DE202011005048U1

DE202011005048U1 - Elektrische Energieverteilungsvorrichtung für ein Gebäude

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Publication number: DE202011005048U1
Application number: DE202011005048U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-10-11
Anticipated expiration: 2021-04-09
Also published as: WO2012136346A1

Abstract

Elektrische Energieverteilungsvorrichtung für ein Gebäude mit einer gebäudeeigenen Stromerzeugungseinrichtung (104), wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Regelungsvorrichtung (112),
eine Wirkleistungsmessvorrichtung (116), die an einer Schnittstelle (110) zwischen einem elektrischen Hausnetz (100) und einem öffentlichen Netz (108) angeordnet ist und so ausgebildet ist, dass sie Größe und Richtung einer zwischen dem Hausnetz und dem öffentlichen Netz fließenden Wirkleistung erfasst und in Abhängigkeit von der erfassten Wirkleistung ein Wirkleistungssignal (114) an die Regelungsvorrichtung (112) übermittelt,
mindestens eine mit dem Hausnetz (100) verbundene Verbraucheransteuerung (118) zum Versorgen mindestens eines Verbrauchers (120) mit Strom aus dem Hausnetz (100),
wobei die Regelungsvorrichtung (112) mit der Verbraucheransteuerung (118) verbunden ist und so ausgebildet ist, dass sie die Verbraucheransteuerung (118) in Abhängigkeit von dem Wirkleistungssignal (114) regelt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Energieverteilungsanlage für ein Gebäude, das eine gebäudeeigene Stromerzeugungseinrichtung besitzt und gleichzeitig mit einem öffentlichen Stromnetz verbindbar ist. Derartige Energieverteilungsanlagen sind insbesondere im Zusammenhang mit regenerativen gebäudeeigenen Stromerzeugungseinrichtungen einsetzbar.
Ein System zum Steuern der Zuteilung von elektrischer Energie an einen Gebäude zugeordneten Verbraucherverbund mit zumindest einem elektrischen Verbraucher, bei welchem elektrische Energie durch eine gebäudezugeordnete Anlage aus regenerativer Energie erzeugt wird, ist beispielsweise aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2010 015 254 U1 bekannt. Bei solchen Anlagen kann die erzeugte elektrische Energie zumindest anteilig in ein öffentliches und somit nicht gebäudezugeordnetes Energieversorgungsnetz eingespeist werden. Elektrische Verbraucher eines Verbraucherverbunds können durch die Anlage und/oder das Energieversorgungsnetz mit elektrischer Energie versorgt werden.
In der modernen Gebäudetechnik werden Photovoltaikanlagen eingesetzt, die aus Sonnenlicht elektrische Energie erzeugen. Der dabei erzeugte Strom wird üblicherweise zu einem großen Teil in das öffentliche Energieversorgungsnetz eingespeist. Dazu gibt es gegenwärtig Vereinbarungen, bei denen die Betreiber der gebäudezugeordneten Anlagen und somit beispielsweise private Betreiber eine sogenannte Einspeisevergütung erhalten. Die erfindungsgemäßen Prinzipien sind aber selbstverständlich auch auf andere gebäudeeigene Stromerzeugungseinrichtungen, wie beispielsweise Windkraftanlagen oder Generatoren auf Verbrennungsbasis, anwendbar.
Im Bereich der Photovoltaikanlagen ist darüber hinaus bekannt, dass ein gewisser Anteil des von der Photovoltaikanlage erzeugten Stroms von gebäudezugeordneten Verbrauchern selbst verbraucht wird. Eine derartige Verbrauchsgröße wird als Eigenverbrauch bezeichnet. Der Eigenverbrauch bezeichnet dabei die Quote, die anteilsmäßig von der gesamten erzeugten elektrischen Energiemenge der Photovoltaikanlage von einem gebäudezugeordneten elektrischen Verbraucherverbund selbst verbraucht wird. Aufgrund der gegenwärtigen Ausgestaltung und Betriebsweise der Anlagen ist diese Quote jedoch gering und beträgt üblicherweise maximal ca. 30%.
Da künftig einerseits die Einspeisevergütung reduziert werden wird und andererseits das Energiemanagement von gebäudezugeordneten Verbrauchern effektiver erfolgen soll, ist in neuerer Zeit das Bestreben, den Eigenverbrauch möglichst hoch anzusetzen.
Weiterhin besteht das Bestreben, nicht benötige, von der gebäudezugeordneten Stromversorgungseinrichtung erzeugte Energie dezentral in gebäudezugeordneten Verbrauchern zu speichern.
