DE102013113786B3

DE102013113786B3 - Photovoltaikanlage und Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage

Info

Publication number: DE102013113786B3
Application number: DE201310113786
Authority: DE
Inventors: Peter Lahnor; Claus Allert
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: GB2523226B; GB2523226A; GB201421864D0

Abstract

Photovoltaikanlage mit mindestens einem ersten Photovoltaikgenerator (11), einem zweiten Photovoltaikgenerator (21) und einem Wechselrichter (31), wobei die Photovoltaikanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehen ist, die sowohl lokalen Verbrauchern (16, 26) zuführbar ist als auch in ein öffentliches Energieversorgungsnetz (40) einspeisbar ist. Die Photovoltaikanlage zeichnet sich dadurch aus, dass ein Gleichstrom-Schaltorgan (32) vorgesehen ist, über das der Wechselrichter (31) gleichstromseitig wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Photovoltaikgenerator (11, 21) verbindbar ist; dass die lokalen Verbraucher (16, 26) mindestens zwei getrennten Verbraucherkreisen, einem ersten Verbraucherkreis (15) und einem zweiten Verbraucherkreis (25), zugeordnet sind; dass ein Wechselstrom-Schaltorgan (33) vorgesehen ist, über das der Wechselrichter (31) wechselstromseitig wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Verbraucherkreis (15, 25) verbindbar ist und dass eine Steuereinrichtung (34) vorhanden ist, über die das Gleichstrom-Schaltorgan (32) und das Wechselstrom-Schaltorgan (33) derart koordiniert angesteuert werden, dass eine Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem ersten Verbraucherkreis (15) mit einer Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem ersten Photovoltaikgenerator (11) einhergeht und eine Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem zweiten Verbraucherkreis (25) mit einer Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem zweiten Photovoltaikgenerator (21) einhergeht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikanlage, nachfolgend abkürzend PV-Anlage genannt, mit mindestens einem ersten und einem zweiten Photovoltaikgenerator (PV-Generator) sowie einem Wechselrichter, wobei die PV-Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehen ist, die sowohl lokalen Verbrauchern zuführbar ist, als auch in ein öffentliches Energieversorgungsnetz einspeisbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen PV-Anlage.
In PV-Anlagen wandeln PV-Generatoren das Sonnenlicht in leicht nutzbare elektrische Energie um. Üblicherweise weist eine PV-Anlage einen Wechselrichter auf, um einen von dem PV-Generator erzeugten Gleichstrom in einen zur Einspeisung in ein öffentliches oder privates Energieversorgungsnetz geeigneten Wechselstrom umzuwandeln. Technisch ist dabei grundsätzlich sowohl die Verwendung des erzeugten Wechselstroms zur Versorgung von lokalen Verbrauchern möglich, als auch ein Einspeisen des Wechselstroms in das öffentliche Energieversorgungsnetz. Letzteres wird von den Betreibern des Energieversorgungsnetzes meist auf Basis von gesetzlichen Grundlagen, in Deutschland beispielsweise dem Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (auch als EEG bezeichnet), finanziell vergütet.
In privaten Haushalten mit eigener PV-Anlage erfolgt häufig eine Mischnutzung derart, dass Energie bei Bedarf lokal verbraucht wird und überschüssige Energie in das öffentliche Energieversorgungsnetz eingespeist wird. Dabei ist es bekannt, zur Erhöhung des Anteils des aus ökologischer und teilweise auch finanzieller Sicht attraktiven lokalen Verbrauchs die erzeugte Energie zu speichern, beispielweise in wiederaufladbaren Batterien, um erzeugte überschüssige Energie zur späteren lokalen Verwendung zwischenzuspeichern.
Aufgrund der bei der Einspeisung erwirtschafteten Einspeisevergütung und der Notwendigkeit, diese als Einkommen zu versteuern, gestaltet sich eine Mischnutzung (lokaler Verbrauch und Einspeisung in das öffentliche Energieversorgungsnetz) bei gemeinschaftlich von mehreren Parteien betriebenen PV-Anlagen schwierig. Wenn beispielsweise eine Eigentümergemeinschaft, bei der mehrere Parteien ein gemeinsam bewohntes Wohnhaus besitzen, eine PV-Anlage gemeinschaftlich betreibt, so ist diese nach den geltenden Bestimmungen ausschließlich zur Einspeisung in das öffentliche Energieversorgungsnetz einzurichten, wobei erwirtschaftete Gewinne auf die Parteien aufgeteilt werden. Soll eine Mischnutzung zwischen lokalem Verbrauch und einem Einspeisen in das öffentliche Energieversorgungsnetz erfolgen, ist es erforderlich, separate PV-Anlagen, die den einzelnen Parteien zugeordnet werden können, zu betreiben.
Das Installieren und Betreiben von mehreren separaten, voneinander getrennten vollständigen PV-Anlagen ist jedoch unter Umständen wegen der fehlenden Möglichkeit zur gemeinsamen Nutzung von Anlagenkomponenten so aufwendig, dass eine wirtschaftliche Nutzung bei einem gemeinschaftlich bewohnten Gebäude oder Gebäudekomplex nicht mehr gegeben ist.
