DE102010000350A1

DE102010000350A1 - Energieversorgungssystem mit regenerativer Stromquelle und Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems

Info

Publication number: DE102010000350A1
Application number: DE102010000350A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dipl.-Ing. Limmer (FH), 72622; Markus Dipl.-Ing. Götz (FH), 89134; Thomas Dipl.-Ing. Fischer (FH), 72555
Original assignee: FutureE Fuel Cell Solutions GmbH
Current assignee: Adkor De GmbH
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-11
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: WO2011098471A2; CN102884698A; DE102010000350B4; CN102884698B; WO2011098471A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Energieversorgungssystem. Das Energieversorgungssystem ist ein mehrkomponentiges System. Das Energieversorgungssystem hat unterschiedliche Arten von Energiequellen. Es gibt elektrische Energiequellen. Die elektrischen Energiequellen unterscheiden sich der Art nach. Das Energieversorgungssystem basiert auf mehreren Komponenten, von denen wenigstens eine Energiequelle als primäre elektrische Energiequelle in dem System vorhanden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem mit wenigstens einer Energiequelle, die Gleichspannung an einen Gleichspannungsbus liefern kann, wobei der Betriebspunkt, der als Leistungspunkt des Energieversorgungssystems bezeichnet wird, von äußeren Parametern abhängig variiert. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems mit einem Gleichspannungsbus, in dem wenigstens eine Energiequelle einen maximalen Leistungspunkt aufweist, der insbesondere in Abhängigkeit von äußeren Parametern variierend ist.
In Anlehnung an die klassische Unterteilung eines Energietechnikers, der Energiequellentypen in Primärenergiequellen und Sekundärenergiequellen unterteilt, spricht die vorliegende Erfindung von primären Energiequellen, wenn die Energiequelle elektrische Energie aus Energie wandeln kann, die von einem Energieträger wie Wasserkraft, Windkraft oder Sonneneinstrahlung stammt. Die sekundäre Energiequelle wird unter anderem deswegen in einer Betrachtungsweise als sekundäre Energiequelle bezeichnet, weil sie die zunächst als elektrische Energie vorliegende Energie, ggf. zwischengespeichert in Form von gespeichertem Wasserstoff, erneut an einen Gleichspannungsbus abgeben kann. Die primäre Energiequelle ist somit die Quelle, von der vorrangig die elektrische Energie des Energieversorgungssystems stammt. Die sekundäre Energiequelle dient zur Ergänzung der elektrischen Energie aus der primären Energiequelle. Parallel zu der sekundäre Energiequelle kann ein Teil der elektrischen Energie der primären Energiequelle in einen weiteren Energieträger oder in ein weiteres Energieverbundsystem wie ein Energieversorgungsnetz eingespeist werden. Elektrische Energie der primären Energiequelle wird folglich entweder an eine Last oder ein Verbrauchernetz weitergegeben. Die sekundäre Energiequelle ergänzt einen Teil der elektrischen Energie der primären Energiequelle (direkt oder indirekt) und beeinflusst die elektrische Energie auf dem Gleichspannungsbus ergänzend, weitergehend oder durch Vorgabe energetischer Anteile.
Besonders vorteilhaft sind primäre Energiequellen, die auf regenerativen Energiequellen basieren. Als regenerative Energiequellen werden solche Energiequellen bezeichnet, die nach menschlichem Ermessen nicht in einem kurzfristigen Zeitraum – wie mehrere Jahre oder mehrere Jahrzehnte – verbrauchbar sind. Besonders gern genutzte primäre Energiequellen sind bei der Wahl als regenerative Energiequellen Photovoltaikmodule (PV-Module), Brennstoffzellen und Brennstoffzellenmodule auf Wasserstoffbasis oder Brennstoffzellenmodule auf Basis eines flüssigen oder gasförmigen Energieträgers wie Methanol, Ethanol oder Biogas, Windkraftanlagen und Wasserkraftturbinen bzw. Wasserkraftgeneratoren. Die primäre Energiequelle ist eine Vorrichtung, die einen ersten Energieträger wie Sonnenlicht in eine elektrische Spannung und einen elektrischen Strom umwandeln kann. Die primäre Energiequelle wandelt somit Energie aus einer Energiequelle um, die als nachhaltig gilt, somit als regenerative Energiequelle bezeichnet werden kann. Sie lässt sich innerhalb von wenigen Jahrzehnten nicht komplett verbrauchen, die Energiequelle ist somit im Betrachtungszeitraum regenerativ. Die primäre Energiequelle kann auch als regenerative Primärenergiequelle bezeichnet werden.
Die primäre elektrische Energiequelle stellt die Energiequelle dar, auf die das gesamte Energieversorgungssystem hin optimiert ist. Die Energiequelle, die als primäre elektrische Energiequelle bezeichnet ist, stellt die zentrale Bezugsquelle der Energie dar, somit soll eine leistungsmäßige Optimierung durchgeführt werden. Sekundäre elektrische Energiequellen stellen demgegenüber Hilfsenergiequellen dar.
Auf einem Gleichspannungsbus, der wenigstens zwei Leitungen umfassen muss, damit zwei Potentiale, folglich eine Spannung zwischen den Leitungen, gebildet werden können, liegt die primäre Energiequelle. Die elektrische Energie aus der primären Energiequelle wird auf dem Gleichspannungsbus zur Verfügung gestellt. Das Spannungsniveau der primären Energiequelle kann aber von einer üblichen, weitergehend zu gebrauchenden Spannung abweichen. Aus diesem Grund ist es üblich, spannungsumsetzende Glieder wie zum Beispiel einen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler, der auch landläufig als DC/AC-Wechselrichter bezeichnet wird, an die primäre Energiequelle anzuschließen.
Druckschriftlicher Stand der Technik
In der DE 20 2006 001 063 U1 (Anmelderin: Institut für Solare Energieversorgungstechnik; Anmeldetag: 23.01.2006) wird zum Beispiel vorgeschlagen, ein PV-Modul zu verwenden, das eine Ausgangsspannung von 800 V bei ca. 200 W zur Verfügung stellen kann. Die Spannung wird als zu hoch für weitere anzuschließende Geräte und Module betrachtet. Aus diesem Grund wird ein Tiefsetzsteller nachgeschaltet, der einen Stromzwischenkreis versorgen soll. Der Stromzwischenkreis dient als Energiequelle für einen Wechselrichter. Die Spannungen an den drei Phasen des Wechselrichters werden in – das Energieversorgungssystem wieder zurückgespeist. Generell kann festgehalten werden, dass sich die Spannung über Tiefsetzsteller, Hochsetzsteller oder sonstige spannungsumsetzende Glieder an die nachgeordneten Spannungsniveaus anpassen lässt. Ähnlich schlägt die DE 199 19 766 A1 (Anmelderin: SMA Regelsysteme GmbH; Anmeldetag: 29.04.1999) vor, durch eine Parallelverschaltung von einzelnen Strings die Leistung der PV-Module zu steigern. Als Strings werden Reihenschaltungen von mehreren PV-Modulen verstanden. Die Druckschrift schlägt vor, eine komplizierte Gleichstromverteilung zwischen den einzelnen PV-Modulen dadurch zu umgehen, dass durch die Verwendung von modularen Wechselrichteranordnungen viele Wechselrichter in dem Gesamtsystem eingebaut werden. Der Druckschrift können somit zwei Ansätze zur Steuerung von PV-Modulen entnommen werden. Der eine Ansatz besteht darin, aktive Gleichstromverteilungsglieder hinter die PV-Module zu schalten. Alternativ kann eine hohe Anzahl Wechselrichter verwendet werden.
