WO2019162029A1 - System zur steuerung von energieströmen - Google Patents

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WO2019162029A1
WO2019162029A1 PCT/EP2019/051698 EP2019051698W WO2019162029A1 WO 2019162029 A1 WO2019162029 A1 WO 2019162029A1 EP 2019051698 W EP2019051698 W EP 2019051698W WO 2019162029 A1 WO2019162029 A1 WO 2019162029A1
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WO
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energy
controller
consumers
electrical
thermal
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/051698
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Goldbach
Peter Adelmann
Bernhard Adelmann
Original Assignee
Fosera Solarsystems Gmbh & Co. Kgaa
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Filing date
Publication date
Application filed by Fosera Solarsystems Gmbh & Co. Kgaa filed Critical Fosera Solarsystems Gmbh & Co. Kgaa
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers

Definitions

  • the invention relates to a system for controlling energy flows according to the preamble of patent claim 1.
  • a generic system is known from US 9 819 219 B2.
  • a controller ensures optimized balancing of energy flows between a photovoltaic module, a memory and a plurality of electrical consumers.
  • the object of the invention is to increase the efficiency of such a system.
  • the system is characterized in that at least one consumer is also configured to store thermal energy and the controller depending on the current load state of the electrical energy storage rule, the storage state of the thermal storage in the consumers and the current voltage supply of the voltage sources, the energy flows to Minimizing the total energy consumption in the system.
  • the thermal storage capacities of consumers in conjunction with the capacity of one or more electrical energy storage devices are additionally used in order to generate the entire degree of self-use regeneratively generated Increase energy.
  • the controller is preferably in bidirectional data connection with the at least one voltage source and / or the at least one electrical energy store and / or the thermal store in the consumers and / or the other consumers.
  • the controller has access to the controller relevant parameters (such as electrical power, set temperature, maximum temperature, minimum temperature, thermal storage capacity, usual consumption times and consumption levels of electrical and / or thermal energy) are transmitted correctly.
  • relevant parameters such as electrical power, set temperature, maximum temperature, minimum temperature, thermal storage capacity, usual consumption times and consumption levels of electrical and / or thermal energy
  • the consumers have a switch which prepares or interrupts the operational readiness of the respective consumer and which can be actuated as a function of a unique identifier of the control transmitted by the control. Due to the fact that the control system can also be uniquely identified on the basis of a unique identifier, on the one hand it is almost impossible for the consumer to be activated by an unauthorized intervention by a third party, for example a hacker. This would first log in to the well-secured control.
  • the fact that each consumer is assigned a unique identifier that can only be addressed by the handshaking protocol in conjunction with the identifier of a particular controller, can prevent leased or leased consumer from being out of control special control are operable. An illegal sale of such devices or an operation after a theft of such devices is thereby made meaningless and thus largely impossible.
  • the surplus part of the electrical energy is used in at least one of the consumers for the storage of thermal energy.
  • hybrid memories having at least one lead accumulator and at least one lithium accumulator having a primary charge of the lead accumulator and a secondary charge of the lithium accumulator and a reverse discharge strategy as electrical energy storages.
  • the controller is provided with a time measuring device and has at least one data memory for storing daytime and / or seasonal brightness, solar intensity and / or temperature profiles of the current site of use of the system.
  • further memories which record the daytime and / or seasonal behavior of the users of the system with regard to their consumption of electrical and / or thermal energy and make it available to a program stored in the control for optimizing the energy management.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that at least one consumer stores thermal energy with a phase senübergangsmedium is provided.
  • a phase transfer medium which is particularly useful in the storage of refrigeration energy, ensures a high energy density in the storage medium, thereby reducing installation space and costs for the storage medium and the relevant consumer.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of an inventive
  • System for controlling energy flows with a photovoltaic system for generating electrical energy, with a battery storage for storing electrical energy, with a cold storage and with a heat storage for storing thermal energy.
  • FIG. 1 shows a system 10 which, in the left part of the drawing, shows a plurality of energy sources 12, 14 and 16. As examples of regenerative energy sources, a photovoltaic module 12 and a wind turbine 16 with a generator 18 are shown there. In addition, at least one electrical energy store 14 is provided for storing electrical energy.
  • the power sources 12, 14 and 16 are connected to a controller 20, so that on the one hand there is a bidirectional data connection with the controller and on the other hand lines for a power transmission of electrical energy are provided. Bidirectional data connection and power transmission lines are represented by a double arrow.
