DE202023001935U1

DE202023001935U1 - Einrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der elektrischen Leistung einer Stecker-Solaranlage

Info

Publication number: DE202023001935U1
Application number: DE202023001935.4U
Authority: DE
Original assignee: Seg Sonnenrepublik Energie GmbH
Current assignee: Seg Sonnenrepublik Energie GmbH
Priority date: 2023-04-15
Filing date: 2023-09-14
Publication date: 2023-10-13
Anticipated expiration: 2033-09-15

Abstract

Einrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der elektrischen Leistung einer Stecker-Solaranlage, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Energiespeicher (1) über ein Datenverarbeitungssystem (3) mit einem Wechselrichter (2) mit integriertem Schutz gegen Inselbildung (2a) zur Erzeugung von netzkonformem Wechselstrom verbunden ist, dass eine Ein-/Ausgabeeinheit (4) mit dem Datenverarbeitungssystem (3) zur Verteilung und Größe der Leistungswerte über einen frei definierbaren Zeitraum verbunden ist, wobei die Verteilung und die Größe der Leistungswerte als zeitabhängiges und periodisches Lastprofil speicherbar und abrufbar sind, und dass das Datenverarbeitungssystem (3) in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher (1) und dem Wechselrichter (2) so ausgebildet ist, dass die Einspeisung einer auf einen konstanten Leistungswert eingestellten und/oder geregelten elektrischen Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher (1) in eine elektrische Anlage wenigstens eines Gebäudes erfolgt, wobei der Leistungswert unterhalb der typischen Grundlast-Verbrauchswerte wenigstens eines Nutzers des Gebäudes als Verbraucher liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der elektrischen Leistung einer Stecker-Solaranlage.
Photovoltaische Stecker-Solaranlagen (auch Balkonkraftwerke genannt) verzeichnen ein rasantes Marktwachstum, maßgeblich getrieben durch steigende Strompreise und die Angst vor Stromausfällen. In technischer Hinsicht weisen die üblichen Systeme aber einen immanenten Systemfehler auf: Der volle Nutzen der üblicherweise auf eine Einspeiseleistung von 300 VA bis 600 VA ausgelegten Systeme ergibt sich im Wesentlichen nur, wenn man den erzeugten Solarstrom auch selbst verbraucht. Dies ist in den meisten Haushalten - insbesondere bei hohen Einspeiseleistungen (also bei Sonnenschein und ohne Verschattung) - nur zu einem Bruchteil der Fall: Die Grundlast liegt beispielsweise bei einem Zweipersonenhaushalt in einer Mietwohnung im Bereich von 30 W bis 100 W. Es mag dabei Ausnahmen geben, beispielsweise Haushalte mit speziellen Dauerlasten wie beispielsweise Aquarien, auch ein Home Office oder ein kleiner Gewerbebetrieb zuhause wären hier zu nennen. Diese können sicherlich eine Eigenverbrauchsquote von über 80% erzielen, ansonsten kann man von einem Jahresdurchschnitt von typischerweise nur von 50% bis 60% ausgehen.
Eine Möglichkeit, diese Quote zu erhöhen, besteht im Einsatz eines Batteriespeichers, der mit überschüssigem Solarstrom geladen und beispielsweise so wieder entladen wird, dass der Strom auch sicher in die eigenen Verbraucher fließt. Hierfür gibt es aktuell nur den technischen Lösungsansatz der Messung des realen Stromverbrauchs im Hausnetz und Einspeisung derart, dass nie ein Stromfluss ins öffentliche Netz erfolgt (also der vom Speicher eingespeiste Strom nie größer ist als der momentane Laststrom).
Die Druckschrift EP 3 364 156 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Grundlastprofils eines Haushaltnetzes. Bei dem Konzept der Messung und Auswertung bestimmter Netzparameter am Einspeisepunkt des Wechselrichters entfällt eine aufwendige Messeinrichtung beispielsweise am Stromzähler. Das Verfahren ist allerdings auch (gerade bei kleinen Leistungen) relativ ungenau und darauf beruhende Stecker-Solaranlagen inclusive Batteriespeicher sind so teuer, dass die Amortisationszeiten kaum unter 15 Jahren liegen.
