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Die Erfindung betrifft eine universelle Betriebseinheit für eine Photovoltaikanlage, vorzugsweise mit einer Nennleistung bis 750 W oder bis 1000 W, insbesondere zur Regelung eines Energieflusses zwischen wenigstens einem Photovoltaikpanel einerseits und wenigstens einem Verbraucher und/oder wenigstens einer aufladbaren Batterie andererseits, mit einem Gehäuse. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Photovoltaikanlage.
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Photovoltaikanlagen erzeugen Strom, der in das öffentliche Stromnetz eingespeist oder unabhängig vom Netzstrom verbraucht werden kann. Diese Systeme benötigen Regeleinheiten, mit denen die Sonnenenergie in elektrisch verwendbare umgewandelt oder gespeichert werden kann.
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Aus der
DE 20 2004 008 883 U1 ist ein portabler Inselstromerzeuger bekannt, welcher durch Photovoltaik gespeist wird. Die dort beschriebene Lösung umfasst jedoch auch vorgegebene Photovoltaikmodule und einen Speicherakku. Dadurch kann der Benutzer die Anlage nur bedingt selbst konfigurieren und ist auf bestimmte Dimensionen festgelegt. Der portable Inselstromerzeuger wird vornehmlich für Elektrokleingeräte in den Bereichen Heim und Garten, Camping, Hobby, EDV, TV, Hifi und in Auszügen im Haushaltsbereich verwendet.
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Immer mehr Menschen interessieren sich für erneuerbare Energien und möchten selbst Erfahrungen sammeln, Geld beim Strom einsparen oder benötigen Strom an besonderen Orten, welche nicht an das öffentliche Stromnetz angeschlossen sind. Dies betrifft beispielsweise Gartenlauben, Hausboote, Tiny-Häuser, Ställe Scheunen und Schuppen, Wohnwagen oder Wohnmobile, Camping, Festivals, Baumhäuser oder Balkons bzw. Terrassen. Für die vorstehend genannten Anwendungsbereiche gibt es bisher im kleinen privaten Bereich keine bekannten kostengünstigen und sicheren Komplettlösungen. Es besteht bei den Anwendern in der Regel kein Interesse sich mit der Funktionsweise und dem Zusammenbau von Bausätzen oder Sets ausgiebig zu befassen. Zudem besteht die Gefahr eines Fehlers, der einen Brand oder einen elektrischen Stromschlag auslösen kann. Oftmals sind die Anwender über den Fehlkauf oder über das Ergebnis der Bastelei enttäuscht, wenn dieses nicht den Vorstellungen entspricht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine universelle Betriebseinheit der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere bei Photovoltaikanlagen mit einer geringen Nennleistung von beispielsweise 750 W oder 1000 W als Bindeglied zwischen beliebigen Photovoltaikmodulen bzw. -panels einerseits und beliebigen Batterien oder Verbrauchern andererseits dienen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine universelle Betriebseinheit für eine Photovoltaikanlage mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine universelle Betriebseinheit für eine Photovoltaikanlage, vorzugsweise mit einer Nennleistung bis 750 W oder bis 1000 W, insbesondere zur Regelung eines Energieflusses zwischen wenigstens einem Photovoltaikpanel einerseits und wenigstens einem Verbraucher und/oder wenigstens einer aufladbaren Batterie andererseits, vorgeschlagen, mit einem Gehäuse, in welchem wenigstens eingebaut sind:
- - ein Laderegler;
- - eine Anschlusseinheit zur Steckverbindung mit wenigstens einem Anschlusskabel des wenigstens einen Photovoltaikpanels, welche mit einem Eingang des Ladereglers elektrisch verbunden ist;
- - eine oder mehrere Steckdosen zum Anschluss des wenigstens einen Verbrauchers, welche mit wenigstens einem ersten Ausgang des Ladereglers verbunden sind;
- - eine oder mehrere elektronische Sicherungen; und
- - ein, insbesondere mit Polklemmen versehenes Batterieladekabel, welches mit einem zweiten Ausgang des Ladereglers elektrisch verbunden und mit der wenigstens einen Batterie elektrisch verbindbar ist.