Die Wechselrichter sind notwendig, weil jedes PV-Modul sein eigenes Leistungsverhalten hat. Die einzelnen PV-Module sollen möglichst in der Nähe ihres maximalen Leistungspunktes betrieben werden, damit eine möglichst hohe Energieausbeute möglich ist. Der maximale Leistungspunkt eines einzelnen Moduls wird als MPP in der Fachsprache bezeichnet (Abkürzung für den englischen Begriff „Maximum Power Point”). Weil im Vorhinein nicht klar ist, wo exakt der maximale Leistungspunkt liegt, zudem der maximale Leistungspunkt in Abhängigkeit von vielen Umgebungsparametern schwankt, wird ein erheblicher Aufwand in die möglichst exakte Bestimmung des maximalen Leistungspunktes gesteckt. Die sogenannten Tracking-Verfahren des MPP, sie werden auch als MPPT-Verfahren bezeichnet, sollen den Betriebspunkt der primären Energiequelle in einem Nahbereich um den maximalen Leistungspunkt herum führen. Das absolute Leistungsmaximum ist dabei in der Regel nie vollständig langfristig zu erreichen und beizubehalten. Obwohl die MPPT-Verfahren als Verfahren für das Auffinden und Ein- bzw. Beibehalten des maximalen Leistungspunktes bezeichnet werden, halten sie die primäre Energiequelle in der Regel in einer Bandbreite von ca. 5% unterhalb des maximalen Leistungspunktes die meiste Zeit auf. Es findet nur eine Annäherung an dem maximalen Leistungspunkt statt.
Alternativ bzw. ergänzend kann auch das spannungsumsetzende Glied besonders angepasst werden. Ein speziell entwickelter Tiefsetzsteller lässt sich der DE 10 2005 046 379 B4 (Patentinhaberin: Siemens AG Österreich; Anmeldetag: 28.09.2005) entnehmen, an den zwei PV-Modul angeschlossen werden können. Speziell angepasste Tiefsetzsteller bzw. spezielle, angepasste spannungsumsetzende Glieder haben häufig die Schwierigkeit, nur für eine ganz bestimmte Schaltungskonstellation geeignet zu sein, in dem beschriebenen Fall lassen sich so nur zwei Photovoltaik-Module (PV-Module) miteinander verbinden.
Werden den einzelnen PV-Modulen jeweils Gleichspannungs-Gleichspannungs-Umsetzer nachgeschaltet, so lässt sich jedes einzelne PV-Modul, so wie in der DE 101 36 147 A1 (Anmelder: Kolm; Anmeldetag: 25.07.2001), betreiben. Zwischen den einzelnen PV-Modulen und dem Gleichspannungsbus ist jeweils ein eigenes Gerät als Gleichspannungswandler einzubauen. Erst am Ende des Gleichspannungsbusses lässt sich ein Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler nachschalten. Wie das MPPT-Verfahren realisiert werden kann, lässt sich sowohl der DE 32 12 022 A1 (Anmelderin: Siemens AG; Anmeldetag: 31.03.1982) als auch der EP 1 750 193 A1 (Anmelderin: SMA Technologie AG; Prioritätstag: 15.07.2005) mit zahlreichen weiteren Nachweisen zu weiteren MPPT-Verfahren entnehmen. Die dort offenbarten MPPT-Verfahren werden aus Lesbarkeitsgründen der vorliegenden Beschreibung nicht mehr voll umfänglich in allen Details erörtert, sondern die Offenbarungsumfänge in den zitierten Druckschriften und ihren Referenzen in Bezug auf geeignete MPPT-Verfahren werden durch diese Referenzen vollständig in die Offenbarung der vorliegenden Beschreibung inkorporiert.
Ein weiterer interessanter Aspekt zur Auslegung von Wechselrichtern lässt sich der DE 10 2004 059 100 A1 (Anmelder: Kolm; Anmeldetag: 08.12.2004) entnehmen, der darlegt, dass ein weiteres Überwachungsverfahren in der dezentralen Energieversorgungsanlage eingebaut sein sollte. Der Gleichspannungs-Wechselspannungsrichter sollte somit ein Überwachungsverfahren beinhalten, das überprüft, ob die Energieerzeugungsanlage an der Netzspannung anliegt. Weiterhin sollte das gesamte Energieversorgungssystem an geeigneten Stellen MPPT-Verfahren aufweisen, damit die elektrische Strom- bzw. die Energieausbeute gesteigert werden kann.
Erfindungsbeschreibung
Abweichend von der Tendenz, die in der Patentliteratur zu beobachten ist, die Energieversorgungssysteme für regenerative Energiequellen wie PV-Module immer komplizierter zu gestalten, besteht der Wunsch, ein möglichst einfaches Energieversorgungssystem zu entwerfen, das zuverlässig eine möglichst hohe Energieausbeute der primären Energiequelle sicherstellt. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Teile und Baugruppen reduzierbar ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Ein geeignetes Betriebsverfahren lässt sich Anspruch 16 entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den jeweiligen abhängigen Ansprüchen entnehmen.
Im Nachfolgenden wird auch dann von einer Energiequelle gesprochen, wenn auf Grund der Bauart Energie wenigstens zeitweise in dem Gerät bzw. der Komponente speicherbar ist. So wird ein Akkumulator als Energiequelle bezeichnet, obwohl er wieder aufladbar ist. Genauso wird ein Brennstoffzellensystem als Energiequelle bezeichnet, obwohl mit Hilfe eines zu dem Brennstoffzellensystem gehörenden Elektrolyseur elektrische Energie in Form von Wasserstoff zwischengespeichert wird. Im Gegensatz zu den übrigen Komponenten wird bei dem Wechselspannungs- Gleichspannungswandler (AC-DC-Wandler) von der primären Seite aus Sicht des Versorgungsnetzes gesprochen, während bei den übrigen Komponenten der Gleichspannungsbus als primäre Seite betrachtet wird.
So wie die Erfindung die Energiequellen einteilt, können auch die Lasten eingeteilt werden. Die primäre elektrische Last setzt sich aus einem oder mehreren Verbrauchern zusammen für die das Energieversorgungssystem als Versorgungssystem bestimmt ist. Neben der primären elektrischen Last kann es sekundäre elektrischen Lasten geben, die überflüssige elektrische Energie des Energieversorgungssystems verbrauchen oder zwischenspeichern können.
Die Bauart einer Energiequelle erlaubt es weiterhin die in der Energiequelle gespeicherte Energie nutzbar zu machen. Eine Energiequelle ist somit eine Vorrichtung, die in ihr gespeicherte Energie bei Bedarf wieder in wandelbarer, insbesondere elektrischer, Form zur Nutzung abgeben kann.
Das Energieversorgungssystem ist ein mehrkomponentiges System. Das Energieversorgungssystem hat unterschiedliche Arten von Energiequellen. Es gibt elektrische Energiequellen. Die elektrischen Energiequellen unterscheiden sich der Art nach. Das Energieversorgungssystem basiert auf mehreren Komponenten, von denen wenigstens eine Energiequelle als primäre elektrische Energiequelle in dem System vorhanden ist. Es wird von einer primären elektrischen Energiequelle gesprochen, wenn es die erste elektrische Energiequelle ist, aus der Strom gezogen werden soll. Die primäre elektrische Energie ist in elektrischer Form die Ursprungsquelle. Die elektrische Energiequelle kann in unterschiedlichen Leistungspunkten betrieben werden. Ein möglicher Leistungspunkt ist der maximale Leistungspunkt. Der maximale Leistungspunkt ist in der Regel nicht immer vollständig einzuhalten. Der Betriebspunkt schwankt um den maximalen Leistungspunkt. Der maximale Leistungspunkt kann zum Beispiel ein lokales oder absolutes Maximum darstellen. Das Energieversorgungssystem wird so betrieben, dass eine elektrische Spannung und ein elektrischer Strom im Nahbereich um den maximalen Leistungspunkt herum geliefert werden. Der Nahbereich erstreckt sich auf einer Kennlinie, auf der auf der Ordinate die Leistung aufgetragen ist, in einem Bereich von bis zu 10%, idealerweise nur bis zu 5%, um das Maximum herum. In dem Energieversorgungssystem ist ein Gleichspannungsbus vorhanden. Die elektrische Energiequelle ist an dem Gleichspannungsbus angeschlossen. Der Gleichspannungsbus hat wenigstens zwei Leitungen mit zwei unterschiedlichen Potentialen. Der Gleichspannungsbus ist dazu bestimmt, mehrere Energiequellen miteinander zu verbinden und als Ankoppelbus zur Verfügung zu stehen. Neben der primären Energiequelle ist wenigstens eine weitere an den Gleichspannungsbus angeschlossene Energiequelle vorhanden. Die an den Gleichspannungsbus angeschlossene Energiequelle dient als sekundäre elektrische Energiequelle. Als Energiequellen können in nicht abschließender Aufzählung insbesondere eine oder mehrere der folgenden Energiequellen ausgewählt werden: ein Brennstoffzellensystem, ein Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler, eine Windenergieanlage, eine Windenergieanlage mit ungeregeltem oder schwachgeregeltem Gleichspannungsausgang, d. h. mit einem entsprechend großen, mehrere zweistellige Voltbereiche abdeckende Spannungshübe überstreichenden Gleichspannungsausgang, oder eine Windenergieanlage mit stabilisiertem Gleichspannungsausgang. Die weitere Energiequelle prägt eine Gleichspannung auf den Gleichspannungsbus auf. Die Spannung bestimmt unmittelbar den Spannungswert des Leistungsbetriebspunktes der primären elektrischen Energiequelle. Durch die Spannung der sekundären elektrischen Energiequelle wird der Leistungsbetriebspunkt der primären Energiequelle und damit des gesamten Energieversorgungssystems vorgegeben. Durch nur wenige Teile lässt sich ein versorgungssicheres Energieversorgungssystem mit wenigstens einem vorzugebenden Spannungswert einstellen. Über die aus der sekundären Energiequelle stammenden Spannung wird ein möglichst optimaler, d. h. durch hohe Energieausbeute gekennzeichneter, Betriebspunkt eingestellt. Das MPPT-Verfahren wird so betrieben, dass die Spannung dadurch eingestellt wird, dass die primäre Energiequelle im Nahbereich um den MPP arbeitet.
