DE102014011331A1 - Apparatus and method for regulating the storage of electrical energy in the form of heat - Google Patents
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Abstract
Die Erzeugung elektrischer Energie aus fluktuierenden Energiequellen, wie z. Bsp. Photovoltaik-Anlagen, deckt sich zeitlich nicht mit dem Verbrauch. Um den Anteil selbst erzeugter Energie zu erhöhen werden typischerweise elektrische Speicher (Akkumulatoren) eingesetzt, die jedoch einen niedrigen Wirkungsgrad besitzen und teuer sind. Das neue Verfahren und die Vorrichtung dazu sorgen für die Nutzung der überschüssigen elektrischen Energie in Form von Wärme, die in einem thermischen Speicher eingelagert und später wieder abgegeben werden kann. Die Vorrichtung zur Leistungsregelung (1) besitzt einen Sensor (7), der erfasst ob und wie viel elektrische Leistung aus dem Netz bezogen oder eingespeist wird. Wird durch die alternativen Energiequellen (4) insgesamt mehr Energie erzeugt wie von den üblichen Verbrauchern (5) genutzt wird, leitet die Vorrichtung zur Leistungsregelung (1) die überschüssige Energie an die Überschussverbraucher (2) weiter.Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen die Speicherung und Nutzung selbst erzeugter elektrischer Energie als Wärmeenergie. Die gespeicherte Energie soll für die Warmwasserbereitung, Beheizung des Gebäudes, oder auch für die Beheizung anderer Wärmesenken zur Verfügung stehen.The generation of electrical energy from fluctuating energy sources, such. For example, photovoltaic systems, does not coincide with the time consumption. In order to increase the proportion of self-generated energy typically electric storage (accumulators) are used, however, have a low efficiency and are expensive. The new method and device provide for the use of excess electrical energy in the form of heat, which can be stored in a thermal storage and later released. The power control device (1) has a sensor (7) which detects whether and how much electrical power is drawn from the grid or fed. If more energy is generated overall by the alternative energy sources (4) than is used by the conventional consumers (5), the power control device (1) forwards the excess energy to the surplus consumers (2). The method and device enable the storage and use of self-generated electrical energy as heat energy. The stored energy should be available for water heating, heating of the building, or for the heating of other heat sinks.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung und Speicherung selbst erzeugter, elektrischer Energie, die in einem thermischen Speicher, in Form von Wärme, eingelagert und später wieder abgegeben werden kann.The invention relates to a device and a method for regulating and storing self-generated, electrical energy that can be stored in a thermal storage, in the form of heat, and later released again.
Da sich die Erzeugung elektrischer Energie aus fluktuierenden Energiequellen, wie beispielsweise PV oder BHKW-Anlagen, zeitlich nicht komplett mit dem Verbrauch deckt entsteht ein Versatz zwischen Produktion und Verbrauch. Durch wirtschaftliche Gründe, wie den Strompreis für eingespeiste Energie, kann dieses Phänomen zusätzlich verstärkt werden. Um eine solche Dissonanz zu kompensieren und die Wirtschaftlichkeit einer Anlage zu erhöhen ist es daher von Nöten die erzeugte Energie einzuspeichern, um sie für die Zeiten des Verbrauchs zur Verfügung zu stellen und somit den Anteil, der selbst verbrauchten Energie, die nicht in das Netz eingespeist wird, zu erhöhen.Since the generation of electrical energy from fluctuating energy sources, such as PV or CHP systems, does not coincide with the consumption time, there is a shift between production and consumption. For economic reasons, such as the price of electricity for feed-in energy, this phenomenon can be further intensified. In order to compensate for such a dissonance and to increase the economic efficiency of a plant, it is therefore necessary to store the energy produced in order to make it available for the times of consumption and thus the proportion of self-consumed energy that is not fed into the grid will increase.
Typischerweise werden zur Erhöhung des Eigenanteils elektrische Speicher (Akkumulatoren) eingesetzt, die einen niedrigen Wirkungsgrad besitzen. Des Weiteren sind solche Systeme oft sehr teuer, worunter die Wirtschaftlichkeit einer Anlage leidet.Typically, to increase the intrinsic content of electrical storage (accumulators) are used, which have a low efficiency. Furthermore, such systems are often very expensive, which suffers the economics of a plant.
Es soll ein Energiemanager eingesetzt werden, der die überschüssige elektrische Energie über einen oder mehrere Heizstäbe, in Form von Wärme einlagert. Der Speicher soll dabei in das Gesamtsystem eingebunden werden und auch durch andere Wärmequellen beliefert werden können. Somit soll in Zeiten, in denen keine elektrische Energieerzeugung stattfindet, die Wärmeversorgung gewährleistet werden. Die gespeicherte Energie soll für die Warmwasserbereitung, Beheizung des Gebäudes, oder auch für die Beheizung anderer Wärmesenken wie beispielsweise der Erwärmung eines Swimming-Pools zur Verfügung stehen. Darüber hinaus soll die Regelung so gestaltet werden, dass sich die folgenden Prioritäten ergeben:
- 1. Herkömmlicher Eigenverbrauch (
5 ) - 2. Einspeicherung im thermischen Speicher (
8 ) - 3. Einspeisung ins öffentliche Netz (
6 )
- 1. Conventional self-consumption (
5 ) - 2. Storage in thermal storage (
8th ) - 3. Feed into the public network (
6 )
Somit soll erreicht werden, dass nur in den thermischen Speicher eingelagert wird, wenn mehr elektrische Energie erzeugt als verbraucht wird. Erst wenn noch mehr elektrische Energie zur Verfügung steht, oder der thermische Speicher voll aufgeladen ist, soll in das öffentliche Netz eingespeist werden.Thus, it should be achieved that is stored only in the thermal storage, when more electrical energy is generated than consumed. Only when more electrical energy is available, or the thermal storage is fully charged, should be fed into the public grid.