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Die erfindungsgemäße universelle Betriebseinheit bzw. Steuereinrichtung bildet in Kombination mit einer Batterie und einem oder mehreren Photovoltaikmodulen eine voll funktionstüchtige Photovoltaikanlage. Dabei enthält das Produkt eine Kombination von verschiedenen funktions- und sicherheitsrelevanten Bauteilen sowie Bedien- und Anschlussmöglichkeiten die fest und geschützt in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet oder montiert bzw. eingebaut sind. Mit anderen Worten sind sämtliche für den Betrieb einer Photovoltaikanlage erforderlichen Bauteile (abgesehen von den Photovoltaikmodulen und der aufladbaren Batterie), d. h. elektrische Regler und Wandler, Bedienelemente, Anschlussmöglichkeiten, elektronische Sicherungen, Betriebsanzeigen und für den Anschluss vorbereitete Kabel in einer kompakten, universell einsetzbaren Betriebseinheit zusammengefasst.
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Die erfindungsgemäße Betriebseinheit soll dem Benutzer einen unkomplizierten Betrieb und eine zeitsparende Anschaffung einer kleinen Photovoltaikanlage mit einer Nennleistung von z. B. bis zu 750 W ermöglichen. Alle Anschlusskabel können steckbar oder fest montiert sein. Die Auswahl der passenden Batterie und der zugehörigen Photovoltaikmodule trifft der Benutzer in Abhängigkeit von den örtlichen Gegebenheiten und seinen finanziellen Möglichkeiten selbst. Dabei kann er beraten oder durch ein Beiblatt o. dgl. unterstützt werden. Bei guter Vorarbeit kann das Gehäuse bzw. die Betriebseinheit innerhalb weniger Minuten montiert und in Betrieb genommen werden. Die Nennleistung der anschließbaren Photovoltaikmodule kann auch bis zu 1000 W betragen, um neben Umweltschutz und Versorgungssicherheit auch eine höhere Rentabilität und Autarkie (welche von der Größe der Photovoltaikleistung abhängt) zu ermöglichen.
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Die erfindungsgemäße universelle Betriebseinheit bzw. Steuereinrichtung findet z. B. Anwendung in Ställen, Gartenlauben, Hausbooten, Krankenhäusern, Baum- und Gartenhäusern, beim Camping, auf dem Balkon bzw. der Terrasse oder im Wohnmobil. Der Benutzer kann den Platz und die Größe der Batterie sowie die Art und die Anzahl der Photovoltaikpanels selbst wählen. Beispielsweise kann die Hitze im Sommer die Lebensdauer der Batterien verkürzen, weshalb diese nicht im Freien positioniert werden sollten. Durch die universelle Einsetzbarkeit kann die Kapazität oder Leistung der Photovoltaikanlage erhöht werden, indem Batterie oder Photovoltaikmodule einfach ausgetauscht oder angebaut werden. Damit kann der erfahrene Benutzer seine Anlage leicht auf- oder nachrüsten bzw. defekte Einzelteile können zeit- und kostengünstig zum Beispiel durch den Fachmann ausgetauscht werden.
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Die erfindungsgemäße Betriebseinheit ist universell einsetzbar und kann einfach erweitert werden. Es können schaltbare Steckdosen mit 12 V und/oder 230 V bereitgestellt werden. Es sind Sicherungseinrichtungen zum Schutz von Material und zur Vermeidung von Personenschäden vorhanden. Der Zugriff unbefugter Personen kann durch das Gehäuse verhindert werden. Das System ist auch für Laien dank einfacher Bedienung und Voreinstellung sofort betriebsbereit. Batterie und Photovoltaikmodule können durch entsprechende Stecker und Klemmen unkompliziert angeschlossen werden.