Aus der Druckschrift EP 2 568 594 A1 ist eine PV-Anlage bekannt, bei der mehrere PV-Generatoren in einem Zeit-Multiplexverfahren mittels eines Umschalters an einem einzelnen Wechselrichter betrieben werden können. Eine Mischnutzung zwischen lokalem Verbrauch und einem Einspeisen in das öffentliche Energieversorgungsnetz ist nicht vorgesehen.
Die Druckschrift DE 1 870 070 U beschreibt eine verriegelbare Schalteranordnung, mit der eine unbefugte Stromentnahme aus einem von mehreren Parteien genutzten Stromanschluss, beispielsweise einem Waschmaschinenanschluss in einer Gemeinschaftswaschküche, verhindert werden kann. Über die Schalteranordnung kann die Waschmaschine als Verbraucher verschiedenen Stromverbrauchszählern zugeordnet werden, wobei ein Benutzer nur die seinem Zähler zugeordnete Schalterstellung einstellen kann. Diese Schalteranordnung betrifft somit die Zuordnung eines Verbrauchers zu verschiedenen Verbraucherkreisen und erfordert ein manuelles Umschalten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine PV-Anlage, insbesondere zur Verwendung in Verbindung mit einem von mehreren Parteien bewohnten Gebäude oder Gebäudekomplex, zu schaffen, die mit möglichst geringem Investitionsaufwand ermöglicht, dass mehrere Parteien erzeugte Energie lokal verbrauchen und gegebenenfalls verbleibende Energie unter Inanspruchnahme einer Einspeisevergütung in das öffentliche Energieversorgungsnetz einspeisen. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen PV-Anlage anzugeben, mit dem die genannte Aufgabe gelöst wird.
Die Aufgabe wird durch eine PV-Anlage bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße PV-Anlage der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass ein Gleichstrom(DC-direct current)-Schaltorgan vorgesehen ist, über das der Wechselrichter gleichstromseitig wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten PV-Generator verbindbar ist, wobei die lokalen Verbraucher mindestens zwei getrennten Verbraucherkreisen, einem ersten Verbraucherkreis und einem zweiten Verbraucherkreis, zugeordnet sind und wobei ein Wechselstrom(AC-alternating current)-Schaltorgan vorgesehen ist, über das der Wechselrichter wechselstromseitig wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Verbraucherkreis verbindbar ist. Weiter ist eine Steuereinrichtung vorhanden, über die das DC-Schaltorgan und das AC-Schaltorgan derart koordiniert angesteuert werden, dass eine Verbindung des Wechselrichters mit dem ersten Verbraucherkreis mit einer Verbindung des Wechselrichters mit dem ersten PV-Generator einhergeht und eine Verbindung des Wechselrichters mit dem zweiten Verbraucherkreis mit einer Verbindung des Wechselrichters mit dem zweiten PV-Generator einhergeht.
Durch die koordinierte, beispielsweise im Wesentlichen gleichzeitige Betätigung des DC-Schaltorgans und des AC-Schaltorgans ist sichergestellt, dass der erste Haushalt auch nur die von dem zugeordneten ersten PV-Generator erzeugte Energie zum Verbrauch bzw. zur Einspeisung erhält und entsprechend der zweite Haushalt auch nur die von dem zugeordneten zweiten PV-Generator erzeugte Energie zum Verbrauch bzw. zur Einspeisung erhält. In einem von mehreren Parteien bewohnten Gebäude oder Gebäudekomplex können auf diese Weise mehrere Parteien Energie lokal erzeugen, verbrauchen und gegebenenfalls unter Inanspruchnahme einer Einspeisevergütung in das öffentliche Energieversorgungsnetz einspeisen, ohne dass jede Partei eine vollständige eigene PV-Anlage besitzen und installieren muss. Vielmehr werden der finanzielle Aufwand und der Installationsaufwand durch die gemeinsame Nutzung des Wechselrichters verringert. Dennoch können die erzielten Energieerträge eindeutig den einzelnen Parteien zugeordnet werden, wodurch eine korrekte Abrechnung z. B. der eingespeisten Energie erfolgen kann.
Bei einer erfindungsgemäßen PV-Anlage sind mithin mindestens so viele PV-Generatoren wie Verbraucherkreise und bevorzugt ebenso viele PV-Generatoren wie Verbraucherkreise vorhanden, wobei jeder PV-Generator zumindest eindeutig, bevorzugt umkehrbar eindeutig, einem Verbraucherkreis zugeordnet ist. Das DC-Schaltorgan und das AC-Schaltorgan werden derart angesteuert, dass für jeden PV-Generator immer eine eindeutige, bevorzugt umkehrbar eindeutige Verbindung über den Wechselrichter mit einem Verbraucherkreis gegeben ist. Es sind mindestens zwei Verbraucherkreise vorhanden.
Es können jedoch auch mehr als zwei Verbraucherkreise bei entsprechend auch mehr als zwei PV-Generatoren vorhanden sein.
