WO2007065783A2 - Vorrichtung und verfahren zur technischen nutzung von sonnenenergie - Google Patents

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WO2007065783A2 PCT/EP2006/068625 EP2006068625W WO2007065783A2 WO 2007065783 A2 WO2007065783 A2 WO 2007065783A2 EP 2006068625 W EP2006068625 W EP 2006068625W WO 2007065783 A2 WO2007065783 A2 WO 2007065783A2
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Definitions

  • the invention relates to a device for the technical use of solar energy, in particular for heating purposes in small systems for heating residential buildings.
  • the technical use of solar energy is carried out on the one hand with large systems in an industrial setting and on the other hand with small systems in private.
  • Small systems are either photovoltaic to generate electricity or photothermal to produce hot water.
  • the efficiency of converting solar radiation into thermal energy is 60% to 70% when converting into electrical energy 10% to 25% (10% for inexpensive amorphous silicon solar cells, 20 to 25% for expensive, photovoltaic, multilayered gallium arsenide Cells).
  • the price for Acquisition and operation are currently lower for photothermal systems than for photovoltaic ones. Efficiency and costs suggest that the photothermal systems are superior.
  • the provision is completely decoupled from use by the system operator: the electrical energy is fed into the public power grid and is available to all connected users.
  • the system operator includes a financial remuneration. Apart from losses in the line network, the efficiency of use is 100%.
  • the energy provided by photothermal systems is stored by the system operator in the form of heated water and is only available to the operator himself.
  • the efficiency of their use depends on the optimal adaptation of three influencing factors: the time-varying supply of the sun, the capacity and the losses of the storage and the usage habits of the operator. It is influenced on the one hand by the amount of energy offered / stored and on the other hand by the degree of temporal correspondence between provision and use (energy consumption).
  • the brine (the heat transfer fluid of the solar system) evaporates, the steam escapes through a pressure relief valve or, if this is not available, through screw connections, that cannot withstand the pressure. If the brine loss is sufficiently high, the system no longer works; brine has to be bought and refilled at relatively high cost, which has a major impact on the economic efficiency of the system.
  • the process can be repeated several times a year, right into the low-sun period. The overheating always occurs even in times without hot water withdrawal, namely when the operator is not present for a long time, e.g. B. when you are traveling (summer vacation). Then systems with very small collector areas are also affected.
  • the collectors (electrical and thermal) of small systems are usually rigidly mounted and their orientation to the sun is determined by the respective roof pitch (elevation) and roof orientation to the compass direction (azimuth). Optimal use of solar energy is only given if the solar radiation falls perpendicularly onto the collector surface at all times.
  • the invention has for its object to provide a device for the technical use of solar energy by means of solar collectors, with which an increase in the efficiency of the use of decentralized small systems is achieved. In addition, the risk of damage from overheating should be effectively avoided.
  • the device according to the invention is defined by claim 1.
  • the photothermal collector system is oversized with regard to the total of the connected consumers.
  • an excess heat exchanger is connected to the associated store, which, in the event of an excess supply of solar energy that exceeds consumer demand, dissipates the excess heat.
  • the invention is based on the assumption that the photothermal collector and the storage device are dimensioned at school, taking into account the maximum heat requirement of all consumers and the maximum permissible temperature of the heat transfer medium.
  • the invention deviates from this rule in that it provides for an oversizing of the photothermal collector system and possibly also of the memory.
  • the solar collector system according to the invention is designed in such a way that it covers as far as possible the needs of the operator / user in the low-sun seasons (autumn, winter, spring).
  • the collector areas are dimensioned correspondingly large using calculation methods.
  • a technically known hot water tank is used to store the thermal energy. In order to compensate for weather-related fluctuations in solar radiation (over a few days), this storage tank is dimensioned more generously than before (e.g. 2000 I water or more for a household with 3 - 4 people).
  • an excess heat exchanger is provided at a suitable point in the system, which has the task of dissipating excess thermal energy either only harmlessly or even usefully if necessary.
  • this excess heat exchanger is designed as a radiator in a suitable room in the house, that is to say in a room whose heating is also desirable in summer.
  • Basement rooms in which no food is stored
  • the rooms are heated by solar thermal, the laundry dries quickly and without the additional use of electrical heating energy. Furthermore, the drying room itself remains dry. In addition, it is generally useful to heat cellar rooms in summer, because they become slightly damp when not heated (cellar walls and floor are cool, the outside air has a higher humidity due to the higher temperature - if outside air enters the cellar, the air humidity condenses on the floor and walls. As a consequence, the basement becomes and remains damp and musty.)
  • the system is provided with corresponding heat exchanger circuits, control circuits and actuators, which make it possible for the further solar heat to be automatically conducted into the excess heat exchanger when the predetermined water temperature in the storage tank is reached.
  • the boiler of the conventional heating system that is usually available is also included in this heat exchanger circuit. This ensures that the temperature in the boiler remains above the dew point for protection against corrosion, which is otherwise a regular, short firing of the boiler (also in the Summer). It is also planned to conduct the excess heat into the conventional heating circuit of the living rooms (e.g. underfloor heating or radiator system), for which the corresponding pipes, control circuits and actuators are also available. This makes it possible, for. B. in the transitional period and in the winter to supply solar excess heat. This enables an even more efficient use of solar heat.
  • the control system ensures, in a technically known manner, that the desired temperature in the water reservoir (typically typically 50 ° C.) is not exceeded and not fallen below.
  • the invention thus creates an integrated dual supply system for heating and industrial water in residential buildings, which minimizes the use of other energy sources through optimal use of photothermal solar energy.
  • large collector areas are created by covering the entire suitable roof area with photothermal solar collectors.
  • the invention is particularly suitable for all-season heating for "minimal energy houses" with heat recovery. In the low-sun season (heating season), the excess heat is useful for heating the living rooms of the house. A heating of basement rooms is not necessary at this time, since the temperature and humidity conditions prevent becoming damp in winter.
  • a heat exchanger can also be installed in the soil of the house as excess heat exchanger. With this last solution, the excess thermal energy would be dissipated harmlessly, but also without direct benefit.
  • the indirect benefit is that overheating of the system and loss of brine is avoided.
  • a device for the technical use of solar energy which contains both photothermal collectors for heating a heat transfer fluid and photovoltaic collectors for generating electrical energy.
  • the photothermal and the photovoltaic collectors are each coupled on a defined common receiving surface in such a way that one type of collector is exposed to solar radiation to the extent that the other type is shadowed.
  • the collectors are arranged in collector fields with which large reception areas can be realized, for example as roofing of houses.
  • the receiving surfaces or fields can be constructed from stacked collector levels.
  • the lower level consists of an array of photothermal collectors.
  • the top level contains photoelectric collectors.
  • the upper collector level is designed in the form of a lamella field, comparable to the structure and function of sun protection blinds.
  • the lamella fields can be pivoted like blinds and their surface exposed more or less to the sun and at the same time let less or more sunlight through onto the photothermal collector arrangement underneath.
  • the slats themselves are designed in the form of photoelectric collector elements. A preferably motor-driven setting of the slats allows the solar radiation to be divided continuously between both collector levels and types. When the slats are completely closed, all of the radiation falls on them with their photoelectric collector elements on top and it is only converted into electrical energy.
  • the lamellae which contain the solar-electric collector cells on the top, reflect on the underside and design their adjustment device so that not only the alignment of the top to the sun is possible, but also the continuous adjustment in such a way that the reflective bottom directs the solar radiation onto the thermal collector module below. This also makes it possible to achieve perpendicular radiation incidence with respect to one direction.
  • the entire arrangement described above is mounted on a movable support structure, which continuously enables an optimal alignment to the sun of both types of collector perpendicular to the movement of the slats by means of motor control.
  • the slats are divided so that a checkerboard-like structure is created, the fields of which can be pivoted synchronously in two mutually perpendicular directions.
  • a collector arrangement is again created in two levels. Photoelectric collectors are both movable and fixed, while the photothermal are permanently installed. For this purpose, collector modules of manageable size are created, each consisting of one photothermal and two photovoltaic collector units, which have the same shape and area. The photothermal unit and one of the photovoltaic units are mounted on a common mounting frame next to each other on the lower level.
  • the second photovoltaic unit is mounted on the mounting frame of the module with a corresponding device in such a way that it is displaceable or pivotable and alternatively positioned in the second plane at a short distance directly above the first photovoltaic unit, or directly above the photothermal unit and by means of a locking mechanism can be determined in such a way that it covers this (first photovoltaic unit or the photothermal unit) exactly and shields it from the sun. It is therefore possible to either expose only the two photovoltaic units to the sun, or only one photovoltaic and the photothermal.
  • a stepless shift also enables a variable distribution of solar radiation, but only between the two extremes of 50% to 100% radiation on the photoelectric collector, while at the same time 50% to 0% on the photothermal.
  • a modular collector segment works photothermally on one side and photovoltaically on the other side.
  • An appropriate swivel mechanism turns the desired side towards the sun, the other side is then in the shade.
  • the collectors are mounted on appropriate brackets and provided with flexible supply lines (flexible power lines for the photoelectric or flexible hydraulic hoses for the photothermal ones).
  • Such an arrangement is preferably constructed in a lamella form, similar to that shown above.
  • a preferred collector arrangement is the thermally / electrically combined with rigid thermal collectors in the lower level and adjustable electrical in the level above, in the form of the slats described.
  • the collector modules are mounted on swiveling and rotatable brackets, which continuously ensure optimal alignment of the modules to the sun in elevation and azimuth via preferably electric motors and controlled by the control computer.
  • the slats that contain the solar-electric collector cells on the top are mirrored on the bottom.
  • its setting device allows the top surface to be optimally aligned with the sun, and on the other hand, it can also be continuously adjusted in such a way that the reflective underside directs the solar radiation onto the thermal collector module located below. This optimization is only possible in one direction, depending on the orientation of the slats either in azimuth or in elevation.
  • control computer electronic acquisition and control computer
  • memory and input interfaces for automated and / or interactive input of data which also includes an Internet connection, and output interfaces for outputting control commands to the solar collector and hot water system , as well as messages to a display device (user console).
  • the memory is used to provide supply and consumption-related data, e.g. B. the time, a calendar (with regional peculiarities such as public holidays), location-relevant climate and weather data (sunshine duration, seasonal temperature profiles, etc.) and the plant history (records of actual supply and consumption and the location weather and all other parameters since the existence of the respective Investment).
  • supply and consumption-related data e.g. B. the time, a calendar (with regional peculiarities such as public holidays), location-relevant climate and weather data (sunshine duration, seasonal temperature profiles, etc.) and the plant history (records of actual supply and consumption and the location weather and all other parameters since the existence of the respective Investment).
  • Input data are e.g. B. Information about the water supply (quantity, temperature, current withdrawal quantities), the need (individual consumption), the supply of solar energy (current weather, weather forecast) / which are automatically queried and entered online via the Internet connection, as well as further data (current changes consumption-relevant variables such as the number of users, vacation, etc.) - Output data are e.g. B. Control signals for aligning the collectors, or opening / closing valves and switching pumps on and off, as well as information for the plant operator. All time-dependent input and output data are saved in an archive as a function of time (date and time).
  • the task of the method is to control the thermal energy system in such a way that the available solar energy is primarily converted into thermal energy (amount of heat) at all times and only into electrical energy if the demand for thermal energy is covered for a reasonably manageable, preceding period .
  • the actual water temperature is also included as a parameter for controlling the system. Different minimum temperatures are required for the different uses of the warm water (heating, shower, bath) in order to achieve the desired effect on the one hand and a pleasant condition on the other (lukewarm bath water is usually undesirable).
  • the thermal energy system is provided with a measuring system which enables various of its state variables to be determined. Temperatures are measured at several points in the system and flow rates in the hot water system and heating circuit, as well as the solar radiation (radiation power) on the collector system, the outside temperature, the relative humidity, and the wind speed and direction.
  • the temperature measurement in the water reservoir takes place at several points in such a way that the course of the thermal stratification of the water is recorded and a calculation of the amount of heat contained, including the known amount of water, is possible at any time.
  • the amount and temperature of the leaving the storage Water measured, as well as the temperature of the trailing.
  • the respective changes in the stored heat quantity are determined from this data and the current stock and the current extraction temperature are determined. Measurements in the stock and the withdrawal are continuously updated. Taking into account the current, short, medium, and historical consumption values, it is determined from this how long the supply allows the withdrawal at a certain temperature level. All measurement data are saved in the archive memory of the control computer as a function of time (date and time).
  • a storage cascade in the form of several water containers of small volume of a few 100 liters of water connected in series. These are successively heated (loaded) and used (unloaded). This means that the temperatures in the individual containers are different, and the cooler can be loaded when the sun is less, and the warmer when the sun is strong.
  • the invention further relates to a method for distributing the energy of an energy supply system to the three types of energy use: heating, hot water and electricity generation.
  • the task of the process is to distribute the supply of solar energy to the three types of demand with optimal efficiency, with the need for hot water having the highest priority and the need for space heating the second priority. Electricity generation has no priority at all because it is a pure excess introduction into the power grid.
  • the method according to the invention is characterized by claim 11. It provides that based on a prediction of the temporal availability of the amount of solar energy including weather data and a prediction of the use of each of the three types of energy use based on empirical values The energy offered is divided into use, storage or conversion into another type of energy in such a way that the degree of utilization of the energy utilization system is maximized.
  • FIG. 1 is a block diagram of a photothermal solar energy system with optimizable efficiency of use
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device for combined and coupled photothermal and photovoltaic solar radiation collection
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a dual collector system with pivotable solar collector slats
  • 5 shows an embodiment with superimposed collectors, which are arranged in different planes and are displaceable relative to one another
  • 6 shows a dual collector with collectors of different types on opposite surfaces
  • Fig. 7 is a diagram of the control computer in which the invention
  • Procedure is implemented, including the associated peripheral devices.
  • a control device 1 for example in the form of a control computer, an input and output device 11 coupled to the control device, for example in the form of a computer keyboard and a display screen ( Display), from a thermal solar collector field 2, which is represented here by a collector module, a storage vessel 3, a conventional boiler 4, a heat consumer as a heat exchanger 5 in the form of a conventional radiator, an excess heat exchanger 9 in the form of a radiator installed in the basement of the building, and a hot water tap 7.