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Die erfindungsgemäße Betriebseinheit kann unabhängig von dem wenigstens einen Photovoltaikpanel, der wenigstens einen Batterie und dem wenigstens einen Verbraucher universell einsetzbar ausgeführt sein. Die erfindungsgemäße Betriebseinheit kann in dem gemeinsamen Gehäuse sämtliche für den Betrieb der Photovoltaikanlage, insbesondere zur Regelung des Energieflusses zwischen dem wenigstens einem Photovoltaikpanel einerseits und dem wenigstens einen Verbraucher und/oder der wenigstens einen aufladbaren Batterie andererseits, erforderliche Bauteile aufweisen.
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In dem Gehäuse kann zusätzlich ein Wechselrichter eingebaut sein, welcher über einen weiteren Ausgang des Ladereglers mit Gleichstrom gespeist bzw. versorgt wird und welcher eine 230 Volt-Wechselspannung an seinem Ausgang erzeugt.
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Durch diese Maßnahmen kann die erfindungsgemäße universelle Betriebseinheit auch eine 230 Volt-Wechselspannung an wenigstens einer Steckdose bereitstellen. Dadurch können auch Geräte angeschlossen werden, welche eine herkömmliche 230 Volt-Wechselspannung benötigen (z. B. Elektrokleingeräte).
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Wenigstens eine Steckdose kann somit als 230 Volt-Steckdose ausgeführt sein, welche mit dem Ausgang des Wechselrichters elektrisch verbunden ist. Des Weiteren kann wenigstens eine Steckdose als 5 Volt-USB-Ladebuchse oder als 12 Volt-Steckdose ausgeführt sein.
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Der Laderegler kann als, vorzugsweise über eine drahtlose Kommunikationsverbindung konfigurierbarer MPPT(Maximum Power Point Tracking)-Laderegler ausgeführt sein.
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Somit kann der Anwender über den Laderegler weitgehende Experteneinstellungen für das Laden der Batterie vornehmen. Des Weiteren ist es möglich den Lastausgang für die Verbraucher zeitlich zu programmieren. Der Stromertrag durch die Photovoltaikpanels lässt sich ablesen oder sogar grafisch in Form von Diagramm etc. darstellen. Dies kann komfortabel mittels eines PCs oder mobilen Endgeräts wie etwa einem Notebook, Tablet, Smartphone o. dgl. kabelgebunden oder über eine drahtlose Kommunikationsverbindung wie beispielsweise WLAN oder Bluetooth@ o. dgl. erfolgen. Diese Informationen sind somit für den Anwender von überall einsehbar.
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An dem Gehäuse kann eine Kontrollleuchte, insbesondere zur Statusanzeige und/oder eine Batterieladestandanzeige, vorzugsweise mit einem Voltmeter eingebaut sein.
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Als elektronische Sicherung kann eine Schmelzsicherung in dem Gehäuse vorhanden sein, welche dazu eingerichtet sein kann, die Stromzufuhr zu der wenigstens einen Batterie, insbesondere bei einem zu hohen Stromfluss zu trennen.
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Eine derartige Sicherung kann beispielsweise die Stromzufuhr abtrennen, wenn andere Sicherungen bzw. sicherheitsrelevante Bauteile versagen.
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Wenigstens ein Lüfter, insbesondere zur Kühlung des Ladereglers und/oder des Wechselrichters kann in dem Gehäuse eingebaut sein. Es kann sich bei dem wenigstens einen Lüfter um einen vertikalen Ventilator mit zwei Öffnungen zur Belüftung handeln.
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Wenigstens ein Ein-/Ausschalter zum Ein- und Ausschalten des wenigstens einen Verbrauchers, des Batterieladevorgangs und/oder der elektrischen Verbindung mit dem wenigstens einen Photovoltaikpanel kann an dem Gehäuse angebracht bzw. vorhanden sein.
