DE102010046105A1

DE102010046105A1 - Wetterstation zur Messung von Windstärke oder/und Beleuchtungsstärke

Info

Publication number: DE102010046105A1
Application number: DE201010046105
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-03-22
Also published as: EP2431769A2; DK2431769T3; EP2431769A3; EP2431769B1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Wetterstation, die erst oberhalb einer bestimmten Wind- oder/und Beleuchtungstärke, gemessen außerhalb des Hauses, elektrische Energie an geeignete elektrische Verbraucher liefert.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Wetterstation für die Benutzung in privaten Haushalten umweltbewusster Menschen, die erst oberhalb einer bestimmten Wind- oder/und Beleuchtungsstärke, gemessen außerhalb des Hauses, elektrische Energie an geeignete elektrische Verbraucher durchschaltet.
Umweltbewusste Menschen versuchen Wege zu finden, möglichst ausschließlich elektrische Energie aus erneuerbaren oder nachhaltigen Energiequellen zu verbrauchen. Der eingeschlagene Weg dafür ist derzeit, dass man zu einem Energieversorgungsträger wechselt, der verspricht ausschließlich oder überwiegend erneuerbare Energiequellen zu verwenden. Nachteilig ist dabei, dass dieser Strom einige Cent pro kWh teurer ist und dass es aber offensichtlich der gleiche Strom ist, den auch der Nachbar bezieht, der aber einen Vertrag mit einem Billiganbieter hat.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine technische Einrichtung zu finden, die unabhängig vom gewählten Anbieter gewährleistet, einen hohen Anteil erneuerbare Energien z. B. von Windenergieanlagen zu verbrauchen, sicher zu sein, nicht den gleichen Strommix wie der Nachbar zu haben, sondern tatsächlich vorzugsweise dann Strom vom örtlichen Versorger abzunehmen, wenn sehr viel Energie aus erneuerbaren Energiequellen zu Verfügung steht.
Stand der Technik zur Lösung dieser Schwierigkeit sind seit mehr als einem halben Jahrhundert bekannte sogenannte Rundsteueranlagen mit denen der Versorger beim Abnehmer Verbraucher zu- bzw. abschalten kann, z. B. CH000000359193A . Damit ist ein Versorger mit erneuerbaren Energiequellen auch in der Lage nur dann die Waschmaschine oder das Ladegerät für die Batterie des Elektroautos zuzuschalten, wenn z. B. ausreichend Energie aus Windanlagen zur Verfügung steht. Diese Anlagen sind wenig flexibel, da sie nur erlauben für ganze Gruppen von Abnehmern, Verbraucher zuzuschalten und sind für den Verbraucher mit laufenden Gebühren verbunden.
Flexibler für diese Aufgabe ist das sogenannte ”Smart Grid”, in dem über digitale Verbindungen z. B. Cellphone-verbindungen die Aufgabe der Rundsteueranlage sehr an die Aufgabe angepasst individuell gestaltet werden kann. Es gibt dafür viele Pläne und diskutierte Strategien und einige Pilotprojekte, aber es wird erhebliche Investitionen erfordern und noch Jahre dauern, bis diese Technik flächendeckend eingeführt ist [1] Zudem ist es grade für ümweltbewusste Menschen ein wesentlicher Vorteil, wenn sie selbst bestimmen können, welche Art von Strom sie aus dem Netz entnehmen und nicht gezwungen sind, Atomstrom zu verbrauchen, weil die EVU es grade wirtschaftlicher findet ihre Grundlastkapazitäten auszulasten.
