DE3346773A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer wind-solar-energienutzungsanlage - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer wind-solar-energienutzungsanlage

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DE3346773A1 DE19833346773 DE3346773A DE3346773A1 DE 3346773 A1 DE3346773 A1 DE 3346773A1 DE 19833346773 DE19833346773 DE 19833346773 DE 3346773 A DE3346773 A DE 3346773A DE 3346773 A1 DE3346773 A1 DE 3346773A1
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Description

M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Akti engeseVlschaft
g U / s d
München, 23. Dezember 1983
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Wind-Soiar-Energienutzunqsanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Wind-Solar-Energienutzungsanlage, bestehend aus einer Windenergieanlage und einer Solaranlage mit zugehörigen Energiewandlern, die die Wind- bzw. Solarenergie in elektrische Energie
2Q umwandeln, sowie aus mindestens einem Verbraucher.
Die kombinierte Verbindung von Windenergieanlagen und Solarzellen ist aus der DE-OS 27 38 435 bekannt. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich jedoch um eine An-
2g Ordnung der Solarzellen auf der Stirnseite des Rotors
der Windenergieanlage, wobei die Solarzellen als Heizung und Rückstoß für die Rotorblätter dienen sollen. Eine derartige Vorrichtung erlaubt jedoch aufgrund der starren Kopplung der Solarzellen mit dem Rotor keine optimale,
oQ gleichzeitige Ausrichtung nach den Sonnenstrahlen und der Windrichtung.
7.2 2 2
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine Wind-Solar-Energienutzungsanlage optimal mit möglichst
hohem Wirkungsgrad betreibbar ist. 5
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Es ist zwar aus der DE-PS 27 09 146 eine Windenergieanlage bekannt, bei der die erhaltene Nutzleistung -mit
einen programmierten Verteiler, Verbrauchern und Speichern in einer bestimmten Rangfolge zugeleitet wird. Die Rangfolge richtet sich jedoch nach dem Energiebedarf der Verbraucher, wodurch bei geringerer Leistung der Wind-1^ energieanlage Verbraucher ohne Stromversorgung bleiben.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung hingegen, erfolgt eine kontinuierliche Versorgung von zumindest einem Teil der Laststufen unter optimaler Nutzung der aus der Wind- und Sonnenenergie gewonnenen Nutzenergie. Die bei dieser Anlage verwendeten Wind- und Solaranlagen sind baulich voneinander unabhängig konstruiert, so daß sie jeweils optimal entsprechend dem Windfeld und den Sonnenstrahlen ausgelegt und ausgerichtet werden können.
Durch die Zu- bzw. Abschaltung der Lastkreise in Abhängigkeit der Drehzahl der Windenergienanlage kann die Frequenz des erzeugten Stromes mit geringstmöglichem Leistungsverlust auf einen möglichst konstanten Wert gehalten werden, indem die Lastkreise so zu- bzw. abgeschaltet werden, daß die anzugebende Leistung immer etwas unterhalb der vom Wind angebotenen Leistung gehalten wird.
7.2228
23.12.1983
Durch Einbeziehung des Drehzah1gradienten in das Schaltkriteriutn werden unnötige Lastu in schaltungen vermieden, indem durch die Drehzahlanderungstendenz eine
Zwischenschaltung ausgelassen werden kann. 5
Die Drehzahl und der Drehzahlgradient für den Schaltvorgang kann die des Windrades der Windenergieanlage sein. Es ist aber auch möglich, daß hierzu die Frequenz bzw. die Frequenzänderung des von dem Energiewandler der Windenergieanlage gelieferten Stromes herangezogen werden.
Vorzugsweise sind zwischen den einzelnen Zu- bzw. Abschaltbefehlen bestimmte Zeitspannen festgelegt, in denen keine weiteren Schalthandlungen vorgenommen werden können.