  • a temperature sensor not shown, for measuring the brine temperature. It is connected to control unit 1 via a measuring line.
  • the storage vessel 3 contains within its outer envelope a smaller inner vessel 31 which is coupled to the drinking water system via an inlet and has an outlet to the tap 33.
  • Process water is located between the outer casing of the dispensing vessel 3 and the inner vessel 31.
  • the storage vessel 3 forms by means of outward and return runs to the boiler 4 and to the heat exchangers 5 and 9 three circuits through which the process water, driven by the pumps 41, 51, 61, can circulate.
  • Three valves 42, 52, 62 support the pumps 41, 52, 62 in interrupting the circuits. Pumps 41, 51, 61 and valves 42, 52, 62 are switched electrically by control unit 1 and are connected to it via control lines for this purpose.
  • a temperature sensor In the service water area of the storage tank 3 there is a temperature sensor, not shown, which is connected to control unit 1 via a measuring line.
  • the heat exchanger 22 of the thermal solar collector system In the process water area of the storage tank 3 there is also the heat exchanger 22 of the thermal solar collector system, to the collector field 2 of which it is connected via a supply and a return line for the brine.
  • the pump 23, like the other pumps 41, 51, 61 and valves 42, 52, 62, is switched electrically by the control device 1 and is connected to it via a control line for this purpose.
  • the temperature sensor in the storage vessel 3 measures the hot water temperature, which is then recorded by the control unit 1. If it exceeds a predetermined temperature threshold, the control unit 1 switches on either valve 51 or valve 61 and pump 52 or pump 62, depending on the user, and thus directs the hot service water through the heat exchangers 5 or 9.
  • the user accepts the default by appropriate Input on the input and output device 11, where it can also enter the temperature threshold. This is expediently chosen in an area in which there is no lime precipitation from the water. If the measurement of the temperature sensor shows that the temperature in the storage vessel 3 has dropped below the predetermined temperature threshold, the control unit 1 switches the valves 51 or 61 on again and the pumps 52 or 62 switch off again.
  • the upper limit of the temperature range is also limited. At an upper limit, the circuit is opened by the excess heat exchanger 9 so that excess heat is dissipated through it.
  • Fig. 2 shows a device for combined and coupled photothermal and photovoltaic solar radiation collection. It is largely identical to the device shown in FIG. 1. Instead of the solar thermal collector field, however, it contains a field of combined solar thermal / solar electric collectors, of which three modules 6 are shown. Each module is connected to the control computer 1 via a measuring line (for temperature measurement) and a control line. It also contains a measuring sensor 21 for measuring the solar radiation (radiation power). Furthermore, the system has an inverter 7. This is connected to the solar-electric units of the collector modules 6 via an electrical collecting line and has an electrical connection 71 to the public power grid.
  • the collector modules are constructed in two levels, the lower level containing the rigid solar-thermal collector unit 61, the upper level the adjustable solar-electric, here in the form of adjustable slats 62.
  • the slats are adjusted by means of electric motors or similar actuators, which are not described here are shown. These actuators are operated by the control computer 1 via control lines.
  • the three collector modules shown show three different settings, which are brought about by the different position of the solar-electric collector fins 62.
  • the slats 62 are set up in the left module, so that they themselves do not receive direct sunlight. The sunlight falls entirely on the solar thermal level of the collector units 61.
  • the slats 62 are completely closed, the sunlight falls entirely on them, and the solar thermal level of the collector units 61 does not receive any sunlight.
  • the slats are inclined so that half of the sunlight falls on both levels.
  • the pipe connections of the individual collector modules are not shown in more detail in FIG. 2. They are designed and equipped with the necessary valves (operated by the control computer) so that each module can be individually inserted or excluded in the brine circuit as required. Alternatively, this option can be dispensed with, which reduces efficiency, since brine will always flow through all collectors, even if not all of the sunlight falls on it. Thereby, heat energy in the sunless collectors is lost to the environment.
  • 3 schematically shows a collector arrangement with a photothermal collector 65 and numerous photovoltaic collectors 66 arranged above it, which are designed in the form of lamellas and can be pivoted about an axis 67 in each case.
  • the photovoltaic collectors 66 form a lamella field and they can be pivoted together in the manner of a venetian blind in order to either cover the photothermal collector 65 and thereby shade it from the sun, or to expose it to the incident solar radiation.
  • the photothermal and the photovoltaic collectors are thus coupled in such a way that one type is exposed to solar radiation to the extent that the other type is shadowed.
  • the photothermal collector 65 which forms the carrier here, can be pivoted in a motor-controlled manner about a horizontal axis 68 in order to change the elevation angle of the entire collector arrangement in accordance with the position of the sun.
  • the vertical axis 69 which carries the collector arrangement, can be pivoted in the direction of the arrow 70 in order to adjust the azimuth angle in accordance with the position of the sun.
  • each field 80 can be pivoted individually about a horizontal height axis 81, which corresponds to the axis 67 of FIG. 3, and about an azimuth axis 82 running perpendicularly thereto for tracking in accordance with the azimuth angle of the sun.
  • a photothermal collector 85 is arranged in a common plane with a first photovoltaic collector 86.
  • a second photovoltaic collector 87 is located in a plane above the two collectors 85, 86 and can be moved in this plane. All three collectors have the same shape and size.
  • the collector 87 When the collector 87 is above the collector 86, the collectors 85 and 87 are illuminated by the sun while the collector 86 is shielded. In this way, half of the solar radiation is absorbed by the photothermal collector 85 and the other half by the photovoltaic collector 87.
  • the upper collector 87 When the upper collector 87 is pushed over the photothermal collector 85, all the solar radiation that falls on the surface in question is converted into electrical energy. The proportion of the thermal energy obtained in the total energy can be changed continuously by intermediate positions of the upper collector 87.
  • the underside of the upper collector 87 can be mirrored.
  • FIG. 6 shows a collector module in which a photothermal collector 90 is combined with a photovoltaic collector 91 to form a plate structure which can be pivoted about a horizontal axis 92 in order to expose one or the other collector to solar radiation.
  • the collector 90 is connected to a hose system via flexible hoses, not shown, and the collector 91 is connected to a line network via flexible electrical lines.
  • the control according to the invention generally has the task of optimizing the “efficiency of use” ⁇ N.
  • the efficiency of use is the ratio of the energy E N TO used in a certain period of time to an energy E A not necessarily offered in the same period (in contrast to this, the known "degree of utilization" offers and use relates to the same period): with the optimization task: max ( ⁇ N ) (2)
  • the energy E A offered is in the form of solar radiation energy E s :
  • the following special features must be taken into account in detail: o
  • the amount of solar energy E 5 offered is subject to strong temporal fluctuations and is also strictly correlated with the position of the sun.
  • predictions about the energy offered E AVO rap and the energy used E Nvor are made in advance over a period of time ⁇ t of several days and by means of these predictions the degree of utilization for this period of time ⁇ t is optimized according to (2).
  • the optimization according to the invention consists in that at each point in time of the prediction, the energy JE Ata t then actually offered is converted into the three possible use energies E ⁇ w , E TH and E E in a measure and ratio that the demand (predicted use) for thermal Energy E-rvor, primarily to E TWv or and secondary to E THV O ⁇ , is covered as far as possible over the period ⁇ t (taking into account the storage capacity of the thermal energy system) and converted into electrical energy E E only if a further conversion into thermal energy E TW / and / or E TH would require this energy for the period ⁇ t (taking into account the energy supply E A to be expected in the entire period ⁇ t before), or else would exceed the storage capacity (overheating).
  • the conversion into electrical energy E E is completely independent of the needs of the operator (feed into the power grid).
  • the optimization therefore does not need to take its needs into account, which is why no prediction is made about it.
  • knowledge of temporal current demand peaks in the network is taken into account (the invention therefore preferably converts to electrical energy at lunchtime because a lot of electricity is required) when primary and secondary optimization requirements (also taking into account the offer and use of periods of the prediction phase ⁇ t) lying further in the future allow this.
  • predicted parameters such as, for. B. solar radiation, derived from the actual supply of solar energy
  • E Atat E stat / the amount of heat in the storage, supplied to it, as well as the amount of heat used, as well as converted solar energy, derived from it the actually used energy, separated by types of use.
  • the optimization is carried out by means of predictions about the energy supply and use and the checking thereof and the control of the system derived therefrom.
  • the check (determination of the actual state) is based on measurements of the relevant parameters.
  • the technical conversion of the actually offered solar energy E stat into the three types of use at any time of the actual offer takes place on the basis of the predictions of the offer and use by means of corresponding actuation and adjustment of the collector control
  • the converted energy is stored in each case for hot water and / or heating energy for later use, or for direct heating, or in the form of electrical energy directly to the public power grid.
  • the actual offer and the actual use are taken into account.
  • the consumption of hot domestic water is given top priority when estimating the demand, then the heating of rooms where this is necessary (living rooms), thirdly the generation of electricity, fourth the heating of cellars or similar and with last priority, and only with purely photothermal old systems, the dissipation of excess heat without direct use.
  • the system enables operations to be controlled with other priorities. All determined consumption data are saved in the archive memory of the control computer as a function of time (date and time).
  • the current and short-term (one to two days) and medium-term (three to four days, up to one week) expected solar energy supply are determined or estimated and taken into account when controlling the system.
  • Various information is processed in the control computer.
  • these are constant parameters, such as the geographic location coordinates, the orientation of the collector system to the surface of the earth, the characteristic data of the system (collector area, efficiency, storage volume, etc.).
  • changeable parameters the chronological course of which is only for short periods (a few days) and with finite Accuracy can be predicted, such as the weather expected in the short and medium term.
  • the parameters of the expected consumption and the expected supply as a function of time, as well as the heat energy supply determined by measurement and its temperature are used in the control computer in a technically known manner in order to optimize the control of the entire system.
  • the goal is to convert as much solar energy into heat energy as possible and only switch to conversion into electrical energy if the supply and demand for thermal energy are the same in the current, short and medium term, or if the demand is not met, the capacity of the Memory is exhausted.
  • the technique of artificial neural networks (KNN) is preferably used.
  • Input data are the parameters mentioned above for determining supply and demand.
  • Output parameters are estimates of the supply and consumption in the short and medium term, from which in turn control signals are derived. Actuate the control signals z. B.
  • the system therefore maintains the temperature and its stratification, as well as the amount of warm drinking water in the storage container for certain selectable periods within certain predetermined limits. If the limits are exceeded, the system carries the excess thermal energy if necessary, directly to the heating system or indirectly via a buffer store provided for heating purposes. If the demand for heating energy is met, or the storage is full, or no heating energy is required, and the hot water demand is saturated or can be provided for the intended period of time, the system switches to the operation of the solar-electric energy collection. As is usual at KNN, the system is continuously trained using the "error backpropagation" method to optimally take into account the specifics of supply and consumption of each individual system.
  • the process also takes into account the radiation-dependent efficiencies of the collector systems. In situations where the hot water requirement is not covered, but the efficiency of the photoelectric collectors is greater than that of the photothermal ones, the photoelectric ones are used. These provide electrical energy even in low sunlight, while z. B. the temperature increase in the thermal collector can be uselessly small because it is below the current storage temperature.
  • the forecast of the energy supply is essentially created via the weather forecast (e.g. German Weather Service), as well as via geographical (location, orientation of the collectors) and temporal data (season, time of day).
  • the forecasts are updated regularly and dynamically in line with the situation.
  • B. updated once a day, in an unstable situation (unstable weather) is updated more often.
  • the check is carried out with the data of the measuring systems belonging to the system.
  • the usage prediction is derived from their observation, for which purpose individual usage habits of all users are recorded. A regular update is carried out to take account of fluctuations in time (e.g. seasonal) and changes in usage habits consider.
  • the system is trained for this. During the training at the beginning of operation and also in later training phases to update usage behavior, the number and identity of the users are entered into the system. In particular, immediately before the use of large amounts of warm water (for bathing, showering, washing hair), the current users are made known to the system (identification) and the energy usage quantities then determined are assigned to the identity. In this way, a user-related prediction is possible, for which the presence and absence of individual users is made known to the system with identity.
  • control consists of an arrangement which is shown schematically in FIG.
  • the control computer 1, e.g. B. in the form of a PC has the archive memory and also provides the date and time. It is connected to the following subunits via interfaces: the interactive input unit 24, the automatic input / output unit 25, the Internet connection 26, the output unit 27, the display unit 28 and the artificial neural network, KNN 29.
  • the core of the actual control is the artificial neural Network that derives optimal timing and control functions for the systems for energy conversion and storage from the multitude of input parameters to be taken into account (weather forecast, usage forecast, current weather and usage data).
  • the entire system can be integrated into a central home computer. Alternatively, parts can be created decentrally and z. B. communicate via radio (WLAN) or wire with a central computer.
  • the central computer can in this case, for. B. contain the interactive input unit (keyboard).
  • the user Via the interactive input unit 24, the user transmits usage-specific data and their changes to the control computer 1.
  • usage-specific data are, for example, the number and identity of the users present N, (the identity includes gender and date of birth as well as occupational information - working, half-day, full-time or not, students etc. and is used to identify and take into account individual usage habits for hot water and heating energy) as a function of the calendar time t (exact date, over days, months, during the year).
  • B. vacation trips and other absences as well as guests etc. are taken into account.
  • this data is entered in advance, at least several days in advance.
  • K (k element of the set of natural numbers) different water temperatures T wk (t ) in different layers of the storage tank, flow and return temperature of the brine circulating in the thermal collector system T Sv (t), T Sr (t), outside air temperature T L (t), solar radiation L SOL (t), also wind speed v w (t ) and direction ⁇ w (t), air pressure p (t), current Iso ⁇ . (t) and voltage Uso_ (t) at the output of the photovoltaic solar collectors, etc., each as a function of time t.
  • thermostats are installed in the living rooms to be heated with thermal solar energy, of which the target and actual temperatures T Rso n (t), T Rist (t) are given to the control computer 1 via the automatic input / output unit 25 will.
  • the latter also flow into the review of the predicted use described above (also in the training to improve system operation), otherwise the data serve to determine the actual amount of solar energy E Stat (t) and the actual use of thermal energy E ⁇ ta t (t) for the hot water preparation E T w ta t (t) and the heating E TH ta t (t) as well as the actually offered excess energy of solar energy E s (t), which after conversion in the photoelectric collector as an offer of solar electrical energy E E (t) ins Power grid can be fed, each as a function of time t.
