DE102011100076A1 - Energiesammel- und Energieversorgungs- System zur Speicherung und Verteilung mittels mobil installierter Photovoltaik-Anlagen erzeugter elektrischer Energie sowie Fahrzeuge hierfür - Google Patents

Energiesammel- und Energieversorgungs- System zur Speicherung und Verteilung mittels mobil installierter Photovoltaik-Anlagen erzeugter elektrischer Energie sowie Fahrzeuge hierfür Download PDF

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Abstract

Energiesammel- und Energieversorgungs-System zur Speicherung und Verteilung mittels mobil installierter Photovoltaik-Anlagen erzeugter elektrischer Energie sowie Fahrzeuge hierfür.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, unter Einbeziehung des herkömmlich vorhandenen Fahrzeugbestandes ein System zur Einsammlung und Speicherung von Solarenergie bereitzustellen, um dieselbe nach photovoltaischer Umwandlung in ein elektrisches Energieversorgungs-System einzuspeisen.
Gelost wird diese Aufgabe dadurch, dass das erfindungsgemäße System einerseits Photovoltaik-Anlagen sowie Energiespeicher aufweisende Fahrzeuge und andererseits geladene und/oder ungeladene Energiespeicher vorhaltende Energiesammelstellen aufweist, wobei die Energiesammelstellen einerseits als Relais-Stationen für den Austausch geladener und nicht geladener Energiespeicher dienen sowie andererseits die eingesammelte elektrische Energie in das allgemeine Stromverteilungsnetz einspeisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein neuartiges Energiesammel- und Energieversorgungs-System zur Speicherung und Verteilung mittels mobil installierter Photovoltaik-Anlagen erzeugter elektrischer Energie, wobei die Photovoltaik-Anlagen insbesondere an herkömmlich verbrennungsmotorbetriebenen Fahrzeugen installiert werden, sowie Fahrzeuge hierfür.
  • Die durchschnittliche Intensität der eingestrahlten Sonnenenergie beträgt an der Grenze zur Erdatmosphäre etwa 1.367 Watt/m2 (Solarkonstante). Auf der Erdoberfläche kommen mit erheblichen Schwankungsbreiten weltweit im Tagesdurchschnitt noch ca. 165 Watt/m2 an. Diese Solarenergie kann mittels Photovoltaik-Anlagen, insbesondere mittels im Wirkungsgrad unlängst erheblich gesteigerter Solarzellen auf Silizium-Basis, neuerdings aber auch mittels kunststoffbasierter Solarzellen (Organische Photovoltaik) oder mittels Farbstoff-Solarzellen (Grätzel-Zellen) in elektrische Energie umgewandelt werden. insbesondere letztgenannte Technologien erlauben auch die Herstellung von transparenten und biegsamen Solarzellen, welche sich auch dünn auf Glas und Stahl auftragen lassen.
  • In Deutschland sind derzeit mit steigender Tendenz Solarstromanlagen mit einer Leistung von ca. 17.000 MW installiert. Dies entspricht der Leistung von ca. 17 kleineren Kernkraftwerken. Mit ca. vier 1 kWp (Kilo-Watt-Peak)-Anlagen, d. h. Anlagen, welche in Deutschland unter genormten Testbedingungen jeweils die optimale Leistung von 1.000 kWh Strom/Jahr erbringen können, lässt sich in Deutschland in etwa der durchschnittliche Stromverbrauch eines Vier-Personenhaushalts von 4.000 kW decken. Derzeit liegen die Investitionskosten für 5 kWp bei ca. 20.000 €, wobei relativ hohe Einspeise-Vergütungen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sowie steuerliche Vergünstigungen eine zeitige Amortisation von Photovoltaik-Anlagen beschleunigen sollen.
  • Der Einsatz stationärer Photovoltaik-Anlagen, insbesondere auf Privat- und Industriedächern sowie auf Freiflächen, sowie die Nutzung entsprechender Photovoltaik-Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie für jedwede elektrische Verbraucher, insbesondere auch für elektrische betriebene Fahrzeuge, ist im Stand der Technik hinreichend bekannt.
  • Die Erzeugung elektrischer Energie mittels nicht stationär installierter, mobil auf oder an Fahrzeugen betriebener Photovoltaik-Anlagen ist nicht bekannt.