Sehr viel mehr an den Willen des Kunden angepasst, preiswerten und schneller realisierbar wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einer Einrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, die erst oberhalb einer bestimmten örtlichen Wind- oder/und Beleuchtungsstärke einen Verbraucher-Anschluss oder Steckdose an die Stromversorgung des Hauses durchschaltet. Es ist in Ländern mit mehr als 20% Anteil von Windenergie am Energiemix davon auszugehen, dass ab 4 Windstärken die Anlagen Nennleistung abgeben und mehr Windenergie zur Verfügung steht, als gebraucht wird, so dass elektrische Energie exportiert wird, dahin, wo es weniger weht oder wo der Anteil von Windenergie am Energiemix geringer ist. Wetterereignisse, wie der Wind sind relativ großflächige Vorgänge, so dass davon auszugehen ist, wenn es bei mir ums Haus weht, ist der Anteil Windstrom aus der Steckdose hoch. Auch führt bei dieser Technik die immerhin gegebene räumliche Nähe von Erzeuger und Verbraucher dazu, dass die bezogene elektrische Energie keine allzu großen Transportwege und die damit verbunden Verluste oder übermäßige Belastung des Netzes zu verzeichnen hat.
Anschließbar daran sind alle elektrischen Verbraucher, bei denen es nicht so sehr darauf ankommt, zu welcher Tageszeit sie benutzt werden, wie z. B. Ladegeräte für Elektroautos, Wärmepumpen zum Befüllen des Hybridspeichers, Waschautomaten oder Geschirrspüler. Zudem hat die Einrichtung in einer besseren Ausführung zusätzlich eine Vorrichtung, eine Ausschaltverzögerung, die bei Bedarf z. B. bei Waschmaschinen sicherstellt, dass ein Waschvorgang auch zu ende geführt wird und nicht mitten im Programm stehenbleibt, nur weil der Wind zufällig kurzzeitig unter die ausgewählte Schwelle gefallen ist. Eine weitere enthaltene Vorrichtung, eine Einschaltverzögerung von etwa 30 min stellt bei Bedarf sicher, dass kurze Böen während eines an sich sonst windstillen Tages nicht zum Starten des Waschvorganges führt. Da es vorkommen kann, dass es mehrere Tage nicht stärker geweht hat, ist in einer weiteren Ausführung vorteilhaft ein Knopf oder Schalter vorgesehen, mit dem der Verbraucher zur Not bei niedrigen Windstärken Spannung zuschalten kann. Die Art der Schaltmethode ist von der Art des Verbrauchers und seiner Anforderungen abhängig. Für eine Anlage mit Beleuchtungssensor gilt vergleichbares, wobei bei bestimmten Wetterlagen weniger von großräumigen Effekten bezüglich der Beleuchtungsstärke ausgegangen werden kann.
Die Zeichnungen zeigen, wie diese Aufgabe in einfachster Ausführung für das Ladegerät 5 eines Elektroautos 6 von einer Einrichtung gemäß 1 gelöst wird. Ein Windstärkesensor 1 auf dem Dach des Anwesens überträgt die Information über die grade herrschende Windstärke auf eine Schaltelektronik 2, die beim Überschreiten einer eingestellten Schwelle über eine Schaltsteckdose 3 den angeschlossenen Verbraucher 4 mit Strom aus dem Stromnetz versorgt. Eine spezielle Ein- und Aus-Schaltverzögerung ist für Ladegerät 5 eines Elektroautos 6 nicht zwingend erforderlich, ein Knopf mit dem auch bei Windstille die sofortige, vollständige Ladung durchgeführt werden kann ist aus schon genannten Gründen nützlich.
Die Übertragung vom Dach kann über ein Kabel oder wie in 2 über eine codierte Funkverbindung in der in privaten Haushalten üblichen 433 MHz-Technik (433,05 Mhz bis 434,79 MHz für Europa, Afrika, Nachfolgestaaten der UdSSR und Mongolei oder 902 MHz bis 928 MHz für Nord- und Südamerika) erfolgen. Das hätte den Vorteil, dass für diese Aufgabe handelsüblich verfügbare Komponenten z. T. einsetzbar sind, wie z. B. den Windstärkesensor 1a aus einer Hauswetterstation und eine Funkschaltsteckdose 3a (z. B. bestellbar bei Conrad Elektronik [2]). Die Schaltelektronik ist wahlweise entweder für den einfachen Fall (ohne Einschalt- oder Ausschaltverzögerung und ohne Einstellbarkeit der Schaltschwelle) im Sensorgehäuse 1a, sonst in einem separaten Gehäuse 2a oder in der Schaltsteckdose 3a, b unterzubringen.
Die Unterbringung der Schaltelektronik in einem separaten Gehäuse 2a hat den Vorteil, dass in der 433 MHz-Technik leicht weitere Funk-Schaltsteckdosen in das System eingeführt werden können, so dass weitere Verbraucher 4b an unterschiedlichen Standorten im Hause angeschlossen werden können. Bei digitaler Signalverarbeitung mit einem μ-Prozessor ist auch die spezifische Programmierung für jeden Schaltkanal leicht möglich.