  • the amount of heat Q w present in the store is calculated from the measured temperatures T wk (t) and the known storage parameters, such as the amount of water and the position of the temperature sensors. The following applies:
  • E ⁇ tat (t) E ⁇ mat (t) + E T Htat (t) (6)
  • E TW tat (t) and E TH tat (t) When determining E TW tat (t) and E TH tat (t), the capacity and losses of the hot water tank as well as losses of the heating energy due to the house insulation are taken into account, the latter taking into account the current weather data and the weather forecast described below (outside temperature, wind, solar Irradiation, etc., from which heat losses through the outer shell of the house can be determined).
  • the input takes place in dynamically adapting intervals.
  • the system uses repeated, continuous queries to determine how much each parameter changes. If it remains constant, there is no data transfer. Exceeds the change a predetermined threshold value, the measurement data are adopted.
  • the intervals of the continuous query are adapted to the currently expected rates of change for each specific parameter. If a parameter changes quickly, e.g. If, for example, the solar radiation in cloudy, windy weather, the parameter is queried in short time intervals (minutes or a few seconds) (in this example also the flow and return temperature of the brine), it changes slowly, as is usually the case with air pressure is queried in long time intervals (e.g. in hours).
  • the polling intervals are dynamically adjusted; they are shortened when it is determined that the rate of change increases and lengthens when it changes.
  • the weather forecast data e.g. B. the German Weather Service, queried and entered. These are the predicted outside temperature T Lvor (t), radiation intensity (power) of the sun on the ground or on the collector I Svo r (t), degree of cloudiness, wind direction / speed ⁇ Wvor (t), v Wvor (t). Air pressure p (t) as a function of the time of day.
  • the geographic parameters location, orientation of the collectors to the sun), as well as the efficiency of the collectors and other required system parameters (storage capacity, heat loss parameters of the building, etc.) are entered into the system at installation.
  • the computer provides the date and time. On the one hand, these data serve to determine the predicted supply of solar energy E Avor (t) as a function of time t.
  • the expected surplus i.e. the expected supply of surplus
  • the expected surplus also becomes available energy e PLU s vo r (t) as a function of time t determined, especially the geographical and other system parameters are considered:
  • EsPLUSvor (t) E Svor (t) - E ⁇ vor (t) (9) It is the task of the controller to distribute the supply of solar energy to the three types of demand, hot water, heating, and electrical power with optimal efficiency, i.e. to serve the demand for hot water with the highest priority, the second priority is the need for space heating, and lastly the generation of electricity , as a pure excess use, ie the electricity requirement is not used as a control variable.
  • Equations (10) to (13) are to be fulfilled by the KNN using the measurement and input data.
  • the KNN is trained in a technically known manner, the accuracy of the system being increased by means of repeated training phases during the operating period. If equations (10) to (13) are fulfilled, three different cases are possible, which result in a correspondingly adjusted control:
  • the system is controlled in such a way that the expected integral use (demand) of hot water E T wvor and heating E THV O ⁇ follows the current course of time the usage-based, timely division is covered.
  • the residents' time consumption habits are taken into account. For example: If there are people in the house during the day in winter, the heating requirement is already served in the morning, even if the hot water requirement (which is highest in the evening or morning) has not yet been met - as long as it can be expected that it will still be during the day can be covered. If people are in the house only in the evening and at night, as well as in the early morning, the space heating can also be reduced during the day, the demand for hot water can be covered faster and the heating increased in the afternoon.
  • the input variables for the KNN are the predicted and the actual energy parameters as a function of time.
  • the input variables for the KNN are the predicted and the actual variables and measurement parameters that are input via the interfaces (interactive input unit, automatic input / output unit, internet connection), i.e. weather data, usage parameters, temperatures in the system, etc.
  • the system and the control are also designed in such a way that, above all, the demand for primary hot water and heating energy are avoided.
  • a shortage of the hot water requirement is avoided by making small excess quantities available for safety in the hot water tank.
  • This hot water tank also serves as a buffer, from which, if necessary, energy for space heating can be drawn if an excess of hot water is detected.
  • it is provided to provide storage capacity for space heating, which makes it possible to use energy collected during the hours of sunshine for space heating in the sunless times of the day. Correspondingly large memories are provided for this.

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Abstract

In einer gemeinsamen Kollektorvorrichtung sind Kollektoren (61) von photothermischem Typ und Kollektoren (62) von photovoltaischem Typ miteinander vereinigt, wobei Anteile der photothermischen Energie und der photovoltaischen Energie variiert werden können. Hierzu sind die Kollektoren z. B. in Form von Lamellen angeordnet, die nach Art einer Jalousie verstellt werden können, um entweder die einen oder die anderen Kollektoren der Sonnenstrahlung auszusetzen. Ein Verfahren zur Verteilung der Energie einer Energiebereitstellungsanlage auf die drei Energienutzungsarten : Heizung, Warmwasser und Stromerzeugung sieht vor, dass anhand einer Vorhersage der zeitlichen Verfügbarkeit der Menge an solarer Energie unter Einbeziehung von Wetterdaten und einer Vorhersage der Nutzung jeder der drei Energienutzungsarten anhand von Erfahrungswerten eine derartige Aufteilung der angebotenen Energie in Nutzung, Speicherung oder Umwandlung in eine andere Energieart erfolgt, dass der Nutzungsgrad der Energieerzeugungsanlage maximiert wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur technischen Nutzung von Sonnenenergie
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur technischen Nutzung von Sonnenenergie, insbesondere für Heizungszwecke in Kleinanlagen zur Beheizung von Wohnhäusern.
Die technische Nutzung von Sonnenenergie wird einerseits mit Großanlagen im industriellen Rahmen und andererseits mit kleinen Systemen im privaten betrieben. Kleinanlagen sind entweder photovoltaische zur Stromerzeugung oder photothermische zur Erzeugung von Warmwasser. Dabei beträgt der Wirkungsgrad der Umsetzung der Sonnenstrahlung in thermische Energie 60 % bis 70 % bei der Umsetzung in elektrische Energie 10 % bis 25 % (10 % bei preiswerten amorphen Silizium-Solarzellen, 20 bis 25 % bei teuren, photovoltaischen- mehrschichtigen Gallium-Arsenid-Zellen). Die Kosten für Anschaffung und Betrieb, sind gegenwärtig für photothermische Anlagen geringer als für photovoltaische. Aus Wirkungsgrad und Kosten ist auf eine Überlegenheit der photothermischen Anlagen zu schließen.
Zur genaueren Beurteilung wird nachfolgend die Nutzung der gesammelten Energie betrachtet. Dazu wird hier der Begriff des Wirkungsgrads der Nutzung eingeführt, als Verhältnis von genutzter zur vom Solarsystem bereitgestellten Energie.
Bei photovoltaischen Systemen ist die Bereitstellung vollständig von der Nutzung durch den Anlagenbetreiber entkoppelt: die elektrische Energie wird ins öffentliche Stromleitungsnetz eingespeist und steht allen angeschlossenen Nutzern zur Verfügung. Der Anlagenbetreiber enthält eine finanzielle Vergütung. Sieht man von Verlusten im Leitungsnetz ab, so beträgt der Wirkungsgrad der Nutzung 100%.
Die von photothermischen Systemen bereitgestellte Energie wird beim Anlagenbetreiber in Form erwärmten Wassers gespeichert und steht nur diesem selbst zur Nutzung zur Verfügung. Der Wirkungsgrad ihrer Nutzung hängt von der optimalen Anpassung dreier Einflussgrößen ab: dem zeitlich variierenden Angebot der Sonne, der Kapazität und den Verlusten des Speichers und den Nutzungsgewohnheiten des Betreibers. Sie wird einerseits von den angebotenen/gespeicherten Energiemengen und andererseits vom Grad der zeitlichen Übereinstimmung von Bereitstellung und Nutzung (Energieabnahme) beeinflusst.
Mit zunehmender Entfernung vom Äquator liegt auf der Erde naturbedingt eine zeitliche Fehlanpassung von Angebot und Nutzung vor: im sonnigen Sommer ist die einfallende Sonnenenergie am höchsten, der Warmwasserbedarf in Privathaushalten am geringsten, im Winter ist es umgekehrt (Hauptangebotszeit: Sommer, Hauptnutzungszeit: Winter). Ein Ausgleich dieser Fehlanpassung erforderte die Speicherung großer Wärmemengen über lange Zeiträume (Monate). Das ist mittels Latentwärmespeichern zwar technisch sogar verlustfrei möglich. Es wären aber sehr große Speicher erforderlich, wollte man bedarfsdeckend arbeiten und Angebot und Nutzung der Wärmeenergie vollständig entkoppeln. Derartige Anlagen sind gegenwärtig nicht wirtschaftlich und werden daher nicht verwendet.
Darüber hinaus sind in mittleren und nördlichen Breiten die kurz- und mittelfristigen Änderungen der Sonneneinstrahlung wetterbedingt sehr ausgeprägt. Es gibt Perioden tagelangen Sonnenscheins, sowie solche tagelanger Bewölkung. Nur bei Sonnenschein ist der Betrieb solarthermischer Anlagen effizient. Während also kein kontinuierliches Angebot an Sonnenergie vorliegt, ist aber der Bedarf an Warmwasser in den betrachteten Zeiträumen der Wetteränderungen als weitgehend kontinuierlich anzusehen. Auch auf dieser zeitlichen Ebene liegt eine Fehlanpassung von Angebot und Bedarf vor, weshalb zur Überbrückung von Schlechtwetterperioden daher Pufferspeicher erforderlich sind.
Aus Kostengründen werden in der Praxis in Kleinanlagen Speicher verwendet, die den Bedarf von zwei bis drei Tagen bevorraten können und Kollektoren mit einer Fläche, die in den Sonnenscheinmonaten den Bedarf der Betreiber für ein bis zwei Tage decken können. Die dargestellte wetter- und jahreszeitlich bedingte Fehlanpassung führt dabei immer wieder zu Phasen der Unterversorgung und der Überversorgung. Ersterer wird durch kostenwirksame Zusatzheizung begegnet, letzterer, indem die Anlage bei einer bestimmten Speichertemperatur (zwischen 50 0C und 70 0C abschaltet, um einem Verkalken der Speicherbehälter vorzubeugen oder gar ein Kochen des Wassers zu vermeiden. Der Kollektor wird dann bei andauernder Sonnenbestrahlung sehr heiß, der Druck im Leitungssystem steigt. Bei ausreichend hoher Temperatur verdampft die Sole (die Wärmeträgerflüssigkeit der Solaranlage), der Dampf entweicht durch ein Überdruckventil oder, wenn dieses nicht vorhanden ist, durch Verschraubungen, die dem Druck nicht Stand halten. Bei ausreichend hohem Verlust der Sole arbeitet die Anlage nicht mehr, es muss Sole relativ teuer eingekauft und nachgefüllt werden, was die Wirtschaftlichkeit der Anlage stark beeinträchtigt. Der Ablauf kann sich mehrmals im Jahr wiederholen, bis in die sonnenarme Zeit hinein. Die Überhitzung tritt immer auch in Zeiten ohne Warmwasserentnahme ein, nämlich wenn die Betreiber längere Zeit nicht anwesend sind, z. B. wenn sie auf Reisen sind (Sommerurlaub). Dann sind auch Anlagen mit sehr kleinen Kollektorflächen betroffen.
Insgesamt können daher gegenwärtig solarthermische Kleinanlagen nur weit unterhalb ihres energetischen Potentials genutzt werden.
Darüber hinaus sind die Kollektoren (elektrische und thermische) von Kleinanlagen in aller Regel starr montiert und ihre Ausrichtung zur Sonne ist durch die jeweilige Dachneigung (Elevation) und Dachorientierung zur Himmelsrichtung (Azimut) bestimmt. Eine optimale Nutzung der Sonnenenergie ist aber nur dann gegeben, wenn die Sonnenstrahlung zu jedem Zeitpunkt senkrecht auf die Kollektoroberfläche fällt.
Als nachteilig wird angesehen, dass es bisher keine wirtschaftlich vertretbare technische Lösung für das Problem der Fehlanpassung von Angebot der Wärmeenergie photothermischer Kollektoranlagen und dem Bedarf ihrer Nutzer gibt und -dass deshalb die Nutzbarmachung des hohen Wirkungsgrads dieser Systeme nicht realisierbar ist. Ein weiterer Nachteil ist der im Sommer wiederholt auftretende Verlust von Sole bei Überhitzung solarthermischer Anlagen und die deshalb notwendige Nachfüllung, wodurch beträchtliche Kosten entstehen, die die Wirtschaftlichkeit dieser Systeme stark beeinträchtigen. Es wird ferner als nachteilig angesehen, dass photovoltaische im Vergleich zu photothermischen Solaranlagen einen geringen Wirkungsgrad aufweisen, der hohe Wirkungsgrad der photothermischen in Kleinanlagen aber nicht optimal genutzt werden kann, weshalb die Installation solarelektrischer Anlagen zur Zeit bevorzugt wird. Mit diesen Anlagen kann nur ein sehr geringer Teil der zur Verfügung stehenden Solarenergie genutzt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur technischen Nutzung von Sonnenenergie mittels Solarkollektoren zu schaffen, mit der eine Steigerung des Wirkungsgrads der Nutzung vor allem dezentraler Kleinanlagen erreicht wird. Außerdem soll die Gefahr von Beschädigungen durch Überhitzung wirksam vermieden werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Hiernach ist die photothermische Kollektoranlage bezüglich der Gesamtheit der angeschlossenen Verbraucher überdimensioniert. An den zugehörigen Speicher ist außer den zu versorgenden Verbrauchern ein Überschusswärmetauscher angeschlossen, der im Falle eines die Verbrauchernachfrage übersteigenden Überangebots an Sonnenenergie, die überschüssige Wärme abführt.
Die Erfindung geht davon aus, dass eine schulmäßige Dimensionierung des photothermischen Kollektors und des Speichers normalerweise unter Berücksichtigung des maximalen Wärmebedarfs aller Verbraucher und der maximal zulässigen Temperatur des Wärmeübertragungsmediums erfolgt. Von dieser Regel weicht die Erfindung ab, indem sie eine Überdimensionierung der photothermischen Kollektoranlage und eventuell auch des Speichers vorsieht.