Eine Messung der realen Ströme im Hausnetz und eine entsprechende Regelung des Wechselrichters ist durch die Druckschrift EP 3 462 560 A1 bekannt. Hiermit ist neben den relativ hohen Kosten für das Gerät und eventuell einen Stromsensor oder ein Smart Meter jedoch auch der Installationsaufwand für das Messsystem verbunden. Das Verfahren wird daher insbesondere für größere Solaranlagen mit bis zu 1,8 kVA Einspeiseleistung eingesetzt. Das Steuergerät ist hierbei auf Nulleinspeisung programmiert, um einen Einspeisevertrag mit dem Netzbetreiber zu vermeiden, es wird also zu keinem Zeitpunkt überschüssiger Strom ins öffentliche Netz eingespeist. Da es gerade bei derartigen großen Solarsystemen viele Perioden gibt, in denen überschüssiger Strom entsteht (generell bei vollem Sonnenschein und vor allem auch in Abwesenheitszeiten), geht dem Stromnetz so wertvolle Energie verloren - die Anlage läuft dann ungenutzt im Leerlauf, was aus ganzheitlicher Sicht nicht sinnvoll ist. Ein Batteriespeicher ist bei dieser Lösung primär nicht vorgesehen.
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der elektrischen Leistung einer Stecker-Solaranlage zu schaffen, mit der die Eigenverbrauchsquote des Solarsystems ohne zusätzliche Hilfsmittel wie Messeinrichtungen oder Datenübertragung der Verbrauchswerte signifikant erhöht und dennoch eine Anpassung an das typische Lastprofil des Verbraucher ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen einzeln oder in einer Kombination möglich.
Die Einrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der elektrischen Leistung einer Stecker-Solaranlage zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Eigenverbrauchsquote des Solarsystems ohne zusätzliche Hilfsmittel wie Messeinrichtungen oder Datenübertragung der Verbrauchswerte signifikant erhöht und dennoch eine Anpassung an das typische Lastprofil des Verbrauchers ermöglicht wird.
Dazu ist ein elektrischer Energiespeicher über ein Datenverarbeitungssystem mit einem Wechselrichter mit integriertem Schutz gegen Inselbildung zur Erzeugung von netzkonformem Wechselstrom verbunden. Eine Ein-/Ausgabeeinheit ist mit dem Datenverarbeitungssystem zur Verteilung und Größe der Leistungswerte über einen frei definierbaren Zeitraum verbunden, wobei die Verteilung und die Größe der Leistungswerte als zeitabhängiges und periodisches Lastprofil speicherbar und abrufbar sind. Weiterhin ist das Datenverarbeitungssystem in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher und dem Wechselrichter so ausgebildet, dass die Einspeisung einer auf einen konstanten Leistungswert eingestellten und/oder geregelten elektrischen Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher in eine elektrische Anlage wenigstens eines Gebäudes erfolgt, wobei der Leistungswert unterhalb der typischen Grundlast-Verbrauchswerte wenigstens eines Nutzers des Gebäudes als Verbraucher liegt.
Damit erfolgt die Einspeisung einer auf einen konstanten Wert geregelten und einstellbaren elektrischen Leistung aus dem Speicher ins Hausnetz, der unterhalb der typischen Grundlast-Verbrauchswerte des Haushalts liegt, wobei die Verteilung und Höhe der Leistungswerte über einen frei definierbaren Zeitraum vom Anwender frei programmierbar ist und als zeitabhängiges, periodisches Lastprofil gespeichert und abgerufen werden kann.
