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Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für ein Photovoltaik-Modul, ein Photovoltaik-Modul, ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie mit mindestens einem Photovoltaik-Modul sowie eine Verwendung eines Energiespeichersystems und eine Verwendung eines Photovoltaik-Moduls.
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Ein Photovoltaik-Modul wandelt Strahlungsenergie, in der Regel das Licht der Sonne, direkt in elektrische Energie um. Das Photovoltaik-Modul umfasst üblicherweise mehrere Solarzellen, die (elektrisch) in Serie oder parallel geschaltet sind. Photovoltaik-Module sind als flexible oder starre Ausführungen verfügbar. Starre Photovoltaik-Module sind üblicherweise mit siliziumbasierten Solarzellen gebildet, die auf einen Aluminiumrahmen montiert und von einer Glasplatte abgedeckt sind. Die Solarzellen werden hier mechanisch durch das Modul vor Umwelteinflüssen wie z. B. Hagel, TCO-Korrosion geschützt. Flexible Photovoltaik-Module basieren in der Regel auf organischen Werkstoffen und werden vorzugsweise im mobilen Bereich eingesetzt.
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Photovoltaik-Module selbst werden in Photovoltaikanlagen einzeln oder als Gruppen verschaltet. Die Photovoltaik versorgt beispielsweise stromnetzunabhängige Verbraucher wie z. B. Satelliten oder wird zur Energieeinspeisung in das öffentliche Stromnetz genutzt. Die Gesamtheit aller Module für eine Photovoltaikanlage nennt man auch Solargenerator.
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Batteriespeichersysteme werden heutzutage separat von Photovoltaik-Modulen installiert. In der Regel ist ein gemeinsames Batteriespeichersystem für eine Vielzahl von Modulen bzw. die gesamte Photovoltaikanlage vorgesehen. Das Lagemanagement der Photovoltaikmodule ist meist im Batteriespeicher integriert oder auch separiert. Dies bedingt einen vergleichsweise hohen Installationsaufwand, insbesondere Verkabelungsaufwand, da relativ lange stromführende Kabel von den einzelnen Modulen zu dem Batteriespeichersystem verlegt werden müssen. Zudem kann ein Ausfall des gemeinsamen Batteriespeichersystems zu einem Ausfall der gesamten Photovoltaikanlage führen.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Energiespeichersystem für ein Photovoltaik-Modul, ein Photovoltaik-Modul, ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie mit mindestens einem Photovoltaik-Modul sowie eine Verwendung eines Energiespeichersystems und eine Verwendung eines Photovoltaik-Moduls angegeben werden, die jeweils zumindest dazu beitragen den Installationsaufwand und/oder die Kosten für eine Photovoltaikanlage zu reduzieren. Darüber hinaus sollen diese auch einen Beitrag zur Steigerung der Effizienz einer Photovoltaikanlage leisten.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Zur Lösung der genannten Aufgaben trägt ein Energiespeichersystem für ein Photovoltaik-Modul bei, umfassend mindestens einen wiederaufladbaren Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie, wobei das Energiespeichersystem derart eingerichtet ist, dass es zumindest in das Photovoltaik-Modul integrierbar oder unmittelbar an das Photovoltaik-Modul anbringbar ist. Die Einrichtung des Energiespeichersystems kann insbesondere mittels entsprechend dimensionierter oder konfigurierter Aufnahmen, Anschlüsse, Kontaktelemente, etc. realisiert sein.
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Insbesondere handelt es sich bei dem Energiespeichersystem um ein solches für ein hier auch vorgeschlagenes Photovoltaik-Modul. Bei dem Energiespeichersystem kann es sich beispielsweise um eine Vielzahl miteinander verbundener, elektrischer Akkus und/oder um ein sogenanntes Akku-Pack handeln. Bei dem wiederaufladbaren Energiespeicher handelt es sich in der Regel um eine wiederaufladbare Batterie bzw. um einen elektrischen Akku.
