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Die dezentrale Energieversorgung rückt von Tag zu Tag immer mehr in den Vordergrund. In der Zukunft wird sie die wichtigste Rolle für die Energieversorgung darstellen. Durch lange Überlandleitungen entstehen große elektrische Leistungsverluste bis die Energie dort ankommt wo sie gebraucht wird. So suchen weltweit alle Hersteller nach Lösungen und Produkten, welche die dezentrale Energieerzeugung fördern, Kosten ersparen und sinnvoll machen. Bis heute wurden Lösungen jeweils für bestimmte Produkte oder Energieerzeugungsarten entwickelt und produziert. Beispielsweise kann man wie in 2 dargestellt eine Kleinwindenergieanlage in Kombination mit einer Solaranlage betreiben. Jede dieser Energiequellen hat seine separate und eigene Steuerung oder Elektronikeinheit.
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Einige Hersteller bieten elektronische Standardprodukte an, wo Energieerzeugungsquellen erst darauf angepasst werden müssen, um diese einigermaßen effizient betreiben zu können. Jedes dieser Produkte ist für sich jeweils sehr ausgereift und stellt wie z. B. im Bereich Photovoltaiksteuerung den Stand der Technik dar, manche im Markt befindliche Lösungen jedoch haben noch Bedarf an Weiterentwicklung oder Verbesserung.
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Das hier beschriebene multifunktionale Management Überwachung, Schutzsystem und Elektroniksteuereinheit vereint wie in 1 dargestellt viele Energieerzeugungsquellen in einer Steuerungseinheit und organisiert diese höchst effizient und kostengünstiger als herkömmliche Produkte.
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Ein sehr wichtiger Aspekt ist, dass für alle gängigen Energieerzeuger durch die hier beschriebene Elektronikeinheit nur noch ein Wechselrichter eingesetzt werden muss, um Kosten zu sparen, die Effizienz zu erhöhen und über den neuesten Stand der Technik zu verfügen.
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Die hier beschriebene Elektronikeinheit ist eine kompakte, günstige und hochwertige Einheit die folgende Eigenschaften besitzt und mehrere elektronische Komponenten in einem System vereint und passende Anschlüsse und Steckkarten hat für:
- 1. Regelung, Steuerung und Überwachung von Kleinwindenergieanlagen
- 2. Regelung, Steuerung und Überwachung von Photovoltaikanlagen
- 3. Regelung, Steuerung und Überwachung von Hydropoweranlagen
- 4. Regelung, Steuerung und Überwachung von Dieselaggregate
- 5. Regelung, Steuerung und Überwachung von Pufferbatterien
- 6. Regelung und Steuerung von Lastwiderständen
- 7. Regelung und Steuerung von Wechselrichtern/Spannungswandlern
- 8. Regelung und Steuerung von Netzwerkschnittstellen und Online-Routern
- 9. Monitoring Systeme, WLAN, APP
- 10. Regelung und Steuerung von weiteren Hardware- und Softwarekomponenten die mit elektrischer Energie versorgt werden müssen.
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Diese Elektronikeinheit kann global passend zu den jeweiligen länderspezifischen Netzspannungen angepasst werden. Seine Einsatzmöglichkeiten sind wie in 1 dargestellt als off grid sowie im Bereich on grid Betrieb möglich.
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Die Schnittstelle ist der Wechselrichter oder der Spannungswandler. Somit braucht diese Elektronik keine vergleichbaren landerspezifischen Genehmigungen oder Zertifikate wie ein Wechselrichter vorzuweisen, um die Produkte in den jeweiligen Ländern zu platzieren. Wechselrichter müssen mit den landesspezifischen Normen und Bestimmungen betrieben werden und müssen netzkonform sein. Diese Elektronikeinheit hat keine direkte Schnittstelle mit den jeweiligen externen Netzbetreibern.