Damit kann der Nutzer entweder einen konstanten Leistungswert oder auch sein eigenes (abgeschätztes oder selbst ermitteltes) Grundlastprofil über einen Zeitraum von beispielsweise 24 Stunden (1 Tag) selbst in das System einprogrammieren. Die Wertebereiche typischer Grundlastprofile liegen in der Regel bei 30 W bis 100 W für kleine Privathaushalte und bei 80 W bis 300 W bei Haushalten mit Gewerbetätigkeit oder Homeoffice. Dabei sind keine Messungen der Verbrauchswerte im Hausnetz und eine entsprechende Regelung der Einrichtung notwendig, was den technischen und Installationsaufwand erheblich reduziert. Das gespeicherte Lastprofil wird dann nach der festgelegten Periode, beispielsweise 1 Tag oder auch 1 Woche, beliebig oft wiederholt.
In einer Weiterbildung können voreingestellte Lastprofile, beispielsweise für ein festes Zeitintervall 24 h = 1 Tag, im Datenverarbeitungssystem gespeichert sein, die vom Anwender beliebig abrufbar sind und jeweils nachträglich mit einem Faktor in definierten Grenzen beaufschlagt werden. Damit kann der Anwender dann den Tagesertrag des Lastprofils auf seine Verbraucher und/oder seinen Haushalt anpassen.
Falls die Möglichkeit besteht, eine Messeinrichtung im Hausnetz zu implementieren oder diese bereits vorhanden ist, beispielsweise in Form eines digitalen Stromzählers mit Schnittstelle, wird in einer Weiterbildung auch die Option bereitgestellt, die von dieser Messeinrichtung übermittelten Daten in der Einrichtung zu verarbeiten und den Wechselrichter so anzusteuern, dass er maximal eine Leistung ins Netz abgibt, die der aktuell gemessenen Verbraucherleistung entspricht. Dies kann z.B. über eine digitale Schnittstelle in den für derartige Stromzähler üblichen Datenformaten bzw. Protokollen wie beispielsweise SML, MQTT oder andere geschehen. Die Messdaten können dann auch in einem internen Datenspeicher oder auch in einer dazugehörenden Internet-Plattform gespeichert und weiterverarbeitet werden, beispielsweise als Grafik in Tages-, Wochen- oder Monatsintervallen oder auch mit mathematischen Methoden wie Mittelwertbildung, Minimalwert/Maximalwert- oder Ertragsberechnung über definierte Zeiträume.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann über die Ein-/Ausgabeeinheit (4) im Datenverarbeitungssystem (3) ein über dem typischen Lastprofilwert liegender, einstellbarer Kurzzeit-Leistungswert (Boost) für den Wechselrichter (2) zur Einspeisung ins Netz aktiviert werden, der dann mit einer entsprechenden kurzzeitigen Anwendung (z.B. Betrieb eines Wasserkochers) korreliert und danach wieder beendet wird. Dies erhöht die Eigenverbrauchsquote gerade in Haushalten mit sehr niedriger Grundlast und längeren Einschaltzyklen von Hochlastverbrauchern. Typische Werte wären hier 50W Grundlasteinspeisung und 500W Boost-Einspeisung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann in der Einrichtung eine zusätzliche Anordnung zur Erzeugung eines eigenen 230V-Netzes vorhanden sein (Inselwechselrichter), um 230V-Geräte versorgen zu können. Dies ist beispielsweise bei Stromausfall oder bei Ausflügen hilfreich und verleiht der Einrichtung eine wertvolle Zusatzfunktionalität.
Eine andere Weiterbildung besteht in der Ausführung der zuvor genannten digitalen Schnittstelle als bidirektionale Schnittstelle, über die auch Daten aus der Einrichtung an andere Geräte, beispielsweise weitere Einrichtungen mit gleicher Schnittstelle, weitergesendet oder Daten von diesen empfangen werden können. Damit können
auch größere vernetzte Systeme aus derartigen Einrichtungen aufgebaut werden, ähnlich wie sogenannte Schwarm-Systeme. Die Anforderung oder Abgabebereitschaft bestimmter Energiemengen kann dann untereinander digital gesteuert werden. Auch kann hierdurch der zuvor genannte Inselwechselrichter ferngesteuert an- und abgeschaltet werden, um damit bestimmte Verbraucher zu steuern, die dort angeschlossen sind. Ebenso kann damit die Aufladung des internen Batteriespeichers gesteuert werden.