Die erfindungsgemäße Solarkollektoranlage ist so ausgelegt, dass sie den Bedarf der Betreiber/Anwender in den sonnenarmen Jahreszeiten (Herbst, Winter, Frühjahr) möglichst weitgehend decken. Dazu werden unter Verwendung von Berechnungsverfahren die Kollektorflächen entsprechend groß dimensioniert. Zur Speicherung der Wärmeenergie wird ein technisch bekannter Warmwasserspeicher verwendet. Um wetterbedingte Schwankungen der Sonneneinstrahlung (über einige Tage) auszugleichen, wird dieser Speicher großzügiger als bisher üblich dimensioniert (z. B. 2000 I Wasser, oder mehr, für einen Haushalt mit 3 - 4 Personen). Um Überhitzungen und dadurch mögliche Schädigungen der Anlage in der sonnenreichen Jahreszeit (Sommer) zu vermeiden, wird erfindungsgemäß an geeigneter Stelle im System ein Überschusswärmetauscher vorgesehen, der die Aufgabe hat, im Bedarfsfall überschüssige Wärmeenergie entweder nur schadlos, oder sogar nutzbringend abzuführen. Dieser Überschusswärmetauscher wird in einer bevorzugten, nutzbringenden Ausführungsform als Heizkörper in einem geeigneten Raum des Hauses ausgeführt, das heißt in einem Raum, dessen Heizung auch im Sommer wünschenswert ist. Geeignet sind grundsätzlich Kellerräume (in denen keine Nahrungsmittel gelagert werden), wie z. B. Waschküchen und Räume zur Wäschetrocknung, oder Hobbyräume/Werkstätten. Gerade im Sommer trocknet Wäsche in Kellerräumen nur langsam, weshalb häufig elektrische Wäschetrockner verwendet werden, die viel Energie benötigen. Werden die Räume dagegen solarthermisch geheizt, trocknet die Wäsche schnell und ohne zusätzlichen Einsatz elektrischer Heizenergie. Ferner bleibt der Trockenraum selber trocken. Darüber hinaus ist es grundsätzlich von Nutzen, Kellerräume im Sommer zu heizen, denn ungeheizt werden sie leicht feucht (Kellerwände und Boden sind kühl, die Außenluft hat wegen der höheren Temperatur eine höhere Feuchte - kommt Außenluft in den Keller, so kondensiert die Luftfeuchte an Boden und Wänden. Als Konsequenz wird und bleibt der Keller feucht und muffig.)
Die Anlage ist erfindungsgemäß mit entsprechenden Wärmetauscherkreisläufen, Regelkreisen und Stellgliedern versehen, die es ermöglichen, bei Erreichen der vorgegebenen Wassertemperatur im Speicher, automatisch die weitere Solarwärme in den Überschusswärmetauscher zu leiten.
In diesen Wärmetauscherkreislauf wird auch der Heizkessel der in der Regel vorhandenen konventionellen Heizanlage mit einbezogen. Damit wird erreicht, dass die Temperatur im Kessel zum Schutz vor Korrosion über dem Taupunkt bleibt, was ansonsten regelmäßige kurze Feuerung des Kessels (auch im Sommer) erfordert. Ferner ist es vorgesehen, die Überschusswärme in den konventionellen Heizkreislauf der Wohnräume (z. B. Fußbodenheizung oder Heizkörpersystem) zu leiten, wofür auch hier entsprechende Rohrleitungen, Regelkreise und Stellglieder vorhanden sind. Damit wird es möglich, z. B. in der Übergangszeit und im Winter den Wohnräumen solare Überschusswärme zuzuführen. Somit wird eine noch effizientere Nutzung der Solarwärme erreicht. Die Regelanlage sorgt in technisch bekannter Weise dafür, dass die gewünschte Temperatur im Wasserspeicher (von z. B. typischerweise 50 0C) nicht über- und nicht unterschritten wird. Durch die Erfindung wird somit ein integriertes duales Versorgungssystem für Heiz- und Brauchwasser in Wohnhäusern geschaffen, das durch optimale Nutzung photothermischer Sonnenenergie den Einsatz anderer Energieträger minimiert. Um einen möglichst großen Nutzen in der sonnenarmen Jahreszeit zu erzielen, werden große Kollektorflächen dadurch geschaffen, dass die gesamte geeignete Dachfläche mit photothermischen Solarkollektoren bedeckt wird. Insbesondere für „Minimalenergiehäuser" mit Wärmerückgewinnung ist die Erfindung zur Ganzjahresheizung geeignet. In der sonnenarmen Jahreszeit (Heizperiode) wird die Überschusswärme nutzbringend zur Heizung der Wohnräume des Hauses verwendet. Eine Heizung von Kellerräumen ist zu dieser Zeit nicht notwendig, da die Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsverhältnisse im Winter ein Feuchtwerden verhindern.
Als Überschusswärmetauscher kann auch ein Wärmetauscher im Erdreich des Hauses eingebaut werden. Bei dieser letzten Lösung würde die überschüssige Wärmeenergie zwar schadlos, aber auch ohne direkten Nutzen abgeführt. Der indirekte Nutzen besteht darin, dass ein Überhitzen der Anlage und Verlust von Sole vermieden wird.
Die vorstehend genannten Verfahren zur Vermeidung von Überhitzung und Verlust von Sole sind insbesondere auch zur Nachrüstung bei bestehenden Anlagen geeignet. Unabhängig von diesem ersten Aspekt betrifft die Erfindung den nachfolgend erläuterten zweiten Aspekt.
Gemäß dem zweiten Aspekt ist eine Vorrichtung zur technischen Nutzung von Sonnenenergie vorgesehen, die sowohl photothermische Kollektoren zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluids, als auch photovoltaische Kollektoren zur Erzeugung elektrischer Energie enthält. Die photothermischen und die photovoltaischen Kollektoren sind jeweils auf einer definierten gemeinsamen Empfangsfläche derart gekoppelt, dass der eine Typ von Kollektoren in dem Maße der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, in dem der andere Typ abgeschattet ist. Die Kollektoren sind in Kollektorfeldern angeordnet, mit denen sich große Empfangsflächen realisieren lassen, beispielsweise als Bedachung von Häusern. Die Empfangsflächen oder -felder können aus übereinander angeordneten Kollektorebenen aufgebaut sein. Hierbei besteht die untere Ebene aus einer Anordnung photothermischer Kollektoren. Die obere Ebene enthält photoelektrische Kollektoren.
Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist die obere Kollektorebene in Form eines Lamellenfeldes gestaltet, vergleichbar mit dem Aufbau und der Funktionsweise von Sonnenschutzjalousien. Die Lamellenfelder können wie Jalousien geschwenkt und mit ihrer Fläche mehr oder weniger der Sonne ausgesetzt werden und dabei gleichzeitig weniger oder mehr Sonnenlicht auf die darunter liegende photothermische Kollektoranordnung hindurch lassen. Die Lamellen selbst sind in Form photoelektrischer Kollektorelemente gestaltet. Eine vorzugsweise motorgetriebene Einstellung der Lamellen erlaubt eine stufenlose Aufteilung der Sonnenstrahlung zwischen beiden Kollektorebenen und -arten. Bei ganz geschlossenen Lamellen fällt die gesamte Strahlung auf diese mit ihren oben liegenden photoelektrischen Kollektorelementen und es wird ausschließlich in elektrische Energie gewandelt. Bei in Richtung des Sonneneinfalls aufgestellten Lamellen fällt alles Licht auf den unten liegenden photothermischen Kollektor und wird in thermische Energie umgewandelt (am Tage trifft in dieser Stellung auch Himmelslicht auf den photoelektrischen Kollektor, und wird in geringe Mengen elektrischer Energie umgewandelt). Es ist vorgesehen, die Lamellen in ihrer jeweiligen Stellung kontinuierlich dem Lauf der Sonne nachzuführen, so dass die Lamellen in Bezug auf eine Richtung entweder immer senkrecht zu Sonne oder in Richtung der Sonne stehen.
Alternativ ist vorgesehen, die Lamellen, die auf der Oberseite die solarelektrischen Kollektorzellen enthalten, auf der Unterseite verspiegeln und ihre Einstellvorrichtung so zu gestalten, dass nicht nur die Ausrichtung der Oberseite zur Sonne möglich ist, sondern auch die kontinuierliche Einstellung derart, dass die spiegelnde Unterseite die Sonnenstrahlung auf das unten liegende thermische Kollektormodul lenkt. Damit ist es auch hier möglich, in Bezug auf eine Richtung einen senkrechten Strahlungseinfall zu erzielen.
Um einen senkrechten Strahlungseinfall in beiden Richtungen (Azimut und Elevation) zu erreichen, werden zwei Möglichkeiten vorgesehen:
1. Die ganze vorstehend beschriebene Anordnung wird auf einer beweglichen Trägerstruktur montiert, welche kontinuierlich mittels Motorsteuerung eine optimale Ausrichtung zur Sonne beider Kollektorarten senkrecht zur Bewegung der Lamellen ermöglicht.
2. Die Lamellen werden unterteilt, so dass eine schachbrettartige Struktur entsteht, deren Felder synchron in zwei zueinander senkrechten Richtungen geschwenkt werden können.
Zum Schutz insbesondere der Verstellvorrichtungen der Lamellen können Teile oder die gesamte Kollektoreinrichtung in geeigneten Gehäusen untergebracht werden - im Fall der gesamten Anlage, hat das Gehäuse die notwendigen strahlungsdurchlässigen Fenster aus Glas oder geeignetem Kunststoff. In einer anderen möglichen Ausführungsform wird wiederum eine Kollektoranordnung in zwei Ebenen geschaffen. Photoelektrische Kollektoren werden sowohl beweglich, als auch fest aufgebaut, während die photothermischen fest montiert sind. Dazu werden Kollektormodule handhabbarer Größe geschaffen, die jeweils aus einer photothermischen und zwei photovoltaischen Kollektoreinheiten bestehen, die dieselbe Form und Fläche haben. Die photothermische Einheit und eine der photovoltaischen werden auf einem gemeinsamen Montagerahmen unmittelbar nebeneinander auf der unteren Ebene ortsfest montiert. Die zweite photovoltaische Einheit wird an dem Montagerahmen des Moduls mit einer entsprechenden Vorrichtung so montiert, dass sie verschiebbar oder schwenkbar ist und alternativ in der zweiten Ebene in geringem Abstand direkt über der ersten photovoltaischen Einheit, oder direkt über der photothermischen Einheit positioniert und mittels eines Verriegelungsmechanismus festgestellt werden kann, dergestalt dass sie diese (erste photovoltaische Einheit, bzw. die photothermische Einheit) genau überdeckt und von der Sonne abschirmt. Somit ist es möglich, entweder nur die beiden photovoltaischen Einheiten der Sonne auszusetzen, oder nur eine photovoltaische und die photothermische. Eine stufenlose Verschiebung ermöglicht auch hier eine variable Verteilung der Sonnenstrahlung, allerdings nur zwischen den beiden Extremen 50 % bis 100 % Strahlung auf den photoelektrischen Kollektor, bei gleichzeitig 50 % bis 0 % auf den photothermischen.
In einer weiteren Ausführungsform arbeitet ein modulares Kollektorsegment auf einer Seite photothermisch und auf der anderen Seite photovoltaisch. Durch einen entsprechenden Schwenkmechanismus wird die gewünschte Seite der Sonne zugewandt, die andere ist dann im Schatten. Die Kollektoren sind dazu auf entsprechenden Halterungen montiert und mit flexiblen Zuleitungen versehen (flexible Stromleitungen für die photoelektrischen, bzw. flexible Hydraulikschläuche für die photothermischen). Bevorzugt wird eine solche Anordnung in einer Lamellenform aufgebaut, ähnlich der oben dargestellten. Eine bevorzugte Kollektoranordnung ist die thermisch/elektrisch kombinierte mit starren thermischen Kollektoren in der unteren Ebene und einstellbaren elektrischen in der Ebene darüber, in Form der beschriebenen Lamellen. Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrads des gesamten Systems, vor allem aber des solarthermischen Teils sind vier mögliche Montage- und Betriebsweisen vorgesehen:
1. die Kollektormodule sind auf schwenk- und drehbaren Halterungen montiert, die über vorzugsweise Elektromotoren und gesteuert vom Steuerrechner fortlaufend für eine optimale Ausrichtung der Module zur Sonne in Elevation und Azimut sorgen.
2. Die Lamellen, die auf der Oberseite die solarelektrischen Kollektorzellen enthalten, sind auf der Unterseite verspiegelt. Ihre Einstellvorrichtung erlaubt einerseits die optimale kontinuierliche Ausrichtung der Oberseite zur Sonne, andererseits die kontinuierliche Einstellung auch derart, dass die spiegelnde Unterseite die Sonnenstrahlung auf das unten liegende thermische Kollektormodul lenkt. Diese Optimierung ist nur in einer Richtung möglich, je nach Orientierung der Lamellen entweder in Azimut oder in Elevation.
3. Unter Berücksichtigung aller Einflussparameter und gegebenenfalls ihrer zeitlichen Jahresverläufe, wie Standort, Angebot (Strahlungsleistung), Nachfrage, Kollektorwirkungsgrade, Möglichkeit die Orientierung der solarelektrischen Lamellen zu verstellen, Heizkosten, Einspeisevergütung für Strom, etc., wird eine für ein gesamtes Jahr ertrags- bzw. kostenoptimale Orientierung der solarthermischen Module in Azimut und Elevation ermittelt und diese entsprechend montiert. 4. Es wird die schachbrettartige Struktur verwendet , mit oberseitigen solarelektrischen Kollektoren, die unterseitig verspiegelt sind und darunter starr liegenden solarthermischen Kollektoren.
