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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Nutzung von Solarstrom.
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Heutzutage existieren viele Photovoltaik-Anlagen. Dies sorgt dafür, daß an sonnenreichen Tagen zu viel Solarstrom in die Stromnetze eingespeist wird. Die Strompreise an den Strombörsen sinken, ja teilweise muss dafür gezahlt werden, dass der Strom überhaupt abgenommen wird.
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Diese Situation ist weder für Verbraucher, die oftmals auch Solaranlagenbetreiber sind, noch für die Stromerzeuger befriedigend. Aus diesem Grund werden bereits teilweise Stromspeicher zur Speicherung elektrischer Energie eingesetzt. Hierdurch wird bereits eine Entspannung der Situation erreicht, die jedoch aber nicht ausreichend ist.
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Derzeit ist zwar noch die Vergütung für die Verbraucher bei Stromeinspeisung garantiert, allerdings muss die Differenz zwischen garantierter Stromeinspeisung und dem Erlös durch Verbrauch bzw. Verkauf an den Strombörsen auf den Gesamtstrompreis umgelegt werden, was den Stromverbrauch unnötig verteuert.
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Die vorliegende Erfindung schlägt daher eine Vorrichtung und ein Verfahren vor, welches eine dezentrale Verwertung des gesamten erzeugten Solarstromes ermöglicht und es so nicht zu einem Überangebot in den Stromnetzen kommt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Einrichtung zum Umwandeln von elektrischer Energie in thermische Energie und ein Wärmespeicher vorgesehen sind, so daß nicht anderweitig genutzter, also überschüssiger Solarstrom über eine Einrichtung zum Umwandeln von elektrischer Energie in thermische Energie in den Wärmespeicher eingespeist werden kann.
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Hierdurch wird die elektrische Energie dort bereitgestellt, wo der größte Energieverbrauch bei einem Wohn- und/oder Geschäftshaus anfällt. Beim Heizen.
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Erfindungsgemäß hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn als Einrichtung zum Umwandeln von elektrischer Energie in thermische Energie ein Heizwiderstand, eine Heizwendel oder ein Heizstab vorgesehen ist.
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Dies ist die einfachste Art der Umsetzung von elektrischer Energie in Wärmeenergie. Andere Verfahren sind denkbar.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn eine Wärmepumpe oder dergleichen, insbesondere eine Mikrowärmepumpe zur Wandlung elektrischer in thermische Energie vorgesehen ist.
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Hierdurch erfolgt die Umsetzung der elektrischen Energie in Wärmeenergie besonders energieeffizient. Der Leistungszahlen liegen bei Wärmepumpen im Bereich von vier bis fünf.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Wandlung der elektrischen Energie vorgesehen ist.
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Mit Hilfe der Steuereinrichtung kann einerseits sichergestellt werden, daß nur die tatsächlich überschüssige elektrische Energie in den jeweiligen Wärmespeicher eingespeist wird. Das bedeutet, daß die Umsetzung elektrischer Energie nur dann erfolgt, wenn beispielsweise alle vorhandenen Akkumulatoren geladen sind. Zudem ermöglicht es die Steuereinrichtung, je nach zur Verfügung stehender Strommenge die Auswahl der Art der Umsetzung, so daß, ohne andere Verbraucher negativ zu beeinflussen, immer eine möglichst effiziente Umsetzung entweder per Heizwiderstand oder Wärmepumpe stattfindet.
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Weiterhin hat es sich erfindungsgemäß als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn eine Umgehungseinrichtung für einen Wechselrichter vorgesehen ist.
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Photovoltaikanlagen produzieren systembedingt Gleichstrom. Die Umsetzung in Wechselstrom mittels eines Wechselrichters ist verlustbehaftet. Durch die Umgehung eines Wechselrichters und direkter Verwendung des Gleichstromes wird dieser Verlust eliminiert. Trotzdem steht für andere Verbraucher Wechselstrom über den Wechselrichter zur Verfügung.