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin, eine elektrische Energieverteilungsanlage für ein Gebäude anzugeben, mit der auf effiziente Weise und unter Bevorzugung des Eigenverbrauchs die von einer gebäudeeigenen Stromerzeugungseinrichtung bereitgestellte Energie genutzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, dass der von der gebäudeeigenen Stromerzeugungseinrichtung erzeugte Strom einem Hausnetz zur Verfügung gestellt wird und dieses Hausnetz mit dem öffentlichen Netz in an sich bekannter Art und Weise verbunden ist. Erfindungsgemäß ist an einer Verbindung zwischen dem Hausnetz und dem öffentlichen Netz eine Wirkleistungsmessvorrichtung vorhanden, die sowohl die Größe als auch die Richtung der zwischen dem Hausnetz und dem öffentlichen Netz fließenden Wirkleistung erfasst. Diese Wirkleistungsmessvorrichtung liefert in Abhängigkeit von der erfassten Wirkleistung ein Wirkleistungssignal und übermittelt dieses an eine Regelungsvorrichtung. Erfindungsgemäß ist weiterhin eine mit dem Hausnetz verbundene Verbraucheransteuerung zum Versorgen mindestens eines Verbrauchers mit Strom aus dem Hausnetz vorgesehen, die von der Regelungsvorrichtung angesteuert wird. Die Regelungssteuerung ist so ausgebildet, dass sie die Verbraucheransteuerung in Abhängigkeit von dem Wirkleistungssignal regelt.
Mit einer derartigen Anordnung kann in Abhängigkeit von dem Vorhandensein gebäudeintern erzeugter Energie festgelegt werden, ob bestimmte Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden oder nicht. in der Regel sind dies eigens vorgesehene Verbraucher, wie z. B. Speichervorrichtungen, deren Betrieb nur optional und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Insbesondere ist die erfindungsgemäße Anordnung von Vorteil, um Speichermedien als Verbraucher nur dann mit elektrischer Energie zu versorgen, wenn Strom aus der gebäudeeigenen Stromerzeugungseinrichtung zur Verfügung steht. In dem Fall, dass es sich um eine Energiespeicherung von Solarstrom in Form von Wärme handelt, kann man die erfindungsgemäße Energieverteilungsvorrichtung als Photothermiesystem bezeichnen.
Bei der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2010 015 254 U1 misst eine Steuerung die Energiemenge, die von einer Photovoltaikanlage augenblicklich produziert und erfasst außerdem, wie viel Energie durch die Endverbraucher benötigt werden. Durch Einstellen einer Verzögerung wird kontrolliert, welcher Verbraucher gerade mit Strom versorgt wird. Gemäß dieser Druckschrift wird ein möglichst hoher Eigenstromverbrauch dadurch erzielt, dass zeitlich genau festgelegt elektrische Verbraucher zugeschaltet werden, wenn die Energiemenge, die von der gebäudeeigenen Anlage bereitgestellt wird, über einer bestimmten Schwelle liegt.
Der Nachteil der bekannten Steuerung ist aber in der Komplexität der Anlage und der schwierigen Nachrüstbarkeit bereits installierter Energieversorgungssysteme zu sehen.
Demgegenüber kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung Energie, die von der gebäudeeigenen Anlage erzeugt wird, aber von den gebäudeeigenen Verbrauchern nicht benötigt wird, unmittelbar an gebäudeinterne Energiespeicher geführt werden. Vorhandene gebäudezugeordnete Energieversorgungssysteme können problemlos nachgerüstet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst der von der erfindungsgemäßen Verbraucheransteuerung angesteuerte Verbraucher eine elektrische Heizvorrichtung zum Aufheizen eines Wärmespeichermediums. Neben anderen bekannten Wärmespeichermedien kann vorzugsweise Wasser als Wärmespeichermedium verwendet werden. Dies kann das unmittelbar verwendete Brauchwasser sein, aber auch ein rein zu Wärmespeicherzwecken verwendetes Primärwasser, das in einem geschlossenen Kreislauf beheizt wird und dessen Wärmeinhalt bei Bedarf über Wärmetauscher abgenommen wird.
