DE102018104016A1 - System for controlling energy flows - Google Patents

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DE102018104016A1
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DE102018104016.4A
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Inventor
Daniel Ulrich Goldbach
Bernhard Adelmann
Peter Adelmann
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Fosera Solarsystems & Co Kgaa GmbH
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Fosera Solarsystems & Co Kgaa GmbH
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (10) zur Steuerung von Energieströmen, mit wenigstens einer auf einer regenerativer Energieerzeugung basierenden Spannungsquelle (12; 16), mit wenigstens einem Energiespeicher (14) zur Speicherung von elektrischer Energie, mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher (32; 34; 36) und mit wenigstens einer Steuerung (20) zur Steuerung der Energieströme zwischen Spannungsquellen (12; 16), Energiespeicher (14) und Verbrauchern (32; 34; 36). Zur Minimierung des gesamten Energieverbrauchs im System (10) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein Verbraucher (32; 34) zur Speicherung von thermischer Energie eingerichtet ist und die Steuerung (20) in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungszustands des elektrischen Energiespeichers (14), vom Speicherzustands des thermischen Speichers in den Verbrauchern (32; 34) und vom aktuellen Spannungsangebot der Spannungsquellen (12; 16) die Energieströme zur Minimierung der erforderlichen Größe des elektrischen Energiespeichers (14) und zur Erhöhung des Eigenverbrauchs der erzeugten regenerativer Energie im System regelt.The invention relates to a system (10) for controlling energy flows, comprising at least one voltage source (12, 16) based on a regenerative power generation, having at least one energy store (14) for storing electrical energy, having at least one electrical load (32, 34) 36) and at least one controller (20) for controlling the energy flows between voltage sources (12; 16), energy storage (14) and consumers (32; 34; 36). To minimize the total energy consumption in the system (10), it is provided according to the invention that at least one consumer (32; 34) is set up to store thermal energy and the controller (20) depends on the current state of charge of the electrical energy store (14) from the storage state the thermal memory in the consumers (32; 34) and the current voltage supply of the voltage sources (12; 16) controls the energy flows to minimize the required size of the electrical energy store (14) and increase the self-consumption of the generated regenerative energy in the system.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung von Energieströmen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a system for controlling energy flows according to the preamble of patent claim 1.

Ein gattungsgemäßes System ist aus der US 9 819 219 B2 bekannt. Bei diesem sorgt eine Steuerung für einen optimierten Ausgleich von Energieströmen zwischen einem Photovoltaikmodul, einem Speicher und einer Mehrzahl von elektrischen Verbrauchern.A generic system is from the US 9,819,219 B2 known. In this case, a controller ensures optimized balancing of energy flows between a photovoltaic module, a memory and a plurality of electrical consumers.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz eines derartigen Systems zu steigern.The object of the invention is to increase the efficiency of such a system.

Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a system having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß zeichnet sich das System dadurch aus, dass wenigstens ein Verbraucher auch zur Speicherung von thermischer Energie eingerichtet ist und die Steuerung in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungszustands des elektrischen Energiespeichers, vom Speicherzustands des thermischen Speichers in den Verbrauchern und vom aktuellen Spannungsangebot der Spannungsquellen die Energieströme zur Minimierung des gesamten Energieverbrauchs im System regelt. Hierzu werden die thermischen Speicherkapazitäten von Verbrauchern im Verbund mit der Kapazität eines oder mehrerer elektrischer Energiespeicher zusätzlich genutzt, um den gesamten Grad der Eigennutzung regenerativ erzeugter Energie zu steigern. Durch die gleichzeitige Nutzung thermischer Speicher kann die Größe des erforderlichen elektrischen Energiespeichers reduziert werden. Dies führt zu einer signifikanten Senkung der gesamten Speicherkosten des erfindungsgemäßen Systems.According to the invention, the system is characterized in that at least one consumer is also set up to store thermal energy and the controller, depending on the current load state of the electrical energy storage, the storage state of the thermal storage in the consumers and the current voltage supply of the voltage sources, the energy flows to minimize of the total energy consumption in the system. For this purpose, the thermal storage capacities of consumers in conjunction with the capacity of one or more electrical energy storage are additionally used to increase the overall degree of self-use regenerative energy. By the simultaneous use of thermal storage, the size of the required electrical energy storage can be reduced. This leads to a significant reduction in the total storage costs of the system according to the invention.

Die Steuerung steht bevorzugt in bidirektionaler Datenverbindung mit der wenigstens einen Spannungsquelle und/oder dem wenigstens einen elektrischen Energiespeicher und/oder dem thermischen Speicher in den Verbrauchern und oder den sonstigen Verbrauchern.The control is preferably in bidirectional data connection with the at least one voltage source and / or the at least one electrical energy store and / or the thermal store in the consumers and / or the other consumers.