Bevorzugt weist die PV-Anlage genau einen Wechselrichter auf. Wenn mehr als zwei Verbraucherkreise vorhanden sind, können auch mehr als ein Wechselrichter eingesetzt werden, jedoch ist die Zahl der Wechselrichter in jedem Fall kleiner als die Zahl der Verbraucherkreise. Die Steuereinrichtung kann sich dann beispielsweise einer Schaltmatrix bedienen, gemäß der die Wechselrichter nach Bedarf den Verbraucherkreisen bzw. PV-Generatoren zugeteilt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der PV-Anlage ist in jedem der Verbraucherkreise ein separater Energiezähler zur Ermittlung der zwischen dem jeweiligen Verbraucherkreis und dem öffentlichen Energieversorgungsnetz ausgetauschten Energiemenge angeordnet. Falls nicht die gesamte erzeugte Energiemenge lokal verbraucht wird, kann über einen derartigen Energiezähler eine in das öffentliche Energieversorgungsnetz eingespeiste Energiemenge zu Abrechnungszwecken ermittelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der PV-Anlage ist zumindest einem der PV-Generatoren ein Gleichstromwandler nachgeschaltet. Bevorzugt ist der Gleichstromwandler mit einem Energiespeicher gekoppelt. Besonders bevorzugt ist der Energiespeicher ein Hybridspeicher mit einem kapazitiven Speicherteil und einem elektrochemischen Speicherteil. Auf diese Weise kann die von dem aktuell nicht mit dem Wechselrichter verbundenen PV-Generator bereitgestellte Energie zur späteren Verwendung gespeichert werden. Die gespeicherte Energie kann beispielsweise dann in dem Zeitraum, in dem der Wechselrichter mit dem betreffenden PV-Generator verbunden ist, über den Wechselrichter umgewandelt und dem Verbraucherkreis zugeführt bzw. in das öffentliche Energieversorgungsnetz eingespeist werden.
Alternativ und/oder zusätzlich kann an einen Ausgang des Gleichstromwandlers ein Gleichstromverbraucher, beispielsweise ein Heizelement eines Warmwasserspeichers, angeschlossen werden. Auch auf diese Weise kann die von dem aktuell nicht mit dem Wechselrichter verbundenen PV-Generator bereitgestellte Energie einer sinnvollen Verwendung zugeführt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der PV-Anlage ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, eine Einspeisung von Energie in das öffentliche Energieversorgungsnetz zu minimieren oder zu verhindern. Auf diese Weise kann ein möglichst hoher Anteil der durch die PV-Generatoren lokal erzeugten Energie einem Eigenverbrauch zugeführt werden, was unter Umständen für den Betreiber der PV-Anlage aus ökonomischer Sicht attraktiver ist als eine Einspeisung überschüssiger Energie in das Energieversorgungsnetz.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient dem Betreiben einer PV-Anlage mit mindestens einem ersten PV-Generator, mindestens einem zweiten PV-Generator, mindestens einem Wechselrichter, mindestens einem ersten Verbraucherkreis und mindestens einem zweiten Verbraucherkreis. Dabei ist während eines ersten Betriebszeitraums der Wechselrichter gleichstromseitig mit dem ersten PV-Generator verbunden und während eines zweiten Betriebszeitraums der Wechselrichter gleichstromseitig mit dem zweiten PV-Generator verbunden. Dabei geht mit der gleichstromseitigen Verbindung des Wechselrichters mit dem ersten Photovoltaikgenerator eine wechselstromseitige Verbindung des Wechselrichters mit dem ersten Verbraucherkreis einher und mit der gleichstromseitigen Verbindung des Wechselrichters mit dem zweiten Photovoltaikgenerator eine wechselstromseitige Verbindung des Wechselrichters mit dem zweiten Verbraucherkreis einher. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit der PV-Anlage zuvor beschriebenen Vorteile.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszeitraum in regelmäßigen Zeitabständen. Auf diese Weise wird den Parteien, die jeweils über mindestens einen der PV-Generatoren verfügen, gleichberechtigt die Möglichkeit des sofortigen Eigenverbrauchs bzw. Einspeisens der erzeugten Energie gewährt. Wie im Zusammenhang mit der PV-Anlage ausgeführt ist, können mehr als zwei Parteien bzw. Verbraucherkreise vorgesehen sein. Bei dem Verfahren ist dann entsprechend auch ein dritter, vierter usw. Betriebszeitraum vorzusehen.
Alternativ zur Umschaltung in regelmäßigen Zeitabständen kann ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszeitraum in Abhängigkeit der von dem ersten und zweiten PV-Generator erzeugten Leistungen und/oder der von dem ersten und zweiten Verbraucherkreis verbrauchten Leistungen erfolgen. Die Dauer der verschiedenen Betriebszeiträume kann so an die Erzeugungs- und/oder Verbrauchssituation angepasst werden. Weiter bevorzugt kann eine von einem nicht mit dem Wechselrichter verbundenen PV-Generator erzeugte Leistung einem Energiespeicher zugeführt werden. In dem Fall kann ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszeitraum abhängig von einem Ladungszustand des Energiespeichers erfolgen. Auf diese Weise kann die Dauer der verschiedenen Betriebszeiträume an die noch verfügbare Speicherkapazität für Energie angepasst werden. Durch die Umschaltung abhängig von der Erzeugungs- und/oder Verbrauchssituation und/oder freien Speicherkapazität kann eine situationsgerechte Zuteilung der Verbindung mit dem Wechselrichter erfolgen, durch die insgesamt möglichst wenig der von den PV-Generatoren bereitgestellten Energie ungenutzt verbleibt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine von einem nicht mit dem Wechselrichter verbundenen PV-Generator erzeugte Leistung einem Gleichstromverbraucher zugeführt. Auf diese Weise kann die von dem aktuell nicht mit dem Wechselrichter verbundenen PV-Generator bereitgestellte Energie auch ohne die Umwandlung in einen Wechselstrom einer sinnvollen lokalen Verwendung zugeführt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von zwei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer PV-Anlage in einem ersten Ausführungsbeispiel und
2 ein schematisches Blockschaltbild einer PV-Anlage in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer PV-Anlage in einem schematischen Blockschaltbild dargestellt. Die PV-Anlage ist an bzw. in einem Gebäude oder Gebäudekomplex installiert, in dem sich ein erster Haushalt 10 und ein zweiter Haushalt 20 befinden. Die Anzahl von zwei Haushalten 10, 20 ist dabei rein beispielhaft zu sehen; die nachfolgend beschriebene Grundidee der Erfindung kann auf Gebäude oder Gebäudekomplexe mit mehr als zwei getrennten Haushalten übertragen werden.