Eine derartige Wasserheizung kann beispielsweise mit Hilfe mindestens eines Heizstabs erfolgen. Elektrische Heizstäbe stellen eine wohl etablierte Technik mit zufriedenstellender Effizienz und leichter Ansteuerbarkeit dar.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Regelungsvorrichtung so ausgebildet, dass sie die Verbraucheransteuerung nur dann zum Betreiben des Verbrauchers ansteuert, wenn das Wirkleistungssignal angibt, dass Strom von dem Hausnetz ins öffentliche Netz eingespeist wird. Dadurch wird sichergestellt, dass keinesfalls zum Aufheizen eines Speichermediums aus dem öffentlichen Netz entnommene elektrische Energie verwendet wird.
Die Verbraucheransteuerung kann beispielsweise eine Phasenanschnittsteuerung umfassen, welche die an den Verbraucher eingespeiste Leistung aus einem Wechselstromhausnetz steuert.
Selbstverständlich können die Prinzipien der vorliegenden Erfindung auch für andere Speichermedien zum Speichern eines Überschusses an produzierter Solarenergie oder anderer gebäudeeigen erzeugter Energie genutzt werden. Potentielle Speichermedien sind Batterien und Akkumulatoren (z. B. Lithiumbatterien), Reformer zur Wasserstofferzeugung für Brennstoffzellen, Wärmespeicheröfen oder Pumpen zum Speichern der Energie in Form von Lageenergie. Darüber hinaus können auch Puffermodule mit Ultrakondensatoren den Überschuss an produzierter elektrischer Energie aufnehmen.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand des in der nachfolgenden Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Gebäudehausnetzes mit einer gebäudeeigenen Stromerzeugungseinrichtung und mit einer elektrischen Energieverteilungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung.
Dabei wird mit dem Begriff „gebäudeeigen” eine definierte Zuordnung zu einer gegenüber anderen Einheiten abgegrenzten Wohneinheit bezeichnet. Eine Wohneinheit kann beispielsweise eine Privatwohnung, ein Privatwohnhaus, aber auch ein gewerblich genutzter Raum sein. Wird beispielsweise eine gebäudezugeordnete Anlage auf dem Dach eines spezifizierten Gebäudes, wie beispielsweise einem Wohnhaus, einem Bürohaus oder landwirtschaftlichen Stallungen, oder aber auch auf einem zumindest anteilig privat genutzten Garten oder landwirtschaftlichen Feld installiert, so ist diese Gebäudezuordnung im Verständnis der vorliegenden Erfindung gegeben.
Das gebäudeeigene Netz 100 ist beispielsweise ein dreiphasiges Wechselstromnetz. Das gebäudeeigene Netz 100 speist die gebäudezugeordneten Verbraucher 102, die hier nur schematisch wiedergegeben sind. Das gebäudeeigene Netz, auch Hausnetz genannt, ist zum einen mit einer gebäudezugeordneten vorzugsweise regenerativen Stromerzeugungseinrichtung 104 verbunden. In dem gezeigten Beispiel handelt es sich um eine Photovoltaikanlage (nachfolgend häufig auch als PV-Anlage abgekürzt). Die Photovoltaikanlage 104 liefert beispielsweise Gleichstrom an einen Wechselrichter 106. Dieser speist ein- oder dreiphasig Wechselstrom in das Hausnetz 100.
Das Hausnetz 100 ist weiterhin mit einem öffentlichen Stromnetz 108 verbunden. Das öffentliche Stromnetz 108 stellt einerseits die Energieversorgung sicher, wenn die Photovoltaikanlage 104 keinen Strom liefert. Andererseits wird, wie dies allgemein bekannt ist, überschüssige elektrische Energie von der gebäudeeigenen Stromerzeugungseinrichtung über eine Schnittstelle in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Diese Schnittstelle ist in der Figur durch die Verbindung 110 symbolisch dargestellt.
Zusätzlich zu diesen an sich bekannten Komponenten weist die Energieverteilungsanlage gemäß der vorliegenden Erfindung eine Regelungsvorrichtung 112 auf, die als Eingangssignal ein Wirkleistungssignal 114 auswertet, welches von einer Wirkleistungsmessvorrichtung 116 erzeugt wird. Die Wirkleistungsmessvorrichtung 116 ist an der Verbindung 110 zwischen dem elektrischen Hausnetz 100 und dem öffentlichen Netz 108 angeordnet und erfasst sowohl die Größe als auch die Richtung der zwischen dem Hausnetz und dem öffentlichen Netz fließenden Wirkleistung. Entsprechend dieser Wirkleistung gibt die Wirkleistungsmessvorrichtung ein Ausgangssignal 114 aus.