Dadurch, dass die Verbraucher vor der erstmaligen Benutzung gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung über ein Handshaking-Protokoll mit der Steuerung verbunden werden und dabei eine eindeutige Kennung der Verbraucher in der Steuerung gespeichert wird, ist sichergestellt, dass der Steuerung alle zum jeweiligen Verbraucher gehörenden Parameter (wie elektrische Leistung, Solltemperatur, Höchsttemperatur, Tiefsttemperatur, thermische Speicherkapazität, übliche Verbrauchszeiten und Verbrauchsmengen an elektrischer und/oder thermischer Energie) korrekt übermittelt werden. Bei einem Austausch gegen eine neue Komponente eines Verbrauchers oder einer Einbindung eines neuen Verbrauchers werden dessen Parameter automatisch in die Steuerung des Systems mit eingebunden.Due to the fact that consumers are connected to the controller before the first use according to an advantageous development of the invention via a handshaking protocol and thereby a unique identifier of the consumer is stored in the controller, it is ensured that the controller all belonging to the respective consumer parameters (such as electrical power, set temperature, maximum temperature, minimum temperature, thermal storage capacity, normal consumption times and consumption levels of electrical and / or thermal energy) are transmitted correctly. In the case of an exchange for a new component of a consumer or the integration of a new consumer, its parameters are automatically integrated into the control of the system.

Vorteilhaft ist weiterhin vorgesehen, dass die Verbraucher einen die Betriebsbereitschaft des jeweiligen Verbrauchers herstellenden oder unterbrechenden Schalter aufweisen, der in Abhängigkeit von einer eindeutigen, von der Steuerung übermittelten Kennung der Steuerung betätigbar ist. Dadurch, dass auch die Steuerung aufgrund einer eindeutigen Kennung eindeutig identifizierbar ist, ist zum einen eine Ansteuerung der Verbraucher durch einen nicht legitimierten Eingriff eines Dritten - beispielsweise eines Hackers - nahezu unmöglich. Dieser müsse sich dazu zunächst in die gut gesicherte Steuerung einloggen.Advantageously, it is furthermore provided that the consumers have a switch which prepares or interrupts the operational readiness of the respective consumer and which can be actuated as a function of a unique identifier of the control transmitted by the control. Due to the fact that the controller can also be uniquely identified on the basis of a unique identifier, on the one hand it is virtually impossible for the consumer to be activated by an unauthorized intervention by a third party, for example a hacker. This must first log in to the well-secured control.