Zu dem Energieversorgungssystem kann auch eine elektrische Last gezählt werden. Eine elektrische Last kann unmittelbar an dem Gleichspannungsbus angeschlossen werden. Es gibt unterschiedliche Typen von elektrischen Lasten. Z. B. gibt es primäre und sekundäre elektrische Lasten. Die primären elektrischen Lasten werden in einer Ausgestaltung unmittelbar an dem Gleichspannungsbus angeschlossen.
Zur Gruppe der elektrischen primären Energiequellen werden in nicht taxativer Aufzählung je nach Ausgestaltung des Energievorsorgungssystems insbesondere Photovoltaikmodule, Brennstoffzellen oder Windenergieanlage gerechnet. Zu der Gruppe der elektrischen sekundären Energiequellen werden je nach Ausgestaltung des Energieversorgungssystems AC-DC-Wandler, Versorgungsnetzanbindungen, Brennstoffzellensysteme mit und ohne Elektrolyseuren und Akkumulatorensysteme gerechnet. Die Brennstoffzellensysteme können mit und ohne Wasserstoffspeicher wie Tanks ausgestattet sein.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Energieversorgungssystem auch eine primäre elektrische Energiequelle umfasst, die wenigstens ein elektrisches Regenerativenergiemodul, wie z. B. ein elektrisches Photovoltaikelement, ist. Der Leistungspunkt, d. h. der Betriebspunkt mit der maximal möglichen Leistung der primären Energiequelle, des Energieversorgungssystems, insbesondere des Regenerativenergiemoduls, hängt von äußeren Betriebsparametern ab, auf die das Energieversorgungssystem keinen unmittelbaren Einfluss hat. Das Energieversorgungssystem muss in Abhängigkeit der äußeren Betriebsparameter eine adaptive Betriebspunktverschiebung durchführen können. Die adaptive Betriebspunktverschiebung erfolgt sukzessive. Es wird ein permanent durchgeführtes MPPT-Verfahren betrieben. Äußere Betriebsparameter, die einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsausbeute und somit auf den Leistungsbetriebspunkt der primären Energiequelle haben, sind die Sonnenlichteinstrahlungsintensität und die Betriebstemperatur. Zur Senkung der Betriebstemperatur können die Photovoltaikelemente mit einer aktiven, insbesondere rückseitigen Kühlung ausgestattet sein. Die mögliche elektrische Leistung bestimmt sich auch durch den gezogenen Strom aus dem Photovoltaikmodul. Mit steigendem Strom sinkt die Spannung. Eine Stromaufteilung auf die unterschiedlichen Quellen kann zu einer Gesamtleistungspunktsteigerung beitragen. Es wird jeweils ein Teil des Gesamtstroms aus unterschiedlichen Quellen gezogen. Die Wärmeentwicklung in einem elektrischen Modul wird über diese Betriebsweise begrenzt und unter Kontrolle gehalten. Damit das MPPT-Verfahren zuverlässig durchgeführt werden kann, sollte die abgegebene Leistung gemessen werden. Dazu gibt es in dem Energieversorgungssystem ein Leistungsmessgerät. Idealerweise können alle Module gleichen Typs, zum Beispiel alle Photovoltaikmodule, über ein Leistungsmessgerät zusammengefasst werden. In diesem Zusammenhang wird der Gleichspannungsbus in einzelne Abschnitte unterteilt. An jedem Abschnitt des Gleichspannungsbus werden nur Module gleichen Typs, z. B. Brennstoffzellensysteme und Brennstoffzellenstapel, angeschlossen. In einer alternativen Ausgestaltung sind an jedem Modul jeweils ein Leistungsmessgerät angeschlossen. Zwischen dem Modul und dem Gleichspannungsbus ist ein Leistungsmessgerät vorhanden. Je mehr Leistungsmessgeräte vorhanden sind, desto genauer lässt sich in einem zentralen Controller der Leistungsfluss in dem Energieversorgungssystem nachvollziehen.
Der zentrale Controller verarbeitet Wetterdaten. Die Wetterdaten sind Daten, die entweder das aktuelle Wetter abbilden oder die eine Wetterprognose darstellen. Die Wetterdaten bestimmen die zu erwartende Ausbeutung der Photovoltaikmodule bzw. der Windkraftanlage. Die Wetterdaten können in Relation zu den erwünschten Energiemengen gesetzt werden.
In einer Weiterbildung des Energieversorgungssystems zeichnet sich dieses weiterhin dadurch aus, dass es wenigstens zwei sekundäre elektrische Energiequellen hat. Die sekundären elektrischen Energiequellen werden mit unterschiedlichen Prioritäten betrieben. Das bedeutet, eine der Energiequellen hat eine höhere Priorität als die andere elektrische Energiequelle. Energiequellen der gleichen Art, z. B. sekundäre elektrische Energiequellen, unterscheiden sich voneinander durch ihre zugeordnete Priorität. Die Prioritäten werden in Abhängigkeit von unterschiedlichen Randparametern des Energieversorgungssystems gebildet. Bei prognostizierter hoher Sonneneinstrahlung würde im Vorfeld der Sonneneinstrahlung das Energiemodul „Akkumulator” mit einer höheren Priorität assoziiert als die Energiequelle „Brennstoffzellenmodul”. Der elektrische Strom setzt sich aus den unterschiedlichen Energiequellen mit unterschiedlicher Priorität zusammen. Der elektrische Strom dient zur Versorgung der elektrischen Last. Das regenerative Energiemodul trägt zur Energieversorgung bei, sofern es ausreichend Energie zur Verfügung stellen kann. Die primären elektrischen Energiequellen sind direkt, also ohne aktive Spannungsumwandlung, auf den Gleichspannungsbus aufgeschaltet. Es findet eine direkte Ankopplung jeder einzelnen der primären Energiequellen an den Gleichspannungsbus statt. Eine Spannungsabsenkung einer primären elektrischen Energiequelle kann nicht unabhängig von den übrigen gleichartigen Energiequellen stattfinden. Alle Energiequellen halten sich auf der gleichen Spannung gegenseitig unmittelbar. Keine Komponente schert aus dem Spannungsband bzw. von dem Spannungsniveau des Gleichspannungsbusses aus. Das Energieversorgungssystem stabilisiert sich in einem Betriebspunkt durch die aufgeprägte Spannung.
In dem Energieversorgungssystem ist die wenigstens eine primäre elektrische Energiequelle vorteilhafter Weise ohne ein spannungsumsetzendes Glied angekoppelt. Die Spannungsniveaus werden nicht umgesetzt. Die Spannung der primären elektrischen Energiequelle wird unmittelbar auf den Gleichspannungsbus aufgeschaltet. Es gibt keinen DC/DC-Wandler zwischen Energiequelle und Gleichspannungsbus. Es wird keine Energie für Spannungsniveauanpassungen verbraucht. Der Gesamtwirkungsgrad lässt sich so steigern. Aufgrund des Fehlens treten keine Verluste in dem DC/DC-Wandler auf.
Die Spannung in dem Energieversorgungssystem wird an einer einzigen zentralen Stelle vorgegeben. An einem einzigen Spannungsanschluss wird die Spannung einer sekundären Energiequelle dem Gleichspannungsbus aufgeprägt. Der Spannungsanschluss lässt sich z. B. vorteilhaft durch zwei Kupferschienen bilden. Die sekundäre Energiequelle stellt Spannung auf dem Gleichspannungsbus zur Verfügung. Aus einer zentralen Stelle heraus lässt sich der Gesamtleistungspunkt einstellen. Eine kompliziertere Vernetzung zwischen den einzelnen MPPT-Modulen entfällt, weil es nur ein einziges MPPT-Modul gibt. Zur Vereinfachung trägt bei, dass ein schnelles, sukzessives Iterationsverfahren zum MPPT in dem zentralen Controller eingesetzt wird. Das MPPT-Verfahren arbeitet mit unterschiedlichen Schrittweiten, die im Betrieb variiert werden. Das Energieversorgungssystem pendelt somit um seinen maximalen Leistungspunkt herum. Das Energieversorgungssystem nähert sich seinem maximalen Leistungspunkt an. Mit Hilfe des MPPT-Verfahrens hält sich das Energieversorgungssystem nicht im MPP, sondern es schwankt um sein Maximum. Die exakten Arbeitsweisen lassen sich den eingangs dargestellten MPP-Verfahren entnehmen.