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Das Energiespeichersystem kann beispielsweise dadurch dazu eingerichtet sein, dass es zumindest in das Photovoltaik-Modul integrierbar oder unmittelbar an das Photovoltaik-Modul anbringbar ist, dass seine äußere Form bzw. Kontur zumindest abschnittsweise entsprechend einer Form einer Aufnahme des Photovoltaik-Moduls oder einer Gegenkontur des Photovoltaik-Moduls gebildet ist. Alternativ oder kumulativ kann das Energiespeichersystem hierzu mit einem Verbindungspartner wie etwa einem (spezifischen bzw. speziellen) Stecker oder einer Dose für den Stecker ausgestattet sein, der entsprechend einem korrespondierenden Verbindungspartner des Photovoltaik-Moduls zur Bildung einer elektrischen Verbindung (im verbundenen Zustand) vorgesehen und eingerichtet ist.
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In diesem Zusammenhang kann das Energiespeichersystem beispielsweise eine Basis aufweisen, deren Außenoberfläche zumindest abschnittsweise entsprechend einer Aufnahme des Photovoltaik-Moduls gebildet ist. Alternativ oder kumulativ kann das Energiespeichersystem mindestens einen Verbindungspartner für eine elektrische und/oder mechanische Verbindung mit dem Photovoltaik-Modul aufweisen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Energiespeichersystem weiterhin zumindest eine Spannungswandler-Einrichtung oder ein Batteriemanagementsystem umfasst. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, das Integrationslevel des Energiespeichersystems zu erhöhen.
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Weiterhin kann das Energiespeichersystem auch eine Leistungselektronik zum Be- und Entladen des mindestens einen Energiespeichers umfassen. Darüber hinaus kann in dem Energiespeichersystem auch ein Lagemanagementsystem integriert sein, welches dazu vorgesehen und eingerichtet ist die Lage beziehungsweise eine Ausrichtung und/oder Orientierung der mindestens einen Solarzelle, beispielsweise durch ein Verdrehen und/oder Verschwenken zumindest eines Teils des Photovoltaik-Moduls, zu verändern, insbesondere in Abhängigkeit einer Sonneneinstrahlung und/oder Sonneneinstrahlrichtung anzupassen.
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Zur Lösung der genannten Aufgaben trägt auch ein Photovoltaik-Modul bei, umfassend mindestens eine Solarzelle zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie und mindestens ein Energiespeichersystem mit mindestens einem wiederaufladbaren Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie, die von der mindestens einen Solarzelle erzeugt wird, wobei das Energiespeichersystem zumindest in das Photovoltaik-Modul integriert oder unmittelbar an dem Photovoltaik-Modul angebracht ist.
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Das Energiespeichersystem kann beispielsweise in einen Rahmen bzw. in ein Gehäuse des Photovoltaik-Moduls integriert sein. Alternativ oder kumulativ kann das Energiespeichersystem beispielsweise unmittelbar an einem Rahmen bzw. an einem Gehäuse und/oder an einer die mindestens eine Solarzelle tragenden Platte des Photovoltaik-Moduls angebracht sein.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Energiespeichersystem an einer Rückseite des Photovoltaik-Moduls verbaut ist. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, dass das Energiespeichersystem möglichst einfach von außen zugänglich ist, beispielsweise um es schnell an ein Stromnetz anzuschließen und/oder auszutauschen.
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Die Rückseite des Photovoltaik-Moduls ist in der Regel die von der mindestens einen Solarzelle abgewandte Seite bzw. Außenoberfläche des Photovoltaik-Moduls. Diese kann beispielsweise eine von der mindestens einen Solarzelle abgewandte Seite bzw. Außenoberfläche des Rahmens oder Gehäuses des Photovoltaik-Moduls oder einer Platte des Photovoltaik-Moduls, auf der die Solarzellen angebracht sind, sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Energiespeichersystem in einer Anschlussdose des Photovoltaik-Moduls integriert ist. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, das Integrationslevel des Photovoltaik-Moduls (weiter) zu erhöhen. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Energiespeichersystem getrennt bzw. separat und/oder beabstandet zu der Anschlussdose in das Photovoltaik-Modul integriert oder unmittelbar an dem Photovoltaik-Modul angebracht ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Photovoltaik-Modul weiterhin zumindest eine Spannungswandler-Einrichtung oder ein Batteriemanagementsystem umfasst. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine möglichst kontrollierte Be- und Entladung des mindestens einen Energiespeichers. In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass in die Spannungswandler-Einrichtung das Batteriemanagementsystem bzw. ein Batterielademanagementsystem integriert ist.