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Problemdarstellung
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Wie in der 1 dargestellt müssen für jeden Einsatz der einzelnen Komponenten wie im Bereich Kleinwind, Photovoltaik oder Dieselaggregaten usw. jeweils eine separate Steuer- und Regeleinheit oder eine Elektronikkomponente gekauft und angepasst und dann im Systemverbund in Symbiose gebracht werden. Dies stellt einen erheblichen Kostenfaktor für den Endkunden dar. Wenn diese Energiequellen einzeln für sich betrieben werden, müssen separat immer eigene Elektronik Komponenten und Wechselrichter gekauft und eingesetzt werden. Diese Systeme können dann aber auch nur diese Energiequelle regeln und steuern. Ebenso ist es eine Frage der Effizienz der untereinander zu harmonierenden Komponenten. Durch den Einsatz von mehreren Einzelkomponenten ist das System im Resultat weniger effektiv. Dadurch verlängert sich die Amortisation der gekauften Produkte. Die Störanfälligkeit ist höher. Die Wartung ist aufwändiger oder die Reparatur ist umfangreicher und dauert länger. Die Garantiezeit kann für jede einzelne Komponente anders sein und kann bei Inanspruchnahme sehr lange Wartezeiten oder erschwerte Abwicklung mit sich bringen. Der Erwerb und Einsatz von einzelnen elektronischen Bauteilen für die elektrische Energieerzeugung ist teuer, weil jede Komponente separat für den jeweiligen Einsatz entwickelt und konzipiert wurde. Die Hersteller haben nur zum Teil gute Lösungen gefunden um einige dieser Systeme effizient miteinander zu betreiben.
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Bis heute wurden Photovoltaik Anlagen mit weiteren Systemen nur in Kombination gebracht. Dabei werden für jeden einzelnen Bereich separate Produkte entwickelt und gefertigt. Das heißt:
Kleinwindenergieanlagen mit eigener separater Steuerung.
Photovoltaikanlagen mit eigener separater Steuerung.
Eigene Steuerung für Speichermedien.
Dieselaggregat mit eigener separater Steuerung.
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Die oben genannten Quellen wurden an eine Steuereinheit angeschlossen, welches dann die Verbraucher oder den Wechselrichter versorgt. Diese Komponenten sind teuer, im Systemverbund weniger effizient und entsprechen nicht dem Stand der Technik. Sie müssen separat getestet und zertifiziert werden, ferner müssen länderspezifische Zulassungen und Genehmigungen erworben werden. Dies stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar. Die zu erwerbende Zertifikate für jede Steuer- und Elektronikeinheit für die einzelnen Energieerzeugungsquellen verteuern im Gesamten das System erheblich und führen zu einer sehr schlechten Amortisation der erworbenen Produkte.
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Vorhandene Lösungen
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Herkömmliche Hersteller setzen für jede regenerative Energieerzeugung oder über Energieerzeugung mit Dieselaggregaten jeweils für das eingesetzte System bestimmte Komponenten ein. Es gibt viele verschiedene Systemmöglichkeiten. Zwei der gängigsten Modelle werden wie folgt erklärt.
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Folgendermaßen werden wie in 2 dargestellt z B. on grid Systemlösungen konzipiert:
- – Kleinwindgenerator mit separatem Wechselrichter. Zwischen dem Wechselrichter und der Kleinwindenergieanlage werden ein elektrischer Dumpload, ein Notausschalter und eine Spannungsüberwachungseinheit geschaltet.
- – Photovoltaik Anlage mit Anschluss direkt in einem Steuermodul.
- – Eine Router zur Online Überwachung
- – Dieses separate Steuermodul versorgt dann das hausinterne Netz oder speist die Energie ein.
Die oben genannten Komponenten sind meiner Meinung nach zu sehr verstreut und überflüssig und stellen einen erheblichen Kostenfaktor dar.
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Folgendermaßen werden wie in 3 dargestellt z B. off grid System Lösungen konzipiert:
- – Kleinwindgenerator mit separatem Wechselrichter. Zwischen dem Wechselrichter und der Kleinwindenergieanlage werden damit noch eine elektrische Dumpload, ein Notausschalter und eine Spannungsüberwachungseinheit angeschlossen.
- – Photovoltaik Anlage mit Anschluss direkt in einem Steuermodul.