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Als elektronische Sicherung kann ein Fehlerstromschutzschalter, insbesondere mit einem Leistungsschutz in dem Gehäuse eingebaut sein, welcher dazu eingerichtet sein kann, bei Vorhandensein eines Kurzschlusses oder wenn Strom durch Personen fließt, auszulösen.
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In dem Gehäuse kann ferner eine Umschaltung eingebaut sein, welche dazu eingerichtet ist, zwischen einer Stromversorgung des wenigstens einen Verbrauchers oder der wenigstens einen Steckdose durch eine an die Betriebseinheit anschließbare externe Stromquelle einerseits oder durch das wenigstens eine Photovoltaikpanel oder die wenigstens eine aufladbare Batterie andererseits umzuschalten.
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Die erfindungsgemäße Betriebseinheit kann durch eine, insbesondere automatische unterbrechungsfreie Umschaltung zwischen einer externen Stromquelle einerseits, beispielsweise einem Generator, einer alten Photovoltaikanlage oder Netzstrom und dem Sonnenstrom der Batterie und der Photovoltaikmodule andererseits, erweitert werden.
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Die Umschaltung kann manuell, insbesondere über einen Schalter und/oder automatisch über insbesondere einstellbare Spannungsschwellwerte steuerbar sein.
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Die Betriebseinheit bzw. die Umschaltung kann versuchen möglichst viel Sonnenstrom zu nutzen, schaltet jedoch unterbrechungsfrei auf z. B. Netzstrom zurück, wenn die Batterien erschöpft sind. Die Spannungsschwellen können bei einer automatischen Umschaltung eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Umschaltung auch manuell vorzugsweise mit einem Schalter vorgenommen werden, beispielsweise bei einer bevorstehenden großen Belastung oder einer Schlechtwetterperiode, um die Batterien zu schonen und deren Lebensdauer zu verlängern.
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In Anspruch 15 ist eine Photovoltaikanlage mit wenigstens einem Photovoltaikpanel und einer damit elektrisch verbundenen erfindungsgemä-ßen, insbesondere universellen Betriebseinheit angegeben.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Betriebseinheit in einer ersten Ausführungsform als Teil einer Photovoltaikanlage;
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Betriebseinheit in einer zweiten Ausführungsform als Teil einer Photovoltaikanlage;
- 3 eine vereinfachte perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Betriebseinheit gemäß der zweiten Ausführungsform; und
- 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Betriebseinheit gemäß der zweiten Ausführungsform erweitert um eine Umschaltung.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße universelle Betriebseinheit 1.1 für eine Photovoltaikanlage 11.1 in einer ersten Ausführungsform. Die erfindungsgemäße Betriebseinheit 1.1 ist elektrisch mit einem oder mehreren Photovoltaikpanels 2 über ein Photovoltaikkabel bzw. Anschlusskabel 4, welches in eine als MC4-Steckverbindung ausgeführte Anschlusseinheit 3 der Betriebseinheit 1.1 steckbar ist, verbunden. Ein vereinfacht angedeutetes stabiles Gehäuse der Betriebseinheit 1.1 ist mit dem Bezugszeichen 5 versehen. Wie weiter aus 1 ersichtlich, weist die Betriebseinheit 1.1 einen Laderegler 6 auf, welcher vorzugsweise als ein über eine drahtlose Kommunikationsverbindung konfigurierbarer MPPT-Laderegler ausgeführt ist. Die MC4-Steckverbindung 3 ist mit einem Eingang 6.1 des Ladereglers 6 elektrisch verbunden. Eine oder mehrere Steckdosen 7 zum Anschluss wenigstens eines nicht dargestellten Verbrauchers, sind mit wenigstens einem ersten Ausgang 6.2 des Ladereglers 6 verbunden. Wenigstens eine Steckdose 7 kann als 5 Volt-USB-Ladebuchse oder als 12 Volt-Steckdose ausgeführt sein. Die Steckdosen 7 können spritzwassergeschützt ausgeführt sein. Ein, insbesondere fest angeschlossenes und farbig markiertes, Batterieladekabel 8, welches vorzugsweise mit Polklemmen 8.1 (siehe 3) versehen ist, ist mit einem weiteren oder zweiten Ausgang 6.2 des Ladereglers 6 elektrisch verbunden und mit wenigstens einer Batterie 9 elektrisch verbindbar. Der MPPT-Laderegler lädt die angeschlossene Batterie 9 besonders effizient und versorgt Gleichstromverbraucher. Das Gehäuse 5 weist einen Lüfter 10 zur Kühlung des Ladereglers 6 auf.