!5 Dadurch kann die Anlage die neuen Lastverhältnisse ausregeln und es werden zu häufig auftretende Schaltvorgänge vermieden. Umschaltbefehle werden nur dann ausgegeben, wenn beim Unterschreiten einer vorbestimmten Drehzahl die Drehzahl nicht ansteigt und beim Unterschreiten die Drehzahl nicht fallend ist. Ist somit beispielsweise die Drehzahl auf einen Wert unterhalb einer Drehzahl schwel 1e abgesunken, jedoch ansteigend, dann erfolgt keine Lastabschal tung.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, sind die Laststufen in Gruppen unterteilt, wobei die Laststufen einer ersten Gruppe jeweils der Solarenergieanlage und die einer zweiten Gruppe einer Netzstro in Versorgung zuschaltbar sind, und wobei die Laststufen beider Gruppen der Windenergieanlage zugeschaltet werden können. Diese Ausführung ist besonders geeignet für Anwendungen mit mehr Wind- als Sonnenleistung.
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23. 12.1983
Bei höherer Solarenergieleistung können alle Laststufen an die Solaranlage und die einer Gruppe zusatzlich an die Windenergieanlage zuschaltbar sein.
Vorteilhaft ist jedoch, wenn beide Möglichkeiten kombiniert verwendet werden d.h., daß bei hoher Sonneneinstrahlung und mangelndem Wind oder umgekehrt alle Laststufen der Solaranlage bzw. der Windenergieanlage wahlweise zuschaltbar sind.
Hierdurch ist gewährleistet, daß das Verhältnis zwischen
Leistungsabgabe und Leistungsangebot der Windenergieanlage zur Konstanthaltung der Frequenz eingestellt werden kann und gleichzeitig eine kontinuierliche Versorgung ■Lg der Leistungsstufen erreicht wird.
Mindestes eine Leistungsstufe der ersten Gruppe kann
vorzugsweise ein elektrischer Speicher sein, der als
Energiepuffer dient, wenn das Wind- und Sonnenenergie-2Q Angebot gering ist.
Der elektrische Speicher ist an die Solaranlage angeschlossen, so daß er primär von der Sonnenenergie gespeist wird, wobei kein Stromwandler erforderlich ist.
Bei anhaltender mangelnder Sonneneinstrahlung wird der Speicher über einen Wandler von der Windenergieanlage versorgt. Bei dieser Schaltung werden Energieverluste, die durch die Verwendung eines Wandlers verursacht werden, minimiert. Die Schaltung des Speichers
3q kann selbstverständlich auch umgekehrt, d.h. primär an die Windenergieanlage erfolgen, wenn es aus anderen Gründen zweckmäßiger ist.
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23.12.1983
BAD ORIGINAL
Bei der Verwendung eines elektrischen Speichers und der Aufteilung der Laststufen in mindestens zwei Gruppen können die der Solaranlage zugeordneten Laststufen vorzugsweise primär in Abhängigkeit des Ladungs-ζuStandes des elektrischen Speichers und in zweiter Linie in Abhängigkeit der Drehzahl und des Drehzahlgradienten der Windenergieanlage zu-, ab- bzw. umgeschaltet werden, wobei die Schaltpriorität der Laststufen der zweiten, der Netzversorgung zugeordneten Gruppe sich nach dem Bedarf bzw. dem Energieangebot der Windenergieanlage richtet.
Hiermit wird sowohl die ausreichende Versorgung des elektrischen Speichers als auch die Konstanthaltung der Ausgangsfrequenz der Windenergieanlage gesichert.
Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens.
Die Vorrichtung ist durch die im Anspruch 11 enthaltenen Merkmale gekennzeichnet.
Die Verbraucher sind vorzugsweise weitgehend gleichmäßig auf die Laststufen aufgeteilt, wobei die Laststufen möglichst klein gewählt werden, so daß das Gesamtenergieangebot in jedem Betriebsstadium möglichst weitgehend der Verbraucherleistung entspricht.
Auf diese Weise kann durch Umschalten von entsprechenden Laststufen eine optimale Nutzung der angebotenen Energie sowie eine innerhalb geringen Werten etwa von 3% schwankenden Frequenz der Windenergieanlage erreicht werden.
7.2228
23.12.1983
BAD ORIGINAL
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.
Die Zeichnung zeigt eine Wind-Solar-Energienutzungsanlage im Blockschaltbild. Sie besteht aus einer Windenergieanlage 10, einer Solaranlage 11 und einen in 8 Laststufen 12 bis 19 aufgeteilten Verbraucher.