Zur Optimierung des Wirkungsgrades der Nutzung einer solaren Energiegewinnungsvorrichtung werden nachstehend Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung von Kollektoranlagen beschrieben, die die Verteilung der Sonnenenergie auf die beiden Kollektorarten und gegebenenfalls die Ableitung der Überschusswärme in Abhängigkeit von Bedarf und Angebot durchführen. Zentrale Einheit der Vorrichtung ist ein elektronischer Erfassungs- und Steuerrechner (nachfolgend „Steuerrechner" genannt) mit Speicher und Eingabeschnittstellen zur automatisierten und/oder interaktiven Eingabe von Daten, wozu auch ein Internetanschluss gehört, sowie Ausgabeschnittstellen zur Ausgabe von Steuerbefehlen an die Solarkollektor- und Warmwasseranlage, sowie Meldungen an eine Anzeigeeinrichtung (Benutzerkonsole).
Der Speicher dient der Bereitstellung angebots- und verbrauchsrelevanter Daten, z. B. der Uhrzeit, einem Kalender (mit regionalen Besonderheiten wie Feiertagen), standortrelevanten Klima- und Wetterdaten (Sonnenscheindauer, saisonalen Temperaturverläufen, etc.) und der Anlagenhistorϊe (Aufzeichnungen von tatsächlichem Angebot und Verbrauch und des Standortwetters und aller sonstigen Parameter seit Bestehen der jeweiligen Anlage).
Eingabedaten sind z. B. Informationen über den Wasservorrat (Menge, Temperatur, aktuelle Entnahmemengen), den Bedarf (individueller Verbrauch), das Angebot an Sonnenenergie (aktuelles Wetter, Wettervorhersage)/welche online über den Internetanschluss automatisch abgefragt und eingegeben werden, sowie weitere Daten (aktuelle Änderungen verbrauchsrelevanter Größen wie z. B der Nutzerzahl, Urlaub, etc.)- Ausgabedaten sind z. B. Steuersignale zur Ausrichtung der Kollektoren, oder das Öffnen/Schließen von Ventilen und das Ein/Ausschalten von Pumpen, sowie Informationen für die Anlagenbetreiber. Alle zeitabhängigen Ein- und Ausgabedaten werden in einem Archiv als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Aufgabe des Verfahrens ist es, das Thermoenergϊesystem so zu steuern, dass zu jedem Zeitpunkt die zur Verfügung stehende Sonnenenergie primär in Wärmeenergie (Wärmemenge) umgewandelt wird und nur dann in elektrische, wenn der Bedarf an Wärmeenergie für einen sinnvoll überschaubaren, voraus liegenden Zeitraum gedeckt ist.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß neben der Wärmemenge auch die tatsächliche Wassertemperatur als Parameter zur Steuerung des Systems mit einbezogen. Für die verschiedenen Verwendungszwecke des warmen Wassers (Heizung, Dusche, Bad) sind unterschiedliche Mindesttemperaturen erforderlich, um einerseits die erwünschte Wirkung, andererseits ein angenehmes Befinden zu erzielen (lauwarmes Badewasser ist meist unerwünscht).
Das Thermoenergiesystem ist mit einem Messsystem versehen, welches die Ermittlung verschiedener seiner Zustandsgrößen ermöglicht. Gemessen werden Temperaturen an mehreren Stellen des Systems und Durchflussmengen im Warmwassersystem und Heizungskreislauf, ferner die solare Einstrahlung (Strahlungsleistung) am Kollektorsystem, die Außentemperatur, die relative Luftfeuchte, sowie die Windgeschwindigkeit und -richtung.
Die Temperaturmessung im Wasserspeicher erfolgt an mehreren Stellen dergestalt, dass der Verlauf der thermischen Schichtung des Wassers erfasst wird und eine Berechnung der enthaltenen Wärmemenge unter Einbeziehung der enthaltenen, bekannten Wassermenge zu jedem Zeitpunkt möglich ist. Bei Entnahme wird die Menge und Temperatur des den Speicher verlassenden Wassers gemessen, sowie die Temperatur des nachlaufenden. Aus diesen Daten werden die jeweiligen Veränderungen der gespeicherten Wärmemenge bestimmt und der aktuelle Vorrat, sowie die aktuelle Entnahmetemperatur ermittelt. Messungen im Vorrat und der Entnahme werden laufend aktualisiert. Unter Berücksichtigung der aktuellen, kurz-, mittel-, und der historischen Verbrauchswerte wird daraus bestimmt, wie lange der Vorrat die Entnahme bei einem bestimmten Temperaturniveau ermöglicht. Alle Messdaten werden im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Es ist vorgesehen, eine Speicherkaskade in Form mehrerer hintereinander geschalteter Wasserbehälter geringen Volumens von einigen 100 I Wasser zu verwenden. Diese werden nacheinander erwärmt (beladen) und genutzt (entladen). Das führt dazu, dass die Temperaturen in der einzelnen Behältern unterschiedlich hoch sind, und bei geringerem Sonnenschein die kühleren, bei stärkerem die wärmeren beladen werden können.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Verteilung der Energie einer Energiebereitstellungsanlage auf die drei Energienutzungsarten: Heizung, Warmwasser- und Stromerzeugung.
Aufgabe des Verfahrens ist es, das Angebot solarer Energie auf die drei Nachfragearten mit optimalem Wirkungsgrad zu verteilen, wobei der Bedarf an Warmwasser die höchste Priorität und der Bedarf an Raumheizung die zweite Priorität hat. Die Stromerzeugung hat überhaupt keine Priorität weil es sich hierbei um eine reine Überschusseinleitung in das Stromnetz handelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Anspruch 11 bezeichnet. Es sieht vor, dass anhand einer Vorhersage der zeitlichen Verfügbarkeit der Menge an solarer Energie unter Einbeziehung von Wetterdaten und einer Vorhersage der Nutzung jeder der drei Energienutzungsarten anhand von Erfahrungswerten eine derartige Aufteilung der angebotenen Energie in Nutzung, Speicherung oder Umwandlung in eine andere Energieart erfolgt, dass der Nutzungsgrad der Energienutzungsanlage maximiert wird.
Weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 12 - 24 enthalten und ergeben sich aus der nachfolgenden Verfahrensbeschreibung.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Ein Blockschaltbild einer photothermischen Solarenergieanlage mit optimierbarem Wirkungsgrad der Nutzung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur kombinierten und gekoppelten photothermischen und photovoltaischen Sonnenstrahlungssammlung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dualen Kollektoranlage mit schwenkbaren Solarkollektor-Lamellen,
Fig. 4 eine schachbrettartige Koliektoranordnung, bei der die Kollektoren jeweils um eine Höhenachse und eine Azimutachse der Position der Sonne zweiachsig nachführbar sind,
Fig. 5 eine Ausführungsform mit einander überlagernden Kollektoren, die in unterschiedlichen Ebenen angeordnet und relativ zueinander verschiebbar sind, Fig. 6 einen dualen Kollektor mit Kollektoren unterschiedlichen Typs auf entgegengesetzten Oberflächen, und
Fig. 7 ein Diagramm des Steuerrechners, in den das erfindungsgemäße
Verfahren implementiert ist, einschließlich der zugehörigen Peripheriegeräte.
Fig. 1 enthält die Darstellung einer photothermischen Solarenergieanlage mit der Möglichkeit zur Nutzung bzw. Abführung von Überschusswärme bestehend aus einem Steuergerät 1 beispielsweise in Form eines Steuerrechners, einem mit dem Steuergerät gekoppelten Ein- und Ausgabegerät 11, beispielsweise in Form einer Rechnertastatur und eines Anzeigeschirms (Display), aus einem thermischen Solarkollektorfeld 2, welches hier durch ein Kollektormodul repräsentiert ist, einem Speichergefäß 3, einem konventionellen Heizkessel 4, einem Wärmeverbraucher als Wärmetauscher 5 in Form eines konventionellen Heizkörpers, einem Überschusswärmetauscher 9 in Form eines im Keller des Gebäudes installierten Heizköpers, sowie einer Warmwasserzapfstelle 7. Am Solarkollektorfeld 2 befindet sich ein nicht näher dargestellter Temperaturfühler zur Messung der Soletemperatur. Er ist über eine Messleitung mit dem Steuergerät 1 verbunden. Das Speichergefäß 3 enthält innerhalb seiner äußeren Umhüllung ein kleineres inneres Gefäß 31, welches mit dem Trinkwassersystem über einen Zulauf gekoppelt ist und einen Ablauf zur Zapfstelle 33 hat. Zwischen der äußeren Umhüllung des Speidiergefäßes 3 und dem inneren Gefäß 31 befindet sich Brauchwasser. Das Speichergefäß 3 bildet mittels Hin- und Rückläufen zu dem Kessel 4 und zu den Wärmetauschern 5 und 9 drei Kreisläufe, durch die das Brauchwasser, getrieben von den Pumpen 41, 51, 61, zirkulieren kann. Drei Ventile 42, 52, 62 unterstützen die Pumpen 41, 52, 62 beim Unterbrechen der Kreisläufe. Pumpen 41, 51, 61 und Ventile 42, 52, 62 werden elektrisch vom Steuergerät 1 geschaltet und sind zu diesem Zweck über Steuerleitungen mit diesem verbunden. Im Brauchwasserbereich des Speicherbehälters 3 befindet sich ein nicht näher dargestellter Temperaturfühler, der über eine Messleitung mit dem Steuergerät 1 verbunden ist. Im Brauchwasserbereich des Speicherbehälters 3 befindet sich ferner der Wärmetauscher 22 der thermischen Solarkollektoranlage, mit deren Kollektorfeld 2 er über eine Vor- und eine Rücklaufleitung für die Sole verbunden ist. Vorzugsweise in der Rücklaufleitung befindet sich eine Pumpe 23, die den Solekreislauf zwischen Kollektor 2 und Wärmetauscher 22 unterhält. Die Pumpe 23 wird wie die übrigen Pumpen 41, 51, 61 und Ventile 42, 52, 62 elektrisch vom Steuergerät 1 geschaltet und ist zu diesem Zweck über eine Steuerleitung mit diesem verbunden.
Der Temperaturfühler im Speichergefäß 3 misst die Brauchwassertemperatur, die dann vom Steuergerät 1 erfasst wird. Übersteigt sie eine vorgegebene Temperaturschwelle, schaltet das Steuergerät 1 je nach Vorgabe durch den Benutzer entweder Ventil 51 oder Ventil 61 auf und Pumpe 52 oder Pumpe 62 ein und leitet damit das heiße Brauchwasser durch die Wärmetauscher 5 oder 9. Die Vorgabe nimmt der Benutzer durch entsprechende Eingabe am Ein- und Ausgabegerät 11 vor, wo er auch die Temperaturschwelle eingeben kann. Diese wird zweckmäßig in einem Bereich gewählt, in dem kein Ausfallen von Kalk aus dem Wasser stattfindet. Zeigt die Messung des Temperaturfühlers, dass die Temperatur im Speichergefäß 3 unter die vorgegebene Temperaturschwelle gesunken ist, schaltet das Steuergerät 1 die Ventile 51 oder 61 wieder zu und die Pumpen 52 oder 62 wider ab. Der Temperaturbereich ist ferner nach oben begrenzt. Bei einem oberen Grenzwert wird der Kreislauf durch den Überschusswärmetauscher 9 geöffnet, so dass durch diesen überschüssige Wärme abgeführt wird.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur kombinierten und gekoppelten photothermischen und photovoltaischen Sonnenstrahlungssammlung. Sie ist weitgehend identisch mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung. Sie enthält aber statt des solarthermischen Kollektorfeldes ein Feld von kombiniert solarthermischen/solarelektrischen Kollektoren, von denen hier drei Module 6 dargestellt sind. Jedes Modul ist über eine Messleitung (zur Temperaturmessung) und eine Steuerleitung mit dem Steuerrechner 1 verbunden. Außerdem enthält sie einen Messsensor 21 zur Messung der solaren Einstrahlung (Strahlungsleistung). Ferner verfügt die Anlage über einen Wechselrichter 7. Dieser ist über eine elektrische Sammelleitung mit den solarelektrischen Einheiten der Kollektormodule 6 verbunden und verfügt über eine elektrische Verbindung 71 zum öffentlichen Stromnetz. Die Kollektormodule sind in zwei Ebenen aufgebaut, wobei die untere Ebene die starre solarthermische Kollektoreinheit 61 enthält, die obere die verstellbare solarelektrische, hier in Form von verstellbaren Lamellen 62. Die Einstellung der Lamellen erfolgt über Elektromotoren o. ä. Stellglieder, die hier nicht näher dargestellt sind. Diese Stellglieder werden vom Steuerrechner 1 über Steuerleitungen betätigt. Die drei dargestellten Kollektormodule zeigen drei unterschiedliche Einstellungen, die durch unterschiedliche Stellung der solarelektrischen Kollektorlamellen 62 bewirkt sind. Im linken Modul sind die Lamellen 62 aufgestellt, so dass sie selbst kein direktes Sonnenlicht empfangen. Das Sonnenlicht fällt zu Gänze auf die solarthermische Ebene der Kollektoreinheiten 61. Im rechten Modul sind die Lamellen 62 vollständig geschlossen, das Sonnenlicht fällt zur Gänze auf sie, die solarthermische Ebene der Kollektoreinheiten 61 empfängt kein Sonnenlicht. Im mittleren Modul sind die Lamellen so geneigt, dass das Sonnenlicht jeweils zur Hälfte auf beide Ebenen fällt.
In Fig. 2 nicht näher dargestellt sind die Rohrleitungsverbindungen der einzelnen Kollektormodule. Sie sind so gestaltet und mit den notwendigen Ventilen versehen (vom Steuerrechner betätigt), dass jedes Modul individuell je nach Bedarf in den Solekreislauf eingefügt oder ausgeschlossen werden kann. Alternativ kann auf diese Möglichkeit verzichtet werden, wodurch der Wirkungsgrad leidet, da dann immer alle Kollektoren von Sole durchströmt sind, auch wenn nicht auf alle Sonnenlicht fällt. Dabei geht Wärmeenergie in den nicht besonnten Kollektoren an die Umwelt verloren. Fig. 3 zeigt schematisch eine Kollektoranordnung mit einem photothermischen Kollektor 65 und zahlreichen darüber angeordneten photovoltaischen Kollektoren 66, die lamellenförmig gestaltet sind und um jeweils eine Achse 67 schwenkbar sind. Die photovoltaischen Kollektoren 66 bilden ein Lamellenfeld und sie können gemeinsam nach Art einer Jalousie geschwenkt werden, um den photothermischen Kollektor 65 entweder zu bedecken und dadurch gegenüber der Sonne abzuschatten, oder ihn der einfallenden Solarstrahlung auszusetzen. Die photothermischen und die photovoltaischen Kollektoren sind also derart gekoppelt, dass jeweils der eine Typ in dem Maße der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, in dem der andere Typ abgeschattet ist. Der photothermische Kollektor 65, der hier den Träger bildet, kann um eine Horizontalachse 68 motorisch gesteuert verschwenkt werden, um den Elevationswinkel der gesamten Kollektoranordnung entsprechend dem Sonnenstand zu verändern. Die Vertikalachse 69, die die Kollektoranordnung trägt, kann in Richtung des Pfeiles 70 verschwenkt werden, um eine Nachführung des Azimutwinkels entsprechend dem Sonnenstand vorzunehmen.