Als weitere Weiterbildung kann der Batteriespeicher als wechselbare Einheit (einfach oder auch mehrfach) ausgeführt sein, die bei Bedarf auch in anderen Geräten wie beispielsweise einem E-Bike oder einem Gartengerät durch einfaches Umstecken eingesetzt werden kann. Die Einrichtung dient für diese Fälle dann als Ladegerät und kann hierfür beispielsweise so eingestellt werden, dass dort keine Entladung stattfindet, um die wechselbaren Speichereinheiten möglichst schnell aufzuladen.
Schließlich kann die Einrichtung in vorteilhafter Weise so in ein entsprechendes Gehäuse integriert sein, dass es unempfindlich gegen Vibrationen und Schock sowie spritzwassergeschützt ist. Dies ist vor allem beim Außeneinsatz bei unterschiedlichen Witterungsbedingungen und bei Transporten sinnvoll. Beispielsweise kann das Gehäuse hierfür aus Metall und/oder schlagfesten Kunststoffen (beispielsweise glasfaserverstärkt) bestehen, die Ein- und Ausgänge können mit Schutzklappen versehen sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In 1 ist schematisch dargestellt, wie die oben beschriebene Methode der Grundlastprofil-Steuerung technisch umgesetzt werden kann. Darin ist das Datenverarbeitungssystem (3) ein Microcontroller (µC). 1 zeigt, wie ein Batteriespeicher (1) mit integriertem BMS (Batteriemanagementsystem zum Schutz der Akkuzellen sowie zur Laderegelung) (1a), einem Wechselrichter (2) mit integriertem Schutz gegen Inselbildung (NA-Schutz) (2a) zur Erzeugung von netzkonformem Wechselstrom verbunden ist, wobei die Ansteuerung des Wechselrichters leistungsmäßig über ein zentrales Datenverarbeitungssystem (3) geschieht, die über eine Ein/Ausgabeeinheit (4) programmierbar ist. Dies kann
entweder mittels Tasten am Gerät erfolgen oder über ein externes digitales Gerät (5) wie z.B. einen PC über eine digitale Schnittstelle (5a). Über diese oder eine weitere digitale Schnittstelle (5b) kann auch die Übertragung externer Messsignale an das Datenverarbeitungssystem (3) oder auch von dieser nach außen erfolgen. Die Ladung des Batteriespeichers (1), jeweils gesteuert von dem zentralen Datenverarbeitungssystem (3), kann entweder über eine externe DC-Stromquelle (6) erfolgen (z.B. ein Solarmodul), die z.B. über einen oder mehrere DC/DC-Wandler (7) spannungsmäßig an die aktuelle Batteriespannung angepasst wird, oder auch über ein optional in die Einrichtung integriertes AC-Netzteil (8) aus dem AC-Stromnetz (10). Im letzteren Falle sollte das Datenverarbeitungssystem (3) so programmiert sein, dass ein gleichzeitiges Laden des Speichers (1) durch das Netzteil (8) und Entladen über den Wechselrichter (2) in dasselbe AC-Netz verhindert wird, da dies energetisch unsinnig wäre. Weiterhin ist in 1 ein zusätzlicher Inselwechselrichter (9) mit gesonderten Netzsteckdosen (9a) zur Entnahme des Wechselstroms in einem separaten Inselnetz (9b) gezeigt, der in der Einrichtung (11) mit enthalten sein kann und in diesem Falle ebenfalls über das zentrale Datenverarbeitungssystem (3) angesteuert wird.
In 2 sind typische Lastprofile im Vergleich dargestellt: A zeigt dabei ein konstantes Profil, z.B. einen Dauerverbraucher ohne weitere Lasten, B zeigt den Lastverlauf eines typischen Privathaushalts mit Anwesenheit auch zur Mittagszeit, C den Lastverlauf eines Haushalts mit gewerblicher Nutzung tagsüber (C). Die durch die Kurven dargestellten Funktionen beschreiben den Verlauf der Verbraucherleistung P (Last) über die Zeit t. Als Zeiteinheit für die Programmierung eines Lastprofils hat sich z.B. 1 Stunde als praktisch erwiesen.