Das Energieversorgungssystem benutzt in einer vorteilhaften Ausgestaltung wenigstens eine der sekundären elektrischen Energiequellen als Zwischenspeicher. Der Zwischenspeicher nimmt wenigstens einen Teil der elektrischen Energie aus dem Gleichspannungsbus auf. Die sekundäre elektrische Energiequelle bezieht einen Teil der Energie zeitweilig aus dem Gleichspannungsbus und arbeitet dabei zeitweilig als sekundäre elektrische Last. Mit Hilfe der sekundären elektrischen Energiequelle wird bedarfsabhängig elektrische Energie für eine anzuschließende elektrische Last über das spannungsumsetzende Glied dargeboten. Überschüssige elektrische Energie kann in der sekundären elektrischen Last umgesetzt oder gespeichert werden.
Das spannungsumsetzende Glied kann möglichst einfach gestaltet werden, wenn das Spannungsniveau des Gleichspannungsbusses an den Spannungsbereich der elektrischen Last oder der elektrischen Lasten angepasst ist. Bei einem 12-V-Lastsystem kann zum Beispiel das Spannungsniveau zwischen 10 V und 15 V angesiedelt werden. Bei einem 24-V-Lastsystem kann zum. Beispiel das Spannungsniveau zwischen 20 V und 30 V angesiedelt werden. Bei Telekommunikationsnetzen, die zum Beispiel mit Spannungen von 48 V arbeiten, sollte der Spannungsbereich in einer Ausgestaltung in einem Bereich zwischen 40 V und 60 V liegen. Wird der Gleichspannungsbus so gestaltet, dass das spannungsumsetzende Glied ein Wechselrichter für ein Hochvoltsystem ist, so kann der Spannungsbereich einen Bereich von 230 V bis 600 V überstreichen. Die jeweiligen Spannungshübe lassen sich mit Hilfe von Stapeln mit Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen, die mit Wasserstoff und Luft arbeiten, abdecken. Sind die Windenergieanlage, weil sie zum Beispiel nur schwach geregelt sind, auf diesen Spannungsbereich abgestimmt, so können Brennstoffzellenstapel und Windenergieanlage unmittelbar und direkt an dem gleichen Gleichspannungsbus angeschlossen werden. Die Anzahl der Brennstoffzellen ist auf den Spannungsbereich abgestimmt. Die Anzahl der Photovoltaikelemente ist auf den Spannungsbereich abgestimmt. Der übliche Betriebsbereich und die damit abgebbare Spannung pro Modul bewegt sich in dem Spannungsbereich.
Durch die parallele Verschaltung der unterschiedlichen Energiequellen in dem Energievorsorgungssystem ist der eingestellte maximale Leistungspunkt ein Gesamtleistungspunkt aller am Gleichspannungsbus angeschlossenen primären elektrischen Energiequellen. Es wird nur ein summativ gebildeter Leistungspunkt, der für alle primären elektrischen Energiequellen gilt, ermittelt und gebildet. Der Leistungspunkt wird dabei häufig bzw. fast in der Regel von dem jeweiligen individuellen maximalen Leistungspunkt einer einzelnen primären elektrischen Energiequelle abweichen. Die Vereinfachung in der Steuerung und in der Anzahl der Komponenten rechtfertigt die Abweichung von den maximalen Leistungspunkten jedes einzelnen Moduls.
Das Energievorsorgungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausgestaltung wenigstens ein Photovoltaikmodul. Eine der primären elektrischen Energiequellen ist ein Photovoltaikmodul mit mehreren Photozellen. Die Photozellen sind untereinander für einen größeren Strom oder eine größere Spannung parallel oder in Serie verschaltet. Eine der sekundären elektrischen Energiequellen ist ein weiteres elektrisches Gerät, das regenerative elektrische Energie liefert. Bei der Betrachtung des Leistungspunktes des Energieversorgungssystems wird nicht der Leistungspunkt jeder einzelnen Photozelle bzw. jedes einzelnen PV-Moduls mehr betrachtet. Dies führt zu einer Vereinfachung des Gesamtsystems.
Hierbei arbeiten sämtliche primäre elektrische Energiequellen in einem Spannungsfenster um eine nominale Spannung der anzuschließenden Last herum. Die Spannungen sind auf die anzuschließende elektrische Last abgestimmt. Die Abstimmung der elektrischen Energiequellen auf die zu erwartende Last fördert die Vereinfachung des Gesamtsystems.
Das Spannungsfenster lässt sich, sofern eine Windenergieanlage angeschlossen ist, durch die Spannungsbreite der Ausgangsspannung der geregelten Spannung an der Windenergieanlage bestimmen. Die Spannung kann schwachgeregelt ausgekoppelt werden. Es muss innerhalb eines großen Drehzahlbereichs der Windenergieanlage nicht mehr punktgenau die Spannung aus der Energiequelle nachgeregelt werden. Eine schwache Regelung sorgt mit einfachen Mitteln wie eine stabilisierte Einweggleichrichtung für Spannungsstabilisierung in einem begrenzten Spannungshubbereich.
Eine sekundäre elektrische Energiequelle des Energieversorgungssystems ist ein an dem elektrischen Versorgungsnetz angeschlossener Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler. Die elektrische Energie wird so zusätzlich aus dem Versorgungsnetz bezogen. Im umgekehrten Fall kann als elektrische Last, und im Entladungsfall als Energiequelle, das Versorgungsnetz als Zwischenspeicher dienen. Das Versorgungsnetz übernimmt die Funktion eines nahezu unendlich großen Akkumulators. Der Akkumulator ist im Ladezustand als Last, im Entladungszustand als Energiequelle zu betrachten.
Das Energievorsorgungssystem kann Energie an sekundäre elektrische Lasten zur Verfügung stellen. Hierzu wird überschüssige Energie aus der primären elektrischen Energiequelle in der sekundären elektrischen Last als Teil des Energieversorgungssystems umgewandelt bzw. gespeichert. In Übereinstimmung mit dem hierarchischen Gliedern der elektrischen Energiequellen können auch die elektrischen Lasten prioritär geordnet werden. Sie werden in Übereinstimmung mit ihrer Priorität auf- und abgeschaltet. Vorzugsweise werden die primären elektrischen Geräte wie primäre elektrische Energiequelle oder primäre elektrische Last höherprioritär betrieben als nachgeordnete elektrische Geräte. Nachgeordnete elektrische Geräte sind sekundäre oder tertiäre elektrische Energiequellen. Reicht die Energie aus den primären elektrischen Energiequellen nicht aus, so werden die sekundären elektrischen Lasten von dem Gleichspannungsbus abgekoppelt. Die elektrische Energie wird auf die primären elektrischen Lasten konzentriert.
Die sekundäre elektrische Last umfasst – in einer weiteren Ausgestaltung – einen Elektrolyseur in einem Brennstoffzellensystem. So kann die elektrische Energie in Form von Wasserstoff zwischengespeichert werden. Insbesondere bei energetischen Insellösungen ist ein so gestaltetes System vorteilhaft. Das Energieversorgungssystem hat in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Komponente, die eine sekundäre elektrische Spannungsquelle wie ein Brennstoffzellensystem und einen Elektrolyseur als sekundäre elektrische Last ist. Die sekundäre elektrische Last und die sekundäre elektrische Spannungsquelle sind zu einem Wasserstoffenergiesystem als Untereinheit, insbesondere in einem eigenen Gehäuse, zusammengeschlossen.
Das sich aus zahlreichen Komponenten zusammensetzende Energieversorgungssystem kann nach dem folgenden Verfahren betrieben werden. Zum Betrieb eines Energieversorgungssystems mit wenigstens einer primären elektrischen Energiequelle wie einem Photovoltaikelement und mit wenigstens einer sekundären elektrischen Energiequelle mit einem Gleichspannungsausgang wird ein maximaler Leistungspunkt für alle an einem gemeinsamen Gleichspannungsbus angeschlossenen primären elektrischen Energiequellen durch ein einziges MPPT-Verfahren eingestellt. Somit wird ein maximaler Leistungspunkt für alle an dem Gleichspannungsbus angeschlossenen primären elektrischen Energiequellen eingestellt. Es wird nicht jedes einzelne Gerät in seinem MPP betrieben. Der maximale Leistungspunkt ergibt sich als summarisch gebildeter maximaler Leistungspunkt aller Geräte, die als primäre elektrische Energiequellen betrieben werden können. Die sekundären elektrischen Energiequellen geben die Spannung des Leistungspunktes vor. Das Verfahren kann angewendet werden, wenn es eine oder wenn es mehrere sekundäre elektrische Energiequellen gibt.