- – Batterien mit separater Reglereinheit
- – Dieselaggregat mit eigener Steuereinheit
- – Eine Router zur Online Überwachung
- – Die oberen Einzelkomponenten versorgen das Steuermodul.
- – Dieses Modul baut ein eigenes Netz auf, so dass dann am Ausgang eine ganz normale einphasige hausübliche Stromversorgung mit 50 Hz Frequenz gewährleistet wird.
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Die in diesem Abschnitt oben aufgezählten Komponenten sind zu sehr verstreut und überflüssig und stellen einen erheblichen Kostenfaktor dar. Alle diese Komponenten tragen zu einer kontinuierlichen Energieversorgung durch das Systems bei. In Notfällen läuft das Dieselaggregat an und stellt die Energieversorgung sicher.
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Eigene Lösungen
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Das hier beschriebene Produkt wie in 1 dargestellt, vereint die in den 2 und 3 dargestellten Produkte und deren Eigenschaften in einer Box oder in einem Modul. Dieses Modul kann variabel gefertigt werden. Das Resultat daraus ist, dass die hier beschriebene Elektronikeinheit gegenüber herkömmlichen Produkten preiswerter hergestellt werden kann. Durch günstige Herstellung kann das Produkt preiswerter erworben werden. Dadurch verkürzen sich die Amortisationszeiten. Einige von vielen Vorteilen sind bessere Verfügbarkeit, angepasste Systemlösung und Erwerb neuester Technologie usw. Je nach Kunde oder Bestellung können die einzelnen Steckkarten und Zugänge gefertigt und in der Box parametriert werden. So kann ein genaues kundenspezifisches Produkt sehr kostengünstig, höchst effizient konzipiert und hergestellt werden. Dies ist nicht nur sehr kostengünstig sondern auch vielfältig einsetzbar.
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Dieses Produkt kann für bestimmte Anwendungen oder Märkte eingestellt oder parametriert werden. Dieses Produkt kann im on grid und off grid Märkten eingesetzt werden. Diese Elektronikeinheit kann alle unten ausgeführten Eigenschaften speichern, dokumentieren, Statistiken erstellen, den Ist-Zustand auf LCD Bildschirm anzeigen oder über eine Standardschnittstelle abrufbar machen.
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Das hier beschriebene System kann gleichzeitig:
- – die Kleinwindenergieanlage höchst effizient steuern, die erzeugte Energie ins System, an die Batterien oder den Wechselrichter weiterleiten, den Dumpload des Windgenerators bei Spannungsspitzen in Windböen einschalten um den Windgenerator elektrisch abzubremsen.
- – Status erkennen.
Diese sind:
Stillstand (bei Windflaute)
Generatorbetrieb (wenn Energie erzeugt wird)
Dumpload betrieb (bei Spannungsspitzen usw.)
Not-Aus (bei Fehler)
- – die Kleinwindenergieanlage bei Energieüberschuss komplett auf den Dumpload schalten um den Systemverbund zu schützen, sie kann den Dumpload zuschalten und abschalten.
- – die von der Photovoltaik Anlage erzeugte Energie effizient in das System, an die Batterien oder den Wechselrichter weiterleiten. Die Photovoltaik Anlage an oder ausschalten. Den Photovoltaik betrieb und Stillstand erkennen (diese sind: Betrieb, Leistungsanzeige, Stillstand),
- – den Dieselgenerator je nach Batteriekapazität oder bei Leistungsabfall des Systems an oder ausschalten. Sie kann durch den Dieselgenerator die Batterien laden oder einen Wechselrichter mit elektrischer Energie versorgen. Während des Betriebs des Dieselgenerators die anderen Erzeugungsquellen an die Batterie umleiten oder abschalten.
- – durch einen Wassergenerator erzeugte Energie steuern, regeln und ins System und an die Batterien oder an den Wechselrichter weiterleiten. Bei Energieüberschuss die erzeugte Energie an einen Verbraucher oder den Dumpload umleiten. Den Wassergenerator an oder ausschalten.