Unter einem Haushalt ist dabei eine im Hinblick auf verbrauchten und/oder erzeugten Strom abrechnungstechnisch separate Einheit innerhalb des Gebäudes oder Gebäudekomplexes zu verstehen. Üblicherweise sind Haushalte auch räumlich voneinander getrennt; eine solche räumliche Trennung muss im Rahmen der Anmeldung aber nicht oder nicht für den gesamten Haushalt gegeben sein.
Die PV-Anlage weist zwei PV-Generatoren, einen ersten PV-Generator 11 und einen zweiten PV-Generator 21, auf, die den jeweiligen Haushalten 10, 20 zugeordnet sind. Zugeordnet bedeutet in diesem Fall beispielsweise, dass die Investition für den entsprechenden PV-Generator 11, 21 von dem jeweiligen Haushalt 10, 20 getätigt wurde und damit das Nutzungsrecht für die von dem PV-Generator 11, 21 gelieferte Energie bei dem jeweiligen Haushalt 10, 20 liegt. Die PV-Generatoren 11, 21 können dabei beispielsweise auf einer oder auch auf verschiedenen Dachflächen von einem oder unterschiedlichen mit den Haushalten 10, 20 verbundenen Gebäuden montiert sein. Als PV-Generator 11, 21 ist im Rahmen der Anmeldung jede Anordnung von bevorzugt mehreren miteinander verschalteten PV-Modulen anzusehen.
Eine unmittelbar dem ersten Haushalt 10 zugeordnete Komponente wird im Rahmen der Anmeldung auch mit dem Zusatz „erste” (Komponente) gekennzeichnet; eine unmittelbar dem zweiten Haushalt 20 zugeordnete Komponente entsprechend mit dem Zusatz „zweite”.
Jedem PV-Generator 11, 21 ist ein erster bzw. zweiter Gleichstromwandler 12 bzw. 22 zugeordnet, der die vom PV-Generator 11, 21 gelieferte Spannung auf ein gewünschtes Spannungsniveau transformiert. Nachfolgend werden die Gleichstromwandler 12 bzw. 22 auch als DC(direct current)/DC-Wandler 12, 22 bezeichnet. Jeder DC/DC-Wandler 11, 22 weist bevorzugt eine Einrichtung zur Einstellung bzw. Nachführung eines optimalen Arbeitspunkts für den jeweiligen PV-Generator 11, 21 auf. Eine solche Einrichtung wird auch als MPP(maximum power point)-Tracker bezeichnet.
Weiterhin ist jedem der Haushalte 10, 20 ein Energiespeicher 13, 23 zugeordnet, der beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie bzw. Batterieanordnung umfasst. Der Energiespeicher 13, 23 ist, üblicherweise über eine Ladekontrolleinrichtung, mit einem Ausgang des jeweiligen DC/DC-Wandlers 12, 22 verbunden.
Schließlich ist in jedem Haushalt 10, 20 jeweils ein Verbraucherkreis 15 bzw. 25 vorhanden, der jeweils einen oder mehrere Verbraucher 16, 26 und einen Energiezähler 17, 27 umfasst. Die Verbraucherkreise 15 und 25 sind über die Energiezähler 17, 27 mit einem Energieversorgungsnetz 40 verbunden. Das Energieversorgungsnetz 40 ist hier beispielhaft einphasig dargestellt. Es versteht sich, dass sowohl das Energieversorgungsnetz 40, als auch die Verbraucherkreise 15 und 25 mit einer anderen Anzahl von Phasen, insbesondere dreiphasig ausgebildet sein können.
Neben den bisher beschriebenen, dem ersten Haushalt 10 oder dem zweiten Haushalt 20 zugeordneten Komponenten sind gemeinschaftlich genutzte Komponenten 30 vorhanden, die bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in Gemeinschaftsräumen, beispielsweise in Kellerräumen des Gebäudes oder Gebäudekomplexes angeordnet sind.
Zu diesen gemeinschaftlich genutzten Komponenten zählen bei diesem Ausführungsbeispiel ein Wechselrichter 31, dem gleichstromseitig ein Gleichstrom(DC)-Schaltorgan 32 vorgeschaltet ist, das einen Eingang des Wechselrichters 31 wahlweise mit dem Ausgang des ersten DC/DC-Wandlers 12 oder mit dem Ausgang des zweiten DC/DC-Wandlers 22 verbindet. Das DC-Schaltorgan 32 ist zu diesem Zweck als Umschalter ausgebildet.