  • the consumer 32 is, for example, a refrigerator which is additionally equipped with a cold storage in which, under the influence of electrical energy, a phase transition medium, for example, is transferred from a liquid to a solid phase can. Preference is given to phase transfer media having a high specific energy for effecting the phase transition.
  • the consumer 34 is formed, for example, by a hot water generator, which is additionally equipped with a very well insulated thermal storage for storing the warm water.
  • the consumer 36 is another consumer without a memory function, such as a lighting fixture or an entertainment electronics device.
  • the controller 20 has a clock 22 and at least one data memory 24 in which, on the one hand, software for controlling the energy management between all the energy sources 12, 14 and 16 connected to the controller 20 and consumers 32, 34 and 36 is stored is.
  • further memory areas are provided in the data memory 24, which are used to record unique identifiers of all connected devices as well as daily and / or seasonal typical consumption of electrical and / or thermal energy for the system 10 as well as for the respective location
  • the data memory 24 may contain further memory for storing weather forecast data, such as the expected average daily solar radiation and the expected average wind strength and wind duration of the coming week, from de
  • the controller 20 calculates a prediction of the energy likely to be generated in the near future by the photovoltaic module 12 and the wind turbine 16 and the generator 18, which enters into the control of the energy between all participating components of the system.
  • the technology according to the invention equips a solar home system (SHS) 10 with a communication system which makes it possible to exchange information between the controller 20 and the connected consumers 32, 34 and 36.
  • the information exchange can be unidirectional or bi-directional in a wired or wireless manner. With this information it is possible to control or regulate the connected consumers 32, 34 and 36 so that they change their power consumption. Insofar as the connected consumers 32, 34 allow a storage of thermal energy, this property can be influenced thereby and energy can be stored as thermal energy.
  • the energy status of the system 10 which is the battery capacity of the electric energy storage 14 and its state of charge, from the currently available charging current - preferably the photovoltaic modules 12 or other regenerative , non-continuously available sources, such as the wind turbine 16 or an unstable power supply network 19 with a high failure rate - and the load current of the consumer 32, 34 and 36 together.
  • phase change material Phase Changing Material
  • the above-described principle is similarly applicable to a well-insulated hot water heat accumulator connected to an electric hot water generator 34.
  • the use of phase transition material can be dispensed with, since the water itself already provides a sufficiently high storage capacity.
  • the hot water generator 34 is preferably operated with a lower priority than the refrigerator 32 and therefore activated only with a correspondingly high excess of electrical energy provided by the regenerative energy sources 12, 16.
  • the measures described above ensure that the generated regenerative energy does not only have to be stored in electrical form but also much more favorably in the form of thermal energy. As a result, the electrical energy store 14 required for the system 10 becomes smaller and the system 10 thus more cost-effective overall.
  • bidirectional communication between the controller 20 and the consumers 32, 34, and 36 allows for optional coupling of consumers 32, 34, and 36 to a particular system with a clearly defined controller 20 (using a handshaking protocol) ).
  • the consumer 32, 34 and 36 must therefore log on to the controller 20 with a unique ID or serial number and be unlocked. If this step does not occur, the connected consumer 32, 34 and 36 will not function or only to a limited extent. In this way it can be prevented that consumers belonging to a particular controller 20 can be operated with a different controller or another energy source.
  • SHS smart home system
  • the refrigerator 32 changes its internal temperature (“target temperature”) as a function of the energy status of the entire system 10. With good availability of electrical energy from the regenerative energy sources 12 or
  • the target temperature is set to 2 ° C, thereby freezing the phase change material (PCM).
  • PCM phase change material
  • the target temperature in the refrigerator 32 is set by the controller 20 to 8 ° C and the phase change material thaws up.
  • the target temperature in the refrigerator 32 is set to 5 ° C for example. At this low temperature difference to the phase transition temperature of 6 ° C then only a small interaction with the phase change material takes place.
  • Particularly preferred as electrical energy storage devices are so-called hybrid reservoirs with at least one lead accumulator and at least one lithium accumulator.
  • the entire "state of charge” (SOC) of the hybrid memory is internally calculated from a combination of the SOC of the lithium battery and the lead acid SOC.
  • the battery size of the lead-acid battery and the lithium battery and their respective current SOC then preferably enter into the charge and discharge management of the controller 20 of the system 10.
  • the charge and discharge management of the controller 20 can also distinguish the partial storage capacities of the lithium battery and the lead-acid battery and control their prioritized charge or discharge.