Es besteht die Möglichkeit, die Lamellen auf ihrer Unterseite zu verspiegeln und ihre Einstellvorrichtung so zu gestalten, dass nicht nur die Ausrichtung der Oberseite zur Sonne möglich ist, sondern auch die kontinuierliche Nachführung der spiegelnden Unterseite, so dass diese stets die Solarstrahlung auf den photothermischen Kollektor 65 lenkt.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 sind die Lamellen, die die photovoltaischen Kollektoren 66 bilden, unterteilt, so dass sich eine schachbrettartige Struktur ergibt. Jedes Feld 80 ist individuell um eine horizontale Höhenachse 81 schwenkbar, die der Achse 67 von Fig. 3 entspricht, und um eine senkrecht dazu verlaufende Azimutachse 82 zur Nachführung entsprechend dem Azimutwinkel der Sonne. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist ein photothermischer Kollektor 85 in einer gemeinsamen Ebene mit einem ersten photovoltaischen Kollektor 86 angeordnet. In einer Ebene über den beiden Kollektoren 85, 86 befindet sich ein zweiter photovoltaischer Kollektor 87, der in dieser Ebene verschiebbar ist. Alle drei Kollektoren haben gleiche Form und Größe. Wenn der Kollektor 87 über dem Kollektor 86 steht, werden die Kollektoren 85 und 87 von der Sonne beschienen, während der Kollektor 86 abgeschirmt ist. Auf diese Weise wird jeweils die Hälfte der Solarstrahlung von dem photothermischen Kollektor 85 aufgenommen und die andere Hälfte von dem photovoltaischen Kollektor 87. Wenn der obere Kollektor 87 über den photothermischen Kollektor 85 geschoben ist, wird die gesamte Solarstrahlung, die auf die betreffende Fläche fällt, in elektrische Energie umgewandelt. Durch Zwischenstellungen des oberen Kollektors 87 kann der Anteil der gewonnenen thermischen Energie an der Gesamtenergie stufenlos verändert werden.
Auch bei dieser Ausführungsvariante kann die Unterseite des oberen Kollektors 87 verspiegelt sein.
Fig. 6 zeigt ein Kollektormodul, bei dem ein photothermischer Kollektor 90 mit einem photovoltaischen Kollektor 91 zu einer Plattenstruktur vereinigt ist, die um eine horizontale Achse 92 schwenkbar ist, um entweder den einen oder den anderen Kollektor der Sonnenstrahlung auszusetzen. Der Kollektor 90 ist über nicht dargestellte flexible Schläuche an ein Schlauchsystem angeschlossen und der Kollektor 91 ist über flexible elektrische Leitungen an ein Leitungsnetz angeschlossen.
Nachfolgend wird das Verfahren zur bedarfs- und angebotsangepassten Steuerung einer hybriden Energiebereitstellungsanlage mit solarer Energiegewinnung beschrieben. Die erfindungsgemäße Steuerung hat allgemein die Aufgabe, den "Wirkungsgrad der Nutzung" ηN zu optimieren. Der Wirkungsgrad der Nutzung ist das Verhältnis der in einem bestimmten Zeitraum genutzten Energie EN ZU einer nicht zwangsläufig im gleichen Zeitraum angebotenen Energie EA (im Unterschied dazu bezieht der bekannte "Nutzungsgrad" Angebot und Nutzung auf denselben Zeitraum):
Figure imgf000023_0001
mit der Optimierungsaufgabe: max (ηN) (2)
Die angebotene Energie EA liegt in Form solarer Strahlungsenergie Es vor:
EA = E5 (3)
Die Nutzung erfolgt teils als thermische Energie Eτ für Warmwasser Eτw und Heizung ETH im eigenen Haus, teils als elektrische Energie EE/ die ins öffentliche Netz eingespeist wird.
Figure imgf000023_0002
Im speziellen besteht die erfindungsgemäße Aufgabe darin, die zu jedem Zeitpunkt tatsächlich angebotene Menge solarer Energie Estat(t) = EAtat (t) so mittels der Anlage zu wandeln, speichern und/oder direkt zu nutzen, dass insbesondere die zu einem späteren Zeitpunkt erfolgende tatsächliche Nutzung thermischer Energie ETtat (in Form von Warmwasser ETWtat und Heizwasser ETHtat)/ aber auch die gegebenenfalls gleichzeitig mit dem Angebot erfolgende, tatsächliche Nutzung thermischer Eτtat und außerdem elektrischer Energie EEtat Forderung (2) erfüllt. Dabei sind im Detail folgende Besonderheiten zu berücksichtigen : o die Menge angebotener Solarenergie E5 unterliegt starken zeitlichen Schwankungen und ist darüber hinaus streng mit dem Sonnenstand korreliert. o die Nutzung der beiden thermischen Energiearten Eτw und ETH ist zeitlich und mengenmäßig überwiegend weder untereinander noch mit dem Angebot korreliert und zeitlich stark schwankend. Die Nutzung warmen Wassers liegt nahezu immer zeitlich versetzt zum Angebot (um Stunden und Tage), die der Heizenergie häufig (meist um Stunden). o die Nutzung der elektrischen Energie EE ist zeitlich mit dem Angebot korreliert, jedoch abhängig vom Bedarf (von der Nutzung) thermischer Energie und diesem untergeordnet.
Erfindungsgemäß werden im Vorhinein Vorhersagen über die angebotene Energie EAVOΓ und die genutzte Energie ENvor über einen Zeitraum Δt von mehreren Tagen erstellt und mittels dieser Vorhersagen wird der Nutzungsgrad für diesen Zeitraum Δt nach (2) optimiert. Die Optimierung besteht erfindungsgemäß darin, dass zu jedem Zeitpunkt der Vorhersage die dann tatsächlich angebotene Energie JEAtat in die drei möglichen Nutzungsenergien Eτw, ETH und EE in einem Maß und Verhältnis übergeführt wird, dass der Bedarf (vorhergesagte Nutzung) an thermischer Energie E-rvor, primär an ETWvor und sekundär an ETHVOΓ, über den Zeitraum Δt so weit wie möglich gedeckt ist (unter Berücksichtigung der Speicherkapazität der Anlage für thermische Energie) und in elektrische Energie EE nur dann gewandelt wird, wenn eine weitere Wandlung in thermische Energie ETW/ und/oder ETH den Bedarf an dieser Energie für den Zeitraum Δt (unter Berücksichtigung der im gesamten Zeitraum Δt zu erwartenden Energieangebots EAvor), oder aber die Speicherkapazität übersteigen würde (Überhitzung). Wie dargestellt, ist die Umwandlung in elektrische Energie EE vollkommen unabhängig vom Bedarf des Betreibers (Einspeisung ins Stromnetz). Die Optimierung braucht daher dessen Bedarf nicht zu berücksichtigen, weshalb darüber auch keine Vorhersage gemacht wird. Allerdings wird die Kenntnis über zeitliche Strombedarfsspitzen im Netz berücksichtigt (erfindungsgemäß wird bevorzugt daher z. B. zur Mittagszeit in elektrische Energie gewandelt, weil dann besonders viel Strom benötigt wird), wenn primäre und sekundäre Optimierungsforderung (auch unter Berücksichtigung des Angebots und der Nutzung von weiter in der Zukunft liegenden Zeiträumen der Vorhersagephase Δt ) das zulassen.
Die Vorhersagen werden erfindungsgemäß ergänzt durch eine Überwachung vorhergesagter Parameter, wie z. B. Sonneneinstrahlung, daraus abgeleitet das tatsächliche Angebot solarer Energie EAtat = Estat/ die im Speicher vorhandene Wärmemenge, ihm zugeführte, sowie genutzte Wärmemenge, sowie in elektrische Energie gewandelte, solare Energie, daraus abgeleitet die tatsächlich genutzte Energie, nach Nutzungsarten getrennt. Damit wird der Vergleich Vorhersage gegen den tatsächlichen Zustand durchgeführt. Dieser dient zur Überprüfung des Funktionszustandes der Anlage sowie zur weiteren Optimierung des Betriebs, indem Korrekturen vorgenommen werden, wenn der tatsächliche Zustand von der Vorhersage abweicht.
Die Optimierung erfolgt erfindungsgemäß also mittels Vorhersagen über Energieangebot und Energienutzung und deren Überprüfung und daraus abgeleiteter Steuerung der Anlage.
Zur Vorhersage werden technisch bekannte Verfahren und Vorrichtungen verwendet, wie das Bayestheorem, die Dempster-Shafer-Theorie, das Maximum- Likelyhood-Verfahren oder Künstliche Neuronale Netze KNN.
Die Überprüfung (Ermittlung des tatsächlichen Zustands) basiert auf Messungen der relevanten Parameter. Die technische Überführung der tatsächlich angebotenen solaren Energie Estat in die drei Nutzungsarten zu jedem Zeitpunkt des tatsächlichen Angebots erfolgt auf der Basis der Vorhersagen von Angebot und Nutzung mittels entsprechender Betätigung und Einstellung der Kollektorsteuerung
(solarelektrisch/solarthermisch) sowie der zugeordneten Ventile, Pumpen und Schalter in technisch bekannter Weise durch den Steuerrechner der Anlage. Dadurch wird die gewandelte Energie jeweils Speichern für Warmwasser und/oder Heizenergie für spätere Nutzung, oder der direkten Heizung, oder in Form elektrischer Energie direkt dem öffentlichen Stromnetz zugeführt. Das tatsächliche Angebot und die tatsächliche Nutzung werden dabei berücksichtigt.
Bei erstmaliger Inbetriebnahme der Energiebereitstellungsanlage wird von geschätzten Verbrauchswerten ausgegangen. Beginnend mit der Inbetriebnahme werden alle Verbrauchsvorgänge erfasst und durch Messungen quantifiziert, womit die tatsächlichen Verbrauchsgewohnheiten und deren Veränderungen dokumentiert werden. Alle erfassten Daten werden im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Bei der Abschätzung des zu erwartenden kurz- und mittelfristigen (einige Tage bis zu einer Woche) Verbrauchs werden außer den genannten Messdaten auch aktuelle und Wettervorhersagedaten berücksichtigt und unter Einbeziehung der aktuellen und historischen Verbrauchsgewohnheiten in verbrauchsrelevante Einflussgrößen umgesetzt. Bedarf und Angebot sind nämlich nicht unabhängig voneinander; zum Beispiel wird an sehr heißen Sommertagen häufig bei geringerer Wassertemperatur und kürzer geduscht, als im kalten Winter, wo wiederum auch öfter und mit größeren Wassermengen gebadet wird. Wind und sehr tiefe Außentemperaturen erfordern im Winter mehr Heizenergie als milde Temperaturen und Windstille. Die Abschätzung des Bedarfs, unter Einbeziehung relevanter Daten aus dem Archivspeicher des Steuerrechners, geschieht mittels bekannter Verfahren, bevorzugt unter Verwendung Künstlicher Neuronaler Netze (KNN), die später näher erläutert werden. In einer bevorzugten Betriebsform wird bei der Abschätzung des Bedarfs der Verbrauch warmem Brauchwasser mit höchster Priorität bedacht, danach die Heizung von Räumen, bei denen das notwendig ist (Wohnräume), als drittes die Stromerzeugung, als viertes die Heizung von Kellerräumen o. ä. und mit letzter Priorität, und nur bei rein photothermischen Altanlagen, die Abführung der Überschusswärme ohne direkte Nutzung. Das System ermöglicht die Steuerung des Betriebs mit anderen Prioritäten. Alle ermittelten Verbrauchsdaten werden im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Es werden alle für den Standort verfügbaren angebotsrelevanten Daten der Vergangenheit (Wetterbeobachtungen) für einen möglichst großen Zeitraum von einigen Jahren bis zu einigen Jahrzehnten vor Inbetriebnahme der Anlage erfasst und im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert. Ebenso werden alle verfügbaren angebotsrelevanten Daten seit Inbetriebnahme der Anlage zeitlich kontinuierlich erfasst und im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Es werden das aktuelle sowie das kurz- (ein bis zwei Tage) und mittelfristig (drei bis vier Tage, bis zu einer Woche) zu erwartende Angebot an Sonnenenergie ermittelt bzw. geschätzt und bei der Steuerung der Anlage berücksichtigt. Dazu werden im Steuerrechner verschiedene Informationen verarbeitet. Das sind einerseits konstante Parameter, wie die geographischen Standortkoordinaten, die Orientierung der Kollektoranlage zur Erdoberfläche, die Kenndaten der Anlage (Kollektorfläche, Wirkungsgrad, Speichervolumen, etc.). Dann sind es periodisch veränderliche Parameter, mit bekanntem zeitlichen Verlauf, wie Tages- und Jahresgang des Sonnenstandes, Abfolge von Werk- und Feiertagen, etc.. Schließlich sind es veränderliche Parameter, deren zeitlicher Verlauf nur für kurze Zeiträume (einige Tage) und mit endlicher Genauigkeit vorhergesagt werden kann, wie das kurz- und mittelfristig zu erwartende Wetter z. B. aus den Vorhersagen des Deutschen Wetterdienstes o. ä. Einrichtungen, die automatisch über den Internetanschluss abgefragt und eingegeben werden. Dazu gehört auch die jeweils aktuelle Sonneneinstrahlung, die am Kollektorfeld gemessen wird. Aus diesen Daten werden, unter Einbeziehung der gespeicherten Archivdaten, die kurz- und mittelfristig zu erwartenden Wärmemengen und Temperaturen im Speicherbehälter berechnet, bzw. abgeschätzt. Das geschieht mit bekannten technischen Verfahren, vorzugsweise mit Künstlichen Neuronalen Netzen (KNN), die nachstehend näher erläutert werden. Alle ermittelten Angebotsdaten werden im Archivspeicher des Steuerrechners als Funktion der Zeit (Datum und Uhrzeit) gespeichert.