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Erfindungsgemäß ist es auch sehr vorteilhaft, wenn eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Solarstromeinspeisung in den Wärmespeicher vorgesehen ist.
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Damit wird ein ungewolltes Überladen des Wärmespeichers vermieden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es sehr vorteilhaft, wenn als Wärmespeicher ein Pufferspeicher, ein Latentwärmespeicher, ein thermochemischer Speicher und/oder ein Massespeicher vorgesehen ist, wobei als Pufferspeicher auch ein Schwimmbad vorgesehen sein kann.
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Alle diese Wärmespeicher besitzen spezifische Eigenschaften, eignen sich sehr gut zur Speicherung von Wärme. Ein Schwimmbad besitzt in der Regel eine sehr große Füllmenge, so daß bereits eine Erhöhung der Temperatur um wenige Grad eine große Energiemenge darstellt.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung liegt vor, wenn Wärmespeicheröfen, insbesondere sogenannte Nachtspeicheröfen als Wärmespeicher vorgesehen sind.
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Diese Wärmespeicheröfen sind kostengünstig und in einer Vielzahl von Gebäuden bereits vorhanden.
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Weiterhin ist es erfindungsgemäß äußerst vorteilhaft, wenn Wärmespeicher in Wänden, Decken und/oder Böden vorgesehen sind.
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Hierdurch lassen sich auch Flächenheizungen realisieren. Diese sorgen für ein besonders angenehmes Raumklima.
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Dabei hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn eine Entnahmeeinrichtung für die Wärmeenergie vorgesehen ist, welche beispielsweise als Luftumwälzung ausgebildet sein kann.
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Bei Bedarf muss die im Wärmespeicher gespeicherte Wärme wieder entnommen werden können. Hierzu ist die Entnahmeeinrichtung vorgesehen. Eine einfache Variante ist eine Luftumwälzung. Andere Verfahren zur Entnahme der gespeicherten Wärme sind denkbar. Beispielsweise kann die Wärme auch mittels eines Wärmeträgers, beispielsweise Wasser, entnommen werden.
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Äußerst vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn eine Wärmepumpe zur Entnahme der Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher vorgesehen ist.
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Hierdurch können bereits geringe Temperaturdifferenzen des Wärmespeichers genutzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Speicherung von überschüssigem Solarstrom als Wärmeenergie liegt vor, wenn nicht verwendeter, nicht gespeicherter oder nicht in ein Stromnetz eingespeister Solarstrom einer Solaranlage in einen Wärmespeicher eingespeist wird, wobei eine Einrichtung zum Umwandeln von elektrischer Energie in thermische Energie eingesetzt wird.
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Hierdurch wird ungenutzte, aber zur Verfügung stehende elektrische Sonnenenergie sinnvoll genutzt.
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Dabei hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn je nach zur Verfügung stehender Energie eine bestimmte Einrichtung zum Umwandeln von elektrischer Energie in thermische Energie ausgewählt wird.
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Es können mehrere Einrichtungen zum Umwandeln von elektrischer Energie in thermische Energie vorgesehen sein, die je nach zur Verfügung stehender Energie ausgewählt werden.
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Weiterhin hat es sich erfindungsgemäß als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die Erzeugung der thermischen Energie unter Umgehung etwaiger Wechselrichter der Solaranlage erfolgt.
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Hierdurch werden Verluste vermieden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, wenn Speicheröfen, insbesondere sogenannte Nachtspeicheröfen, andere Wärmespeicher im Haus, Speichertanks, Pufferspeicher, Latentwärmespeicher, Erdspeicher oder dergleichen eingesetzt werden.
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Hierdurch lässt sich die Wärmeenergie besonders gut und dennoch einfach speichern.
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Äußerst vorteilhaft ist es erfindungsgemäß auch, wenn ein vorhandenes Schwimmbad als Wärmespeicher genutzt wird.