  • the load and charging current can also be simplified by the controller 20 as a total load or charging current (without distinguishing the partial storage capacities and the SOCs of the lithium battery and the lead-acid battery).
  • a typical daily history with this example might look something like this:
  • the refrigerator 32 is supplied with energy from the photovoltaic module 12 via the controller 20.
  • the temperature in the refrigerator 32 is low.
  • the temperature in the refrigerator 32 is maintained at approximately 8 ° C by thawing the phase change material.
  • the aim of the invention is to minimize the electrical memory 14 by optimized energy distribution and thereby reduce the overall system costs.
  • the system 10 according to the invention can also be retroactively retrofitted with further consumers 32, 34 equipped with thermal storage devices without having to increase or replace the electrical energy store 14.
  • the system 10 also makes it possible to regulate the temperature of a hot water generator 34 or a refrigerator 32 in such a way that a minimum supply is always guaranteed.
  • the system 10 according to the invention can operate completely autonomously, that is to say without being integrated into a public power supply network; However, it is also possible to couple as another input to the controller 20 such a public power grid 19, taken from the where necessary electrical energy and in the corresponding excess energy in the system 10 and electrical energy can be fed. The removal takes place preferably at times in which the loads on the public power grid 19 are low (typically at night), where the fed from the public power grid 19 into the system 10 energy preferably for charging the electrical energy storage device 14 and / or Charge the thermal storage in the consumers 32, 34 is used.
  • a public power grid 19 taken from the where necessary electrical energy and in the corresponding excess energy in the system 10 and electrical energy can be fed.
  • the removal takes place preferably at times in which the loads on the public power grid 19 are low (typically at night), where the fed from the public power grid 19 into the system 10 energy preferably for charging the electrical energy storage device 14 and / or Charge the thermal storage in the consumers 32, 34 is used.
  • the feeding into the public power supply network 19 is preferably carried out at times when in the system 10 due to high generation of electrical energy by the regenerative Power generators 12 and 16 and a low load by the consumer 32, 34 and 36, a corresponding excess arises (typically during the day).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (10) zur Steuerung von Energieströmen, mit wenigstens einer auf einer regenerativer Energieerzeugung basierenden Spannungsquelle (12; 16), mit wenigstens einem Energiespeicher (14) zur Speicherung von elektrischer Energie, mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher (32; 34; 36) und mit wenigstens einer Steuerung (20) zur Steuerung der Energieströme zwischen Spannungsquellen (12; 16), Energiespeicher (14) und Verbrauchern (32; 34; 36). Zur Minimierung des gesamten Energieverbrauchs im System (10) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens ein Verbraucher (32; 34) zur Speicherung von thermischer Energie eingerichtet ist und die Steuerung (20) in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungszustands des elektrischen Energiespeichers (14), vom Speicherzustands des thermischen Speichers in den Verbrauchern (32; 34) und vom aktuellen Spannungsangebot der Spannungsquellen (12; 16) die Energieströme zur Minimierung der erforderlichen Größe des elektrischen Energiespeichers (14) und zur Erhöhung des Eigenverbrauchs der erzeugten regenerativer Energie im System regelt.

Description

System zur Steuerung von Energieströmen
Die Erfindung betrifft ein System zur Steuerung von Energieströmen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein gattungsgemäßes System ist aus der US 9 819 219 B2 bekannt. Bei diesem sorgt eine Steuerung für einen optimierten Ausgleich von Energieströmen zwi- schen einem Photovoltaikmodul, einem Speicher und einer Mehrzahl von elektri schen Verbrauchern.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz eines derartigen Systems zu steigern.
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ge- löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß zeichnet sich das System dadurch aus, dass wenigstens ein Verbraucher auch zur Speicherung von thermischer Energie eingerichtet ist und die Steuerung in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungszustands des elektri schen Energiespeichers, vom Speicherzustands des thermischen Speichers in den Verbrauchern und vom aktuellen Spannungsangebot der Spannungsquellen die Energieströme zur Minimierung des gesamten Energieverbrauchs im System regelt. Hierzu werden die thermischen Speicherkapazitäten von Verbrauchern im Verbund mit der Kapazität eines oder mehrerer elektrischer Energiespeicher zu- sätzlich genutzt, um den gesamten Grad der Eigennutzung regenerativ erzeugter Energie zu steigern. Durch die gleichzeitige Nutzung thermischer Speicher kann die Größe des erforderlichen elektrischen Energiespeichers reduziert werden. Dies führt zu einer signifikanten Senkung der gesamten Speicherkosten des er- findungsgemäßen Systems.