Dadurch, dass auch jedem Verbraucher eine eindeutige Kennung zugeordnet ist, die nach dem Handshaking-Protokoll nur in Verbindung mit der Kennung einer bestimmten Steuerung ausschließlich von dieser adressierbar ist, kann verhindert werden, dass vermietete oder auf Leasingbasis abgegebene Verbraucher außerhalb der Kontrolle einer speziellen Steuerung betreibbar sind. Eine illegale Veräußerung derartiger Geräte oder ein Betrieb nach einem Diebstahl derartiger Geräte wird dadurch sinnlos und somit weitestgehend unmöglich gemacht.The fact that each consumer is associated with a unique identifier that is only addressable by the handshaking protocol in conjunction with the identifier of a particular controller of this, can prevent leased or leased consumer based outside the control of a special controller are operable. An illegal sale of such equipment or operation after a theft of such devices is made meaningless and thus largely impossible.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Erreichen eines von der Steuerung berechneten Teil-Ladungszustands oder des maximalem Ladungszustand des wenigstens einen elektrischen Energiespeichers und einem aktuellen Energieangebot der Spannungsquellen, das die aktuelle oder geplante Energieanforderung der Verbraucher übersteigt, der überschießende Teil der elektrischen Energie in wenigstens einem der Verbraucher zur Speicherung von thermischer Energie verwendet wird. Als elektrische Energiespeicher sind besonders bevorzugt sogenannte Hybrid-Speicher mit wenigstens einem Bleiakkumulator und wenigstens einem Lithiumakkumulator verwendbar mit einer vorrangigen Ladung des Bleiakkumulators und einer nachrangigen Ladung des Lithiumakkumulators und einer umgekehrten Entladungs-Strategie.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that upon reaching a calculated by the controller partial state of charge or the maximum state of charge of the at least one electrical energy storage and a current energy supply of the voltage sources, which exceeds the current or planned energy demand of the consumer, the overshooting part of electrical energy is used in at least one of the consumers for storing thermal energy. As electrical energy storage are particularly preferred so-called hybrid memory with at least one lead-acid battery and at least one Lithiumakkumulator usable with a priority charge of the lead-acid battery and a subordinate charge of the lithium battery and a reverse discharge strategy.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Steuerung mit einer Zeitmessvorrichtung versehen ist und wenigstens einen Datenspeicher zur Speicherung tageszeitlicher und/oder jahreszeitlicher Helligkeits-, Sonnenintensitäts- und/oder Temperaturverläufe des aktuellen Einsatzortes des Systems aufweist. Hinzu kommen vorteilhaft weitere Speicher, die das tageszeitliche und/oder jahreszeitliche Verhalten der Benutzer des Systems bezüglich deren Verbrauch an elektrischer und/oder thermischer Energie aufzeichnen und einem in der Steuerung gespeicherten Programm zur Optimierung des Energiemanagements zur Verfügung stellen.It is furthermore advantageous if the controller is provided with a time measuring device and has at least one data memory for storing daytime and / or seasonal brightness, solar intensity and / or temperature profiles of the current operating location of the system. In addition, there are advantageously further memories which indicate the daytime and / or seasonal behavior of the users of the system with regard to their consumption Record electrical and / or thermal energy and make available to a program stored in the controller for optimizing the energy management.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens ein Verbraucher zur Speicherung von thermischer Energie mit einem Phasenübergangsmedium versehen ist. Ein derartiges, insbesondere bei der Speicherung von Kälteenergie nützliches Phasenübergangsmedium gewährleistet eine hohe Energiedichte im Speichermedium, wodurch Bauraum und Kosten für das Speichermedium und den betreffenden Verbraucher gesenkt werden. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems zur Steuerung von Energieströmen mit einer Photovoltaik-Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie, mit einem Batteriespeicher zur Speicherung von elektrischer Energie, mit einem Kältespeicher und mit einem Wärmespeicher zur Speicherung von thermischer Energie.
A particularly advantageous embodiment of the invention provides that at least one consumer is provided for storing thermal energy with a phase change medium. Such a phase change medium, which is particularly useful in the storage of refrigeration energy, ensures a high energy density in the storage medium, thereby reducing installation space and costs for the storage medium and the respective consumer. Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. It shows:
  • 1 a schematic perspective view of a system according to the invention for controlling energy flows with a photovoltaic system for generating electrical energy, with a battery storage for storing electrical energy, with a cold storage and with a heat storage for storing thermal energy.

In 1 ist ein System 10 gezeigt, dass im linken Teil der Zeichnung mehrere Energiequellen 12, 14 und 16 zeigt. Als Beispiele für regenerative Energiequellen sind dort ein Photovoltaikmodul 12 und eine Windturbine 16 mit einem Generator 18 dargestellt. Zusätzlich ist zur Speicherung elektrischer Energie wenigstens ein elektrischer Energiespeicher 14 vorgesehen. Die Energiequellen 12, 14 und 16 sind mit einer Steuerung 20 verbunden, so dass zum einen eine bidirektionale Datenverbindung mit der Steuerung besteht und zum anderen Leitungen für eine Leistungsübertragung elektrischer Energie vorgesehen sind. Bidirektionale Datenverbindung und Leitungen für die Leistungsübertragung sind vereinfacht durch einen Doppelpfeil dargestellt.In 1 is a system 10 shown that in the left part of the drawing several sources of energy 12 . 14 and 16 shows. As examples of regenerative energy sources there are a photovoltaic module 12 and a wind turbine 16 with a generator 18 shown. In addition, at least one electrical energy store is used to store electrical energy 14 intended. The energy sources 12 . 14 and 16 are with a controller 20 connected so that on the one hand there is a bidirectional data connection with the controller and on the other lines for a power transmission of electrical energy are provided. Bidirectional data connection and power transmission lines are simplified by a double-headed arrow.

Auf der rechten Seite der Steuerung 20 sind mehrere elektrischen Verbraucher 32, 34 und 36 schematisch dargestellt. Beim Verbraucher 32 handelt es sich beispielsweise um einen Kühlschrank, der zusätzlich mit einem Kältespeicher ausgerüstet ist, in dem unter Einfluss elektrischer Energie ein Phasenübergangsmedium beispielsweise von einer flüssigen in eine feste Phase überführt werden kann. Bevorzugt sind dabei Phasenübergangsmedien mit einer hohen spezifischen Energie zur Bewirkung des Phasenübergangs.On the right side of the controller 20 are several electrical consumers 32 . 34 and 36 shown schematically. At the consumer 32 it is, for example, a refrigerator, which is additionally equipped with a cold storage in which under the influence of electrical energy, a phase transition medium can be converted, for example, from a liquid to a solid phase. Preference is given to phase transfer media having a high specific energy for effecting the phase transition.