Die Regelungsvorrichtung 112 ist außerdem erfindungsgemäß mit mindestens einer Verbraucheransteuerung 118 verbunden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Verbraucheransteuerung 118 dazu ausgelegt, eine elektrische Heizvorrichtung 120 zum Aufheizen eines Wärmespeichermediums 122 zu betreiben. Beispielsweise kann es sich bei dem Wärmespeichermedium 122 um Wasser handeln, das mittels mindestens eines elektrischen Heizstabs 120 aufgeheizt wird. Erfindungsgemäß steuert die Regelungsvorrichtung die Verbraucheransteuerung 118 nur dann an, um die Heizvorrichtung 120 zu betreiben, wenn die Wirkleistungsmessvorrichtung 116 signalisiert, dass Strom aus dem Hausnetz 100 in das öffentliche Netz 108 eingespeist wird, d. h. dass mehr Strom von der hauseigenen Solarstromanlage 104 erzeugt wird, als die Verbraucher 102 entnehmen.
Ein optionaler Temperaturfühler 124 kann mit der Regelungsvorrichtung 112 verbunden sein, um ein Überhitzen des Wärmespeichermediums 122 zu verhindern.
Die Regelungsvorrichtung 112 wird außerdem, wie dies schematisch dargestellt ist, aus dem Hausnetz 100 mit Energie zu ihrem Betrieb versorgt.
Die Regelungsvorrichtung 112 umfasst beispielsweise eine mikroprozessorgesteuerte elektronische Einheit, die nachfolgend MCU (engl. micro controller unit) genannt wird. Die Verarbeitung der Ein- und Ausgangssignale sowie der Regelalgorithmen erfolgen in Echtzeit. Die MCU besitzt außerdem eine PC-Schnittstelle zur Konfiguration, Parametrierung und zur Ausgabe statistischer Daten.
Erfindungsgemäß besteht die zentrale Regelfunktion der Regelungsvorrichtung 112 darin, den Eigenverbrauch von beispielsweise Solarstrom gegenüber der Einspeisung in das Netzwerk 108 eines öffentlichen Energieversorgers zu bevorzugen oder zu optimieren. Zu diesem Zweck wird die Wirkleistung als Regelgröße an der Schnittstelle zum öffentlichen Netz dreiphasig und in beide Richtungen gemessen. Der eingesetzt Messwertumformer in der Wirkleistungsmessvorrichtung 116 arbeitet im Vierquadrantenbetrieb, so dass die Wirkleistung des angeschlossenen dreiphasigen Netzes mit hoher Genauigkeit erfasst wird. Die Wirkleistung wird auch bei stark verzerrten Sinuswellen korrekt ausgewertet.
Liegt ein Überschuss an produzierter Energie, beispielsweise Solarenergie, vor, so aktiviert die MCU einen Heizstab 120 in einem Warmwasserpufferspeicher einer Heizungsanlage, der damit die Stellgröße darstellt. Die dem Heizstab 120 zugeführte Energie wird von der Regelungsvorrichtung 112 mit Hilfe einer Phasenanschnittsteuerung 118 stufenlos dem verfügbaren Überschuss an Solarenergie nachgeführt. Aufgrund der Wirkleistungsermittlung in beide Richtungen ist eine Versorgung des Heizstabes 120 aus Strom des öffentlichen Netzes 108 zu jedem Zeitpunkt ausgeschlossen. Der Temperatursensor 124 in dem Pufferspeicher überwacht die Temperatur des Pufferspeichers und bei Erreichen einer einstellbaren Obergrenze schaltet die Regelungsvorrichtung 112 den Heizstab 120 aus.
Optional können auch weitere geregelte Stromverbraucher oder Batterien der Verbraucheransteuerung 118 oder einer weiteren Verbraucheransteuerung mit Energie versorgt werden. Dies könnte beispielsweise eine Schwimmbadheizung, aber auch Reformer zur Wasserstofferzeugung für eine Brennstoffzelle, oder ein Puffermodul mit einem Ultrakondensator oder eine Pumpe sein. In dem Fall, dass mehrere Pufferverbraucher 120 vorgesehen sind, wird der verfügbare solare Energieüberschuss mit einstellbarer Priorität zwischen dem in 1 gezeigten Heizstab 120 und optionalen weiteren Verbrauchern aufgeteilt. Dies geschieht unter Einhaltung der oben beschriebenen Regelstrategie.
Die erfindungsgemäße elektrische Energieverteilungsanlage ist in vorteilhafter Weise auch geeignet, bereits vorhandene Energieversorgungsstrukturen an Gebäuden aufzurüsten. Der Speicher 122 kann dann als zusätzliche Einheit beispielsweise mit integriertem Heizstab 120 installiert werden. Bei kompletter Neukonfiguration und Installation eines Energieversorgungssystems kann aber die Funktionalität der Regelungsvorrichtung 112 auch in einer größeren Regelungseinheit integriert sein.