  • Nachteilig ist somit, dass die für die photovoltaische Energieumwandlung grundsätzlich zur Verfügung stehende Außenfläche von beliebigen, insbesondere verbrennungsmotorbetriebenen Fahrzeugen nebst deren Anhänger- und Schubsystemen, sowie die Mobilität herkömmlich verbrennungsmotorbetriebener und/oder schienengebundener Fahrzeuge bislang nicht hinreichend genutzt wird, um damit photovoltaisch zu gewinnende elektrische Energie einzusammeln und elektrischen Verbrauchern dann unmittelbar oder mittelbar über ein Energieversorgungs-System zuzuführen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein den derzeitigen, insbesondere den herkömmlich verbrennungsmotorbetriebenen oder schienengebundenen Fahrzeug-Bestand mit einbeziehendes, fossile Energien schonendes und ersetzendes sowie solare Strahlungsenergie vermehrt nutzendes System zur Einsammlung und Speicherung solarer Energie bereitzustellen sowie dieselbe nach photovoltaischer Umwandlung in elektrische Energie in ein eigenes oder fremdes, nachhaltig arbeitendes elektrisches Energieversorgungs-System einzuspeisen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Hierbei ist vorteilhaft, dass die für die photovoltaische Energieumwandlung grundsätzlich zur Verfügung stehende Außenfläche sowie die Mobilität herkömmlich verbrennungsmotorbetriebener (z. B. Lastkraftwagen nebst Anhänger-, Aufbauten- und Container-Systemen, Personenkraftwagen) und/oder schienengebundener Fahrzeuge (z. B. Bahnfahrzeuge, Container-Waggons) und/oder Wasserfahrzeuge zur vermehrten Gewinnung photovoltaisch erzeugter elektrischer Energie zusätzlich genutzt werden kann, um photovoltaisch gewonnene elektrische Energie entweder unmittelbar eigenen fahrzeuggebundenen elektrischen Verbrauchern, insbesondere auch Anlagen nach der Brennstoffzellen-Technologie, zuzuführen oder mittels zwischengelagerter Bereitstellung in Energiespeichern über ein Netz von Energiesammelstellen mittelbar einem Energieversorgungs-System zur Versorgung von elektrischen Drittverbrauchern zuzuführen. Die optisch zurückhaltende und kaum ins Auge fallende Nutzung insbesondere von Fahrzeug-Dachflächen bietet gegenüber dem herkömmlich stationären Einsatz von Photovoltaik-Anlagen, insbesondere auf Hausdach-Flächen, zudem auch erhebliche ästhetische Vorteile.
  • Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Systems resultiert eine nachhaltige Schonung und Einsparung fossiler Energieträger sowie eine Reduzierung der aus der Nutzung fossiler Energieträger insbesondere in Form von Kohlendioxid- sowie Stickoxid-Emissionen resultierenden Umweltbelastungen.
  • Bei einem für die erfindungsgemäße Nutzung in Frage kommenden Bestand von mindestens ca. 1.500.000 Lastkraftwagen in Deutschland wäre eine Dachflächennutzung von ca. 37.500.000 qm darstellbar, wodurch sich in etwa die für die Versorgung einer Großstadt von zwei Millionen Einwohnern benötigte elektrische Energie erzeugen ließe. Im Hinblick auf den sich anbahnenden zunehmenden Einsatz von Elektro-Fahrzeugen und unter Zugrundlegung einer Entsprechung von 10 kWh für einen Liter Verbrennungs-Kraftstoff sowie einer Energie-Ausbeute von 125.000.000 kWh/Jahr pro 1.000.000 qm photovoltaisch genutzter Fläche würde sich hieraus eine Einsparung von 12,5 Millionen Litern herkömmlicher Verbrennungskraftstoffe ergeben. Dies entspricht in etwa einer Fahrleistung von ca. 4.700.000.000 km. Bei einer durchschnittlichen jährlichen Fahrleistung von 20.000 km würden damit somit allein ca. 235.000 Elektrofahrzeuge versorgt werden können.
  • Da die ins erfindungsgemäße System integrierten Fahrzeuge an den Energiesammelstellen leere oder entladene Energiespeicher aufnehmen und geladene Energiespeicher, vorzugsweise im Austausch aufnehmen können, ist an den Energiesammelstellen somit eine nachhaltige und nicht unmaßgebliche Bereitstellung photovoltaisch erzeugter elektrischer Energie gewährleistet.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass bei Verwendung von Solarzellen der zweiten oder dritten Generation, insbesondere kunststoffbasierter oder farbstoffbasierter Solarzellen die für die photovoltaische Energieumwandlung zur Verfügung stehende Oberfläche der ins System integrierten Fahrzeuge, vorzugsweise auch deren Glasscheiben- oder Metall-Flächen, insbesondere auch bei nicht direkter oder schwächerer Sonneneinstrahlung umfassend genutzt werden können. Eine fahrzeugintegrierte Photovoltaik wird so weitgehend ermöglicht.