Die Steuerung steht bevorzugt in bidirektionaler Datenverbindung mit der wenigs- tens einen Spannungsquelle und/oder dem wenigstens einen elektrischen Ener- giespeicher und/oder dem thermischen Speicher in den Verbrauchern und oder den sonstigen Verbrauchern.
Dadurch, dass die Verbraucher vor der erstmaligen Benutzung gemäß einer vor- teilhaften Weiterbildung der Erfindung über ein Handshaking-Protokoll mit der Steuerung verbunden werden und dabei eine eindeutige Kennung der Verbrau- cher in der Steuerung gespeichert wird, ist sichergestellt, dass der Steuerung alle zum jeweiligen Verbraucher gehörenden Parameter (wie elektrische Leistung, Solltemperatur, Höchsttemperatur, Tiefsttemperatur, thermische Speicherkapazi- tät, übliche Verbrauchszeiten und Verbrauchsmengen an elektrischer und/oder thermischer Energie) korrekt übermittelt werden. Bei einem Austausch gegen ei- ne neue Komponente eines Verbrauchers oder einer Einbindung eines neuen Verbrauchers werden dessen Parameter automatisch in die Steuerung des Sys- tems mit eingebunden.
Vorteilhaft ist weiterhin vorgesehen, dass die Verbraucher einen die Betriebsbe- reitschaft des jeweiligen Verbrauchers herstellenden oder unterbrechenden Schalter aufweisen, der in Abhängigkeit von einer eindeutigen, von der Steue- rung übermittelten Kennung der Steuerung betätigbar ist. Dadurch, dass auch die Steuerung aufgrund einer eindeutigen Kennung eindeutig identifizierbar ist, ist zum einen eine Ansteuerung der Verbraucher durch einen nicht legitimierten Ein- griff eines Dritten - beispielsweise eines Hackers - nahezu unmöglich. Dieser müsste sich dazu zunächst in die gut gesicherte Steuerung einloggen. Dadurch, dass auch jedem Verbraucher eine eindeutige Kennung zugeordnet ist, die nach dem Handshaking-Protokoll nur in Verbindung mit der Kennung einer bestimmten Steuerung ausschließlich von dieser adressierbar ist, kann verhindert werden, dass vermietete oder auf Leasingbasis abgegebene Verbraucher außer- halb der Kontrolle einer speziellen Steuerung betreibbar sind. Eine illegale Ver- äußerung derartiger Geräte oder ein Betrieb nach einem Diebstahl derartiger Ge- räte wird dadurch sinnlos und somit weitestgehend unmöglich gemacht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei Erreichen eines von der Steuerung berechneten Teil-Ladungszustands oder des maximalem Ladungszustand des wenigstens einen elektrischen Energiespei- chers und einem aktuellen Energieangebot der Spannungsquellen, das die aktu- elle oder geplante Energieanforderung der Verbraucher übersteigt, der über- schießende Teil der elektrischen Energie in wenigstens einem der Verbraucher zur Speicherung von thermischer Energie verwendet wird. Als elektrische Ener- giespeicher sind besonders bevorzugt sogenannte Hybrid-Speicher mit wenigs- tens einem Bleiakkumulator und wenigstens einem Lithiumakkumulator verwend- bar mit einer vorrangigen Ladung des Bleiakkumulators und einer nachrangigen Ladung des Lithiumakkumulators und einer umgekehrten Entladungs-Strategie.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Steuerung mit einer Zeitmessvorrichtung versehen ist und wenigstens einen Datenspeicher zur Speicherung tageszeitli- cher und/oder jahreszeitlicher Helligkeits-, Sonnenintensitäts- und/oder Tempera- turverläufe des aktuellen Einsatzortes des Systems aufweist. Hinzu kommen vor- teilhaft weitere Speicher, die das tageszeitliche und/oder jahreszeitliche Verhal- ten der Benutzer des Systems bezüglich deren Verbrauch an elektrischer und/oder thermischer Energie aufzeichnen und einem in der Steuerung gespei- cherten Programm zur Optimierung des Energiemanagements zur Verfügung stellen.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass wenigs- tens ein Verbraucher zur Speicherung von thermischer Energie mit einem Pha- senübergangsmedium versehen ist. Ein derartiges, insbesondere bei der Spei- cherung von Kälteenergie nützliches Phasenübergangsmedium gewährleistet eine hohe Energiedichte im Speichermedium, wodurch Bauraum und Kosten für das Speichermedium und den betreffenden Verbraucher gesenkt werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen
Systems zur Steuerung von Energieströmen mit einer Photovoltaik- Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie, mit einem Batteriespei- cher zur Speicherung von elektrischer Energie, mit einem Kältespeicher und mit einem Wärmespeicher zur Speicherung von thermischer Ener- gie.