Die Wirkleistungsmessvorrichtung 116 kann entweder zusätzlich zu den bereits vorhandenen Zählern an der Schnittstelle zwischen dem hauseigenen und dem öffentlichen Netz angebracht werden oder aber, bei neueren Generationen von Zählern, mit in dem Zähler integriert sein.
Weiterhin ist in der 1 das Stellglied 118 dreiphasig dargestellt, es kann aber auch einphasig ausgeführt sein. Der einphasige Betrieb stellt dabei die häufiger zu realisierende Variante dar. Wie bereits erwähnt, kann auch der Wechselrichter 106 drei Phasen Wechselstrom einspeisen.
Für die Regelung 112 spielt es jedoch keine Rolle, welche Kombination aus ein- oder dreiphasiger Einspeisung des Wechselrichters 106 beziehungsweise Verbrauchers 118/120 vorliegt. Die Wirkleistungsmessvorrichtung 116 ist vorzugsweise immer dreiphasig ausgeführt und sorgt daher unabhängig von einer möglicherweise gegebenen Unsymmetrie in jedem Fall für eine korrekte Funktion des Reglers 112.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202010015254 U1 [0002, 0012]

Claims

Elektrische Energieverteilungsvorrichtung für ein Gebäude mit einer gebäudeeigenen Stromerzeugungseinrichtung (104), wobei die Vorrichtung umfasst: eine Regelungsvorrichtung (112), eine Wirkleistungsmessvorrichtung (116), die an einer Schnittstelle (110) zwischen einem elektrischen Hausnetz (100) und einem öffentlichen Netz (108) angeordnet ist und so ausgebildet ist, dass sie Größe und Richtung einer zwischen dem Hausnetz und dem öffentlichen Netz fließenden Wirkleistung erfasst und in Abhängigkeit von der erfassten Wirkleistung ein Wirkleistungssignal (114) an die Regelungsvorrichtung (112) übermittelt, mindestens eine mit dem Hausnetz (100) verbundene Verbraucheransteuerung (118) zum Versorgen mindestens eines Verbrauchers (120) mit Strom aus dem Hausnetz (100), wobei die Regelungsvorrichtung (112) mit der Verbraucheransteuerung (118) verbunden ist und so ausgebildet ist, dass sie die Verbraucheransteuerung (118) in Abhängigkeit von dem Wirkleistungssignal (114) regelt.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verbraucher (120) eine elektrische Heizvorrichtung zum Aufheizen eines Wärmespeichermediums (122) umfasst.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Wärmespeichermedium (122) Wasser ist.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei elektrische Heizvorrichtung (120) mindestens einen elektrischen Heizstab umfasst.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gebäudeeigene Stromerzeugungseinrichtung (104) eine regenerative Stromerzeugungsanlage, vorzugsweise mit mindestens einer Photovoltaikeinheit, umfasst.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungsvorrichtung (112) einen Mikroprozessor aufweist.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungsvorrichtung (112) eine Schnittstelle zur Verbindung mit einem externen Steuerrechner, vorzugsweise einem PC, aufweist.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelungsvorrichtung (112) weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die Verbraucheransteuerung (118) nur dann zum Betreiben des Verbrauchers (120) ansteuert, wenn das Wirkleistungssignal (114) angibt, dass Strom von dem Hausnetz (100) in das öffentliche Netz (108) eingespeist wird.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbraucheransteuerung (118) eine Phasenanschnittsteuerung zur Steuerung der an den mindestens einen Verbraucher (120) eingespeisten Leistung umfasst.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Phasenanschnittsteuerung die eingespeiste Leistung der Wirkleistung an der Schnittstelle (110) in Abhängigkeit von dem Wirkleistungssignal (114) nachführt.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, weiterhin umfassend eine Temperaturüberwachungseinheit (124) zum Überwachen der Temperatur des Wärmespeichermediums (122), wobei die Regelungsvorrichtung (112) so ausgebildet ist, dass sie die Beheizung der elektrischen Heizvorrichtung (120) unterbricht, wenn die Temperatur des Wärmespeichermediums (122) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Elektrische Energieverteilungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Verbraucher (120) eine Batterie, eine einen Reformer zur Wasserstofferzeugung für eine Brennstoffzelle, ein Puffermodul mit einem Ultrakondensator, oder eine Pumpe umfasst.