Das Verfahren führt ein Zuschalten und Abschalten der Lasten in Übereinstimmung mit ihrer Charakterisierung als primäre, sekundäre und tertiäre elektrische Last nach einer Prioritätenliste durch. Der zentrale Controller folgt wenigstens zwei unabhängigen Prioritätslisten, eine für die Energiequellen, eine für die Lasten.
Das Verfahren verarbeitet in vorteilhafter Ausgestaltung Informationen über zukünftige Ereignisse. Als zukünftige Ereignisse gelten Wettervorhersagen. Gleichzeitig oder zusätzlich können die aktuellen Wetterdaten erhoben werden. Die zu erwartende Leistung von den regenerativen Energiequellen, insbesondere der Photovoltaikmodule, geht in die Prioritätsberechnung ein. In Übereinstimmung mit der gemessenen Leistung, entweder die Gesamtleistung oder auch Teilleistungen, wird die Prioritätsliste befolgt und die elektrischen Lasten werden hinzu- oder weggeschaltet. Es findet ein Schalten der elektrischen Lasten auf den Gleichspannungsbus in Übereinstimmung mit den Energiemessungen statt. Es findet ein Schalten der elektrischen Lasten auf den Gleichspannungsbus in Übereinstimmung mit den Daten, insbesondere den Wettervorhersagedaten, statt. Es findet ein Schalten der elektrischen Lasten auf und von dem Gleichspannungsbus in Übereinstimmung mit den Energiemessungen und in Übereinstimmung mit den Vorhersagedaten statt.
Das vorliegende System und das vorliegende Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass unter anderem erkannt worden ist, dass die Optimierung jedes einzelnen Geräts und Moduls bezüglich seines maximalen Leistungspunktes nur durch einen unverhältnismäßigen Aufwand herstellbar ist. Deutlich einfacher und trotzdem wenigstens nahezu gleich effizient ist es, wenn die Geräte an einem Gleichspannungsbus direkt aufgeschaltet sind. Von einer Quelle stammt der vorzugebende Spannungswert, der nach Kriterien eines maximalen Leistungspunktes ermittelt wird. Durch die Vorgabe des Spannungswertes auf dem Gleichspannungsbus stellen sich solche Betriebspunkte unmittelbar in den jeweiligen Geräten und Komponenten ein, dass sich insgesamt ein maximaler Leistungspunkt ergibt. Der maximale Leistungspunkt kann je nach ausgewähltem Kriterium ein lokales oder absolutes Maximum darstellen.
Das Energieversorgungssystem ist mit einem zentralen Controller zentral um einen Gleichspannungsbus herum aufgebaut. Alle Komponenten liegen unmittelbar auf dem Gleichspannungsbus. Alle Module können auf den Gleichspannungsbus auf- und weggeschaltet werden. In dem Energieversorgungssystem sind einzelne Leistungsmessgeräte installiert. Der Controller arbeitet mit Prioritätstabellen. Der Controller arbeitet mit Berechnung über momentane Energieverteilungen im Energieversorgungssystem und eventuell mit zukünftigen (zu erwartenden) Energieverteilungen. Energie auf dem Gleichspannungsbus kann in Speichern zwischengespeichert werden. Als Speicher dienen in alternativen Ausgestaltungen Akkumulatoren, Brennstoffzellensysteme mit Elektrolyseur und Wasserstoffspeichern und globalere Versorgungsnetze. Die Hauptbezugsquelle für Energie, sofern sie im ausreichenden Maße zur Verfügung steht, sind die Photovoltaikmodule. Energie kann von dem Gleichspannungsbus heruntergenommen werden und bei Unterschreitung von gewünschten Leistungen wieder aufgeschaltet werden.
Figurenkurzbeschreibung
Die Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, dabei zeigen:
1 Typische Strom-Spannungskennlinien und Leistungskennlinien eines Photovoltaikmoduls in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität; auf der Abszisse ist die Spannung abgetragen; die Ordinate misst für die Strom-Spannungskennlinien den Strom, für die Leistungskennlinien die Leistung;
2 Typische Leistungskennlinien eines Photovoltaikmoduls in Abhängigkeit von der Temperatur des PV-Moduls; auf der Abszisse ist die Spannung abgetragen; die Ordinate misst die Leistung;
3 Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems mit einer primären Energiequelle;
4 Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems mit zwei primären Energiequellen;
5 Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems mit zwei primären Energiequellen und weiteren sekundären Energiequellen;
Figurenbeschreibung
1 zeigt eine Gegenüberstellung von verschiedenen PV-Kennlinien 2, d. h. von typischen Strom-Spannungskennlinien 3 und Leistungskennlinien 5 eines herkömmlichen PV-Moduls. Die unterschiedlichen Verläufe der Strom-Spannungskennlinien 3 bzw. der Leistungskennlinien 5 ergeben sich infolge einer jeweils geänderten, dem PV-Modul angebotenen Strahlungsintensität. In Abhängigkeit von der Strahlungsintensität nimmt der Strom zu oder ab. Bei -geringerer Strahlungsintensität sinkt der Strom. Bei steigender Strahlungsintensität steigt der Strom an. Vier verschiedene Strahlungsintensitäten, zwischen einschließlich 1000 bis 400 W/m², sind an Hand der Stromausbeute dargestellt. Die Leistungskennlinien, die sich aus dem jeweiligen Strom und einer von außen an dem PV-Modul anlegbaren Spannung ergibt, hat in Abhängigkeit der Strahlungsintensität der Sonneneinstrahlung einen veränderlichen maximalen Leistungspunkt MPP. Der Spannungsbereich überstreicht solche Spannungswerte, auf die der Gleichspannungsbus 8 (s. beispielsweise 3) abgestimmt ist. Der Spannungsbereich, in dem das PV-Modul betrieben wird, erstreckt sich von einem unteren MPP bis zu einem oberen MPP. Der Spannungsbereich ist in einer Ausgestaltung auf die Anzahl Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels und die zu versorgenden Verbraucher (primäre/sekundäre/tertiäre Last) abgestimmt. Der Betriebsspannungsbereich des Brennstoffzellenstapels stimmt mit dem Spannungsbereich des PV-Moduls überein.
1 zeigt auf der Abszisse die Spannung des PV-Moduls in Volt. Der Spannungsbereich überdeckt für die 1000 W/m²-PV-Kennlinien den größten Betriebsbereich des PV-Moduls. Für kleinere Strahlungsintensitäten, wie beispielsweise 400 W/m², sinkt der spannungsmäßige Betriebsbereich. Auf der Ordinate sind für die Strom-Spannungskennlinien 3 der Strom I und für die Leistungskennlinien die Leistung P abgetragen. Der Strombereich überstreicht für, die 1000 W/m²-Strom-Spannungskennlinie den größten Strombereich. Für kleinere Strahlungsintensitäten, wie beispielsweise 400 W/m², sinkt demgegenüber der strommäßige Betriebsbereich. Der Leistungsbereich überstreicht für die 1000 W/m²-Leistungskennlinie den größten Leistungsbereich. Für kleinere Strahlungsintensitäten, wie beispielsweise 400 W/m², sinkt der leistungsmäßige Betriebsbereich demgegenüber. Die dargestellten Strom- bzw. Leistungsverläufe 3, 5 in Abhängigkeit von der Spannung sind in 1 für eine Umgebungstemperatur von 25°Celsius angegeben.
2 zeigt Leistungskennlinien 6, die über der Spannung U aufgetragen sind. Die Leistungskennlinien eines PV-Moduls hängen nicht nur von der Strahlungsintensität des einfallenden Lichts (siehe 1) sondern auch von der Temperatur des PV-Moduls ab. Hat das PV-Modul eine geringere Temperatur, so kann eine größere Leistung gewonnen werden. In dem Diagramm von 2 sind Leistungskennlinien 6 in Abhängigkeit unterschiedlicher Temperaturen eingezeichnet. Die höchste Leistungsausbeute ist bei einer niedrigen Temperatur wie zum Beispiel 263 K, d. h. etwa minus 10°Celsius, zu erhalten. Die Temperatur des PV-Moduls muss möglichst niedrig sein. Hierzu wird in einer Ausgestaltung das PV-Modul aktiv gekühlt. Die niedrigste Leistungsausbeute ist bei einer hohen Temperatur wie zum Beispiel 333 K, d. h. plus 60°Celsius, zu erhalten. Die niedrigste Leistungsausbeute könnte auch bei einer hohen Temperatur wie zum Beispiel 373 K, d. h. plus 100°Celsius, zu erhalten sein.