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Die Betriebseinheit 1.1, die Photovoltaikpanels 2 und die Batterie 9 bilden zusammen die Photovoltaikanlage 11.1, welche z. B. eine Nennleistung von bis zu 750 W aufweist. Die Betriebseinheit 1.1 dient zur Regelung eines Energieflusses zwischen dem wenigstens einen Photovoltaikpanel 2 einerseits und dem wenigstens einen Verbraucher und/oder der wenigstens eine aufladbaren Batterie 9 andererseits.
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Die Betriebseinheit 1.1 weist ferner in dem Gehäuse 5 als eine oder mehrere elektronische Sicherungen Schmelzsicherungen 12, auf, welche die Stromzufuhr zur Batterie 9 abtrennen, wenn andere Sicherungseinrichtungen versagen. Zudem ist an dem Gehäuse 5 eine Betriebs- oder Kontrollleuchte 13 als Statusanzeige vorhanden, welche leuchtet, wenn der Lastausgang aktiv ist. An dem Gehäuse 5 kann ebenfalls ein Ein-/Ausschalter 14 zum Ein- und Ausschalten des wenigstens einen Verbrauchers, des Batterieladevorgangs bzw. einer Batterieladestandanzeige 15 und/oder der elektrischen Verbindung mit dem wenigstens einen Photovoltaikpanel 2 vorhanden sein. In dem Gehäuse 5 kann die Batterieladestandanzeige 15, vorzugsweise mit einem insbesondere beleuchteten Voltmeter eingebaut sein.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße universelle Betriebseinheit 1.2 für eine Photovoltaikanlage 11.2 in einer zweiten Ausführungsform. In dem Gehäuse 5 der Betriebseinheit 1.2 ist zusätzlich ein Wechselrichter 16 eingebaut, welcher über einen weiteren Ausgang 6.3 des Ladereglers 6 an seinem Eingang 16.1 mit Gleichstrom gespeist wird und welcher eine 230 Volt-Wechselspannung an seinem Ausgang 16.2 erzeugt. Der Lüfter 10 kühlt bei der Betriebseinheit 1.2 sowohl den Laderegler 6 als auch den Wechselrichter 16. Eine oder mehrere weitere Steckdosen 17 sind als 230 Volt-Steckdosen ausgeführt und mit dem Ausgang 16.2 des Wechselrichters 16 elektrisch verbunden. Die Steckdosen 17 können spritzwassergeschützt ausgeführt sein. Eine Betriebs- oder Kontrollleuchte 18 kann anzeigen ob der Wechselrichter 16 arbeitet und somit eine 230 Volt-Spannung vorhanden ist.
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An dem Gehäuse 5 der Betriebseinheit 1.2 können eine oder mehrere Ein-/Ausschalter 19 zum Ein- und Ausschalten der Steckdosen 7, 17 und/oder der Batterieladestandanzeige 15 vorhanden sein.
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Als elektronische Sicherung ist ferner ein Fehlerstromschutzschalter 20, insbesondere mit einem Leistungsschutz in dem Gehäuse 5 eingebaut, welcher dazu eingerichtet ist, bei Vorhandensein eines Kurzschlusses oder wenn Strom durch Personen fließt, auszulösen. Zudem sind Leistungsschutzschalter 21 vorhanden, welche als manuelle Schalter funktionieren und bei einem zu hohen Stromfluss, z. B. durch Kurzschluss abschalten.