Weiterhin ist ein ebenfalls als Umschalter ausgeführtes Wechselstrom(AC-alternating current)-Schaltorgan 33 vorhanden, das einen Wechselstromausgang des Wechselrichters 31 wahlweise mit dem ersten Verbraucherkreis 15 oder dem zweiten Verbraucherkreis 25 verbindet.
Es ist eine Steuereinrichtung 34 vorgesehen, die bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl mit dem Wechselrichter 31, als auch mit dem DC-Schaltorgan 32 und dem AC-Schaltorgan 33 zu deren Steuerung gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung 34 ist dabei dazu eingerichtet, gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die DC-Schalteinrichtung 32 als auch die AC-Schalteinrichtung 33 anzusteuern. Im Rahmen des Verfahrens kann auch der Wechselrichter 31 von der Steuereinrichtung 34 gesteuert werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Steuereinrichtung 34 extern vom Wechselrichter 31 angeordnet. Es versteht sich, dass jedoch auch eine Integration der Steuereinrichtung 34 in den Wechselrichter 31 möglich ist, bzw. dass eine im Wechselrichter 31 vorhandene Steuervorrichtung die Funktionalität der Steuereinrichtung 34 mit übernehmen kann. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Verbindung zur Übertragung von Daten und/oder Signalen von den Energiezählern 17, 27 zu der Steuereinrichtung 34 vorgesehen. Über diese Verbindung können beispielsweise Informationen über eine aktuell in das öffentliche Energieversorgungsnetz eingespeiste Energiemenge von den Energiezählern 17, 27 an die Steuereinrichtung übermittelt werden. Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, eine Einspeisung von Energie in das öffentliche Energieversorgungsnetz zu minimieren oder zu verhindern, um einen möglichst hohen Anteil der durch die PV-Generatoren 11, 21 lokal erzeugten Energie einem Eigenverbrauch zuzuführen. Zusätzlich können optional Verbindungen von den Energiezählern 17, 27 zu einem oder mehreren der Verbraucher 16 bzw. 26 bestehen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Bezug auf die in 1 dargestellte PV-Anlage erläutert. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren steuert die Steuereinrichtung 34 das DC-Schaltorgan 32 und das AC-Schaltorgan 33 derart koordiniert an, dass eine wechselstromseitige Verbindung des Wechselrichters 31 mit dem ersten Verbraucherkreis 15 mit einer gleichstromseitigen Verbindung des Wechselrichters 31 mit dem ersten PV-Generator 11 einhergeht und eine wechselstromseitige Verbindung des Wechselrichters 31 mit dem zweiten Verbraucherkreis 25 mit einer gleichstromseitigen Verbindung des Wechselrichters 31 mit dem zweiten PV-Generator 21 einhergeht.
Somit sind zwei verschiedene Betriebszustände bzw. Betriebszeiträume mit unterschiedlichen Energieflüssen bei der PV-Anlage vorgesehen. In 1 sind die unterschiedlichen Energieflüsse durch unterschiedlich schraffierte Linien entlang der Verbindungen der verschiedenen Komponenten der PV-Anlage dargestellt.
Während eines ersten Betriebszeitraums (strich-punktierte Linie) ist der erste PV-Generator 11 über den ersten DC/DC-Wandler 12 mit dem Wechselrichter 31 verbunden. Die vom ersten PV-Generator 11 produzierte Leistung wird an den Wechselrichter 31 geleitet und dort in Wechselstrom umgewandelt, der dem ersten Verbraucherkreis 15 zur lokalen Verwendung zugeführt wird. Gegebenenfalls überschüssige Leistung, die nicht lokal verbraucht wird, wird über den ersten Energiezähler 17 in das Energieversorgungsnetz 40 eingespeist und zur Abrechung erfasst. Gegebenenfalls kann zusätzlich im ersten Energiespeicher 13 gespeicherte Energie an den Wechselrichter 31 geleitet werden, die somit ebenfalls der Versorgung der ersten Verbraucher 16 dient und/oder eingespeist wird. Während des ersten Betriebszeitraums vom zweiten PV-Generator 21 erzeugte Leistung wird über den zweiten DC/DC-Wandler 22 direkt, d. h. ohne vorherige Wandlung in einen Wechselstrom und nachfolgende Gleichrichtung, in den zweiten Energiespeicher 23 übertragen.
Während eines zweiten Betriebszeitraums (gestrichelte Linie) ist umgekehrt der zweite PV-Generator 21 über den zweiten DC/DC-Wandler 22 mit dem Wechselrichter 31 verbunden. Die vom zweiten PV-Generator 21 produzierte Leistung wird an den Wechselrichter 31 geleitet und dort in Wechselstrom umgewandelt, der dem zweiten Verbraucherkreis 25 zur lokalen Verwendung zugeführt wird. Gegebenenfalls überschüssige Leistung, die nicht lokal verbraucht wird, wird über den zweiten Energiezähler 27 in das Energieversorgungsnetz 40 eingespeist und zur Abrechung erfasst. Gegebenenfalls kann zusätzlich im zweiten Energiespeicher 23 gespeicherte Energie an den Wechselrichter 31 geleitet werden, die somit ebenfalls der Versorgung der zweiten Verbraucher 26 dient und/oder eingespeist wird. Während des zweiten Betriebszeitraums vom ersten PV-Generator 11 erzeugte Leistung wird über den ersten DC/DC-Wandler 12 direkt, d. h. ohne vorherige Wandlung in einen Wechselstrom und nachfolgende Gleichrichtung, in den ersten Energiespeicher 13 übertragen.