Das Blockschaltbild nach 3 zeigt die einzelnen Elemente der Schaltelektronik bei analoger Signalverarbeitung für den Fall von Windstärkesensoren und des Anschlusses einer Haushaltsmaschine (Waschmaschine, Geschirrspüler, Wäschetrockner, etc.). Das am Eingang des Verstärkers 10 anliegende Ausgangssignal des Windstärke-Sensors, wird auf eine passende Größe verstärkt, um im Komparator 11 mit der mit dem Potentiometer 12 eingestellten Vergleichsspannung verglichen zu werden. Bei passender Einstellung schaltet der Ausgang des Komparators 11 bei mehr als 3 Beaufort auf logisch 1 (V+). Dieses logische Signal wird von der Einschaltverzögerung 13 erst durchgeschaltet, wenn der Ausgang des Komparators 11 für mindestens etwa 30 min ununterbrochen auf logisch 1 (V+) steht. Danach geht auch der Ausgang der Einschaltverzögerung 13 auf logisch 1 (V+) und startet die Ausschaltverzögerung 14, die dann die Durchschalteinheit 15 betätigt und die Netzspannung auf den Verbraucher-Anschluss mit einem Nachlauf von etwa 3 Stunden durchschaltet.
Für die Realisierung der Einschaltverzögerung gibt es verschiedene Möglichkeiten; entweder wie in diesem Beispiel beschrieben, durch ein einfaches Zeitglied, das nur logische Signale durchschaltet, die länger als die Verzögerungszeit sind oder durch ein Glied zur Bildung eines zeitlichen z. B. 30 min-Mittelwertes, das in diesem Beispiel aber zwischen Verstärker 10 und Komparator 11 geschaltet würde.
Ein Taster 16 erlaubt dem Benutzer den Nachlauf der Ausschaltverzögerung 14 zu starten, um an windstillen Tagen auch waschen zu können. Auch eine optische Anzeige, ob die Schaltschwelle überschritten ist, also umweltfreundlichere Energie zur Verfügung steht, ist vorteilhaft und ist in dem Beispiel mit einer LED realisiert.
Das Flow-Diagramm nach 4 zeigt den Ablaufprozess bei Realisierung der Signalverarbeitungs-Aufgabe mit einem μ-Prozessor.
Bei Benutzung des Beleuchtungsstärke-Sensors 1c wie in 5 ist es vorteilhaft die andere Einschaltverzögerung vorzusehen. Als Eingangsgröße für das Anschalten des Verbrauchers wird das Überschreiten des gleitenden zeitlicher Mittelwert der Beleuchtungsstärke vorgesehen (Blockschaltbild 6). Ein 30-min-Mittelwert ist gemessen an den möglichen zeitlichen Fluktuationen durch vorbeiziehende Wolken ein vernünftiger Wert. Er ist gleichzeitig, weil ja die Wolken sich mit dem Wind bewegen, ein Maß für die räumliche Verteilung der Wolken und damit der mittleren Beleuchtungsstärke in der Region. Die Abschaltverzögerung ist wie beim Windstärkesensor vorzusehen, damit ein eingeleiteter Waschvorgang an einer Waschmaschine sicher zu ende geführt werden kann. Die normierte Signalstärke ist dann so eingestellt, dass bei einem Mittelwert von 50% Sonnenschein die Schaltschwelle überschritten wird.
Als Beleuchtungsstärkesensor ist eine einfache Photodiode verwendbar Eine Verbesserung des Beleuchtungsstärkesensors besteht darin, dass diese Diode in einem Kasten hinter einem unter einem Winkel von 45 grd (Wert für Deutschland) in Südrichtung schräg aufgestellten Glasfenster angeordnet wird. Damit wird erreicht, dass der Beleuchtungsstärkesensor sich in einer annähernd gleichen optischen Anordnung befindet, wie die meisten Sonnenkollektoren und damit das Ausgangssignal ein gutes Maß für die Größe der Energieerzeugung von Sonnenkollektoren darstellt. Eine weitere Verbesserung ist die Verwendung eines kleinen Photovoltaik-Elementes, das wie die großen Elemente mit 45 grd Neigung gegen Süden angeordnet wird.