In Figur 1 ist ein System 10 gezeigt, dass im linken Teil der Zeichnung mehrere Energiequellen 12, 14 und 16 zeigt. Als Beispiele für regenerative Energiequellen sind dort ein Photovoltaikmodul 12 und eine Windturbine 16 mit einem Generator 18 dargestellt. Zusätzlich ist zur Speicherung elektrischer Energie wenigstens ein elektrischer Energiespeicher 14 vorgesehen. Die Energiequellen 12, 14 und 16 sind mit einer Steuerung 20 verbunden, so dass zum einen eine bidirektionale Datenverbindung mit der Steuerung besteht und zum anderen Leitungen für eine Leistungsübertragung elektrischer Energie vorgesehen sind. Bidirektionale Da- tenverbindung und Leitungen für die Leistungsübertragung sind vereinfacht durch einen Doppelpfeil dargestellt.
Auf der rechten Seite der Steuerung 20 sind mehrere elektrische Verbraucher 32, 34 und 36 schematisch dargestellt. Beim Verbraucher 32 handelt es sich bei spielsweise um einen Kühlschrank, der zusätzlich mit einem Kältespeicher aus- gerüstet ist, in dem unter Einfluss elektrischer Energie ein Phasenübergangsme- dium beispielsweise von einer flüssigen in eine feste Phase überführt werden kann. Bevorzugt sind dabei Phasenübergangsmedien mit einer hohen spezifi- schen Energie zur Bewirkung des Phasenübergangs.
Der Verbraucher 34 wird beispielsweise von einem Warmwassererzeuger gebil- det, der zusätzlich mit einem sehr gut isolierten thermischen Speicher zur Spei- cherung des warmen Wassers ausgerüstet ist.
Der Verbraucher 36 ist ein sonstiger Verbraucher ohne Speicherfunktion, wie beispielsweise ein Beleuchtungskörper oder ein Gerät der Unterhaltungselektro- nik.
Die Steuerung 20 weist eine Uhr 22 und wenigstens einen Datenspeicher 24 auf, in dem zum einen eine Software zur Steuerung bzw. Regelung des Energiema- nagements zwischen allen an die Steuerung 20 angeschlossenen Energiequellen 12, 14 und 16 und Verbrauchern 32, 34 und 36 gespeichert ist. Zum anderen sind im Datenspeicher 24 weitere Speicherbereiche vorgesehen, die zur Auf- zeichnung von eindeutigen Kennungen aller angeschlossenen Geräte sowie von tageszeitlichen und/oder jahreszeitlichen für das System 10 typischen Ver- brauchsmengen an elektrischer und/oder thermischer Energie sowie für den je- weiligen Standort typischer Energieerzeugungsmengen der regenerativen Ener- giequellen 12 bzw. 14. Im Datenspeicher 24 können weitere Speicher zur Spei- cherung von Wettervorhersagedaten - wie beispielsweise die erwartete durch- schnittliche tägliche Sonneneinstrahlung und die erwartete durchschnittliche Windstärke und Winddauer der kommenden Woche - vorgesehen sein, aus de- nen die Steuerung 20 eine Prognose über die in naher Zukunft vom Photovolta- ikmodul 12 und der Windturbine 16 und den Generator 18 voraussichtlich er- zeugbare Energie berechnet, die in das von der Steuerung geregelte Energiema- nagement zwischen allen beteiligten Komponenten des Systems eingeht.
Über die bidirektionale Datenverbindung zwischen der Steuerung 20, den Ener- giequellen 12, 14 und 16 und den Verbrauchern 32, 34 und 36 können die jewei- ligen Systemzustände ausgetauscht werden und in deren Abhängigkeit die Ver- braucher 32, 34 und 36 in ihrer Leistung geregelt werden. Diese Regelung ist mit dem momentanen Stand der Technik in Solar-Home-Systemen (SHS) mit elektri schem Speicher nicht möglich.