Die Parameter des zu erwartenden Verbrauchs und des zu erwartenden Angebots als Funktion der Zeit, sowie der durch Messung ermittelte Vorrat an Wärmeenergie und seine Temperatur werden im Steuerrechner in technisch bekannter Weise verwendet, um die Steuerung der gesamten Anlage zu optimieren. Das Ziel ist dabei, soviel Sonnenenergie in Wärmeenergie umzuwandeln, wie möglich und nur dann auf Wandlung in elektrische Energie umzuschalten, wenn Angebot und Nachfrage an thermischer Energie aktuell, kurz- und mittelfristig übereinstimmen, oder wenn die Nachfrage zwar nicht gedeckt ist, die Kapazität der Speicher aber erschöpft ist. Bevorzugt wird dabei die Technik der Künstlichen Neuronalen Netze (KNN) verwendet. Eingabedaten sind die oben genannten Parameter zur Ermittlung von Angebot und Nachfrage. Ausgabeparameter sind Abschätzungen des kurz- und mittelfristig voraus liegenden Angebots und des Verbrauchs, aus denen wiederum Stellsignale abgeleitet werden. Die Stellsignale betätigen z. B. Ventile und Pumpen der Warmwasser- und Heizwasseranlage, sowie der Motoren mit Winkelgebern und sonstigen Stellglieder (elektrische Schalter, Pumpen, Ventile) der Solarstrahlungskollektoreinrichtungen. Das System hält also die Temperatur und ihre Schichtung, sowie die Menge an warmem Trinkwasser im Vorratsbehälter für bestimmte wählbare Zeiträume innerhalb bestimmter vorgegebener Grenzen. Bei Überschreiten der Grenzen führt das System die überschüssige Wärmeenergie bei Bedarf dem Heizsystem direkt oder über einen für Heizungszwecke vorgesehenen Pufferspeicher indirekt zu. Wenn der Bedarf an Heizenergie gedeckt ist, oder der Speicher voll ist, oder keine Heizenergie benötigt wird, und der Warmwasserbedarf für den vorgesehenen Zeitraum gesättigt ist, oder erbracht werden kann, schaltet das System auf den Betrieb der solarelektrischen Energiesammlung um. Wie bei KNN üblich, wird das System fortlaufend trainiert, wobei die Methode des„error backpropagation" verwendet wird, um die Spezϊfika von Angebot und Verbrauch einer jeden individuellen Anlage optimal zu berücksichtigen.
In dem Prozess werden auch die einstrahlungsabhängigen Wirkungsgrade der Kollektorsysteme berücksichtigt. In Situationen, in denen der Warmwasserbedarf nicht gedeckt ist, der Wirkungsgrad der photoelektrischen Kollektoren aber größer als der der photothermischen ist, werden die photoelektrischen eingesetzt. Diese liefern auch bei geringer Sonneneinstrahlung elektrische Energie, während z. B. die Temperaturerhöhung im thermischen Kollektor unnutzbar gering sein kann, weil der unterhalb der aktuellen Speichertemperatur liegt.
Erfindungsgemäß wird die Vorhersage des Energieangebots im wesentlichen über die Wettervorhersage (z. B. Deutscher Wetterdienst) erstellt, sowie über geographische (Ort, Orientierung der Kollektoren) und zeitliche Daten (Jahreszeit, Tageszeit). Die Vorhersagen werden regelmäßig und dynamisch situationsangepasst aktualisiert, d. h. bei stabiler Angebotssituation (z. B. stabiler Wetterlage) wird z. B. täglich einmal aktualisiert, bei instabiler Situation (instabiler Wetterlage) wird häufiger aktualisiert. Die Überprüfung wird mit den Daten der zur Anlage gehörenden Messsysteme durchgeführt.
Die Vorhersage der Nutzung wird aus deren Beobachtung abgeleitet, wozu individuelle Nutzungsgewohnheiten aller Nutzer erfasst werden. Dabei wird eine regelmäßige Aktualisierung vorgenommen, um zeitliche Schwankungen (z. B. jahreszeitliche) und Veränderungen der Nutzungsgewohnheiten zu berücksichtigen. Das System wird dazu trainiert. Während des Trainings zu Beginn des Betriebs und auch bei späteren Trainingsphasen zur Aktualisierung des Nutzungsverhaltens werden Anzahl und Identität der Nutzer dem System eingegeben. Insbesondere unmittelbar vor der Nutzung größerer Mengen warmen Wassers (zum Baden, Dusche, Haare waschen) werden die aktuellen Nutzer dem System bekannt gemacht (Identifikation) und die dann ermittelten Energienutzungsmengen der Identität zugeordnet. Auf diese Weise ist eine nutzerbezogene Vorhersage möglich, wozu die An- und Abwesenheit einzelner Nutzer dem System mit Identität bekannt gegeben wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Steuerung aus einer Anordnung, die in Figur 7 schematisch dargestellt ist. Der Steuerrechner 1, z. B. in Form eines PCs verfügt über den Archivspeicher und stellt außerdem Datum und Uhrzeit zur Verfügung. Über Schnittstellen ist er mit folgenden Untereinheiten verbunden: der interaktiven Eingabeeinheit 24, der automatischen Eingabe/Ausgabeeinheit 25, dem Internetanschluss 26, der Ausgabeeinheit 27, der Anzeigeeinheit 28 und dem Künstlichen Neuronalen Netzwerk, KNN 29. Kern der eigentlichen Steuerung ist dabei das Künstliche Neuronale Netzwerk, welches aus der Vielzahl der zu berücksichtigenden Eingangsparameter (Wettervorhersage, Nutzungsvorhersage, aktuelle Wetterund Nutzungsdaten) optimale zeitliche Steuer- und Stellfunktionen für die Systeme zur Energieumwandlung und -speicherung ableitet. Das gesamte System kann in einen zentralen Heimcomputer integriert sein. Alternativ können Teile dezentral angelegt sein und z. B. über Funk (WLAN) oder Draht mit einem Zentralrechner kommunizieren. Der Zentralrechner kann in diesem Fall z. B. die interaktive Eingabeeinheit enthalten (Tastatur).
Über die interaktive Eingabeeinheit 24 gibt der Anwender nutzungsspezifische Daten und deren Änderungen an den Steuerrechner 1. Dieses sind beispielsweise Anzahl und Identität der anwesenden Nutzer N, (die Identität schließt Geschlecht und Geburtsdatum sowie Berufsangaben - berufstätig, halbtags, ganztags oder nicht, Schüler etc. ein und wird verwendet zur Erkennung und Berücksichtigung individueller Nutzungsgewohnheiten an Warmwasser und Heizenergie) als Funktion der Kalenderzeit t (genaues Datum, über Tage, Monate, im Jahresverlauf), wobei z. B. Urlaubsreisen und andere Abwesenheiten sowie Gäste etc. berücksichtigt werden. Diese Daten werden soweit möglich im Vorhinein eingegeben, wenigstens mit mehreren Tagen Vorlauf. Allerdings werden auch nicht vorhergesehene kurzfristige Änderungen eingegeben; dabei wird die Eigenschaft von KNNs genutzt, bei ähnlichen, wie den trainierten Eingangsparametern, auch ähnliche, wie die erwarteten Ausgangsparameter zu liefern - sie arbeiten "intuitiv". Aus den nutzungsspezifischen Daten wird die Vorhersage der Nutzung thermischer Energie ETvor(t) als Summe der Energiemengen zur Bereitung von Warmwasser ETwVOr(t) und zur Raumheizung EτHvor(t) unter Berücksichtigung zeitlicher Besonderheiten (Jahreszeit, Monat, Wochentag) als Funktion der Zeit t ermittelt (Basis dazu ist ein Training, dem das System unterzogen wird:
Eτvor(t) = Eτwvor(t) +ETHvor(t) (5)
Über die automatische Eingabe/Ausgabeeinheit 25 werden die Daten von einzelnen oder allen Sensoren und Fühlern zur Überprüfung der Vorhersagen abgefragt und eingelesen, die vorstehend beschrieben und nachstehend zusammengefasst sind: k (k = Element der Menge der natürlichen Zahlen) verschiedene Wassertemperaturen Twk(t) in verschiedenen Schichten des Speicherbehälters, Vor- und Rücklauftemperatur der im thermischen Kollektorsystem zirkulierenden Sole TSv(t), TSr(t), Außenlufttemperatur TL(t), solare Einstrahlung LSOL (t), außerdem Windgeschwindigkeit vw(t) und -richtung φ w(t), Luftdruck p(t), Strom Isoι.(t) und Spannung Uso_(t) am Ausgang der photovoltaischen Solarkollektoren, etc., jeweils als Funktion der Zeit t. Ferner sind in den mit thermischer Solarenergie zu beheizenden Wohnräumen Thermostate angebracht, von denen Soll- und Isttemperatur TRson(t), TRist(t) über die automatische Eingabe/Ausgabeeinheit 25 an den Steuerrechner 1 gegeben werden. Letztere fließen auch ein in die vorstehend beschriebene Überprüfung der vorhergesagten Nutzung (auch in das Training zur Verbesserung des Systembetriebs), ansonsten dienen die Daten zur Bestimmung der tatsächlichen Menge solarer Energie EStat(t) und der tatsächlichen Nutzung thermischer Energie Eτtat(t) für die Warmwasserbereitung ETwtat(t) und die Heizung ETHtat(t) sowie des tatsächlich angebotenen Energieüberschusses solarer Energie Es(t), der nach Wandlung im photoelektrischen Kollektor als Angebot solarelektrischer Energie EE(t) ins Stromnetz eingespeist werden kann, jeweils als Funktion der Zeit t. Aus den gemessenen Temperaturen Twk(t) und den bekannten Speicherparametern, wie Wassermenge und Position der Temperaturfühler, wird die im Speicher vorhandene Wärmemenge Qw berechnet. Es gilt:
Eτtat(t) = Eτmat(t) + ETHtat(t) (6)
Estat(t) = Eτtat(t) + ESpLustat(t) = Eτwtat(t) + ETHtat(t) + ESPLUS(t) (7) ferner
Figure imgf000032_0001
Bei der Ermittlung von ETWtat(t) und ETHtat(t) sind Kapazität und Verluste des Warmwasserspeichers sowie Verluste der Heizwärme durch die Hausisolation berücksichtigt, letztere unter Einbeziehung der aktuellen Wetterdaten und der weiter unten beschriebenen Wettervorhersage (Außentemperatur, Wind, Solare Einstrahlung, etc., woraus sich Wärmeverluste durch die Außenhülle des Hauses bestimmen lassen).
Die Eingabe (Übernahme/Speicherung und Verwendung der Messdaten) erfolgt in sich dynamisch anpassenden Intervallen. Dazu stellt das System durch wiederholte, kontinuierliche Abfrage fest, wie stark sich jeder Parameter ändert. Bleibt er konstant, erfolgt keine Datenübernahme. Überschreitet die Änderung einen vorgegebenen Schwellwert, so werden die Messdaten übernommen. Die Intervalle der kontinuierlichen Abfrage sind dabei den aktuell zu erwartenden Änderungsgeschwindigkeiten jedes spezifischen Parameters angepasst. Ändert sich ein Parameter schnell, z. B. die solare Einstrahlung bei bewölktem, windigem Wetter, so wird der Parameter in kurzen Zeitintervallen (Minuten oder einige Sekunden) abgefragt (bei diesem Beispiel dann außerdem auch die Vor- und Rücklauftemperatur der Sole), ändert er sich langsam, wie meist der Luftdruck, so wird in langen Zeitintervallen abgefragt (z. B. in Stunden). Die Abfrageintervalle werden dynamisch angepasst, sie werden verkürzt, wenn festgestellt wird, dass die Änderungsgeschwindigkeit zunimmt und verlängert, wenn diese abnimmt.
Über den Internetanschluss werden die Daten der Wettervorhersage, z. B. des Deutschen Wetterdienstes, abgefragt und eingegeben. Das sind die vorhergesagte Außentemperatur TLvor(t), Strahlungsintensität (Leistung) der Sonne am Boden bzw. am Kollektor ISvor(t), Bewölkungsgrad, Windrichtung/- geschwindigkeit φ Wvor(t), vWvor(t). Luftdruck p(t), als Funktion der Tageszeit. Die geographischen Parameter (Lage, Ausrichtung der Kollektoren zur Sonne), ebenso wie die Wirkungsgrade der Kollektoren und sonstige benötigte Systemparameter (Speicherkapazität, Wärmeverlustparameter des Gebäudes, etc.) werden dem System bei Installation eingegeben. Datum und Uhrzeit stellt der Rechner bereit. Diese Daten dienen einerseits der Ermittlung des vorhergesagten Angebots an solarer Energie EAvor(t) als Funktion der Zeit t. Mit den ermittelten Werten der zu erwartenden Nutzung ENvOr(t) an thermischer Energie (zur Bereitung von Warmwasser ETWvor(t) und zur Raumheizung ETHvor(t)) wird daraus auch der zu erwartende Überschuss, also das zu erwartende Angebot an überschüssiger Energie EPLUsvor(t) als Funktion der Zeit t ermittelt, wobei hier insbesondere die geographischen und sonstigen Systemparameter berücksichtigt werden:
EsPLUSvor(t) = ESvor(t) - Eτvor(t) (9) Aufgabe der Steuerung ist es, das Angebot solarer Energie auf die drei Nachfragearten Warmwasser, Heizung, elektrischer Strom mit optimalem Wirkungsgrad, zu verteilen, d. h. mit höchster Priorität den Bedarf an Warmwasser zu bedienen, als zweite Priorität den Bedarf an Raumheizung, als letzt die Stromerzeugung, als reine Überschussnutzung, d. h. der Strombedarf wird nicht als Steuergröße verwendet.