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Das Schwimmbad kann beispielsweise bei vorhandener Sonnenenergie aufgeheizt werden und dann über Nacht um beispielsweise drei Grad abgekühlt werden. Aufgrund der großen Wassermenge stehen dennoch große Energiemengen zur Verfügung.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Fortbildung der Erfindung liegt auch vor, wenn die Aufladung der Wärmespeicher so gesteuert wird, daß zunächst die zur Verfügung stehende Solarenergie eingespeist wird und nur optional fehlende Energie aus dem Stromnetz zusätzlich genutzt wird.
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Damit steht auch bei fehlender Sonnenenergie genügend Energie zur Verfügung. Es ist in diesem Zusammenhang auch denkbar, daß bei nicht ausreichender Sonnenenergie andere Energieträger genutzt werden.
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Äußerst vorteilhaft ist es erfindungsgemäß auch, wenn die Aufladung der Wärmespeicher in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Solarenergie, der Einspeisevergütung und des jeweiligen Strombezugspreises gesteuert wird.
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Dadurch wird auch eine wirtschaftliche Optimierung ermöglicht.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn die Entnahme der gespeicherten Wärme direkt erfolgt oder über eine Wärmepumpe entnommen wird.
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Die direkte Entnahme ist am einfachsten. Die Entnahme mittels einer Wärmepumpe ist in der Regel besonders effizient, da auch geringe Temperaturniveaus genutzt werden können.
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Erfindungsgemäß hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn die Entnahme der Wärme bedarfs- und/oder speichergesteuert erfolgt.
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Hierdurch wird das Gesamtsystem optimiert, so daß eine möglichst gute Nutzung der Solarenergie ermöglicht wird. Dabei kann der zu erwartende Wärmebedarf, die Restenergiemenge im Speicher und auch zu erwartende Einspeisung berücksichtigt werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele veranschaulicht.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Nutzung von Solarenergie mittel Wärmespeicheröfen,
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung, bei der als Wärmespeicher ein Schwimmbad genutzt wird,
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung, bei der die aus Sonnenergie gewonnene elektrische Energie über eine Wärmepumpe umgesetzt wird, und
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung, bei der ein Massespeicher genutzt wird.
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Mit 1 ist in 1 eine Photovoltaikanlage bezeichnet, welche beispielsweise auf einem Hausdach montiert ist.
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Diese Photovoltaikanlage 1 speist über einen Wechselrichter 2 elektrische Energie in ein Versorgungsnetz 3 ein.
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Stellt die Photovoltaikanlage 1 mehr Energie zur Verfügung, als im Versorgungsnetz 3 genutzt werden kann, oder aber die insgesamt im Versorgungsnetz 3 zur Verfügung stehende Energiemenge ist so groß, daß für die eingespeiste elektrische Energie Geld bezahlt werden muss, damit diese abgenommen wird, dann wird über eine zwischen der Fotovoltaikanlage 1 und dem Wechselrichter 2 angeordnete Steuerung 4 die überschüssige elektrische Energie an Elektrospeicheröfen 5 geleitet und diese damit aufgeheizt.
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Solche Elektrospeicheröfen 5 sind in verschiedensten Bauformen bekannt und werden oft auch als Nachtspeicheröfen bezeichnet.
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Da die elektrische Energie vor dem Wechselrichter 2 abgenommen wird, handelt es sich um Gleichstrom. Nachspeicheröfen 5 können, da diese mit einem Widerstandsheizelement aufgeheizt werden, sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom aufgeheizt werden.
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Damit wird die überschüssige elektrische Energie sinnvoll in der Nähe der Erzeugung eingesetzt. Der größte Energieverbrauch eines Gebäudes wird auch durch dessen Beheizung verursacht.