Der Verbraucher 34 wird beispielsweise von einem Warmwassererzeuger gebildet, der zusätzlich mit einem thermischen Speicher zur Speicherung des warmen Wassers ausgerüstet ist.The consumer 34 is formed for example by a hot water generator, which is additionally equipped with a thermal storage for storing the warm water.

Der Verbraucher 36 ist ein sonstiger Verbraucher ohne Speicherfunktion, wie beispielsweise ein Beleuchtungskörper oder ein Gerät der Unterhaltungselektronik.The consumer 36 is another consumer without memory function, such as a lighting fixture or a consumer electronics device.

Die Steuerung 20 weist eine Uhr 22 und wenigstens einen Datenspeicher 24 auf, in dem zum einen eine Software zur Steuerung bzw. Regelung des Energiemanagements zwischen allen an die Steuerung 20 angeschlossenen Energiequellen 12, 14 und 16 und Verbrauchern 32, 34 und 36 gespeichert ist. Zum anderen sind im Datenspeicher 24 weitere Speicherbereiche vorgesehen, die zur Aufzeichnung von eindeutigen Kennungen aller angeschlossenen Geräte sowie von tageszeitlichen und/oder jahreszeitlichen für das System 10 typischen Verbrauchsmengen an elektrischer und/oder thermischer Energie sowie für den jeweiligen Standort typischer Energieerzeugungsmengen der regenerativen Energiequellen 12 bzw. 14. Im Datenspeicher 24 können weitere Speicher zur Speicherung von Wettervorhersagedaten - wie beispielsweise die erwartete durchschnittliche tägliche Sonneneinstrahlung und die erwartete durchschnittliche Windstärke der kommenden Woche - vorgesehen sein.The control 20 has a clock 22 and at least one data memory 24 on, on the one hand, a software for controlling the energy management between all to the controller 20 connected energy sources 12 . 14 and 16 and consumers 32 . 34 and 36 is stored. On the other hand, in the data memory 24 further memory areas are provided for recording unique identifiers of all connected devices as well as daytime and / or seasonal for the system 10 typical consumption levels of electrical and / or thermal energy as well as for the respective location of typical energy production quantities of regenerative energy sources 12 or. 14 , In the data store 24 For example, additional storage may be provided for storing weather forecast data, such as the expected average daily solar radiation and the expected average wind strength for the coming week.

Über die bidirektionale Datenverbindung zwischen der Steuerung 20, den Energiequellen 12, 14 und 16 und den Verbrauchern 32, 34 und 36 können die jeweiligen Systemzustände ausgetauscht werden und in deren Abhängigkeit die Verbraucher 32, 34 und 36 in ihrer Leistung geregelt werden. Diese Regelung ist mit dem momentanen Stand der Technik in Solar-Home-Systemen (SHS) mit elektrischem Speicher nicht möglich.Via the bidirectional data connection between the controller 20 , the energy sources 12 . 14 and 16 and consumers 32 . 34 and 36 the respective system states can be exchanged and in their dependence the consumers 32 . 34 and 36 be regulated in their performance. This regulation is not possible with the current state of the art in solar home systems (SHS) with electric storage.

Die erfindungsgemäße Technik stattet ein Solar-Home-System (SHS) 10 mit einem Kommunikationssystem aus, welches es ermöglicht, Informationen zwischen der Steuerung 20 und den angeschlossenen Verbrauchern 32, 34 und 36 auszutauschen. Der Informationsaustausch kann unidirektional oder bidirektional auf kabelgebundene oder kabellose Art und Weise erfolgen. Mit diesen Informationen ist es möglich, die angeschlossenen Verbraucher 32, 34 und 36 so zu steuern oder zu regeln, dass diese ihre Leistungsaufnahme ändern. Insofern die angeschlossenen Verbraucher 32, 34 eine Speicherung von thermischer Energie ermöglichen, kann diese Eigenschaft hierdurch beeinflusst werden und Energie als thermischer Energie gespeichert werden.The inventive technique equips a solar home system (SHS) 10 with a communication system that allows information to be shared between the controller 20 and the connected consumers 32 . 34 and 36 exchange. The information exchange can be unidirectional or bi-directional in a wired or wireless manner. With this information it is possible the connected consumers 32 . 34 and 36 to control or regulate so that they change their power consumption. In this respect the connected consumers 32 . 34 allow storage of thermal energy, this property can be influenced by this and energy stored as thermal energy.