Die erfindungsgemäße Technik stattet ein Solar-Home-System (SHS) 10 mit ei- nem Kommunikationssystem aus, welches es ermöglicht, Informationen zwischen der Steuerung 20 und den angeschlossenen Verbrauchern 32, 34 und 36 auszu- tauschen. Der Informationsaustausch kann unidirektional oder bidirektional auf kabelgebundene oder kabellose Art und Weise erfolgen. Mit diesen Informatio- nen ist es möglich, die angeschlossenen Verbraucher 32, 34 und 36 so zu steu- ern oder zu regeln, dass diese ihre Leistungsaufnahme ändern. Insofern die an- geschlossenen Verbraucher 32, 34 eine Speicherung von thermischer Energie ermöglichen, kann diese Eigenschaft hierdurch beeinflusst werden und Energie als thermische Energie gespeichert werden.
Aus den gesammelten Informationen ergibt sich beispielsweise ein sogenannter Energiestatus („Energy State“) des Systems 10, welcher sich aus der Batterieka- pazität des elektrischen Energiespeichers 14 und dessen Ladezustand, aus dem aktuell zur Verfügung stehenden Ladestrom - bevorzugt der Photovoltaikmodule 12 oder anderer regenerativer, nicht kontinuierlich zur Verfügung stehender Quellen, wie der Windturbine 16 oder eines instabilen Stromversorgungsnetzes 19 mit einer hohen Ausfallrate - und dem Laststrom der Verbraucher 32, 34 und 36 zusammen setzt.
Durch diese Feststellung des gesamten Energiestatus des Systems 10 wird es möglich, bei einer guten Energieverfügbarkeit der regenerativen Energiequellen 12, 16 die thermischen Speicher in den Verbrauchern 32 bzw. 34 aufzuladen. Dies erfolgt beispielsweise zunächst bevorzugt in einem Kühlschrank 32, in den ein Phasenübergangsmaterial („Phase Changing Material (PCM)) mit einem Schmelzpunkt um die 6°C eingebaut wird. Die Zieltemperatur wird im Inneren des Kühlschrankes 32 während hoher Energieverfügbarkeit (z.B. bei angeschlosse- nen Photovoltaikmodulen 12 tagsüber bei starker Sonneneinstrahlung), durch die Steuerung 20 auf etwa 2°C abgesenkt. Hierdurch gefriert das Phasenüber- gangsmaterial mit einem Phasenübergang bei etwa 6°C. Bei geringer Energiever- fügbarkeit (z.B. bei angeschlossenen Photovoltaikmodulen 12 während der Nacht) schmilzt dieses Phasenübergangsmaterial und hält die Temperatur im Kühlschrank 32 niedrig. Dadurch ist ein Nachkühlen während der Nacht mit elektrischer Energie nicht oder nur in äußerst geringem Umfang nötig.
Das vorstehend beschriebene Prinzip ist ähnlich auch für einen mit einem elektri- schen Warmwassererzeuger 34 verbundenen, gut isolierten Warmwasser- Wärmespeicher anwendbar. Hier kann aber auf den Einsatz von Phasenüber- gangsmaterial verzichtet werden, da das Wasser selbst schon eine ausreichend hohe Speicherkapazität bereitstellt. Der Warmwassererzeuger 34 wird bevorzugt mit einer niedrigeren Priorität betrieben als der Kühlschrank 32 und daher erst bei einem entsprechend hohem Überschuss von mittels der regenerativen Ener- giequellen 12, 16 bereitgestellter elektrischer Energie aktiviert.
Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, dass die erzeug- te regenerative Energie nicht nur in elektrischer Form gespeichert werden muss, sondern auch viel günstiger in Form von thermischer Energie. Hierdurch wird der für das System 10 benötigte elektrische Energiespeicher 14 kleiner und das Sys- tem 10 damit insgesamt kostengünstiger.