- – Die Batteriespannung und Kapazität überwachen. Die einzelnen Energieerzeugungsquellen je nach Bedarf zu oder wegschalten. Die vorhandene elektrische Leistung in den Batterien sowie die Veränderung des Ladestroms erkennen und eventuelle Batteriefehler über die jeweilige Schnittstelle melden.
- – einen bestimmten Lastwiderstand oder Dumpload regeln und steuern, an- oder abschalten.
- – einen Wechselrichter mit elektrischer Energie versorgen. Die Spezifikationen werden angepasst für den jeweils eingesetzten Wechselrichter. Gleichzeitig kann die hier beschriebene Elektronikeinheit die erzeugte elektrische Energie einzelner Energiequellen zusammen oder kollektiv an den Wechselrichter weiterleiten.
- – wenn kein Verbrauch durch den Wechselrichter stattfindet, die erzeugte Energie an die Batterien weiterleiten, einen Dumpload zuschalten oder die Einzelkomponenten an- und abschalten.
- – einen Online Router mit Informationen über den Systemverbund versorgen. Monitoring durchführen. Sie hat die gängigen Schnittstellenanschlüsse für PC oder LAN usw.
- – Direktenergieversorgung für sämtliche Verbraucher im Niederspannungsbereich ausführen. Die Anschlüsse werden nach Kundenwunsch gefertigt und parametriert.
- – als ein dezentrales Notstromaggregat betrieben werden.
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Ein paar besondere und gezielte Einsatzgebiete der hier beschriebenen Elektronik:
Elektrifizierung im on grid und off grid Bereich von:
- – Mobilfunkmasten
- – Ladestationen für Elektromobilität
- – dezentrale Energieversorgungssysteme für Industrie und für Privat
- – Energieversorgungssysteme
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Technik
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Das multifunktionale Management, Überwachung, Schutzsystem und Elektroniksteuereinheit wird mit einer Vorrangerkennung die einzelnen Komponenten steuern.
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Beispiele:
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- – Batterien sind angeschlossen (Ladezustand unabhängig). Die erzeugte Energie durch Wind- und Solarenergie oder Dieselaggregat geht vorrangig direkt zum Wechselrichter.
- – Wenn momentan kein Verbrauch vorhanden ist, wird die erzeugte Energie vorrangig die Batterien laden.
- – Wenn kein Verbraucher da ist und die Batterien sind voll wird die erzeugte Energie durch das Windrad an den Dumpload weitergeleitet, Solar oder andere Erzeuger werden abgeschaltet.
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Als gemeinsames Spannungspotential wird die Anschlussspannung des Wechselrichters gewählt. Die hier beschriebene Elektronikeinheit passt die von allen angeschlossenen Komponenten erzeugte Spannung über Step up/down Spannungswandler an das gemeinsame Spannungspotential an.
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Funktionsweise und Beispiel Scenario 1
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Anschluss, Regelung und Schutz einer Kleinwindkraftanlage mit angeschlossenem Netzwechselrichter im on grid Betrieb an der hier beschriebenen Elektronikeinheit. Bei Netzausfall geht der Wechselrichter aus. Die hier beschriebene Elektronikeinheit erkennt diesen Netzausfall und leitet erzeugte Energie des Windrades an den Dumpload oder an einen externen Verbraucher, der nicht an das Hausnetz angeschlossen ist. Das PV Modul, Dieselaggregat oder Batterien werden abgeschaltet, um das öffentliche Netz nicht zu stören. Wenn wieder Netz vorhanden ist wird der Wechselrichter sich mit dem Netz synchronisieren und die hier beschriebene Elektronikeinheit erkennt wieder das Netz und die Erzeuger werden wie üblich wieder freigegeben je nach Vorrang.
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Funktionsweise und Beispiel Scenario 2
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Anschluss, Regelung und Schutz einer Kleinwindkraftanlage mit angeschlossenem Inselwechselrichter im off grid Betrieb an der hier beschriebenen Elektronikeinheit. Der Wechselrichter wird permanent von den Erzeugern mit Energie versorgt. Ist kein Verbraucher vorhanden wird die Energie des Windrades an den Dumpload oder an einen Heizstab weiter geleitet. Alle anderen Erzeuger werden abgeschaltet. Wenn wieder Verbraucher da sind, geht die erzeugte Energie vorrangig an den Wechselrichter.