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Die Verwendung der überschüssigen elektrischen Energie erfolgt auf einfache Art und Weise. Steht nicht genübend überschüssiger Solarstrom zur Verfügung können die Speicheröfen 5 auch konventionell mit Netzstrom aufgeheizt werden.
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Die Steuerung 4 sorgt dafür, daß nur die tatsächlich überschüssige elektrische Energie für Heizzwecke eingesetzt wird.
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Gemäß der in 2 dargestellten Variante wird die überschüssige elektrische Energie einem Schwimmbad 25 zugeführt. Hierbei muss die Steuerung 4 so ausgelegt sein, daß das Schwimmbad 25 nicht überheizt wird.
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Wie in 3 dargestellt, kann mit der überschüssigen elektrischen Energie eine Wärmepumpe 35 betrieben werden.
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Mit der Wärmepumpe 35 kann entweder Wärme oder Kälte erzeugt werden. Die Leistungszahl liegt in der Regel zwischen vier und fünf, so daß ein Vielfaches der eingesetzten elektrischen Energie an Wärme oder Kälte zur Verfügung steht.
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Zudem kann durch die erzeugte Kälte auf herkömmliche Kühlanlagen verzichtet werden, oder aber diese ergänzt werden.
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Die Wärmepumpe 35 kann dabei als Klein- oder Kleinstwärmepumpe ausgeführt sein, so daß die überschüssige elektrische Energie effektiv umgesetzt werden kann. Auch eine Inverterwärmepumpe mit regelbarer Leistung ist denkbar.
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Die Anordnung mehrerer Wärmepumpen 35 ist ebenso denkbar, so daß diese durch Skalierung an die zur Verfügung stehende Energie angepasst werden können.
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Die Wärmepumpe 35 ist vorzugsweise als Gleichstrommaschine ausgeführt, so daß wiederum ein Wechselrichter 2 mit seinen Verlusten umgangen werden kann.
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Die von der Wärmepumpe 35 erzeugte Wärme kann einem Wärmespeicher 36 zugeführt werden.
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Es ist in diesem Zusammenhang auch denkbar, daß beispielsweise, wenn ein Schwimmbad 25 als Wärmespeicher genutzt wird, eine nicht dargestellte Wärmepumpe genutzt wird, um die dort gespeicherte Energie für Heizzwecke zu entnehmen. Dabei kann vorgegeben werden, daß eine gewisse Temperatur des Schwimmbads nicht unterschritten bzw. überschritten werden darf. Die Entnahme ist somit durch den Speicher gesteuert.
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Es hat sich auch als eine vorteilhafte Variante der Erfindung ist in 4 dargestellt. Hier wird ein Massespeicher 45 eingesetzt.
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Ein Massespeicher ist beispielsweise eine Gesteinsanordnung, kann aber auch aus Erdreich bestehen. Kunststeine sind denkbar.
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Es ist vorgesehen, daß die überschüssige Energie in Form von Wärme einem solchen Speicher zugeführt wird. Dabei kann beispielsweise zuer Erhöhung der Effizienz eine Wärmepumpe zum Aufladen des Speichers, aber auch zur Entnahme der gespeicherten Energie vorgesehen sein.
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Konkret bedeutet dies, daß beispielsweise eine unterirdische Felsformation genutzt wird und diese mittels Sonden bei zur Verfügung stehender überschüssiger Energie aufgeheizt wird. Aufgrund der großen Masse des Speichers wird die Erhöhung der Temperatur des Speichers auch im Extremfall nur wenige Grad betragen.
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Trotzdem können gewaltige Energiemengen gespeichert werden.
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Zur Entnahme wird die Energie mittels Wärmepumpe wieder aus dem Speicher herausgezogen.
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Auch andere Wärmespeicher, wie beispielsweise Speichertanks, Pufferspeicher, Latentwärmespeicher sind alternativ oder in Kombination denkbar.
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Zudem kann ein Speicher für elektrische Energie vorgesehen sein, welcher selbstredend bevorzugt aufgeladen wird.
