4 mit der Solaranlage 2, insbesondere mit dem Reglermodul 20 verbunden, welches bei Bedarf die in der Energieeinheit 4 gespeicherte Energie wieder an die Verbraucher 11, 12, 13, ..., 1n abführt. Diese Zuspeisung der Energie kann dabei ebenfalls wieder optimiert werden.

Claims

Verfahren zur optimierten Steuerung der Verteilung einer von mindestens einer Solaranlage (2) generierten Energiemenge zu mindestens zwei Energieverbrauchern (11, 12, 13, ..., 1n), umfassend ein Erfassen von Energiedaten der Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n) und ein Verteilen der zur Verfügung stehenden Energiemenge an die Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n), dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt des Verteilens der Schritt des Berechnens der optimal zu verteilenden Energiemenge für jeden Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n) durchgeführt wird, um so einen optimierten Energiefluss von der Solaranlage (2) zu den Energieverbrauchern (11, 12, 13, ..., 1n) durchzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Berechnens das Bilanzieren und/oder Balancieren der bereitstellbaren Energie der Solaranlage (2) anhand der übermittelten Energiedaten der Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Berechnens weiter das Vergeben von Prioritäten anhand der übermittelten Energiedaten der Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n) umfasst, um prioritätsgeregelt die Energiemenge zu verteilen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Energiemenge an die Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n) gemäß der vergebenen Prioritäten durchgeführt wird, wenn die Summe des Energiebedarfs aller Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n) größer ist als die durch die Solaranlage (2) zur Verfügung stehende Energiemenge.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Energiemenge zu einer Energieeinheit (4) durchgeführt wird um eine Stagnation der Solaranlage (2) zu verhindern, wenn die Summe des Energiebedarfs aller Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n) kleiner ist als die durch die Solaranlage (2) zur Verfügung stehende Energiemenge.
Vorrichtung zur optimierten Steuerung der Verteilung einer von mindestens einer Solaranlage (2) generierten Energiemenge zu mindestens zwei Energieverbrauchern (11, 12, 13, ..., 1n), dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Durchführung der Schritte des Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 5 vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel mindestens eine Berechnungseinheit (20) umfassen, um vor dem Verteilen eine Berechnung der optimal zu verteilenden Energiemenge an die Energieverbraucher (11, 12, 13, ..., 1n) durchzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (20) Rechenbausteine zur Bilanzierung und/oder Balancierung der bereitstellbaren Energie der Solaranlage (2) anhand der übermittelten Energiedaten des Energieverbrauchers (11, 12, 13, ..., 1n) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (20) Rechenbausteine zum Vergeben von Prioritäten anhand der übermittelten Energiedaten des Verbrauchers aufweist, um prioritätsgeregelt die Energiemenge zu verteilen.
Energiesystem, ausgelegt für mindestens eine Solaranlage (2), insbesondere mit einer Multikollektorfeldstruktur, und einer (heterogenen) Verbraucherstruktur, umfassend mindestens eine Solaranlage (2) mit mehreren, ein Multikollektorfeld bildenden, Solarmodulen (21, 22, ..., 2m) und mindestens eine Energieverbrauchereinheit (11, 12, 13, ..., 1n), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 9 vorgesehen ist.