Aus den gesammelten Informationen ergibt sich beispielsweise ein sogenannter Energiestatus („Energy State“) des Systems 10, welcher sich aus der Batteriekapazität des elektrischen Energiespeichers 14 und dessen Ladezustand, aus dem aktuellen Ladestrom (bevorzugt der Photovoltaikmodule 12 oder anderer regenerativer, nicht kontinuierlich zur Verfügung stehender Quellen, wie der Windturbine 16 oder bei einem instabilen Stromversorgungsnetz 19 mit einer hohen Ausfallrate) und dem Laststrom der Verbraucher 32, 34 und 36 zusammen setzt.From the information gathered, for example, results in a so-called energy status of the system 10 , which is the battery capacity of the electrical energy storage 14 and its state of charge, from the current charging current (preferably the photovoltaic modules 12 or other renewable, non-continuously available sources, such as the wind turbine 16 or with an unstable power supply network 19 with a high failure rate) and the load current of the consumer 32 . 34 and 36 put together.

Durch diese Feststellung des gesamten Energiestatus des Systems 10 wird es möglich, bei einer guten Energieverfügbarkeit der regenerativen Energiequellen 12, 16 die thermischen Speicher in den Verbrauchern 32 bzw. 34 aufzuladen. Dies erfolgt beispielsweise zunächst bevorzugt in einem Kühlschrank 32, in dem ein Phasenübergangsmaterial („Phase Changing Material (PCM)) mit einem Schmelzpunkt um die 6°C eingebaut wird. Die Zieltemperatur wird im Inneren des Kühlschrankes 32 während hoher Energieverfügbarkeit (z.B. bei angeschlossenen Photovoltaikmodulen 12 tagsüber bei starker Sonneneinstrahlung), durch die Steuerung 20 auf etwa 2°C abgesenkt. Hierdurch gefriert das Phasenübergangsmaterial mit einem Phasenübergang bei etwa 6°C. Bei geringer Energieverfügbarkeit (z.B. bei angeschlossenen Photovoltaikmodulen 12 während der Nacht) schmilzt dieses Phasenübergangsmaterial und hält die Temperatur im Kühlschrank 32 niedrig. Dadurch ist ein Nachkühlen während der Nacht mit elektrischer Energie nicht oder nur in äußerst geringem Umfang nötig.By this determination of the overall energy status of the system 10 It becomes possible with good energy availability of regenerative energy sources 12 . 16 the thermal stores in consumers 32 or. 34 charge. This is done, for example, initially preferably in a refrigerator 32 in which a Phase Change Material (PCM) with a melting point around 6 ° C is incorporated. The target temperature is inside the fridge 32 during high energy availability (eg with connected photovoltaic modules 12 during the day in strong sunlight), by the controller 20 lowered to about 2 ° C. As a result, the phase change material freezes with a phase transition at about 6 ° C. With low energy availability (eg with connected photovoltaic modules 12 during the night) melts this phase transfer material and keeps the temperature in the refrigerator 32 low. As a result, after-cooling during the night with electrical energy is not necessary or only to a very small extent.

Das vorstehend beschriebene Prinzip ist ähnlich auch für einen mit einem elektrischen Warmwassererzeuger 34 verbundenen Warmwasser-Wärmespeicher anwendbar. Hier kann aber auf den Einsatz von Phasenübergangsmaterial verzichtet werden, da das Wasser selbst schon eine ausreichend hohe Speicherkapazität bereitstellt. Der Warmwassererzeuger 34 wird bevorzugt mit einer niedrigeren Priorität betrieben wie der Kühlschrank 32 und erst bei einem entsprechend hohem Überschuss an von den regenerativen Energiequellen 12, 16 bereitgestellter elektrischer Energie aktiviert.The principle described above is similar for one with an electric hot water generator 34 connected hot water heat storage applicable. Here, however, it is possible to dispense with the use of phase transition material, since the water itself already provides a sufficiently high storage capacity. The hot water generator 34 is preferably operated at a lower priority than the refrigerator 32 and only with a correspondingly high surplus of renewable energy sources 12 . 16 provided electrical energy activated.

Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, dass die erzeugte regenerative Energie nicht nur in elektrischer Form gespeichert werden muss, sondern auch viel günstiger in Form von thermischer Energie. Hierdurch wird der für das System 10 benötigte elektrische Energiespeicher 14 kleiner und das System 10 damit insgesamt kostengünstiger.The measures described above ensure that the generated regenerative energy does not only have to be stored in electrical form, but also much more favorably in the form of thermal energy. This will be the one for the system 10 required electrical energy storage 14 smaller and the system 10 thus overall more cost effective.