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Die Spannungswandler-Einrichtung kann beispielsweise zur (gezielten und/oder kontrollierten) Be- und Entladung des mindestens einen Energiespeichers eingerichtet sein. In diesem Zusammenhang kann die Spannungswandler-Einrichtung beispielsweise mit einer Leistungselektronik zur Be- und Entladung und/oder in der Art eines DC-DC-Wandlers (Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers) gebildet sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest die Spannungswandler-Einrichtung oder das Batteriemanagementsystem in einer Anschlussdose des Photovoltaik-Moduls integriert sind. Dies kann in vorteilhafter Weise dazu beitragen, das Integrationslevel des Photovoltaik-Moduls (noch weiter) zu erhöhen.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie mit mindestens einem hier beschriebenen Photovoltaik-Modul vorgeschlagen, umfassend zumindest folgende Schritte:
- a) Erzeugen elektrischer Energie mittels des mindestens einen Photovoltaik-Moduls,
- b) Bereitstellen der so erzeugten elektrischen Energie an eine Wechselrichter-Einrichtung,
- c) Übermitteln von Informationen von der Wechselrichter-Einrichtung an eine Spannungswandler-Einrichtung des mindestens einen Photovoltaik-Moduls.
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Die angegebene Reihenfolge der Schritte a), b) und c) ist lediglich beispielhaft und stellt sich so in der Regel bei einem regulären Betriebsablauf ein. Darüber hinaus können die Schritte a), b) und c) auch zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden.
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Die Wechselrichter-Einrichtung kann beispielsweise zur (gezielten und/oder kontrollierten) Einspeisung der erzeugten und/oder gespeicherten elektrischen Energie in ein Netz zum Verbraucher eingerichtet sein. In diesem Zusammenhang kann die Wechselrichter-Einrichtung beispielsweise mit einer Leistungselektronik zur Einspeisung der erzeugten und/oder gespeicherten elektrischen Energie in ein Netz zum Verbraucher und/oder in der Art eines AC-DC-Wandlers (Wechselstrom-Gleichstrom-Wandlers) gebildet sein.
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Vorzugsweise ist eine gemeinsame Wechselrichter-Einrichtung für mindestens zwei Photovoltaik-Modul vorgesehen. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Wechselrichter-Einrichtung mit den Spannungswandler-Einrichtungen der Photovoltaik-Module kommuniziert. So kann das Lastmanagement der Verbraucher am Netz (z. B. Hausnetz Einfamilienhaus) und das Lademanagement (der Batterien in den Modulen) möglichst gut ausgeregelt werden. Bei der Kommunikation zwischen Wechselrichter-Einrichtung und Spannungswandler-Einrichtung kann es sich beispielsweise um eine digitale Kommunikation bzw. um eine Übermittelung von digitalen Daten handeln. Dies kann zum Beispiel kabelgebunden oder über ein Funknetzwerk erfolgen.
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In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Wechselrichter-Einrichtung unmittelbar oder mittelbar mit einer Spannungswandler-Einrichtung kommunizieren kann. Eine mittelbare Kommunikation kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass eine von der Wechselrichter-Einrichtung empfangene Information von einer Spannungswandler-Einrichtung (die auch als „Master“ bezeichnet werden kann) eines Photovoltaik-Moduls an eine Spannungswandler-Einrichtung eines weiteren Photovoltaik-Moduls weitergegeben wird. Insbesondere in eine solche Master- Spannungswandler-Einrichtung kann auch ein Batterielademanagementsystem integriert sein.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Verwendung eines hier beschriebenen Energiespeichersystems zum Speichern elektrischer Energie, die durch das Photovoltaik-Modul erzeugt wird, vorgeschlagen.