Der selbst verbrauchte Anteil an erzeugtem Strom im System wird erhöht und somit der Wirkungsgrad des Gesamtsystems angehoben. Netzentlastung findet statt. Das Stromnetz außerhalb der abgeschlossenen Einheit von Erzeugungs- und Verbrauchsstelle wird entlastet, da die erzeugte Energie gleichmäßiger verteilt werden kann.The self-consumed proportion of generated electricity in the system is increased, thus increasing the efficiency of the overall system. Network relief takes place. The power grid outside the closed unit of production and consumption point is relieved, since the energy generated can be distributed more evenly.
Um zu messen, wie viel Leistung aus oder in das Gesamtsystem gelangt, wird ein Sensor eingesetzt, der an allen drei Phasen angeschlossen ist und die einzelnen Leistungen auf jeder Phase kumuliert. Dadurch entsteht ein positiver oder negativer Leistungswert, der dann vom Lastmanager (
Diese Regelung soll solange aufrechterhalten werden, bis die kumulierte Leistung wieder kleiner Null ist, oder der Temperaturgrenzwert, der über einen Temperaturfühler im Warmwasserspeicher vom Lastmanager festgestellt wird, erreicht ist. Dadurch soll verhindert werden, dass elektrische Leistung aus dem Netz für die Warmwasserbereitung verwendet wird.This regulation should be maintained until the cumulative power is again lower than zero, or the temperature limit, which is determined by a temperature sensor in the hot water tank from the load manager, is reached. This is to prevent that electric power from the network is used for hot water.
Aktuell üblich ist das einfache Ein- und Ausschalten von Wärmegeräten mit fixer Leistung. Somit ist keine Leistungsregelung möglich. Im Bereich der 3-phasigen Nutzung durch z. Bsp. Elektroheizstäbe mit 3 gleichen oder sogar unterschiedlichen Leistungen der Heizelemente ist eine stufige Leistungsregelung möglich. Diese ist jedoch nicht ausreichend um das schwankende Angebot von z. Bsp. Sonnenenergie und Verbrauch auszugleichen und somit die überschüssige selbst erzeugte Energie thermisch zu verwerten. Die Anpassung ist zu ungenau und elektrische Energie wird dem Netzt zugeführt oder im schlechtesten Fall sogar teilweise bezogen.The current practice is the simple switching on and off of heat appliances with fixed power. Thus, no power control is possible. In the field of 3-phase use by z. For example, Elektroheizstäbe with 3 equal or even different performance of the heating elements is a stage power control possible. However, this is not enough to the fluctuating supply of z. For example, to balance solar energy and consumption and thus to use the surplus self-generated energy thermally. The adaptation is too inaccurate and electrical energy is supplied to the network or even partially sourced in the worst case.
Zur Leistungsregelung elektrischer Verbraucher ist die Phasenan- und Phasenabschnitt-Steuerung bekannt. Diese kann bei dieser Anwendung jedoch nicht eingesetzt werden, da die Rückwirkungen auf das Stromnetz in einem nicht zulässigen Maß erfolgen For power control of electrical loads, the phase and phase control is known. However, this can not be used in this application, since the repercussions on the power grid to an unacceptable extent
Die Regelung der Leistung erfolgt über die Schwingungspaketsteuerung (auch bekannt unter Impulspaket-, Wellenpaket-, oder Vollwellensteuerung). Die Schwingungspaketsteuerung schaltet Schwingungspakete. Ein Schwingungspaket besteht aus einer Anzahl vollständiger Sinusschwingungen. Die Steuerung schaltet genau im Nulldurchgang der Spannung ein und schaltet ebenso im Nulldurchgang wieder aus. Durch das Verhältnis von Einschaltdauer zu Schwingungspaketdauer ergibt sich der gewünschte Effekt der verminderten Leistungsaufnahme des nachgeschalteten Verbrauchers. Somit kann eine nahezu stufenlose Leistungsregelung in z. Bsp. 10, 50 oder 100 Stufen erfolgen. Im Gegensatz zur Phasenanschnittsteuerung wird das Signal nur in den Nulldurchgängen geschaltet. Dadurch werden Strom- und Spannungs-Transienten und damit Oberwellen weitgehend vermieden.The regulation of the power takes place via the oscillation packet control (also known as pulse packet, wave packet or full-wave control). The oscillation packet control switches oscillation packets. A vibration packet consists of a number of complete sine waves. The control unit switches in precisely at the zero crossing of the voltage and likewise switches off again at the zero crossing. By the ratio of duty cycle to vibration package duration results in the desired effect of reduced power consumption of the downstream consumer. Thus, a nearly continuous power control in z. Eg 10, 50 or 100 stages take place. In contrast to the phase control, the signal is switched only in the zero crossings. This largely avoids current and voltage transients and therefore harmonics.
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EP3404334B2 (en) † | 2017-05-19 | 2023-08-09 | Atlantic Industrie | Method and facility for energy storage using a water heater |
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