Des Weiteren ermöglicht die bidirektionale Kommunikation zwischen der Steuerung 20 und den Verbrauchern 32, 34 und 36 das optionale Koppeln von Verbrauchen 32, 34 und 36 an ein bestimmtes System mit einem eindeutig definierten Steuergerät 20 (mittels eines Handshaking-Protokolls). Der Verbraucher 32, 34 und 36 muss sich also an der Steuerung 20 mit einer eindeutigen ID oder Seriennummer anmelden und freigeschaltet werden. Erfolgt dieser Schritt der Freischaltung nicht, funktioniert der angeschlossene Verbraucher 32, 34 und 36 nicht oder nur sehr eingeschränkt. Hierdurch kann verhindert werden, dass, Verbraucher welche zu einer bestimmten Steuerung 20 gehören, mit einer anderen Steuerung oder einer anderen Energiequelle betrieben werden kann. Das System 10 kann durch den Handshaking-Prozess und das Binden von Verbrauchern an eine definierte Steuerung 20 eines bestimmten Smart Home Systems (SHS) den Diebstahl und Missbrauch von Verbrauchern verhindern. Dies ist vor allem bei PAYG („Pay-as-you-go“) oder anderen Mietmodellen zutreffend.Furthermore, the bidirectional communication between the controller allows 20 and consumers 32 . 34 and 36 the optional coupling of consume 32 . 34 and 36 to a particular system with a well-defined controller 20 (using a handshaking protocol). The consumer 32 . 34 and 36 So it has to be on the controller 20 with a unique ID or serial number log in and unlocked. If this activation step does not take place, the connected consumer functions 32 . 34 and 36 not or only very limited. This can be prevented that, consumers which to a particular control 20 can be operated with a different controller or source of energy. The system 10 can through the handshaking process and the binding of consumers to a defined controller 20 a specific smart home system (SHS) prevents theft and misuse of consumers. This is especially true with PAYG ("pay-as-you-go") or other rental models.

Beispiel Kühlschrank 32:

  • Der Kühlschrank 32 ändert seine innere Temperatur („Target Temperature“) in Abhängigkeit vom Energiestatus des gesamten Systems 10. Bei guter Verfügbarkeit von elektrischer Energie seitens der regenerativen Energiequellen 12 bzw. 16 wird die Zieltemperatur („Target Temperature“) beispielsweise auf 2°C gesetzt und dadurch das Phasenübergangsmaterial (PCM) eingefroren. Bei geringem Energiestatus des Gesamtsystems 10 wird die Zieltemperatur im Kühlschrank 32 durch die Steuerung 20 auf 8°C gesetzt und das Phasenübergangsmaterial taut auf. Bei mittlerem Energiestatus wird die Zieltemperatur im Kühlschrank 32 beispielsweise auf 5°C gesetzt; es erfolgt wenig Interaktion mit dem Phasenübergangsmaterial.
Example fridge 32 :
  • The refrigerator 32 changes its internal temperature ("target temperature") depending on the energy status of the entire system 10 , With good availability of electrical energy from renewable energy sources 12 or. 16 For example, the target temperature is set to 2 ° C, thereby freezing the phase change material (PCM). At low energy status of the whole system 10 the target temperature is in the fridge 32 through the controller 20 set to 8 ° C and the phase change material thaws. At medium energy status, the target temperature will be in the refrigerator 32 for example, set at 5 ° C; there is little interaction with the phase change material.

Als elektrische Energiespeicher 14 sind besonders bevorzugt sogenannte Hybrid-Speicher mit wenigstens einem Bleiakkumulator und wenigstens einem Lithiumakkumulator geeignet. Der gesamte „State of Charge“ (SOC) des Hybrid-Speichers berechnet sich intern aus einer Kombination des SOC der Lithiumbatterie und des SOC der Bleibatterie. Die Batteriegröße der Bleibatterie und der Lithiumbatterie und deren jeweiliger aktueller SOC gehen dann bevorzugt in das Lade- und Entlademanagement der Steuerung 20 des Systems 10 ein. Das Lade- und Entlademanagement der Steuerung 20 kann dabei auch die Teil-Speicherkapazitäten der Lithiumbatterie und der Bleibatterie unterschieden und deren priorisierte Ladung bzw. Entladung steuern. Last- und Ladestrom können von der Steuerung 20 aber auch vereinfacht als Gesamt-Last- bzw. Ladestrom (ohne Unterscheidung der Teil-Speicherkapazitäten und der SOC's der Lithiumbatterie und der Bleibatterie) behandelt werden.As electrical energy storage 14 Particularly preferred are so-called hybrid memories with at least one lead-acid battery and at least one lithium accumulator. The total hybrid heater's "state of charge" (SOC) is internally calculated from a combination of the SOC of the lithium battery and the lead-acid SOC. The battery size of the lead-acid battery and the lithium battery and their respective current SOC then preferably go into the charge and discharge management of the controller 20 of the system 10 on. The loading and unloading management of the controller 20 can also distinguish the partial storage capacities of the lithium battery and the lead acid battery and control their prioritized charge or discharge. Load and charging current can be controlled by the controller 20 but also simplified as a total load or charging current (without distinguishing the partial storage capacities and the SOC's of the lithium battery and the lead acid battery) are treated.