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Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Verwendung eines hier beschriebenen Photovoltaik-Moduls zum Erzeugen und Speichern elektrischer Energie vorgeschlagen.
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Die im Zusammenhang mit dem Energiespeichersystem erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Photovoltaik-Modul, dem Verfahren, der Verwendung des Energiespeichersystems und/oder der Verwendung des Photovoltaik-Moduls auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
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Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in oder in Zusammenhang mit den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen beispielhaft und schematisch:
- 1: eine Anordnung von zwei hier vorgeschlagenen Photovoltaik-Modulen, die jeweils ein hier vorgeschlagenes Energiespeichersystem umfassen,
- 2: eine Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen Photovoltaik-Moduls in einer geschnitten dargestellten Seitenansicht,
- 3: eine weitere Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen Photovoltaik-Moduls in einer geschnitten dargestellten Seitenansicht, und
- 4: einen beispielhaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch eine Anordnung von zwei hier vorgeschlagenen Photovoltaik-Modulen 2, die jeweils ein hier vorgeschlagenes Energiespeichersystem 1 umfassen. Weiterhin umfassen diese Energiespeichersysteme 1 jeweils beispielhaft auch eine Spannungswandler-Einrichtung 4 (DC-DC-Wandler) und ein Batteriemanagementsystem 5. Die Photovoltaik-Module 2 sind über Stromverbindungen 12 miteinander und über eine Wechselrichter-Einrichtung 9 (AC-DC-Wandler) mit einem Stromnetz 10 verbunden, an dem auch Verbraucher 11 angeschlossen sind. Bei dem Stromnetz 10 kann es sich beispielsweise um ein Niederspannungsnetz (50 Hz, 230 V / 400 V) handeln.
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Ein Energiespeichersystem 1 mit mindestens einem wiederaufladbaren Energiespeicher 3 (sinnvoll dimensionierte (wiederaufladbare) Batterie) zur Speicherung elektrischer Energie ist in jedem Photovoltaik-Modul 2 integriert. Hierbei kann der Energiespeicher 3 hinter dem Modul 2 verbaut sein (vgl. 2) oder direkt in der Anschlussdose des Photovoltaik-Moduls 2 integriert sein (vgl. 3).
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Die Spannungswandler-Einrichtung 4 ist hier beispielhaft als Leistungselektronik zur Be- und Entladung (DC-DC-Wandler) ausgeführt. Die Leistungselektronik zur Be- und Entladung (DC-DC-Wandler) sowie das Batteriemanagement 5 (EM0) können ebenfalls am Modul 2 oder in der Anschlussdose integriert sein. Die Einspeisung in das Netz 10 zum Verbraucher 11 übernimmt die Wechselrichter-Einrichtung 9, die hier beispielhaft als AC-DC-Wandler ausgeführt ist. Dieser kommuniziert mit den DC-DC-Wandlern oder mit einem DC-DC-Wandler-Master mit integriertem Batterielademanagement. So kann das Lastmanagement der Verbraucher 11 am Netz 10 (z.B. Hausnetz Einfamilienhaus) und das Lademanagement (der Batterien in den Modulen) möglichst gut ausgeregelt werden.
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Die in 1 gestichelt dargestellten Linien veranschaulichen die Kommunikationsverbindung 13 zwischen der Wechselrichter-Einrichtung 9 und den Spannungswandler-Einrichtungen 4. Es ist in diesem Zusammenhang zu erkennen, dass die Wechselrichter-Einrichtung 9 des in 1 links darstellten Photovoltaik-Modul 2 beispielhaft eine Master-Funktion übernimmt.