Durch die koordinierte und im Wesentlichen gleichzeitige Betätigung des DC-Schaltorgans 32 und des AC-Schaltorgans 33 ist sichergestellt, dass der erste Haushalt 10 auch nur die von dem zugeordneten ersten PV-Generator 11 erzeugte Energie zum Verbrauch bzw. zur Einspeisung erhält und entsprechend der zweite Haushalt 20 auch nur die von dem zugeordneten zweiten PV-Generator 21 erzeugte Energie. Durch die Speichermöglichkeit in den Energiespeichern 13, 23 wird dennoch eine möglichst vollständige Nutzung der von beiden PV-Generatoren 11, 21 erzeugten Energie gewährleistet. Zu diesem Zweck werden die Energiespeicher 13, 23 im Hinblick auf ihre Kapazität vorzugsweise mindestens so groß ausgelegt, dass sie die Energie vollständig aufnehmen können, die ihr zugeordneter PV-Generator 11, 21 auch bei maximaler Leistungsabgabe innerhalb der Zeitdauer erzeugt, während der der jeweils andere PV-Generator 21, 11 mit dem Wechselrichter 31 verbunden ist. Es ist aber bevorzugt, dass die Energiespeicher 13, 23 noch deutlich größer als auf die hierfür erforderliche Kapazität ausgelegt werden, um z. B. einen lokalen Verbrauch der während der Mittagszeit erzeugten Energie in den Abendstunden zu ermöglichen.
In einer Ausführung der Erfindung ist es gewünscht oder sogar erforderlich, die durch den PV-Generator erzeugte Energie im zugeordneten Haushalt vollständig zu verbrauchen, zum Beispiel weil eine Einspeisung in das Energieversorgungsnetz nicht gestattet ist oder nicht vergütet wird. Hierbei kann die Steuereinrichtung 34 mit den Energiezählern 17, 27 in Kommunikationsverbindung stehen, so dass im Fall des Rückflusses von Energie in das Energieversorgungsnetz 40 die Leistungsbereitstellung durch den Wechselrichter 31 angepasst oder ein Umschaltvorgang ausgelöst wird. Entsprechend kann auch der Energiefluss in den oder aus dem Energiespeicher 13, 23 angepasst werden.
Durch die Möglichkeit der Zwischenspeicherung der erzeugten Energie in beiden Haushalten 10, 20 kann der Wechselrichter 31 zudem in seiner maximalen Wandlerleistung geringer ausgelegt werden als die maximale von den PV-Generatoren 11, 21 erzeugte Leistung es erfordert. Stattdessen wird die erzeugte Energie zunächst zumindest teilweise in den Energiespeicher 13, 23 überführt, und zu einem späteren Zeitpunkt, zu dem die Energieerzeugung der PV-Generatoren 11, 21 geringer ist oder nicht gegeben ist, aus dem Speicher entnommen und in Wechselstrom gewandelt. Somit ist eine effiziente und kontinuierlichere Auslastung der Wandlerkapazität des Wechselrichters 31 möglich.
Die Energiespeicher 13, 23 können eine hierarchische Struktur aufweisen, derart, dass ein erster Teil des Energiespeichers 13, 23 darauf optimiert ist, die während der verschiedenen Betriebszeiträume erzeugte Energie aufzunehmen, während ein zweiter Teil des Energiespeicher 13, 23 dazu ausgelegt ist, die erzeugte überschüssige Energie über einen längeren Zeitraum zu speichern. Der zweite Speicherteil wird erst dann geladen bzw. entladen, wenn der erste Speicherteil vollständig geladen/entladen ist. Der Energiespeicher 13, 23 kann dabei ein sogenannter Hybridspeicher sein, bei dem die verschiedenen Teile in unterschiedlichen Speichertechnologien ausgeführt sind. Der erste Teil des Speichers kann beispielsweise ein kapazitiver Speicher sein, insbesondere ein sogenannter SuperCap, der eine hohe Effizienz und eine hohe Anzahl von zulässigen Lade-/Entladezyklen aufweist, während der zweite Teil des Speichers zum Beispiel von einer Lithium-Batterie oder einer Blei-Batterie gebildet sein kann.
Es kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 34 zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszeitraum in regelmäßigen, konstanten Zeitabständen umschaltet, um beiden Haushalten 10, 20 gleichberechtigt die Möglichkeit des sofortigen Eigenverbrauchs der erzeugten Energie zu gewähren. Alternativ kann die Umschaltung in Abhängigkeit des Ladezustandes des jeweiligen Energiespeichers 13, 23 beider Haushalte 10, 20 erfolgen. Zusätzlich oder alternativ kann die Umschaltung auch in Abhängigkeit der in den Haushalten 10, 20 von den jeweiligen Verbraucherkreisen 15, 25 aktuell benötigten Leistung erfolgen. Hierdurch kann die Menge der in den Energiespeichern 13, 23 zwischengespeicherten Energie reduziert werden.