  • Wirtschaftlich vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäß gewonnene elektrische Energie unter Inanspruchnahme staatlicher Investitions-Fördermittel und garantierter Einspeise-Vergütungen nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) sowie steuerlicher Vergünstigungen auch kosteneffizient in ein öffentliches Stromversorgungsnetz eingespeist werden kann.
  • Weiter ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäß gewonnene elektrische Energie am Ort der Energiesammelstellen an dort elektrische Energie aufnehmende Verbraucher, insbesondere an elektromotorisch betriebene Elektro-Fahrzeuge abgegeben werden kann. Die Energiesammelstellen fungieren im Falle einer derartig möglichen System-Einbindung nebst Standardisierung und Normierung der systemisch verwendeten Energiespeicher somit gleichzeitig auch als Stromtankstellen für Elektromobile, wobei diese elektrisch entladene Energiespeicher an den Stromtankstellen abgeben und zur Weiterfahrt benötigte geladene Energiespeicher an den Stromtankstellen auch wieder aufnehmen können.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben.
  • 1 zeigt die strukturellen System-Komponenten, das Funktions-Prinzip sowie die Arbeitsweise eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
  • 1 zeigt als strukturelle Systemkomponenten Fahrzeuge 1, insbesondere herkömmlich verbrennungsmotorangetriebene Lastkraftwagen und Personenkraftwagen sowie auch Schienenfahrzeuge. Grundsätzlich können alle Arten von Fahrzeugen mit den unterschiedlichsten Antrieben, insbesondere auch Hybridantriebs-Fahrzeuge am Energieversorgungs-System teilnehmen.
  • Die Fahrzeuge 1 weisen mindestens eine Photovoltaik-Anlage 1.1 zur Umwandlung solarer Strahlungs-Energie in elektrische Energie sowie mindestens einen elektrischen Energiespeicher 1.2 auf, welcher bei den Fahrzeugen 1 des Ausführungsbeispiels als aufgeladener Energiespeicher 1.21 dargestellt ist. Die jeweilige Photovoltaik-Anlage 1.1 weist bei den Lastkraftwagen und den Schienenfahrzeugen vorzugsweise Silizium-basierte Solarpaneele sowie bei den Personenkraftwagen vorzugsweise kunststoffbasierte Solarzellen und/oder photovoltaisch aktive Farbstoffsolarzellen-Schichten auf, wobei sich mit letzteren auch bei diffusem Sonnenlicht sowie auch bei ungünstigen Lichteinfallswinkeln elektrische Energie erzeugen lässt. Bei Lastkraftwagen und Schienenfahrzeugen ist die Photovoltaik-Anlage 1.1 auf einem Dach 5 montiert, wohingegen bei den Personenkraftwagen eine Karosserie 4 bzw. die gesamte Außenhaut sowie auch eine gesamte Glasscheibenfläche 6 mit einer photoaktiven Schicht 7 aus kunststoffbasierten Solarzellen oder Farbstoff-Solarzellen belegt ist. Selbstverständlich können alle Arten bekannter Solarzellen-Technologien auch kombiniert verwendet und in jedweder Form an oder auf allen Fahrzeugen 1 angeordnet werden. Die so gewonnene elektrische Energie wird in einem im Fahrzeug 1 lösbar sowie auswechselbar eingebauten elektrischen Energiespeicher 1.2, insbesondere in einer Batterie oder in einem Akkumulator gesammelt und gespeichert. Diese elektrische Energie kann dann entweder unmittelbar für die Stromversorgung eigener fahrzeuggebundener Energieverbraucher, so z. B. auch für den Betrieb einer Brennstoffzelle, verwendet werden oder aber nach Zwischenspeicherung im Energiespeicher 1.2 an Energiesammelstellen 2 abgeliefert werden.
  • An den Energiesammelstellen 2 können dort vorgehaltene, nicht aufgeladene Energiespeicher 1.20 von den Fahrzeugen 1 aufgenommen und geladene Energiespeicher 1.21, vorzugsweise im unmittelbaren Austausch wieder abgegeben werden. Insoweit fungieren die Energiesammelstellen als Relaisstationen für die am Versorgungssystem teilnehmenden Fahrzeuge 1. Die derart eingesammelte elektrische Energie kann nun in an sich bekannter Weise über Wechselrichter in ein öffentliches Stromversorgungsnetz 3 eingespeist werden.