Bei Benutzung beider Sensoren 1a und 1c, sowohl für die Windstärke als auch für die Beleuchtungsstärke (7) ist der Entscheidungsprozess für das Einschalten des Verbrauchers vorteilhaft mit Gewichtsfaktoren zu versehen. Liegt in einer Region der mittlere Beitrag der Windenergie zur gesamten elektrischen Energieerzeugung im Netz der Energie-Erzeuger bei ca. 20%, dann ist, wie bereits erwähnt, davon auszugehen, dass ab etwa 4 Windstärken Nennleistung abgegeben wird und nahezu 100% der verbrauchten elektrischen Energie von Windkraftwerken erzeugt wird. Legen wir also den Gewichtsfaktor auf f_w = 1 und die Größe der normierten Signalgröße der Windstärke so fest, das bei 3 Beaufort ohne Einfluss der Photovoltaik die Schaltschwelle überschritten wird. So wird erreicht, dass bei Erreichen der Nennleistung der Verbraucher schon vorher zugeschaltet wurde.
Ist der Beitrag der Photovoltaik an der gesamten elektrischen Energieerzeugung in der betrachteten Region bei 5%, so ist das ein Viertel des Beitrages der Windenergieanlagen. Es wird daher bei Vernachlässigung aller Unterschiede gegenüber der Windenergie auch zur Vereinfachung der Einstellbarkeit durch den Benutzer vorgeschlagen den Gewichtsfaktor auf diesen Wert also f_P = 1/4 einzustellen und legen damit die Größe der normierten Signalstärke so fest, dass bei einem Mittelwert von 50% Sonnenschein ein Viertel der Schaltschwelle erreicht wird.
Bei Werten des Anteils am Energie-Mix, die deutlich kleiner sind, z. B. 5% bei der Windenergie, müsste die Schaltschwelle auf einen Wert größer 6 Beaufort eingestellt werden, wenn man fast ausschließlich Windenergie verbrauchen möchte, was aber wenig vorteilhaft ist, da diese Windstärken weniger häufig vorkommen. Da bei der vorgeschlagenen Einrichtung im wesentlichen die Verbesserung des Energiemix im eigenen Stromverbrauch zu mehr erneuerbarer Energie erreicht werden soll, wird vorgeschlagen, die Schaltschwelle grundsätzlich bei 3 Beaufort zu belassen, da von diesen Windstärken an Windenergieanlagen Leistung im Bereich der Nennleistung abgeben und damit einen wesentlichen Beitrag zu Gesamtleistung im Netz liefern.
Ist der regionale Anteil der Photovoltaik am Energiemix größer als der der Windenergie so wird vorteilhaft die normierte Signalstärke bei einem Mittelwert von 50% Sonnenschein auf f_P = 1 (Erreichen der Schaltschwelle) gesetzt und den Wert für die Windenergie auf eine Größe, die dem Bruchteil am Energiemix in Relation zur Photovoltaik entspricht.
8 zeigt das Blockschaltbild bei analoger Signalverarbeitung. Von den Ausgängen der Verstärker 10 und 10a über die Widerstände 19 und 20 gelangt das Signal für die Windstärke bzw. Beleuchtungsstärke zum Addierer 17, dessen Ausgangssignal über das 30 min-Mittelwertglied 13a zum Komparator gelangt. Die weitere Signal-Verarbeitung erfolgt wie in 3. Die Widerstände 19 und 20 der Additionsschaltung sind derart gewählt, dass die Addition der Signale mit dem Gewichtsverhältnis im Energie-Mix der jeweiligen Region erfolgt. Signalverstärkung und Komparatorschwelle sind so eingestellt, dass der Schaltpunkt für den im Verhältnis größeren Wert entweder beim Überschreiten von 3 Windstärken, bzw. bei 50% Sonnenschein erreicht wird. Der kleinere Wert im Energie-Mix wird dann nur mit dem entsprechend kleineren Gewicht addiert.
Es versteht sich von selbst, dass diese Aufgabe vorteilhaft digital mit einem μ-Prozessor erledigt werden kann. Dabei gibt der Nutzer lediglich die Anteile am Gesamtenergiemix ein. Die beschriebene Signalverarbeitung wird durch das Programm erledigt. Zusätzliche Rechenaufgaben durch den Nutzer entfallen. Für die Bedienung durch den Nutzer ist gemäß Stand der Technik eine digitale Anzeige, die im Betrieb den Schaltzustand und die noch verbleibende Nachlaufzeit anzeigt und zur Eingabe der Schalt-Parameter die mit Hilfe einer Menü-Taste und zweier Tasten mit Aufwärts-Abwärts-Funktion den Durchlauf durch das Menü und die eingegebenen Werte anzeigt.
Nicht-Patent-Literatur