Die Steuereinrichtung 34 kann zudem mit den Energiezählern 17, 27 und/oder mit Verbrauchern 16, 26 gekoppelt sein, um die Verbrauchsmengen beider Haushalte 10, 20 zu bestimmen bzw. zu steuern. Es kann auch eine Verbindung mit einem sogenannten Energiemanager vorgesehen sein, der die Aufgabe der Verbrauchserfasssung und -steuerung vornimmt. Die Umschaltung zwischen den Betriebszeiträumen erfolgt dann mit dem Ziel, die von den PV-Generatoren 11, 21 erzeugte Energie möglichst vollständig und zeitnah innerhalb der beiden Haushalte 10, 20 zu verbrauchen. Hierzu ist es vorteilhaft, dass die beiden Haushalte eine zeitlich entgegengesetzte, idealerweise komplementäre Verbrauchscharakteristik aufweisen. Bevorzugt werden gleichzeitige Leistungsspitzen in beiden Haushalte 10, 20 vermieden. Diese Ausführung kann vorteilhaft mit der vorstehend beschriebenen Option der verbrauchsgesteuerten Umschaltung kombiniert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann zusätzlich die typische zeitliche Erzeugungscharakteristik der PV-Generatoren 11, 21 der beiden Haushalte 10, 20 bei der Wahl des Umschaltzeitpunktes berücksichtigt werden. So können beispielsweise die PV-Generatoren 11, 21 eine unterschiedliche geographische Ausrichtung (z. B. Richtung Osten bzw. Westen) aufweisen, so dass sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Verlaufe eines Tages ihre maximale Leistung erzeugen. Zu den Zeitpunkten der maximalen Leistungserzeugung wird der jeweilige PV-Generator 11, 21 dann mit überproportionaler Zeitdauer mit dem Wechselrichter 31 verbunden.
Bei dem Umschaltvorgang selbst wird vorzugsweise kurzzeitig die vom Wechselrichter 31 umgewandelte Leistung auf null zurückgeregelt. Zwischen dem Trennen einer Verbindung und dem Aufbauen einer neuen Verbindung kann eine kurze Umschaltpause vorgesehen sein. Da der Wechselrichter 31 an benachbarte Haushalte 10, 20 angeschlossen wird, für die die relative Phasenlage des Wechselstroms gut definiert ist, erfordert das Umschalten auf der AC-Seite keine neue Synchronisation mit der Phasenlage im Energieversorgungsnetz 40, so dass der Umschaltvorgang innerhalb einer sehr kurzen Zeit, beispielsweise weniger als einer Sekunde, oder sogar kurzzeitig überlappend, das heißt unter gleichzeitiger Verbindung des Wechselrichters mit beiden Haushalten 10, 20, durchgeführt werden kann. Der Umschaltvorgang kann bevorzugt bei einem Nulldurchgang der Phasenspannung erfolgen, um die Schaltkontakte zu schonen.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen PV-Anlage, innerhalb der ein erfindungsgemäßes Verfahren ausgeführt werden kann. Im Grundaufbau entspricht die PV-Anlage der 2 der in 1 gezeigten PV-Anlage, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 sind vorliegend keine Komponenten in gemeinschaftlich genutzten Räumen angeordnet, wie es bei den gemeinschaftlich genutzten Komponenten 30 aus dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall war. Stattdessen sind die gemeinschaftlich genutzten Komponenten 30, insbesondere der Wechselrichter 31, das AC-Schaltorgan 33 und die Steuereinrichtung 34 hier in Räumen des zweiten Haushalts 20 angeordnet.
Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass das DC-Schaltorgan 32 hier zweiteilig ausgebildet ist, mit einem ersten Schaltorgan 321, das zwischen dem ersten DC/DC-Wandler 12 und dem Gleichstromeingang des Wechselrichters 31 angeordnet ist, und einem zweiten Schaltorgan 322, das zwischen dem Ausgang des zweiten DC/DC-Wandlers 22 und dem Eingang des Wechselrichters 31 angeordnet ist. Beide Schaltorgane 321, 322 werden von der Steuereinrichtung 34 angesteuert, derart, dass sie die gleiche Funktionalität wie das DC-Schaltorgan 32 aus dem ersten Ausführungsbeispiel aufweisen. Entsprechend kann auch das AC-Schaltorgan 33 zweiteilig ausgebildet sein.
Zudem ist in 2 dargestellt, dass ein Elektrofahrzeug als ein weiterer Energiespeicher 141 (hier als weiterer erster Energiespeicher) fungieren kann. Alternativ und/oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, überschüssige Energie einem Gleichstromverbraucher 142 zuzuführen, beispielsweise einem Heizelement eines Warmwasserspeichers.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere für eine Nachrüstung und Erweiterung einer bestehenden PV-Anlage. Wenn beim Ausführungsbeispiel der 2 beispielsweise zunächst eine PV-Anlage mit dem zweiten PV-Generator 21 in den Räumen des zweiten Haushalts 20 besteht, kann diese nach Ergänzung des ersten PV-Generators 11 und des ersten DC/DC-Wandlers 12 sowie des ersten Energiespeichers 13 auf einfache Weise zu der in 2 gezeigten Konstellation umgerüstet werden. Neben der Installation der Komponenten des ersten Haushalts 10 ist beim zweiten Haushalt 20 dazu lediglich die Nachrüstung der Steuereinheit 34 sowie der Schaltorgane 321 und 322 sowie des AC-Schaltorgans 33 notwendig.