Der Windgenerator 20 wird von einer elektrohydraulischen 1^ Regeleinrichtung 21 drehzah1geregelt. In der Solaranlage sind 4 Solareinheiten bzw. Solargeneratoren 22 bis 35 vorgesehen. Die Laststufen sind in eine erste Gruppe 26 mit den Laststufen 11 bis 15 und in eine zweite Gruppe mit den Laststufen 16 bis 19 aufgeteilt. Die Laststufen ■^ 12 bis 15 der ersten Gruppe 26 können wahlweise entweder an die Windenergieanlage 10 oder'an die Solaranlage 11 angeschlossen bzw. abgeschaltet werden. Die vierte Laststufe 15 aus dieser Gruppe ist ein elektrischer Speicher, nämlich eine Batterie 28. Die Laststufen 16 2^ bis 19 der zweiten Gruppe können zwischen der Windenergieanlage 10 und einer Netzstromversorgung 29 umgeschaltet werden.
Die Umschaltvorgänge der einzelnen Laststufen 12 bis 19 werden von einem Prioritatenwah1 schalter 30 durchgeführt. Als Kriterium zum Schalten der Laststufen werden primär die Drehzahl η und der Drehzah1gradient ή der Windenergieanlage 10 verwendet. Es sind Urehzah1schwe11 en vorgesehen, bei deren Über- bzw. Unterschreitu ng Last:<reise zu- bzw. abgeschaltet werden. Durch Einbeziehung des Drehzahlgradienten ή als Schaltkriteriuni werden bei noch zu geringer, jedoch weiter ansteigender Drehzahl bzw. umgekehrt, unnötige Lastabschaltungen vermieden. Ferner ist der Priori tätenwählschalter 30 so ausgebildet, daß zwischen den einzelnen zu- bzw. Abschdltbefeh 1 en bestimmte
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23.12. 1983
BAD ORIGINAL
ZeitabschnitteAt ,At , festgelegt sind, in denen keine
zu a D
weiteren Schalthandlungen vorgenommen werden. Dadurch kann die Anlage die neuen Lastverhältnisse ausregeln und es werden zu häufig auftretende Schaltvorgänge vermieden, Bei nicht zu großen Laststufen ist es somit möglich, die Frequenzvariationen in einem Band von +1% und -3% um ihren Nennwert zu halten.
Über den Prioritätenwah1 scha 1ter 30 werden den Lastkreisen 12 bis 19 Prioritäten zwischen 1 und 8 zugeordnet. Priorität 1 bedeutet, daß dieser Verbraucher als erster der Windenergieanlage 10 zugeschaltet und als letzter abgeschaltet wird. Die Laststufen 12 bis 14 der ersten Gruppe 26 haben der Reihenfolge nach die
1^ Priorität 1 bis 3 und sie können wahlweise an die Windenergie- und an die Solaranlage 10 bzw. 11 angeschlossen werden. Für den Anschluß an die Solaranlage 11 ist ein Wechselrichter 31 vorgesehen, der den von der Solaranlage 11 gelieferten Gleichstrom 32 in Wechselstrom
2^ für die Laststufen umwandelt.
Die Batterie 28 bildet die Laststufe 15 mit Priorität Sie wird im Regelfall von der Solaranlage 11 versorgt und kann bei ungünstigen Einstrahlungsverhältnissen über einen zweiten Wechselrichter 34 durch die Windenergieanlage geladen werden.
Nach den Laststufen 12 bis 15 der ersten Gruppe 26 folgen die Laststufen 16 bis 19 der zweiten Gruppe mit den Prioritäten 5 bis 8. Diese Laststufen werden in dieser Reihenfolge nacheinander entsprechend dem Nutzenergieangebot der Windenergieanlage 10 dieser zugeschaltet, nachdem die erste Stufe 26 bereits angeschaltet ist. Die Laststufen der zweiten Gruppe 27, die nicht von der Windenergieanlage 10 versorgt werden, sind automatisch an die Netzstromquelle 29 angeschlossen.