2 zeigt auf der Ordinate die Leistungen P des PV-Moduls in Watt und auf der Abszisse die Spannungen U bei 1000 W/m² Strahlungsintensität. Bei 263 K, d. h. bei minus 10°Celsius, sind der Spannungsbereich, d. h. der spannungsmäßige Betriebsbereich, des PV-Moduls und der Leistungsbereich am größten. Bei 333 K, d. h. bei plus 60°Celsius, und damit bei der höchsten der in 2 dargestellten Temperaturen sind demgegenüber der Leistungsbereich und der Spannungsbereich am kleinsten.
Wie der Fachmann sieht, ändert sich der MPP in Abhängigkeit von vielen äußeren Parametern, wie zum Beispiel in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität (1) und wie zum Beispiel in Abhängigkeit von der PV-Modultemperatur (2). Um nicht Unmengen an verschiedenen Sensoren über das Energieversorgungssystem verteilen zu müssen, wird die Suche des maximalen Leistungspunktes durch ein MPPT-Verfahren bewerkstelligt. Als leicht veränderliche Größe kann hierfür nach einem erfindungsgemäßen Aspekt die Spannung genutzt werden. Die Spannung ist über einen Gleichspannungsbus auf das oder die PV-Module aufprägbar. Hierzu wird ein Verfahren zur Bestimmung des maximalen Leistungspunktes (MPP) durchgeführt.
3 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 1. Das Energieversorgungssystem 1 weist in der ersten Ausführungsform eine Energiequelle 4 auf, die als primäre elektrische Energiequelle 4 vorhanden ist. Die Energiequelle 4 ist hier ein Photovoltaikmodul 60, kurz PV-Modul. Das Photovoltaikmodul 60 umfasst mehrere Photozellen 64, die untereinander für einen größeren Strom oder eine größere Spannung verschaltet sind. In der ersten Ausführungsform sind die Photozellen 64 für eine größere Spannung in Serie geschaltet. Sie könnten auch für einen größeren Strom parallel verschaltet sein. Auch eine Kombination von Serien- und Parallelschaltungen für größere Spannungs – und Stromausbeute sind denkbar und möglich.
Die Energiequelle 4 liefert eine elektrische Spannung U_p und einen elektrischen Strom I_p im Nahbereich um ihren maximalen Leistungspunkt MPP herum.
Die primäre Energiequelle 4, 60, 64 ist an einem Gleichspannungsbus 8 angeschlossen. Der Gleichspannungsbus 8 als separate Systemkomponente des Energieversorgungssystems 1 ist in 3 durch die Trennlinie 9 (Bustrennlinie) von dem übrigen Energieversorgungssystem 1 abgegrenzt dargestellt. Die Energiequelle 4, 60, 64 ist an dem Gleichspannungsbus 8 direkt angekoppelt. Der Gleichspannungsbus 8 umfasst zwei Leitungen 12, 16. Der Gleichspannungsbus 8 ist für den Anschluss von mehreren Energiequellen bestimmt. In der ersten Ausführungsform sind drei weitere Energiequellen 20, 24, 28 an den Gleichspannungsbus 8 angeschlossen. An den Gleichspannungsbus 8 kann auch eine oder mehrere Energiesenken, d. h. ein oder mehrere Verbraucher angeschlossen sein. An den Gleichspannungsbus 8 kann auch eine elektrische Vorrichtung, wie ein elektromagnetischer Energiewandler, angeschlossen sein, die ihren Betriebszustand so ändern kann, dass sie einerseits als Energiequelle andererseits als Energiesenke fungieren kann.
Die Energiequelle 20 ist eine sekundäre elektrische Energiequelle. Die Energiequelle 20 ist hier ein mit einem Elektrolyseur 72 aufgebauter auf Basis eines Brennstoffzellenstapels 56 realisierter Gleichspannungsgenerator. Der Gleichspannungsgenerator 20 liefert eine Gleichspannung U₌ mit vernachlässigbarer Welligkeit. Die Energiequelle 24 ist eine sekundäre elektrische Energiequelle, und zwar ein Brennstoffzellensystem 24. Das Brennstoffzellensystem 24 als sekundäre elektrische Energiequelle umfasst einen Elektrolyseur 72. Die Energiequelle 28 ist ebenfalls eine sekundäre elektrische Energiequelle, und zwar ein spannungsumsetzendes Glied 48 in Form eines Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlers 28.
Jede der weiteren Energiequellen 20, 24, 28 kann, wenn sie auf den Gleichspannungsbus 8 aufgeschaltet ist, eine Gleichspannung U₌ auf den Gleichspannungsbus 8 aufprägen. Im dargestellten Betriebszustand des Energieversorgungssystems 1 prägt der Gleichspannungsgenerator 20 seine Gleichspannung U₌ auf die Leitungen 12, 16 des Gleichspannungsbusses 8 auf. Zusätzlich zu dem Gleichspannungsgenerator kann in Abhängigkeit der Prioritätseinstellung auch der Gleichrichter des Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlers 28 eine Spannung aufprägen.
Die Gleichspannung U₌ gibt unmittelbar den Spannungswert des Leistungsbetriebspunktes POP, nämlich POP = U₌·I_p, der primären elektrischen Energiequelle 4 vor. Wegen der direkten Ankoppelung aller primären und sekundären Energiequellen 4, 60, 20, 24, 28 an den Gleichspannungsbus 8 gilt, dass der Spannungswert der Gleichspannung U₌ mit dem Spannungswert U_p des PV-Moduls identisch ist.
Der Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 28 dient der Ankoppelung des Energieversorgungssystems 1 an ein elektrisches Energienetz. Das elektrische Energienetz ist an ein elektrisches Versorgungsnetz 76 angekoppelt. In dem elektrischen Energienetz der ersten Ausführungsform ist eine Einphasenwechselspannung die Betriebsspannung.
Es ist denkbar und möglich das elektrische Energienetz für eine Dreiphasenwechselspannung mit oder ohne Nullleiter auszulegen. In diesem Fall müssten zumindest drei entsprechend phasenverschoben arbeitende Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 28 vorhanden sein, von denen jeder eine Phasenspannung dem Energienetz bzw. dem Versorgungsnetz 76 entnehmen kann.
Das elektrische Energienetz, das über den Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler 28 hinweg das Energieversorgungssystem 1 mit elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz 76 versorgen kann, ist in 3 durch die Trennlinie 17 symbolisch von dem Energieversorgungssystem 1 abgegrenzt dargestellt.
Die primäre elektrische Energiequelle 4 ist ein elektrisches Regenerativenergiemodul 32 in Form eines PV-Moduls 60. Das PV-Regenerativenergiemodul 32 umfasst zumindest ein elektrisches Photovoltaikelement 36. Das elektrische Regenerativenergiemodul 32 hat in Abhängigkeit von äußeren Betriebsparametern, in der ersten Ausführungsform sind dies im Wesentlichen die Sonnenlichteinstrahlungsintensität und die Betriebstemperatur, einen sich anpassbaren maximalen Leistungspunkt MPP.
In der ersten Ausführungsform sind drei sekundäre elektrische Energiequellen 20, 24, 28 vorhanden. Die sekundären elektrischen Energiequellen 20, 24, 28 tragen mit unterschiedlichen Prioritäten, die sich aus unterschiedlichen Randparametern ermitteln, zur Versorgung einer elektrischen Last 80 bei. Die elektrische Last 80 kann eine primäre elektrische Last sein.
Die primären elektrischen Energiequellen 4 sind ohne aktive Spannungsumwandlung auf. den Gleichspannungsbus 8 aufgeschaltet.
In dem beschriebenen Betriebszustand stellt ein einziger Spannungsanschluss 52 einer sekundären Energiequelle 20, nämlich der Spannungsanschluss des Gleichspannungsgenerators 20, die aufgeprägte Spannung U₌ auf dem Gleichspannungsbus 8 zur Verfügung.
Die sekundäre elektrische Energiequelle 20, in Form des Brennstoffzellensystems 24, bezieht zur Versorgung des Elektrolyseurs 72 wenigstens einen Teil der elektrischen Energie aus dem Gleichspannungsbus 8. Das Brennstoffzellensystem 24 bietet bedarfsabhängig elektrische Energie für die anzuschließende elektrische Last 80 dar.
Die primäre elektrische Energiequellen 4 arbeitet in einem Spannungsfenster um eine nominale Spannung U_N der anzuschließenden elektrischen Last 80 herum.