Bezugszeichenliste

10: erster Haushalt
11: erster PV-Generator
12: erster DC/DC-Wandler
13: erster Energiespeicher
141: weiterer erster Energiespeicher
142: Gleichstromverbraucher
15: erster Verbraucherkreis
16: erster Verbraucher
17: erster Energiezähler
20: zweiter Haushalt
21: zweiter PV-Generator
22: zweiter DC/DC-Wandler
23: zweiter Energiespeicher
25: zweiter Verbraucherkreis
26: zweiter Verbraucher
27: zweiter Energiezähler
30: gemeinschaftlich genutzte Komponenten
31: Wechselrichter
32: DC-Schaltorgan
321, 322: zweiteiliges DC-Schaltorgan
33: AC-Schaltorgan
34: Steuereinrichtung
40: Energieversorgungsnetz

Claims

Photovoltaikanlage mit mindestens – einem ersten Photovoltaikgenerator (11); – einem zweiten Photovoltaikgenerator (21) und – einem Wechselrichter (31), wobei die Photovoltaikanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehen ist, die sowohl lokalen Verbrauchern (16, 26) zuführbar ist als auch in ein öffentliches Energieversorgungsnetz (40) einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Gleichstrom-Schaltorgan (32) vorgesehen ist, über das der Wechselrichter (31) gleichstromseitig wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Photovoltaikgenerator (11, 21) verbindbar ist; – die lokalen Verbraucher (16, 26) mindestens zwei getrennten Verbraucherkreisen, einem ersten Verbraucherkreis (15) und einem zweiten Verbraucherkreis (25), zugeordnet sind; – ein Wechselstrom-Schaltorgan (33) vorgesehen ist, über das der Wechselrichter (31) wechselstromseitig wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Verbraucherkreis (15, 25) verbindbar ist und – eine Steuereinrichtung (34) vorhanden ist, über die das Gleichstrom-Schaltorgan (32) und das Wechselstrom-Schaltorgan (33) derart koordiniert angesteuert werden, dass eine Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem ersten Verbraucherkreis (15) mit einer Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem ersten Photovoltaikgenerator (11) einhergeht und eine Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem zweiten Verbraucherkreis (25) mit einer Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem zweiten Photovoltaikgenerator (21) einhergeht.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 1, bei der in jedem der Verbraucherkreise (15, 25) ein separater Energiezähler (17, 27) zur Ermittlung der zwischen dem jeweiligen Verbraucherkreis (15, 25) und dem öffentlichen Energieversorgungsnetz (40) ausgetauschten Energiemenge angeordnet ist.
Photovoitaikanlage nach Anspruch 1 oder 2, bei der zumindest einem der Photovoltaikgeneratoren (11, 21) ein Gleichstromwandler (12, 22) nachgeschaltet ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 3, bei der der Gleichstromwandler (12, 22) mit einem Energiespeicher (13, 23) gekoppelt ist.
Photovoltaikanlage nach Anspruch 4, bei der der Energiespeicher (13, 23) ein Hybridspeicher mit einem kapazitiven Speicherteil und einem elektrochemischen Speicherteil ist.
Photovoltaikanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Steuereinrichtung (34) dazu eingerichtet ist, eine Einspeisung von Energie in das öffentliche Energieversorgungsnetz (40) zu minimieren oder zu verhindern.
Verfahren zum Betreiben einer Photovoltaikanlage mit mindestens – einem ersten Photovoltaikgenerator (11); – einem zweiten Photovoltaikgenerator (21); – einem Wechselrichter (31); – einem ersten Verbraucherkreis (15) und – einem zweiten Verbraucherkreis (25), wobei – während eines ersten Betriebszeitraums der Wechselrichter (31) gleichstromseitig mit dem ersten Photovoltaikgenerator (11) verbunden ist und – während eines zweiten Betriebszeitraums der Wechselrichter (31) gleichstromseitig mit dem zweiten Photovoltaikgenerator (21) verbunden ist, und wobei – mit der gleichstromseitigen Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem ersten Photovoltaikgenerator (11) eine wechselstromseitige Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem ersten Verbraucherkreis (15) einhergeht und – mit der gleichstromseitigen Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem zweiten Photovoltaikgenerator (21) eine wechselstromseitige Verbindung des Wechselrichters (31) mit dem zweiten Verbraucherkreis (25) einhergeht.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszeitraum in regelmäßigen Zeitabständen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszeitraum in Abhängigkeit der von dem ersten und zweiten Photovoltaikgenerator (11, 21) erzeugten Leistungen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, bei dem ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszeitraum in Abhängigkeit der von dem ersten und zweiten Verbraucherkreis (15, 25) verbrauchten Leistungen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem eine von einem nicht mit dem Wechselrichter (31) verbundenen Photovoltaikgenerator (11, 21) erzeugte Leistung einem Energiespeicher (13, 23) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebszeitraum abhängig von einem Ladungszustand des Energiespeichers (13, 23) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem eine von einem nicht mit dem Wechselrichter (31) verbundenen Photovoltaikgenerator (11, 21) erzeugte Leistung einem Gleichstromverbraucher (142) zugeführt wird.