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23.12.1983
bad original
Die Solaranlage 11 und die Batterie 28 sind so ausgelegt, daß der maximale Strom der Solaranlage unterhalb des maximalen Ladestromes der Batterie liegt, um immer einen schonenden Ladevorgang gewährleisten zu können. Die ersten drei Laststufen 12 bis 14 werden bei ihrem Anschluß an die Solaranlage 11 entweder aus ihr direkt oder der Batterie 28 versorgt. Diese Laststufen werden immer dann mit Energie aus der Solaranlage 11 bzw. der Batterie versorgt, wenn eine Versorgung über die Windenergieanlage 10 nicht möglich ist. Sinkt jedoch die Batteriespannung unter einem Wert, der etwa einem Ladezustand von 30% der Nennladung entspricht, so wird die dritte Laststufe 14 abgeschaltet. Sinkt die Batteriespannung auf einen Wert, der nur noch etwa 20% der Nennladung entspricht, so wird auch die zweite Laststufe 14 abgeschaltet. Zur Vermeidung von unzulässigen Tiefladungen der Batterie wird bei einem Unterschreiten einer gewissen Mindestspannung auch die erste Laststufe 12 abgeschaltet und damit wird mittels eines Schalters 35 auch der Wechselrichter 31 von der Batterie 28 getrennt.
Umgekehrt, beiwSteigen der Batteriespannung wird der Schalter 35 wieder geschlossen und die Laststufen 12 bis 14 der ersten Gruppe 26 entsprechend ihrer Priorität wieder zugeschaltet, sofern sie nicht von der Windenergieanlage 10 versorgt werden.
Bei nahezu vollständig geladener Batterie wird die Priorität der drei ersten Laststufen 12 bis 14 von der Windenergieanlage 10 auf die Solaranlage 11, soweit erforderlich, übertragen, um eine die Batterielebensdauer schädigende Weiterladung zu vermeiden. Werden in diesem Fall, also trotz ausreichendem Windenergieangebot, Laststufen aus der ersten Gruppe 26 von der Windenergieanlage 10 auf dio Solaraηlafe Il uuiyes cha 1 tet, so werden
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BAD ORIGINAL
automatisch Laststufen aus der zweiten Gruppe 27 der Windenergieanlage 10 zugeschaltet.
Wenn die Batteriespannung in dem Bereich der Gasungsspannung gelangt und der Batterieladestrom trotz Zuschalten der drei Laststufen 12 bis 14 einen bestimmten Wert überschreitet, dann werden der Reihe nach die Solareinheiten 22 bis 25 über die Schaltungen 36 in gewissen Zeitabständen abgeschaltet.
Wird im Laufe der Zeit eine einstellbare Mindestbatteriespannung wieder unterschritten, so werden die vier Solareinheiten 22 bis 25 in einem gewissen Zeittakt schrittweise wieder zugeschaltet. Anschließend werden die dritten bis ersten Laststufen 14, 13, 12 in demselben Zeittakt
wieder auf die Versorgung durch die Windenergieanlage zurückgeschaltet.
Die Anlage ist ferner so eingestellt, daß bei ungünstigen Ei nstrahlungsverhäl tni ssen die Ladung der Batterie 28 über die Windenergieanlage 10 erfolgt. Die Einteilung der Laststufen 12 bis 19 erfolgt durch den Prioritätenwahlschalter 30.
Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel ist für OC eine Anlage bestimmt, bei der der Energieanteil aus der Windenergieanlage wesentlich größer ist als aus der Solaranlage. Bei umgekehrtem Verhältnis wird es zweckmäßig sein, die Regelung so auszulegen, daß die Laststufen weitgehend von der Solaranlage und nur zum Teil von der Windenergie versorgbar sind.
Im allgemeinen wird aufgrund wechselnder Witterungsverhältnisse das Energieangebot mal vorwiegend vom Wind, mal vorwiegend von der Sonne geliefert. In diesem Fall wird eine Regelung vorgesehen, die es erlaubt, je nach Angebot, von einem Schaltschema auf das andere umzulenken, so daß nach der oben beschriebenen Methode mit
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Priorität für die Windenergieanlage oder umgekehrt mit Priorität für die Solaranlage verfahren wird. Dabei können im ersten Fall alle Laststufen an die Windenergieanlage und bei Bedarf auf den zweiten Fall mit der Möglichkeit umgeschaltet werden, daß alle Laststufen der Solaranlage zuschaltbar sind.