Des Weiteren ermöglicht die bidirektionale Kommunikation zwischen der Steue- rung 20 und den Verbrauchern 32, 34 und 36 das optionale Koppeln von Ver- brauchern 32, 34 und 36 an ein bestimmtes System mit einem eindeutig definier- ten Steuergerät 20 (mittels eines Handshaking-Protokolls). Der Verbraucher 32, 34 und 36 muss sich also an der Steuerung 20 mit einer eindeutigen ID oder Se- riennummer anmelden und freigeschaltet werden. Erfolgt dieser Schritt der Frei- schaltung nicht, funktioniert der angeschlossene Verbraucher 32, 34 und 36 nicht oder nur sehr eingeschränkt. Hierdurch kann verhindert werden, dass Verbrau- cher, welche zu einer bestimmten Steuerung 20 gehören, mit einer anderen Steuerung oder einer anderen Energiequelle betrieben werden können. Das Sys- tem 10 kann durch den Handshaking-Prozess und das Binden von Verbrauchern an eine definierte Steuerung 20 eines bestimmten Smart Home Systems (SHS) den Diebstahl und Missbrauch von Verbrauchern verhindern. Dies ist vor allem bei PAYG („Pay-as-you-go“) oder anderen Mietmodellen ein wesentlicher Vorteil.
Beispiel Kühlschrank 32:
Der Kühlschrank 32 ändert seine innere Temperatur („Target Temperature“) in Abhängigkeit vom Energiestatus des gesamten Systems 10. Bei guter Verfügbar- keit von elektrischer Energie seitens der regenerativen Energiequellen 12 bzw.
16 wird die Zieltemperatur („Target Temperature“) beispielsweise auf 2°C gesetzt und dadurch das Phasenübergangsmaterial (PCM) eingefroren. Bei geringem Energiestatus des Gesamtsystems 10 wird die Zieltemperatur im Kühlschrank 32 durch die Steuerung 20 auf 8°C gesetzt und das Phasenübergangsmaterial taut auf. Bei mittlerem Energiestatus wird die Zieltemperatur im Kühlschrank 32 bei spielsweise auf 5°C gesetzt. Bei dieser geringen Temperaturdifferenz zur Pha- senübergangstemperatur von 6°C erfolgt dann nur eine geringe Interaktion mit dem Phasenübergangsmaterial.
Als elektrische Energiespeicher 14 sind besonders bevorzugt sogenannte Hyb- rid-Speicher mit wenigstens einem Bleiakkumulator und wenigstens einem Lithi- umakkumulator geeignet. Der gesamte„State of Charge“ (SOC) des Hybrid- Speichers berechnet sich intern aus einer Kombination des SOC der Lithiumbat- terie und des SOC der Bleibatterie. Die Batteriegröße der Bleibatterie und der Lithiumbatterie und deren jeweiliger aktueller SOC gehen dann bevorzugt in das Lade- und Entlademanagement der Steuerung 20 des Systems 10 ein. Das Lade- und Entlademanagement der Steuerung 20 kann dabei auch die Teil- Speicherkapazitäten der Lithiumbatterie und der Bleibatterie unterschieden und deren priorisierte Ladung bzw. Entladung steuern. Last- und Ladestrom können von der Steuerung 20 aber auch vereinfacht als Gesamt-Last- bzw. Ladestrom (ohne Unterscheidung der Teil-Speicherkapazitäten und der SOC’s der Lithium- batterie und der Bleibatterie) behandelt werden. Ein typischer Tagesverlauf mit diesem Beispiel kann in etwa so aussehen:
Tagsüber wird dem Kühlschrank 32 über die Steuerung 20 Energie aus dem Pho- tovoltaikmodul 12 zugeführt. Die Temperatur im Kühlschrank 32 ist niedrig.
Nachts wird keine elektrische Energie zugeführt, die Temperatur im Kühlschrank 32 wird durch Auftauen des Phasenübergangsmaterials auf etwa 8°C gehalten.
Ziel der Erfindung ist es, den elektrischen Speicher 14 durch optimierte Energie- verteilung zu minimieren und hierdurch die gesamten Systemkosten zu senken. Das erfindungsgemäße System 10 ist auch nachträglich problemlos mit weiteren, mit thermischen Speichern ausgestatteten Verbrauchern 32, 34 nachrüstbar, oh- ne den elektrischen Energiespeicher 14 vergrößern oder auszutauschen zu müs- sen.
Das System 10 ermöglicht zudem, die Temperatur eines Warmwassererzeugers 34 oder eines Kühlschrankes 32 so zu regeln, dass immer eine Mindestversor- gung garantiert ist.