  • Im beschriebenen Ausführungsbeispiel fungiert die Energiesammelstelle 2 zugleich auch als Strom-Tankstelle 8 für elektromotorisch angetriebene Elektro-Fahrzeuge 9, wobei an der Stromtankstelle 8 von Elektro-Fahrzeugen 9 entladene Energiespeicher 1.20 abgegeben und gegen zuvor an der Energie-Sammelstelle 2 von Fahrzeugen 1 abgegebene, aufgeladene Energiespeicher 1.21 ausgetauscht werden. Im Bedarfsfall können entladene Energiespeicher 1.20 hilfsweise auch über das Stromversorgungsnetz 3 wiederaufgeladen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeuge
    1.1
    Photovoltaik-Anlage
    1.2
    Elektrischer Energie-Speicher
    1.20
    nicht geladener elektrischer Energie-Speicher
    1.21
    geladener elektrischer Energie-Speicher
    2
    Energie-Sammeistellen
    3
    Stromverteilungs-Netz
    4
    Karosserie von 1
    5
    Dach von 1
    6
    Glasscheibenfläche
    7
    Photoaktive Schicht
    8
    Strom-Tankstelle für 9
    9
    Elektro-Fahrzeuge

Claims (9)

  1. Energieversorgungs-System zur Sammlung, Speicherung und Verteilung photovoltaisch erzeugter elektrischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von Fahrzeugen 1 sowie eine Vielzahl von Energiesammelstellen 2 aufweist, wobei die Fahrzeuge 1 mindestens eine solare Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandelnde Photovoltaik-Anlage 1.1 sowie mindestens einen austauschbaren elektrischen Energiespeicher 1.2 aufweisen und wobei die Energiesammelstellen 2 jeweils geladene und/oder nicht geladene elektrische Energiespeicher 1.2 vorhalten und dass die Energiesammelstellen 2 als Relais-Stationen für den Austausch geladener und nicht geladener Energiespeicher 1.2 fungieren.
  2. Energieversorgungs-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fahrzeugen 1 um Land- oder Straßenfahrzeuge, insbesondere Personenkraftwagen und Lastkraftwagen, und/oder Schienenfahrzeuge und/oder Wasserfahrzeuge und/oder Luftfahrzeuge handelt.
  3. Energieversorgungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeuge 1 keinen oder jedenfalls nicht ausschließlich einen solarelektrisch betriebenen Antrieb aufweisen.
  4. Energieversorgungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fahrzeugen 1 um verbrennungsmotorbetriebene Fahrzeuge 1 handelt.
  5. Energieversorgungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaik-Anlage 1.1 in und/oder an tageslichtzugewandten Teilen der Außenhaut der Fahrzeuge 1, insbesondere einer Karosserie 4 oder einem Dach 5 und/oder auf einer oder in einer die Karosserie 4 und/oder Glasscheibenfläche 6 überziehenden photoaktiven Schicht 7 fahrzeugintegriert angeordnet ist.
  6. Energieversorgungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Energiesammelstellen 2 von Fahrzeugen 1 photovoltaisch aufgeladene Energiespeicher 1.21 abgegeben und gegen entladene Energiespeicher 1.20 ausgetauscht werden.
  7. Energieversorgungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiesammelstellen 2 zugleich als Stromtankstellen 8 für mindestens einen elektromotorischen Antrieb aufweisende Elektro- oder Hybrid-Fahrzeuge 9 dienen, wobei an einer Energiesammelstelle 2 von Fahrzeugen 1 aufgeladene Energiespeicher 1.21 abgegeben und gegen von Elektro-Fahrzeugen 9 entladene Energiespeicher 1.20 ausgetauscht werden und wobei an der Stromtankstelle 8 von Elektro-Fahrzeugen 9 entladene Energiespeicher 1.20 abgegeben und gegen von Fahrzeugen 1 aufgeladene Energiespeicher 1.21 ausgetauscht werden.
  8. Energieversorgungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiesammelstellen 2 an mindestens ein flächenübergreifendes Stromverteilungs- und Stromversorgungsnetz 3 angeschlossen sind und dass die in den aufgeladenen Energiespeichern 1.21 enthaltene und an den Energiesammelstellen 2 eingesammelte bzw. abgegebene elektrische Energie von den Energiesammelstellen 2 aus in das Stromverteilungs- und Stromversorgungsnetz 3 eingespeist wird.
  9. Fahrzeug insbesondere zum Einsatz in einem Energieversorgungs-System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine solare Strahlungsenergie in elektrische Energie umwandelnde Photovoltaik-Anlage 1.1 sowie mindestens einen elektrischen Energiespeicher 1.2 aufweist.
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CN115663887A (zh) * 2022-10-14 2023-01-31 上海交通大学 基于轻量化轨道运载系统的能源互联网系统及运行方法

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