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Claims (7)

M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Ak ti engesei 1 schaft g ü / s d München, 23. Dezember 1983 Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Wind-Solar-Energiehutzungsaniage, bestehend aus einer Windenergieanlage und einer Solaranlage mit zugehörigen Energiewandlern, die die Wind- bzw. Solarenergie in elektrische Energie umwandeln, sowie mit mindestens einem Verbraucher, dadurch gekenn-
_n zeichnet, der/die Verbraucher in mehrere Laststufen (12 bis 19) aufgeteilt werden, und daß die Laststufen entsprechend vorgegebener Prioritäten (z.B. 1 bis 8) in Abhängigkeit der Drehzahl (n) und des Drehzah1gradienten (ή) der Windenergianlage (10) oder in Abhängigkeit der elektrischen Spannung der Solarenergieanlage (11) zu- bzw. abgeschaltet und gegebenenfalls einer Netzstromoder Dieselaggregat-Versorgung angeschlossen werden
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für den Schaltvorgang die Drehzahl (n) und der Drehzahlgradient (ή) des Windrades der Windenergieanlage (10) herangezogen werden.
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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f) bzw. Frequenzänderung des
von der Windenergieanlage (11) gelieferten Stromes für den Schaltvorgang herangezogen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Durchführung von hintereinander folgenden Schaltbefehlen eine Mindestzeitspanne vorgesehen ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltbefehl nur dann ausgegeben wird, wenn bei Unterschreiten der vorbestimmten Drehzahlschwelle die Drehzahl (n) nicht ansteigt, und beim Überschreiten der Drehzah 1 schwel 1 e die Dreh'zahl (n) nicht fallend ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laststufen (12 bis
19) in Gruppen (26, 27) unterteilt sind, wobei die Laststufen (12 bis 15) einer ersten Gruppe (26) der Solarenergieanlage (11) und die Laststufen (16 bis 19) einer zweiten Gruppe (27) einer Netzstromversorgung (29) zuschaltbar sind, und daß die Laststufen beider Gruppen der Windenergieanlage (10) zugeschaltet werden können.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Laststufe (15) der ersten Gruppe (26) ein elektrischer Speicher (29) ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Speicher (28) an die Solaranlage (H) angeschlossen ist und an die Windenergieanlage (10) zuschaltbar ist.
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23. 12.1983
O J 4 Ü / /θ -3-
9. Verfahren nach ei nein der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltpriorität für die Laststufen (12 bis 19) so gewählt wird, daß zumindest ein Teil der Laststufen in einer vorbestimmten Reihenfolge, je nach Stromangebot, an erster Stelle der Windenergieanlage (10) zügescha1tet wi rd.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Laststufen (12 bis 15)
der ersten Gruppe (26) primär in Abhängigkeit des Ladungszustandes des elektrischen Speichers (28) der Solaranlage und in zweiter Linie in Abhängigkeit der Drehzahl (n) und des Drehzah1gradienten
(n) der Windenergieanlage zu-, ab- bzw. umge
schaltet werden, und daß die Schaltpriorität der Laststufen der zweiten, der Netzstromversorgung (29) zugeordneten Gruppe (27) sich nach dem Energieangebot der Windenergieanlage richtet.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Verbraucher in mehrere Laststufen (12 bis 19) aufgeteilt und über einen Prioritätenwah1 schalter (30) an die elektrischen Energieversorgungsanlagen (10), 11, 29) anschließbar sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbraucher weitgehend gleichmäßig auf die Laststufen (12 bis 19) aufgeteilt sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß kleine Laststufen gewählt sind.
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BAD ORIGINAL
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Laststufen (12 bis 19) dreiphasig geschaltet und damit wahlweise an die Stromerzeugungsanlagen (10, 11, 29) anschließbar si nd.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gruppe (26) der Laststufen (12 bis 15) zwischen der Windenergieanlage (10) und der Solaranlage (16
bis 19) zwischen der Windenergieanlage und einer Netzstromversorgung (29) umschaltbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekenzeichnet, daß der Prioritäten-
wahlschalter (30) so ausgebildet ist, daß damit die Laststufen (10 bis 19) in einer vorbestimmten Reihenfolge ein- bzw. abgeschaltet werden können.
7.2223 23.12.1983
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