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Funktionsweise und Beispiel Scenario 3
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Anschluss, Regelung und Schutz einer Kleinwindkraftanlage mit angeschlossenem Inselwechselrichter im off grid Betrieb an der hier beschriebenen Elektronikeinheit. Im Fehler oder Notfall wird die Energie des Windrades an den Dumpload weitergeleitet. Es wird die lückenlose Aufrechthaltung des autarken Netzes angestrebt. Die Batterien sollten immer voll sein. Alle Leistungsmodule werden benötigt. Bei Windflaute in der Nacht und leeren Batterien wird das Dieselaggregat eingeschaltet. Vorrangfunktion ist immer zuerst die Verbraucher zu versorgen, bei Energieüberschuss werden die Batterien geladen.
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Funktionsweise und Beispiel Scenario 4
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Anschluss, Regelung und Schutz eines Netz oder Inselwechselrichters an der hier beschriebenen Elektronikeinheit. Der Wechselrichter bekommt die erzeugte Energie von allen Leistungsmodulen über die hier beschriebene Elektronikeinheit. An den Wechselrichter wird das Maximum der von dem Hersteller angegebenen Höchstleistung abgegeben. Der Wechselrichter wird vor Überspannung und Leistungsspitzen geschützt. Es wird für alle Energieerzeuger nur ein Wechselrichter eingesetzt. Die Elektronikeinheit erkennt etwaige Störungen von dem Wechselrichter und leitet die Energie um oder schaltet einzelne Komponenten ab.
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Hardware
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Folgende Aspekte werden durch die hier beschriebene Elektronikeinheit von der Hardware erfüllt.
- 1. Je nach Energiequelle effizientes Energiemanagement
- 2. Schutz der einzelnen Komponenten
- 3. Priorisierungsmöglicheit
- 4. Flexibel anschließbare Komponenten
- 5. Einfache Bedienung
- 6. Preiswert
- 7. Länge Lebensdauer
- 8. Verfügbarkeit der Komponenten über längere Zeit
- 9. Modulare Konstruktion
- 10. Monitoring
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Software Konzept
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Von der Software werden folgende Aspekte gewährleistet:
- 1. Solides Software Engineering
- 2. Modularer Aufbau
- 3. Automatische Testmöglichkeit
- 4. Sicherheit gegen Fehlbedienung und Manipulation
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In 4 wird das mögliche Softwarekonzept dargestellt.
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Das System wird automatisch die angeschlossenen Komponenten erkennen. Z. B. wenn die Batterien nicht angeschlossen sind wird, das System automatisch die erzeugte Energie in die anderen vorhandenen Wege umleiten wie z. B. Dumpload oder direkt zum Wechselrichter.
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Weiterer wichtiger Bestandteil des hier beschriebenen Elektronik- und Steuermoduls.
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Die Steckkarte oder Modul des Windgenerators führt folgende logische Schritte aus:
Im System integrierte Automatismen:
- a) Anstupseffekt bis zum Erreichen von 15% der Nennleistung des Windgenerators. Zu und wegschalten pro Sekunde 1-mal. (das hat den Vorteil, dass der Generator nicht kontinuierlich durch die angehängte Last gebremst wird. Somit bekommen die Windgeneratorflügel die Möglichkeit, schneller höher zu drehen, anstatt von Beginn an komplett abgebremst zu werden. Im Fazit wird die Energieerzeugung höher, da der Generator schneller höher drehen und somit höhere Leistung erzeugen kann.)
- b) Automatische Kennlinienüberwachung mit Plus Minus 5% Toleranz ohne den Generator bei der jeweiligen Leistung im Wind höher zu Belasten.