Das Energieversorgungssystem 1 der ersten Ausführungsform wird von einem zentralen Controller 40 gesteuert. Der Controller 40 steuert das Energieversorgungssystem 1 über einen Steuerungsbus 41. Der Steuerungsbus 41 kann ein Steuerungsnetzwerk sein. Das Steuerungsnetzwerk kann ein Funknetzwerk sein. Der Controller 40 kann in ein übergeordnetes Energiesteuerungs- bzw. -regelungssystem eingebunden sein. Insbesondere bei erhöhten Sicherheitsanforderungen ist der Steuerungsbus 41 vorzugsweise eine drahtgebundene Übertragungsvorrichtung zur Übertragung von Steuerungssignalen des Controllers 40. Der Controller 40 steuert die primären und sekundären Engergiequellen 4, 20, 24, 28. Der Controller 40 steuert die primären Energiequellen 4 indirekt. Der Controller 40 steuert die sekundären Energiequellen direkt. Der Controller 40 steuert die primären Energiequellen indirekt, indem er die sekundären Energiequellen direkt steuert. In einer alternativen, nicht dargestellten Variante ist auch die direkte Steuerung der primären Energiequelle durch den Controller 40 möglich. Der Controller 40 kann die primären und sekundären Energiequellen über Steuersignale des Steuerungsbusses 41 selektiv an den Gleichspannungsbus 8 ankoppeln bzw. abkoppeln. In die Steuerung der primären und sekundären Energiequellen fließen Wetterdaten 10, insbesondere Daten für Wetterprognosen, wie Lufttemperatur, Bewölkungsdichte, Strahlungsintensität etc., ein. In die Steuerung der primären und sekundären Energiequellen können auch Umweltdaten, wie Luftverschmutzungsdaten etc., einfließen. In die Steuerung der primären und sekundären Energiequellen können auch Marktdaten, wie Rohstoffpreise oder Preise bzw. Preisprognosen für Resourcen wie Zukaufstrom, einfließen.
Bei der ersten Ausführungsform ist in dem Energieversorgungssystem 1 nur die primäre elektrische Energiequelle 4 ohne ein spannungsumsetzendes Glied 48 angekoppelt. Die Energiequelle 4 ist ohne ein spannungsumsetzendes Glied 48, d. h. direkt, an den Gleichspannungsbus 8 ankoppelbar.
Es gibt in dem Energieversorgungssystem 1 der ersten Ausführungsform ein Leistungsmessgerät 7. Das Leistungsmessgerät 7 misst die von der primären Energiequelle 4 abgegebene Leistung. Das Leistungsmessgerät 7 erfasst zur Bestimmung der Leistung der primären Energiequelle 4 im Wesentlichen die elektrische Spannung U_p und den elektrischen Strom I_p des PV-Moduls 60. Der Controller 40 kann die gemessene Leistung aus dem Leistungsmessgerät 7 über den Steuerungsbus 41 auslesen. Der Controller 40 führt ein MPPT-Verfahren aus, wodurch die primäre Energiequelle 4 im Nahbereich um ihren maximalen Leistungspunkt MPP herum gehalten wird. Der Controller 40 kennt aus der Leistungsmessung die auf dem Gleichspannungsbus 8 vorherrschende Spannung U₌. Bei einer zu großen Abweichung, wie beispielsweise 10% oder 5% etc., der Ist-Spannung von der mit Hilfe der Leistungsmessung ermittelbaren Soll-Spannung veranlasst der Controller 40 über den Steuerungsbus 41 eine entsprechende Änderung der Klemmenspannung der sekundären Energiequelle 20 bzw. 28, d. h. der Controller 40 veranlasst die Erhöhung bzw. Absenkung des Spannungsniveaus durch Einprägen der von der sekundären Energiequelle 20 bzw. 28 abgebaren Soll-Spannung auf den Gleichspannungsbus 8. Auf diese Weise kann die primäre Energiequelle 4 in der Nähe ihres maximalen Leistungspunktes MPP gehalten, werden.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 1, welches zwei primäre Energiequellen 4 aufweist. Für die zweite Ausführungsform gilt das oben zur ersten Ausführungsform Gesagte analog. Die beiden primären Energiequellen 4 sind PV-Module 60 desselben Typs, d. h. die PV-Kennlinien, insbesondere die Leistungskennlinien der beiden PV-Module 60 stimmen möglichst überein. Jede der beiden primären Energiequellen 4 der zweiten Ausführungsform ist jeweils unabhängig von der jeweils anderen Energiequelle 4 über einen Schalter 42 an dem Gleichspannungsbus 8 ankoppelbar. In dem dargestellten Betriebszustand sind beide Schalter 42 geschlossen, d. h. beide primären Energiequellen 4 sind an dem Gleichspannungsbus 8 angekoppelt. Die beiden Schalter 42 können unabhängig voneinander geöffnet bzw. geschlossen werden. Das Öffnen bzw. Schließen der Schalter 42 kann automatisch über den Controller 40 erfolgen.
Der eingestellte maximale Leistungspunkt des Energieversorgungssystems 1 gemäß der zweiten Ausführungsform ist ein Gesamtleistungspunkt gMPP aller am Gleichspannungsbus 8 angeschlossenen primären elektrischen Energiequellen 4, von dem insbesondere der jeweilige individuelle maximale Leistungspunkt MPP einer primären elektrischen Energiequelle 4 abweicht.
Bei der zweiten Ausführungsform können alle PV-Module 60 des gleichen Typs über ein Leistungsmessgerät 7 zusammengefasst werden. In einer alternativen Ausgestaltung können an jedem PV-Modul 60 jeweils ein eigenes Leistungsmessgerät 7 angeschlossen sein. Je mehr Leistungsmessgeräte 7 vorhanden sind, desto genauer lässt sich in dem zentralen Controller 40 der Leistungsfluss in dem Energieversorgungssystem 1 nachvollziehen.
Das Energieversorgungssystem 1 gemäß der zweiten Ausführungsform stellt als Energievorsorgungssystem 1 Energie an die sekundäre elektrische Last 44 zur Verfügung. Die sekundäre elektrische Last 44 wird erst bei Überschuss von Energie bei der Versorgung der primären elektrischen Last 80 an die sekundäre elektrische Last 44 zur Verfügung gestellt.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 1, welches zwei primäre Energiequellen 4, 73 und drei sekundäre Energiequellen 20, 24, 68 aufweist. Für die erste primäre Energiequelle 4 und die beiden sekundären Energiequellen 20 und 24 gilt das bei der ersten bzw. zweiten Ausführungsform Gesagte analog, wobei jedoch der Gleichspannungsgenerator 20 bei der dritten Ausführungsform keinen Akkusatz 68 aufweist. Die zweite primäre Energiequelle 73 ist eine Windenergieanlage. Die Windenergieanlage 73 ist über ein spannungsumsetzendes Glied 48, einem DC-DC-Wandler, mit dem Gleichspannungsbus 8 verbunden. Die dritte sekundäre Energiequelle 68 ist ein separates Akkumulatorensystem 68. Die dritte sekundäre Energiequelle ist somit ein weiteres elektrisches Gerät 68, das regenerative elektrische Energie liefert. Das Akkumulatorensystem 68 ist ebenfalls über ein spannungsumsetzendes Glied 48, ebenfalls einem DC-DC-Wandler, mit dem Gleichspannungsbus 8 verbunden.
Das Spannungsfenster, in dem die primären elektrischen Energiequellen 4 in einem Spannungsfenster um eine nominale Spannung U_N der anzuschließenden elektrischen Last 44 herum arbeiten, wird durch die Spannungsbreite der Ausgangsspannung der geregelten Spannung an der Windenergieanlage 73 bestimmt.
Die primäre elektrische Last 80 und die sekundäre elektrische Last 44 sind auf dem Gleichspannungsbus 8 aufschaltbar.
Das Energieversorgungssystem 1 aller drei Ausführungsformen wird nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben, wobei die Spannung U₌ der wenigstens einen sekundären elektrischen Energiequelle 20 an einem Gleichspannungsausgang 84 der sekundären elektrischen Energiequelle 20 auftritt.
Es wird ein maximaler Leistungspunkt MPP für alle an einem gemeinsamen Gleichspannungsbus 8 angeschlossenen primären elektrischen Energiequellen 4 durch ein einziges MPPT-Verfahren eingestellt, sodass ein gemeinsamer maximaler Leistungspunkt gMPP für alle an dem Gleichspannungsbus 8 angeschlossenen primären elektrischen Energiequellen 4 eingestellt wird.
Ein Zuschalten und Abschalten der Energiequellen 4, 20, 24, 28, 32, 36, 56, 60, 68, 76 erfolgt in Übereinstimmung mit ihrer Charakterisierung als primäre, sekundäre und tertiäre Energiequelle nach einer Prioritätenliste. Die tertiäre elektrische Last 88 ist nur in 5 bei der dritten Ausführungsform vorhanden.
Bezugszeichenliste