Ein typischer Tagesverlauf mit diesem Beispiel kann in etwa so aussehen: Tagsüber wird dem Kühlschrank 32 über die Steuerung 20 Energie aus dem Photovoltaikmodul 12 zugeführt. Die Temperatur im Kühlschrank 32 ist niedrig. Nachts wird keine elektrische Energie zugeführt, die Temperatur im Kühlschrank 32 wird durch Auftauen des Phasenübergangsmaterials auf etwa 8°C gehalten.A typical course of the day with this example may look something like this: During the day, the fridge is being used 32 about the controller 20 Energy from the photovoltaic module 12 fed. The temperature in the fridge 32 is low. At night, no electrical energy is supplied, the temperature in the refrigerator 32 is maintained at about 8 ° C by thawing the phase change material.

Ziel der Erfindung ist es, den elektrischen Speicher 14 durch optimierte Energieverteilung zu minimieren und hierdurch die gesamten Systemkosten zu senken. Das erfindungsgemäße System 10 ist auch nachträglich problemlos mit weiteren, mit thermischen Speichern ausgestatteten Verbrauchern 32, 34 nachrüstbar, ohne den elektrischen Energiespeicher 14 vergrößern oder auszutauschen zu müssen. The aim of the invention is the electrical storage 14 through optimized power distribution to minimize and thereby reduce the overall system costs. The system according to the invention 10 is also subsequently easily with other equipped with thermal storage consumers 32 . 34 can be retrofitted without the electrical energy storage 14 to enlarge or exchange.

Das System 10 ermöglicht zudem, die Temperatur eines Warmwassererzeugers 34 oder eines Kühlschrankes 32 so zu regeln, dass immer eine Mindestversorgung garantiert ist.The system 10 also allows the temperature of a hot water generator 34 or a fridge 32 To be regulated so that always a minimum supply is guaranteed.

Das erfindungsgemäße System 10 kann völlig autark - das heißt ohne eine Einbindung in ein öffentliches Stromversorgungsnetz - arbeiten; es ist jedoch auch möglich, als weiteren Eingang an der Steuerung 20 ein solches öffentliches Stromversorgungsnetz 19 anzukoppeln, aus dem bei Bedarf elektrische Energie entnommen und in das bei entsprechendem Energieüberschuss im System 10 auch elektrische Energie eingespeist werden kann. Die Entnahme erfolgt dabei bevorzugt zu Zeiten, in denen die Lasten am öffentlichen Stromversorgungsnetz 19 niedrig sind (typischer Weise nachts), wo die aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz 19 in das System 10 eingespeiste Energie bevorzugt zur Ladung des elektrischen Energiespeichers 14 und/oder zur Ladung der thermischen Speicher in den Verbrauchern 32, 34 verwendet wird. Das Einspeisen in das öffentliche Stromversorgungsnetz 19 erfolgt bevorzugt zu Zeiten, wenn im System 10 aufgrund hoher Erzeugung von elektrischer Energie durch die regenerativen Energieerzeuger 12 und 16 und einer geringen Last durch die Verbraucher 32, 34 und 36 ein entsprechender Überschuss entsteht (typischer Weise tagsüber).The system according to the invention 10 can work completely self-sufficiently - that means without an integration into a public power supply network; However, it is also possible as an additional input to the controller 20 such a public power grid 19 from where necessary, taken from the electrical energy and in the corresponding excess energy in the system 10 also electrical energy can be fed. The removal takes place preferably at times when the loads on the public power grid 19 are low (typically at night), where those from the public power grid 19 in the system 10 fed energy preferred for charging the electrical energy storage 14 and / or to charge the thermal storage in the consumers 32 . 34 is used. Feeding into the public power grid 19 takes place preferably at times when in the system 10 due to high generation of electrical energy by the regenerative energy producers 12 and 16 and a low load by consumers 32 . 34 and 36 a corresponding surplus arises (typically during the day).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
System (zur Steuerung von Energieströmen) System (for controlling energy flows)
1212
Photovoltaik-ModulPhotovoltaic module
1414
(elektrischer) Energiespeicher(electrical) energy storage
1616
Windturbinewind turbine
1818
Generatorgenerator
1919
Stromversorgungsnetz Power supply network
2020
Steuerung (SHS = Smart Home System)Control (SHS = Smart Home System)
2222
ZeitmessvorrichtungTiming device
2424
Datenspeicher data storage
3232
Kühlschrank (mit PCM = Phase Change Material)Refrigerator (with PCM = Phase Change Material)
3434
Warmwassererzeuger (mit thermischem Speicher)Hot water generator (with thermal storage)
3636
Verbraucher (ohne Speicherfunktion)Consumer (without memory function)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 9819219 B2 [0002]US 9819219 B2 [0002]