- c) Der sich im Betrieb befindliche Windgenerator wird durch die hier beschriebene Elektronik Einheit bis zum Erreichen der 70% Nennleistung je nach zu erzeugender Energie pro Windgeschwindigkeit ca. 5% weniger belastet. (Das hat den Vorteil, dass der Windgenerator bei kleineren Windgeschwindigkeiten für die Energieerzeugung nicht unnötig immer zu 100% belastet wird. Hier wird dem Windgenerator genug Entlastung gegeben um schneller höher zu Drehen, damit die geschlossene Fläche der rotierenden Flügel größer wird. Dadurch kann eine Kleinwindenergieanlage mehr Energie erzeugen).
- d) Smart Bremssystem (zu- und wegschalten von Dumpload) beginn bei 30% vor Erreichen der Nennleistung der ausgewählten Leistungsklasse des Windgenerators. Bremsintervall vor Nennleistung in der Sekunde 1-mal bei 30%, 2-mal bei 20% und 3-mal bei 10%.
- e) Nach Erreichen der Nennleistung geht die Energie 100% auf Dumpload.
- f) Bei Sinken der Windleistung bleibt die Abbremseigenschaft im jeweiligen % Bereich (vor Erreichen der Nennleistung) gleich.
- g) Kontinuierliche Korrespondenz mit weiteren Systembereichen wie Batterieladung, Netzüberwachung, Dumpload, Messung der vorhandenen Energiekapazitätseinheit.
- h) Vorrangfunktion Windenergieanlage für die Energieerzeugung und Energiespeicherung.
- i) Kontinuierliche Dumpload Zuschaltung bei vollen Batterien und kein Energieverbrauch.
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Vorteile für den Benutzer
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- 1. Kauf von weniger Komponenten je nach System
- 2. hohe finanzielle Ersparnis
- 3. Nutzen von neuesten Stand der Technik
- 4. Weniger Aufwand
- 5. Sinnvolle übersichtliche Steuerung von allen Energieerzeugern
- 6. Wartungsfreiheit
- 7. Bessere Betriebssicherheit durch Einsatz von weniger Komponenten
- 8. individuelle Auswahl der Energieerzeugereingänge je nach Bedarf.
- 9. Nachrüstung der Steckkarten an das hier beschriebene Steuermodul für weitere Energieerzeuger, die später zugekauft und angeschlossen werden.
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Fazit
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Der Kunde erwirbt ein modulares Produkt in einer Box oder Gehäuse. Dieses Produkt kann mehrere verschiedene elektrische Energieerzeuger gleichzeitig managen, Steuern und überwachen. Dies ist gegenüber herkömmlichen Produkten ein erheblich großer Vorteil im Bezug auf Preis und Leistung sowie Verfügbarkeit und Betriebssicherheit. Zukauf von überflüssigen elektronischen Einzelkomponenten Spannungsregler oder teure Wechselrichter für z. B. Kleinwindenergieanlage ist nicht mehr nötig. Die Amortisation des gekauften Systems wird dadurch kürzer. Der Kunde kann jederzeit eine weitere Energieerzeuger nachrüsten oder eine bestehende entfernen. Das aufrüsten erfordert keinen Einkauf von teuren speziellen Elektronikbauteile für die neue elektrische Energieerzeugungsquelle.
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Das hier beschriebene Produkt
- – ermöglicht die sinnvolle, kostengünstige Ergänzung und Kombination von verschiedenen elektrischen energieerzeugungsquellen. Die Hersteller von diesen Energieerzeugern können das hier beschriebene Produkt zugeschnitten auf Ihre Produkte erwerben und in Kombination mit anderen Energiequellen betreiben.
- – kann von den Herstellern in verschiedenen internationalen Märkten eingesetzt werden. Die Schnittstelle ist eine in dem Land zulässige kostengünstige Wechselrichte.
- – steuert die Energieerzeuger. Diese Steuerung braucht der Wechselrichter nicht mehr ausführen. Daher würde ein kostengünstigerer Wechselrichter in der Regel ausreichen.
- – ermöglicht eine kostengünstigere, vermehrte Einsatz und Umsetzbarkeit von dezentralen Energieversorgungssystemen.
- – ist nicht Herstellerabhängig und kann passend an vielen im Markt zu erwerbenden elektrische Energieerzeugende Komponenten angepasst und gefertigt werden.