1: Energieversorgungssystem
2: PV-Kennlinie
3: Strom-Spannungskennlinie
4: primäre (elektrische) Energiequelle
5: Leistungskennlinie
6: Leistungskennlinie
7: Leistungsmesser
8: Gleichspannungsbus
9: Bustrennlinie
10: Wetterdaten
12: Leitung
16: Leitung
17: Netztrennlinie
20: sekundäre (elektrische) Energiequelle
24: Brennstoffzellensystem
28: Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler
32: Regenerativenergiemodul
36: elektrisches Photovoltaikelement
40: zentraler Controller
41: Steuerungsbus
42: Schalter
44: (sekundäre) elektrische Last
48: spannungsumsetzendes Glied
52: Spannungsanschluss
56: Zwischenspeicher
60: Photovoltaikmodul
64: Photozelle
68: elektrisches Gerät
72: Elektrolyseur
73: Windenergieanlage
76: elektrisches Versorgungsnetz
80: primäre elektrische Last
84: Gleichspannungsausgang der sekundären Energiequelle
88: tertiäre elektrische Last

Akürzungen und Größenzeichen

Up

elektrische Spannung der primären Energiequelle

Ip

elektrischer Strom der primären Energiequelle

MPP

maximaler Leistungspunkt

U=

Gleichspannung der sekundären Energiequelle

POP

Leistungsbetriebspunkt der primären Energiequelle

UN

nominale Spannung

gMPP

gemeinsamer maximaler Leistungspunkt

U

Spannung

I

Strom

P

Leistung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202006001063 U1 [0006]
DE 19919766 A1 [0006]
DE 102005046379 B4 [0008]
DE 10136147 A1 [0009]
DE 3212022 A1 [0009]
EP 1750193 A1 [0009]
DE 102004059100 A1 [0010]

Claims

Energieversorgungssystem (1) mit wenigstens einer Energiequelle (4), – die als primäre elektrische Energiequelle (4) vorhanden ist und – die eine elektrische Spannung (U_p) und einen elektrischen Strom (I_p) im Nahbereich um ihren maximalen Leistungspunkt (MPP) herum liefert und – die an einem Gleichspannungsbus (8) angeschlossen ist, – der wenigstens zwei Leitungen (12, 16) umfasst und – der für den Anschluss von mehreren Energiequellen (20, 24, 28) bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine weitere an den Gleichspannungsbus (8) angeschlossene Energiequelle (20) vorhanden ist, – die als sekundäre elektrische Energiequelle (20) dient, wie zum Beispiel ein Brennstoffzellensystem (24) oder ein Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler (28), und – die weitere Energiequelle (20) eine Gleichspannung (U₌) auf den Gleichspannungsbus (8) aufprägt, die unmittelbar den Spannungswert des Leistungsbetriebspunktes (POP) der primären elektrischen Energiequelle (4) vorgibt.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre elektrische Energiequelle (4) wenigstens ein elektrisches Regenerativenergiemodul (32), wie ein elektrisches Photovoltaikelement (36), umfasst, das insbesondere in Abhängigkeit von äußeren Betriebsparametern, wie Sonnenlichteinstrahlungsintensität oder Betriebstemperatur, einen sich anpassbaren maximalen Leistungspunkt (MPP) hat.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1) von einem zentralen Controller (40) aus an Hand von Wetterdaten, insbesondere Daten für Wetterprognosen, gesteuert wird.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei sekundäre elektrische Energiequellen (20) vorhanden sind, die mit unterschiedlichen Prioritäten, die sich aus unterschiedlichen Randparametern ermitteln, zur Versorgung einer elektrischen Last (80) beitragen, und vorzugsweise die primären elektrischen Energiequellen (4) ohne aktive Spannungsumwandlung auf den Gleichspannungsbus (8) aufgeschaltet sind.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Energieversorgungssystem (1) nur die primäre elektrische Energiequelle (4) ohne ein spannungsumsetzendes Glied (48) angekoppelt ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einziger Spannungsanschluss (52) einer Sekundärenergiequelle (20) die aufgeprägte Spannung (U₌) auf dem Gleichspannungsbus (8) zur Verfügung stellt.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sekundäre elektrische Energiequelle (20) als Zwischenspeicher (56) wenigstens einen Teil der elektrischen Energie aus dem Gleichspannungsbus (8) bezieht, um bedarfsabhängig elektrische Energie für die anzuschließende elektrische Last (80) über das spannungsumsetzende Glied (48) darzubieten.
Energievorsergungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eingestellte maximale Leistungspunkt ein Gesamtleistungspunkt (gMPP) aller am Gleichspannungsbus (8) angeschlossener primären elektrischen Energiequellen (4) ist, von dem insbesondere der jeweilige individuelle maximale Leistungspunkt (MPP) einer primären elektrischen Energiequelle (4) abweicht.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der primären elektrischen Energiequellen (4) ein Photovoltaikmodul (60) mit mehreren Photozellen (64) ist, die untereinander für einen größeren Strom oder eine größere Spannung verschaltet sind, und vorzugsweise eine der sekundären elektrischen Energiequellen (20) ein weiteres elektrisches Gerät (68), das regenerative elektrische Energie liefert, ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche primäre elektrische Energiequellen (4) in einem Spannungsfenster um eine nominale Spannung (U_N) der anzuschließenden Last (80) herum arbeiten.
Energieversorgungssystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsfenster durch die Spannungsbreite der Ausgangsspannung der geregelten Spannung an einer Windenergieanlage (73) bestimmt wird.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine sekundäre elektrische Energiequelle (20) des Energieversorgungssystems (1) ein an dem elektrischen Versorgungsnetz (76) angeschlossener Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandler (28) ist.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energievorsorgungssystem (1) Energie an sekundäre elektrische Lasten (44) zur Verfügung stellt, die erst bei Überschuss von Energie bei der Versorgung der primären elektrischen Last (44) an die sekundäre elektrische Last (44) zur Verfügung gestellt wird.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (1) die sekundäre elektrische Spannungsquelle (20) wie ein Brennstoffzellensystem (24) und einen Elektrolyseur (72) als sekundäre elektrische Last (44) umfasst, wobei vorzugsweise die sekundäre elektrische Last (44) und die sekundäre elektrische Spannungsquelle (20) zu einem Wasserstoffenergiesystem zusammengeschlossen sind.
Energieversorgungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine primäre elektrische Last (80) und die zumindest eine sekundäre elektrische Last (44) auf dem Gleichspannungsbus (8) aufschaltbar sind, ohne dass eine aktive Spannungsregelung zur Versorgung der Last (44, 80) vorhanden ist.
Verfahren zum Betrieb eines Energieversorgungssystems (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einer primären elektrischen Energiequelle (4) wie einem Photovoltaikelement (36) und mit wenigstens einer sekundären elektrischen Energiequelle (20) mit einem Gleichspannungsausgang (84), dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Leistungspunkt (MPP) für alle an einem gemeinsamen Gleichspannungsbus (8) angeschlossenen primären elektrischen Energiequellen (4) durch ein einziges MPPT-Verfahren eingestellt wird, sodass ein gemeinsamer maximaler Leistungspunkt (gMPP) für alle an dem Gleichspannungsbus (8) angeschlossenen primären elektrischen Energiequellen (4) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuschalten und Abschalten der Lasten (44, 80, 88) in Übereinstimmung mit ihrer Charakterisierung als primäre, sekundäre und tertiäre elektrische Last (44, 80, 88) nach einer Prioritätenliste erfolgt.