3 zeigt eine beispielhafte Umsetzung der Einrichtung (11) in einem Gehäuse (12) mit den in Bild 1 gezeigten Komponenten (1 bis 9). Dort ist der Batteriespeicher (1) bereits so im Gehäuse (12) angeordnet, dass er nach oben entnehmbar ist und an der Unterseite eine Kontakteinheit (13) besitzt, deren Gegenstück (14) in allen damit betriebenen Endgeräten enthalten ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3364156 A1 [0004]
EP 3462560 A1 [0005]

Claims

Einrichtung zur Einstellung und/oder Regelung der elektrischen Leistung einer Stecker-Solaranlage, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Energiespeicher (1) über ein Datenverarbeitungssystem (3) mit einem Wechselrichter (2) mit integriertem Schutz gegen Inselbildung (2a) zur Erzeugung von netzkonformem Wechselstrom verbunden ist, dass eine Ein-/Ausgabeeinheit (4) mit dem Datenverarbeitungssystem (3) zur Verteilung und Größe der Leistungswerte über einen frei definierbaren Zeitraum verbunden ist, wobei die Verteilung und die Größe der Leistungswerte als zeitabhängiges und periodisches Lastprofil speicherbar und abrufbar sind, und dass das Datenverarbeitungssystem (3) in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher (1) und dem Wechselrichter (2) so ausgebildet ist, dass die Einspeisung einer auf einen konstanten Leistungswert eingestellten und/oder geregelten elektrischen Leistung aus dem elektrischen Energiespeicher (1) in eine elektrische Anlage wenigstens eines Gebäudes erfolgt, wobei der Leistungswert unterhalb der typischen Grundlast-Verbrauchswerte wenigstens eines Nutzers des Gebäudes als Verbraucher liegt.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mit dem Datenverarbeitungssystem (3) verbundenem Speicher Lastprofile gespeichert sind und dass das Datenverarbeitungssystem (3) in Verbindung mit der Ein-/Ausgabeeinheit (4) so verbunden ist, dass die Lastprofile abrufbar sind und/oder mit einem Faktor in bestimmten Grenzen beaufschlagt werden können.
Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenverarbeitungssystem (3) mit einer digitalen Schnittstelle (5b) zur Übermittlung und im Datenverarbeitungssystem (3) zur Verarbeitung der von einer externen Messeinrichtung gemessenen elektrischen Leistungswerte verbunden ist und dass das Datenverarbeitungssystem (3) und der Wechselrichter (2) so miteinander verbunden sind, dass der Wechselrichter (2) maximal eine Leistung ins Netz abgibt, die der aktuell gemessenen Verbraucherleistung entspricht.
Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass über die Ein-/Ausgabeeinheit (4) im Datenverarbeitungssystem (3) ein einstellbarer, über dem typischen Lastprofilwert liegender Kurzzeit-Leistungswert (Boost) für den Wechselrichter (2) zur Einspeisung ins Netz aktivierbar ist.
Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Datenverarbeitungssystem (3) mit einem zusätzlichen Inselwechselrichter (9) zur Erzeugung eines 230V-Netzes verbunden ist.
Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Schnittstelle (5b) eine bidirektionale Schnittstelle ist.
Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine externe DC-Stromquelle (6) über das Datenverarbeitungssystem (3) mit dem Wechselrichter (2) verbunden ist.
Einrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Energiespeicher (1, 1a) wenigstens eine wechselbare Einheit ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der elektrische Energiespeicher (1), das Datenverarbeitungssystem (3), der Wechselrichter (2) und die Ein/Ausgabeeinheit (4) in einem Gehäuse (12) befinden, welches unempfindlich gegen Vibrationen und Schock sowie spritzwassergeschützt ist.