Zur Optimierung gehören folgende Teilaufgaben :
Als erstes sollen die erwarteten Größen möglichst genau mit den tatsächlichen übereinstimmen, d. h. die Vorhersagen möglichst genau sein, es ist also zu minimieren: min(ETvor - Er01) (10) min (EjWvor - Eγwtat) (H) min (ETH vor ~ E-rHtat) ( 12) min (ESvor - Estat) (13)
Gleichungen (10) bis (13) sind durch das KNN unter Verwendung der Mess- und Eingabedaten zu erfüllen. Das KNN wird dazu in technisch bekannter Weise trainiert, wobei mittels wiederholter Trainingsphasen während der Betriebsdauer die Genauigkeit des Systems gesteigert wird. Bei Erfüllung von Gleichungen (10) bis (13) sind drei verschiedene Fälle möglich, die eine entsprechend angepasste Steuerung zur Folge haben :
1.) Estat = ETvor (14)
Dann wird die Anlage so gesteuert, dass die erwartet integrale Nutzung (Bedarf) an Warmwasser ETwvor und Heizung ETHVOΓ in einer dem aktuellen zeitlichen Verlauf der Nutzung (Bedarf) gerechten, zeitlichen Einteilung gedeckt wird. Das heißt, es wird auf die zeitlichen Verbrauchsgewohnheiten der Bewohner Rücksicht genommen. Zum Beispiel: Sind im Winter tagsüber Personen im Haus, so wird Heizungsbedarf bereits am Vormittag bedient, auch wenn der Warmwasserbedarf (der am Abend oder Morgen am höchsten ist) noch nicht gedeckt ist - solange zu erwarten ist, dass er im Laufe des Tages noch gedeckt werden kann. Sind Personen nur am Abend und in der Nacht sowie am frühen Morgen im Haus, kann die Raumheizung auch über Tag reduziert werden, entsprechend schneller kann der Bedarf an Warmwasser gedeckt werden und die Heizung am Nachmittag verstärkt werden.
2.) Estat > ETvor (15)
Dann wird in der kalten Jahreszeit wie vorstehend verfahren und zusätzlich solare Überschussenergie in elektrische gewandelt und ins Stromnetz eingespeist (wenn möglich, zu Zeiten des Spitzenbedarfs an Strom). Im Sommer wird der meist geringere Bedarf an Warmwasser/Heizung in Tageszeiten geringen allgemeinen Strombedarfs gedeckt, in Zeiten hohen Strombedarfs (um den Mittag) wird Strom erzeugt und ins Netz gespeist.
3.) -Stat < E ■Tvor
Dann wird der Bedarf an Warmwasser versorgt und nur wenn dieser gedeckt ist, wird bei Bedarf geheizt, ansonsten bedarfsangepasst (siehe oben) Strom erzeugt.
In jedem Falle ist zu optimieren:
min(a Estat - ETWVor) (13) min (b Estat - ETHvor) (14) min (c Estat - ESPLusvor) (15) wobei als Lösungen sich a, b und c ergeben, mit: a + b + c = 1 (16)
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Eingangsgrößen für das KNN die vorhergesagten und die tatsächlichen Energieparameter als Funktion der Zeit.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Eingangsgrößen für das KNN die vorhergesagten und die tatsächlichen Größen und Messparameter, die über die Schnittstellen (interaktive Eingabeeinheit, automatische Eingabe/Ausgabeeinheit, Internetanschluss) eingegeben werden, also Wetterdaten, Nutzungsparameter, Temperaturen im System, etc.
Das System und die Steuerung sind ferner so gestaltet, dass vor allem auch eine Überdeckung des Bedarfs primär an Warmwasser, außerdem an Heizenergie, vermieden wird. Eine Unterdeckung des Warmwasserbedarfs wird dadurch vermieden, dass geringe Überschussmengen zur Sicherheit im Warmwasserspeicher bereitgestellt werden. Dieser Warmwasserspeicher dient dabei auch als Puffer, aus dem gegebenenfalls Energie zur Raumheizung entnommen werden kann, wenn eine Überdeckung an Warmwasser festgestellt wird. Darüber hinaus ist es vorgesehen, Speicherkapazität auch für die Raumheizung bereitzustellen, die es ermöglicht, während der Sonnenstunden gesammelte Energie in den sonnenlosen Zeiten des Tages zur Raumheizung zu verwenden. Dazu werden entsprechend große Speicher vorgesehen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur thermischen Nutzung von Sonnenenergie, mit thermischen Kollektoren (2) zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluids, einem Speicher (3) zur Speicherung des Wärmeträgerfluids und zu dessen Abgabe an mindestens einen Verbraucherkreislauf, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Gesamtheit der Kollektoren (2) und/oder der Speicher (3) bezüglich der Gesamtheit der angeschlossenen Verbraucher überdimensioniert ist, und dass an den Speicher (3) ein Überschusswärmetauscher angeschlossen ist, der im Fall eines die Nachfrage der Verbraucher übersteigenden Überangebots an Sonnenenergie, die überschüssige Wärme abführt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschusswärmetauscher ein in einem Kellerraum enthaltener Heizkörper ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überschusswärmetauscher in das Erdreich, in thermischem Kontakt mit diesem, eingebaut ist.
4. Vorrichtung zur technischen Nutzung von Sonnenenergie, mit photothermischen Kollektoren (61) zur Aufheizung eines Wärmeträgerfluids und photovoltaischen Kollektoren (62) zur Erzeugung elektrischer Energie, wobei die photothermischen und photovoltaischen Kollektoren jeweils auf einer definierten Empfangsfläche derart gekoppelt sind, dass jeweils der eine Typ in dem Maße der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, in dem der andere Typ abgeschattet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die photothermischen Kollektoren durch eine automatische Steuerung dann der Sonne ausgesetzt werden, wenn in einem Wärmeverbrauchssystem ein Wärmebedarf - z. B. durch Absinken einer Temperatur - erkannt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Lamellen mit photothermischen Kollektoren (61) und Lamellen mit photovoltaischen Kollektoren (62) rechtwinklig zueinander in zwei sich überdeckenden Ebenen angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass verstellbare/schwenkbare Lamellen mit photothermischen Kollektoren und verstellbare/schwenkbare Lamellen mit photovoltaischen Kollektoren rechtwinklig zueinander übereinander angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren aus Platten bestehen, die der Position der Sonne durch Verschwenken um eine Höhenachse (81) und eine Azimutachse (82) zweiachsig nachführbar sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren (85, 86, 87) unterschiedlichen Typs übereinander angeordnet und relativ zueinander bewegbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass Kollektoren (90, 91) unterschiedlichen Typs mit entgegengesetzten Oberflächen an einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, welcher um eine Achse (92) schwenkbar ist, um die eine oder andere Oberfläche der Sonnenstrahlung auszusetzen.
11. Verfahren zur Verteilung der Energie einer eine solare Energiegewinnungsanlage enthaltenden Energiebereitstellungsanlage auf die drei Energienutzungsarten: Heizung, Warmwasser und Stromerzeugung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass anhand einer Vorhersage der zeitlichen Verfügbarkeit der Menge an solarer Energie unter Einbeziehung von Wetterdaten und einer Vorhersage der Nutzung der Energienutzungsarten anhand von Erfahrungswerten eine derartige Aufteilung der angebotenen Energie in Nutzung, Speicherung oder Umwandlung in eine andere Energieart erfolgt, dass der Nutzungsgrad der Energieerzeugungsanlage maximiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhersage der Nutzung über einen Zeitraum von mehreren Tagen erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maximierung des Nutzungsgrades die Speicherfähigkeit der Anlage für thermische Energie und elektrische Energie berücksichtigt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung derjenigen Energie, die für die Stromerzeugung verwendet wird, der zeitliche Strombedarf des Netzes, in das eingespeist wird, berücksichtigt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass der tatsächliche Betriebszustand der Energiebereitstellungsanlage auf Übereinstimmung mit der aufgrund der Vorhersage angenommenen Verfügbarkeiten und/oder Energienutzungsarten untersucht wird und aufgrund festgestellter Abweichungen Korrekturen der Vorhersage vorgenommen werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorhersage der Nutzungsarten durch Lern- und Korrekturprozesse des Benutzerverhaltens erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Benutzerverhalten individuellen Benutzern zugeordnet wird und dass deren Anwesenheit durch ein Erkennungssystem detektiert wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Benutzer eine Datei zugeordnet ist, die Angaben über Eigenschaften, Gewohnheiten und Vorhaben des Benutzers enthält.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein künstliches neuronales Netzwerk (KNN) aus einer Vielzahl von Eingangsparametern Steuer- und Stellfunktionen für die Energieumwandlung und -speicherung ableitet.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorhersage zeitliche Besonderheiten wie Jahreszeiten, Wochentage usw. berücksichtigt werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass Daten über die tatsächliche Menge eingefangener solarer Energie und die tatsächliche Nutzung thermischer Energie sowie von Überschussenergie, die in das Netz eingespeist werden kann, ermittelt und gespeichert werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 21, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Änderungen mindestens eines Parameters erfasst werden, wobei bei Überschreitung eines Schwellwertes anstelle der Vorhersage eine Übernahme des tatsächlichen Wertes erfolgt.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 22, dadurch gekennzeichnet, dass Wetterdaten über einen Internetanschluss abgefragt werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 - 23, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Vorhersage des Angebots an solarer Energie und der Vorhersage der Nutzung an thermischer Energie das zu erwartende Angebot an überschüssiger Energie als Funktion der Zeit ermittelt wird.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2910600A1 (fr) * 2006-12-26 2008-06-27 Philippe Liot Procede de regulation de la puissance d'une installation de fourniture d'eau chaude
EP1993145A2 (de) * 2007-05-17 2008-11-19 Massimo Sillano Solarkollektor für das Dach und ähnliche Installationen
DE102008051854A1 (de) * 2008-10-17 2010-04-22 Rehau Ag + Co. Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Warmwasseraufbereitungsanlage
DE102012024705A1 (de) * 2012-12-18 2014-06-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Trinkwarmwasserbereiters
CN108592416A (zh) * 2018-05-03 2018-09-28 辅创科技（宜昌）有限公司 一种真空管式太阳能热水器
CN114136021A (zh) * 2021-11-30 2022-03-04 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司 结合资源预测的太阳能-地源热泵系统控制方法及系统

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2913101A1 (fr) * 2007-02-28 2008-08-29 Julien Lacaze Sa Dispositif de chauffage de fluide(s) par energie solaire thermique
FR2917488A1 (fr) * 2007-06-14 2008-12-19 Quezourec Thierry Le Installation de chauffage central et/ou de production d'eau chaude dont au moins un moyen de captage et/ou de generation de calories est pilote par des moyens d'exploitation de donnees meteorologiques
EP2015032A1 (de) * 2007-07-13 2009-01-14 Solar Century Holdings Limited Anzeige von Stromverbrauch und -erzeugung
DE102007048460B4 (de) 2007-10-10 2009-08-27 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Vorrichtung zur Gewinnung von Solarenergie
DE102008011105A1 (de) * 2008-02-26 2009-08-27 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben einer Solaranlage
US8935110B2 (en) 2008-10-24 2015-01-13 The Technology Partnership Plc Apparatus for analysing an interior energy system
DE102009005332A1 (de) * 2009-01-16 2010-07-22 Viessmann Werke Gmbh & Co Kg Solarthermische Anlage
AU2009349434A1 (en) 2009-07-08 2012-02-23 Carmanah Technologies Corp. Solar powered devices using location-based energy control and method for operation of solar powered devices
AT509882B1 (de) * 2010-06-23 2011-12-15 Xolar Renewable Energy Group Gmbh Verfahren zur steuerung einer wärmeversorgungsanlage
SK842010A3 (sk) * 2010-08-10 2012-03-02 Fkkp, S.R.O. Tempering system
DK177468B1 (en) * 2010-09-28 2013-06-24 Innogie Aps Fully integrated solar absorber
WO2015121856A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-20 Zemach Shai Interactive learning water heating scheduler
DE102014009794A1 (de) * 2014-07-02 2016-01-07 Diehl Metering Gmbh Verfahren zur Steuerung einer solarthermischen Heizungsanlage
FR3091075A1 (fr) * 2018-12-20 2020-06-26 Newheat Modulation de la puissance générée par une centrale solaire thermique

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3262493A (en) * 1963-05-20 1966-07-26 Ind Institution International Means for heating and cooling a structure
DE2734521A1 (de) * 1977-07-30 1979-02-15 Weller Konrad Prof Dr Ing Sonnenenergieanlage
FR2471557A1 (fr) * 1979-12-12 1981-06-19 Europ Propulsion Installation de chauffage utilisant l'energie solaire
WO1983001103A1 (en) * 1981-09-17 1983-03-31 Frederick Brian Mckee Improvement in or relating to windows

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3262493A (en) * 1963-05-20 1966-07-26 Ind Institution International Means for heating and cooling a structure
DE2734521A1 (de) * 1977-07-30 1979-02-15 Weller Konrad Prof Dr Ing Sonnenenergieanlage
FR2471557A1 (fr) * 1979-12-12 1981-06-19 Europ Propulsion Installation de chauffage utilisant l'energie solaire
WO1983001103A1 (en) * 1981-09-17 1983-03-31 Frederick Brian Mckee Improvement in or relating to windows

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2910600A1 (fr) * 2006-12-26 2008-06-27 Philippe Liot Procede de regulation de la puissance d'une installation de fourniture d'eau chaude
EP1993145A2 (de) * 2007-05-17 2008-11-19 Massimo Sillano Solarkollektor für das Dach und ähnliche Installationen
EP1993145A3 (de) * 2007-05-17 2010-05-19 Massimo Sillano Solarkollektor für das Dach und ähnliche Installationen
DE102008051854A1 (de) * 2008-10-17 2010-04-22 Rehau Ag + Co. Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Warmwasseraufbereitungsanlage
DE102012024705A1 (de) * 2012-12-18 2014-06-18 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Trinkwarmwasserbereiters
CN108592416A (zh) * 2018-05-03 2018-09-28 辅创科技（宜昌）有限公司 一种真空管式太阳能热水器
CN114136021A (zh) * 2021-11-30 2022-03-04 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司 结合资源预测的太阳能-地源热泵系统控制方法及系统
CN114136021B (zh) * 2021-11-30 2023-08-22 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司 结合资源预测的太阳能-地源热泵系统控制方法及系统

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WO2007065783A3 (de) 2007-09-13
DE102006042888A1 (de) 2007-06-14

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