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2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen Photovoltaik-Moduls 2 in einer geschnitten dargestellten Seitenansicht. Das Photovoltaik-Modul 2 umfasst hier beispielhaft zwei Solarzellen 6 zur Umwandlung von Strahlungsenergie in elektrische Energie und ein Energiespeichersystem 1 mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher 3 zur Speicherung elektrischer Energie, die von der mindestens einen Solarzelle 6 erzeugt wird. Die Solarzellen 6 sind von einem Rahmen 14 gehalten und von einer transparenten Scheibe 15 geschützt.
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Gemäß der Darstellung nach 2 ist das Energiespeichersystem 1 unmittelbar an dem Photovoltaik-Modul 2 angebracht. Hierzu ist das Energiespeichersystem 1 an einer Rückseite 7 des Photovoltaik-Moduls 2 bzw. des Rahmens 14 verbaut. Zudem ist beispielsweise getrennt von dem Energiespeichersystem 1 auch eine Anschlussdose 8 an der Rückseite 7 verbaut und mit dem Energiespeichersystem 1 elektrisch verbunden.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch eine weitere Ausführungsform eines hier vorgeschlagenen Photovoltaik-Moduls 2 in einer geschnitten dargestellten Seitenansicht. Die Ausführungsvariante nach 3 unterscheidet sich insbesondere dadurch von der in 2 gezeigten Ausführungsvariante, dass das Energiespeichersystem 1 gemäß der Darstellung nach 3 in das Photovoltaik-Modul 2, beispielhaft in ein Gehäuse 16 des Photovoltaik-Moduls 2, integriert ist.
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Weiterhin ist in 3 auch veranschaulicht, dass das Energiespeichersystem 1 in einer Anschlussdose 8 des Photovoltaik-Moduls 2 integriert sein kann. Darüber hinaus können auch eine Spannungswandler-Einrichtung 4 und/oder ein Batteriemanagementsystem 5 des Photovoltaik-Modul 2 in der Anschlussdose 8 des Photovoltaik-Moduls 2 mit integriert sein.
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4 zeigt schematisch einen beispielhaften Ablauf eines hier vorgeschlagenen Verfahrens. Das Verfahren dient zum Bereitstellen elektrischer Energie mit mindestens einem hier vorgestellten Photovoltaik-Modul 2. Die mit den Blöcken 110, 120 und 130 veranschaulichte Reihenfolge der Schritte a), b) und c) stellt sich in der Regel bei einem regulären Betriebsablauf ein.
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In Block 110 erfolgt gemäß Schritt a) ein Erzeugen elektrischer Energie mittels des mindestens einen Photovoltaik-Moduls 2. In Block 120 erfolgt gemäß Schritt b) ein Bereitstellen der so erzeugten elektrischen Energie an eine Wechselrichter-Einrichtung 9. In Block 130 erfolgt gemäß Schritt c) ein Übermitteln von Informationen von der Wechselrichter-Einrichtung 9 an eine Spannungswandler-Einrichtung 4 des mindestens einen Photovoltaik-Moduls 2.
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Hier werden somit ein Energiespeichersystem für ein Photovoltaik-Modul, ein Photovoltaik-Modul, ein Verfahren zum Bereitstellen elektrischer Energie mit mindestens einem Photovoltaik-Modul sowie eine Verwendung eines Energiespeichersystems und eine Verwendung eines Photovoltaik-Moduls angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen diese jeweils zumindest dazu bei den Installationsaufwand und/oder die Kosten für eine Photovoltaikanlage zu reduzieren. Darüber hinaus leisten diese auch einen Beitrag zur Steigerung der Effizienz einer Photovoltaikanlage.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energiespeichersystem
- 2
- Photovoltaik-Modul
- 3
- Energiespeicher
- 4
- Spannungswandler-Einrichtung
- 5
- Batteriemanagementsystem
- 6
- Solarzelle
- 7
- Rückseite
- 8
- Anschlussdose
- 9
- Wechselrichter-Einrichtung
- 10
- Stromnetz
- 11
- Verbraucher
- 12
- Stromverbindung
- 13
- Kommunikationsverbindung
- 14
- Rahmen
- 15
- Scheibe
- 16
- Gehäuse