Claims (10)

System (10) zur Steuerung von Energieströmen, mit wenigstens einer auf einer regenerativer Energieerzeugung basierenden Spannungsquelle (12; 16), mit wenigstens einem Energiespeicher (14) zur Speicherung von elektrischer Energie, mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher (32; 34; 36) und mit wenigstens einer Steuerung (20) zur Steuerung der Energieströme zwischen Spannungsquellen (12; 16), Energiespeicher (14) und Verbrauchern (32; 34; 36), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verbraucher (32; 34) zur Speicherung von thermischer Energie eingerichtet ist und die Steuerung (20) in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungszustands des elektrischen Energiespeichers (14), vom Speicherzustands des thermischen Speichers in den Verbrauchern (32; 34) und vom aktuell bereitgestellten Spannungsangebot der Spannungsquellen (12; 16) die thermischen und elektrischen Energieströme und/oder Speicherzustände im System regelt.A system (10) for controlling energy flows comprising at least one voltage source (12, 16) based on a regenerative power generation, at least one energy store (14) for storing electrical energy, at least one electrical load (32, 34, 36) and with at least one controller (20) for controlling the energy flows between voltage sources (12; 16), energy stores (14) and consumers (32; 34; 36), characterized in that at least one consumer (32; 34) stores thermal energy in accordance with the current state of charge of the electrical energy store (14), the storage state of the thermal store in the consumers (32; 34) and the currently provided voltage supply of the voltage sources (12; 16), the thermal and electrical energy flows and / or memory conditions in the system. System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) in bidirektionaler Datenverbindung mit der Spannungsquelle (12; 16) und/oder dem elektrischen Energiespeicher (14) und/oder dem thermischen Speicher in den Verbrauchern (32; 34) und/oder den sonstigen elektrischen Verbrauchern (36) steht.System (10) after Claim 1 , characterized in that the controller (20) in bidirectional data connection with the voltage source (12; 16) and / or the electrical energy store (14) and / or the thermal storage in the consumers (32; 34) and / or the other electrical Consumers (36) stands. System (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (32; 34; 36) über ein Handshaking-Protokoll mit der Steuerung (20) verbunden werden.System (10) after Claim 2 , characterized in that the consumers (32; 34; 36) are connected to the controller (20) via a handshaking protocol. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (32; 34; 36), der elektrische Energiespeicher (14) und/oder die Steuerung (20) eine eindeutige Kennung aufweisen, die bei einer Einbindung in das System (10) in der Steuerung (20) gespeichert wird.System (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the consumers (32; 34; 36), the electrical energy store (14) and / or the controller (20) have a unique identifier, which when integrated into the system (10) is stored in the controller (20). System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (32; 34; 36) einen die Betriebsbereitschaft des jeweiligen Verbrauchers (32; 34; 36) herstellenden oder unterbrechenden Schalter aufweisen, der in Abhängigkeit von einer eindeutigen, von der Steuerung (20) übermittelten Kennung der Steuerung (20) betätigbar ist.System (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the consumers (32; 34; 36) have a readiness for operation of the respective consumer (32; 34; 36) producing or interrupting switch, which depends on a unique, from the controller (20) transmitted identifier of the controller (20) is operable. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktuellen Energieangebot der Spannungsquellen (12; 16), das die Energieanforderung der Verbraucher (32; 34; 36) übersteigt, der überschießende Teil der elektrischen Energie in wenigstens einem der Verbraucher (32; 34) zur Speicherung von thermischer Energie verwendet wird.System (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that at a current energy supply of the voltage sources (12; 16), which exceeds the energy requirement of the consumer (32; 34; 36), the overshooting portion of the electrical energy in at least one of Consumers (32; 34) is used to store thermal energy. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) mit einer Zeitmessvorrichtung (22) versehen ist.System (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the controller (20) is provided with a timing device (22). System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) mit wenigstens einem Datenspeicher (24) zur Speicherung tageszeitlicher und/oder jahreszeitlicher Temperaturverläufe und/oder Helligkeitsverläufe und/oder Sonnenintensitätsverläufe des aktuellen Einsatzortes des Systems (10) aufweist.System (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the controller (20) with at least one data memory (24) for storing daytime and / or seasonal temperature gradients and / or brightness gradients and / or sun intensity profiles of the current location of use of the system (10). having. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verbraucher (32; 34) zur Speicherung von thermischer Energie mit einem Phasenübergangsmedium versehen ist.System (10) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one consumer (32; 34) for storing thermal energy is provided with a phase change medium. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) die Entnahme aus oder die Einspeisung von elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz (19) steuert.System (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the controller (20) controls the removal from or the supply of electrical energy in a power supply network (19).
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