[1] IEEE Spectrum Online „Smartening the Smart Grid" POSTED BY: Bill Sweet/Fr, Juli 30, 2010
[2] Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau Hauptkatalog 2010/11, S. 782 Wetterstation S. 626 Funk-Schaltsteckdose

Bezugszeichenliste

1: Windstärkesensor
2: Schaltelktronik
3: Schaltsteckdose
4: Verbraucher
5: Ladegerät
6: Elektroauto
1a: Windstärkesensor mit 433 Mhz-Funktechnik
2a: Schaltelktronik mit 433 Mhz-Funktechnik
3a, b: Schaltsteckdosen mit 433 Mhz-Funktechnik
4b: weiterer Verbraucher
10: Verstärker fur Windstärke-signal
11: Komparator
12: Potentiometer
13: Einschaltverzögerung
14: Ausschaltverzögerung
15: Durchschalteinheit
16: Taster
18: optische Anzeige
1c: Beleuchtungsstärkesensor mit 433 Mhz-Funktechnik
10a: Verstärker für Beleuchtungsstärke-Signal
13a: 30-min-Mittelwertglied
17: Addierer
19, 20: Widerstände zur Gewichtung der Sensorsignale

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

CH 000000359193 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE Spectrum Online „Smartening the Smart Grid” POSTED BY: Bill Sweet/Fr, Juli 30, 2010 [0023]
Conrad Electronic SE, Klaus-Conrad-Str. 1, 92240 Hirschau Hauptkatalog 2010/11, S. 782 Wetterstation S. 626 Funk-Schaltsteckdose [0023]

Claims

Wetterstation zur Messung von Windstärke und/oder Beleuchtungsstärke, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Schalteinrichtung vorhanden ist, die bei Überschreiten eines Schaltschwellwertes bei einer bestimmten Messwertgröße elektrische Verbraucher mit dem Energieversorgungsnetz verbindet.
Wetterstation gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltschwellwert für Windstärke bei ca. 3 Beaufort liegt.
Wetterstation gemäß Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltschwellwert für Beleuchtungsstärke bei ungefähr einem 30-min-Mittelwert von 50% Sonnenschein liegt.
Wetterstation gemäß Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung eine Einschaltverzögerung enthält. die die Verbraucher erst mit Strom versorgt, wenn die Windstärke für eine bestimmte Dauer ohne Unterbrechung oberhalb des Schaltschwellwertes war.
Wetterstation gemäß Anspruch 1, 2, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung eine Ausschaltverzögerung enthält. die die Verbraucher erst vom Netz trennt, wenn die Windstärke für eine bestimmte Dauer ohne Unterbrechung unterhalb des Schaltschwellwertes war.
Wetterstation gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein von Hand bedienbarer Schalter vorhanden ist, mit dem man die Stromversorgung für die elektrischen Verbraucher einschaltet und die sich erst nach Ablauf der Nachlaufzeit der Ausschaltverzögerung wieder ausschaltet.
Wetterstation gemäß Anspruch 1, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass Meßwerte für Windstärke und Beleuchtungsstärke gleichzeitig gemessen werden und die Messwerte mit unterschiedlichen Gewichtsfaktoren versehen als zeitlicher Mittelwert der Summe mit dem Schaltschwellwert verglichen werden.
Wetterstation gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtsfaktoren von Windstärke und Beleuchtungsstärke im gleichen Größenverhältnis zueinander stehen, wie die zugehörigen Prozentsätze von Windenergie und Photovoltaik im elektrischen Energiemix der Region.
Wetterstation gemäß Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelektronik in einem zentralen Gehäuse mit Anzeige und Bedienelementen eingebaut ist und die Sensoren für Windstärke und/oder Beleuchtungsstärke als auch die Durchschalteinheiten von Schaltsteckdosen über drahtlose Funkstrecken mit der Schaltelektronik verbunden sind.