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Ein Zähler 22 zählt den abgegebenen Wechselstrom in Kilowattstunden.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Betriebseinheit 1.2 gemäß der zweiten Ausführungsform. Wie aus 3 ersichtlich weist das Gehäuse 5 ein Schloss 5.1, beispielweise ein Zylinderhebelschloss o. dgl. und einen transparenten Bereich 5.2 auf. Die Polklemmen 8.1 des Batterieladekabels 8 sind ebenfalls in 3 dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Betriebseinheit 1.1, 1.2 nach der ersten und der zweiten Ausführungsform ist unabhängig von dem wenigstens einen Photovoltaikpanel 2, der wenigstens einen Batterie 9 und dem wenigstens einen Verbraucher universell einsetzbar ausgeführt.
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Die erfindungsgemäße Betriebseinheit 1.1, 1.2 weist in einem gemeinsamen Gehäuse 5 sämtliche für den Betrieb der Photovoltaikanlage 11.1, 11.2, insbesondere zur Regelung des Energieflusses zwischen dem wenigstens einem Photovoltaikpanel 2 einerseits und dem wenigstens einen Verbraucher und/oder der wenigstens einen aufladbaren Batterie 9 andererseits, erforderliche Bauteile auf.
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4 zeigt die erfindungsgemäße universelle Betriebseinheit 1.2 für eine Photovoltaikanlage 11.2 in der zweiten Ausführungsform erweitert um eine Umschaltung 23, welche in dem Gehäuse 5 eingebaut ist. Wie aus 4 weiter ersichtlich kann die Umschaltung 23 zwischen dem Ausgang 16.2 des Wechselrichters 16 und den Steckdosen geschaltet sein, wobei selbstverständlich auch andere Lösungen denkbar sind. Die Umschaltung 23 kann dazu eingerichtet sein, zwischen einer Stromversorgung des wenigstens einen Verbrauchers oder der wenigstens einen Steckdose 17 durch eine an die Betriebseinheit 1.2, insbesondere über einen Eingang 24 anschließbare, nicht dargestellte externe Stromquelle einerseits oder durch das wenigstens eine Photovoltaikpanel 2 oder die wenigstens eine aufladbare Batterie 9 andererseits umzuschalten.
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Die Umschaltung 23 kann manuell, insbesondere über einen Schalter und/oder automatisch über insbesondere einstellbare Spannungsschwellwerte steuerbar sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1, 1.2
- Universelle Betriebseinheit
- 2
- Photovoltaikpanels
- 3
- Anschlusseinheit
- 4
- Anschlusskabel
- 5
- Stabiles Gehäuse
- 5.1
- Schloss
- 5.2
- transparenter Bereich
- 6
- Laderegler
- 6.1
- Eingang des Ladereglers
- 6.2
- Erster Ausgang des Ladereglers
- 6.3
- Zweiter Ausgang des Ladereglers
- 7
- Steckdosen
- 8
- Batterieladekabel
- 8.1
- Polklemmen des Batterieladekabels
- 9
- Batterie
- 10
- Lüfter
- 11.1, 11.2
- Photovoltaikanlage
- 12
- Schmelzsicherung
- 13
- Betriebs- oder Kontrollleuchte
- 14
- Ein-/Ausschalter
- 15
- Batterieladestandanzeige
- 16
- Wechselrichter
- 16.1
- Eingang des Wechselrichters
- 16.2
- Ausgang des Wechselrichters
- 17
- 230 Volt-Steckdose
- 18
- Betriebs- oder Kontrollleuchte
- 19
- Ein-/Ausschalter
- 20
- Fehlerstromschutzschalter
- 21
- Leistungsschutzschalter
- 22
- Zähler
- 23
- Umschaltung
- 24
- Eingang
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202004008883 U1 [0003]