Das erfindungsgemäße System 10 kann völlig autark - das heißt ohne eine Ein- bindung in ein öffentliches Stromversorgungsnetz - arbeiten; es ist jedoch auch möglich, als weiteren Eingang an der Steuerung 20 ein solches öffentliches Stromversorgungsnetz 19 anzukoppeln, aus dem bei Bedarf elektrische Energie entnommen und in das bei entsprechendem Energieüberschuss im System 10 auch elektrische Energie eingespeist werden kann. Die Entnahme erfolgt dabei bevorzugt zu Zeiten, in denen die Lasten am öffentlichen Stromversorgungsnetz 19 niedrig sind (typischer Weise nachts), wo die aus dem öffentlichen Stromver- sorgungsnetz 19 in das System 10 eingespeiste Energie bevorzugt zur Ladung des elektrischen Energiespeichers 14 und/oder zur Ladung der thermischen Speicher in den Verbrauchern 32, 34 verwendet wird. Das Einspeisen in das öf- fentliche Stromversorgungsnetz 19 erfolgt bevorzugt zu Zeiten, wenn im System 10 aufgrund hoher Erzeugung von elektrischer Energie durch die regenerativen Energieerzeuger 12 und 16 und einer geringen Last durch die Verbraucher 32, 34 und 36 ein entsprechender Überschuss entsteht (typischer Weise tagsüber).
Bezugszeichenliste
10 System (zur Steuerung von Energieströmen) 12 Photovoltaik-Modul
14 (elektrischer) Energiespeicher
16 Windturbine
18 Generator
19 Stromversorgungsnetz
20 Steuerung (SHS = Smart Home System)
22 Zeitmessvorrichtung
24 Datenspeicher 32 Kühlschrank (mit PCM = Phase Change Material)
34 Warmwassererzeuger (mit thermischem Speicher) 36 Verbraucher (ohne Speicherfunktion)

Claims

Patentansprüche
System (10) zur Steuerung von Energieströmen, mit wenigstens einer auf einer regenerativer Energieerzeugung basierenden Spannungsquelle (12; 16), mit wenigstens einem Energiespeicher (14) zur Speicherung von elektrischer Energie, mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher (32; 34; 36) und mit wenigstens einer Steuerung (20) zur Steuerung der Ener- gieströme zwischen Spannungsquellen (12; 16), Energiespeicher (14) und Verbrauchern (32; 34; 36), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verbraucher (32; 34) zur Speicherung von thermischer Energie einge- richtet ist und die Steuerung (20) in Abhängigkeit vom aktuellen Bela- dungszustands des elektrischen Energiespeichers (14), vom Speicherzu- stands des thermischen Speichers in den Verbrauchern (32; 34) und vom aktuell bereitgestellten Spannungsangebot der Spannungsquellen (12; 16) die thermischen und elektrischen Energieströme und/oder Speicherzu- stände im System regelt.
System (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steue- rung (20) in bidirektionaler Datenverbindung mit der Spannungsquelle (12; 16) und/oder dem elektrischen Energiespeicher (14) und/oder dem thermi- schen Speicher in den Verbrauchern (32; 34) und/oder den sonstigen elektrischen Verbrauchern (36) steht.
System (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver- braucher (32; 34; 36) über ein Handshaking-Protokoll mit der Steuerung (20) verbunden werden.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (32; 34; 36), der elektrische Ener- giespeicher (14) und/oder die Steuerung (20) eine eindeutige Kennung aufweisen, die bei einer Einbindung in das System (10) in der Steuerung (20) gespeichert wird.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (32; 34; 36) einen die Betriebsbe- reitschaft des jeweiligen Verbrauchers (32; 34; 36) herstellenden oder un- terbrechenden Schalter aufweisen, der in Abhängigkeit von einer eindeuti- gen, von der Steuerung (20) übermittelten Kennung der Steuerung (20) betätigbar ist.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktuellen Energieangebot der Spannungs- quellen (12; 16), das die Energieanforderung der Verbraucher (32; 34; 36) übersteigt, der überschießende Teil der elektrischen Energie in wenigs- tens einem der Verbraucher (32; 34) zur Speicherung von thermischer Energie verwendet wird.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) mit einer Zeitmessvorrichtung (22) versehen ist.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) mit wenigstens einem Datenspei- cher (24) zur Speicherung tageszeitlicher und/oder jahreszeitlicher Tempe- raturverläufe und/oder Helligkeitsverläufe und/oder Sonnenintensitätsver- läufe des aktuellen Einsatzortes des Systems (10) aufweist.
System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verbraucher (32; 34) zur Speicherung von thermischer Energie mit einem Phasenübergangsmedium versehen ist.
10. System (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) die Entnahme aus oder die Ein- speisung von elektrischer Energie in ein Stromversorgungsnetz (19) steu ert.
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