DE102011010791A1

DE102011010791A1 - System zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit intelligenter Energieverwaltungseinheit

Info

Publication number: DE102011010791A1
Application number: DE102011010791A
Authority: DE
Inventors: Günter Haug
Original assignee: MHH Solartechnik GmbH
Current assignee: BAYWA R.E. SOLARSYSTEME GMBH, DE
Priority date: 2011-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit einem Solargenerator, wobei der Solargenerator mit einer intelligenten Energieverwaltungseinheit (9) verbunden ist, die einen MPP-T(Maximum-Power-Point-Tracker)-Laderegler (3), einen Netzwechselrichter (4) und einen regelbaren Verteiler (8) aufweist, wobei die Energieverwaltungseinheit (9) ferner mit einem lokalen Energiespeicher (5), einem lokalen Verbraucher (6) und einem externen Stromnetz (7) verbunden ist. Ferner wird ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Systems angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit einem Solargenerator und einem Netzwechselrichter. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines netzgekoppelten Systems zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie.
Aus dem Stand der Technik sind netzgekoppelte Photovoltaikanlagen mit netzgerührtem Wechselrichtern bekannt, deren Solargeneratoren beispielsweise auf Dächern von Ein- oder Mehrfamilienhäusern angeordnet sind. Bei diesen Systemen wird der vom Solargenerator erzeugte Solarstrom direkt einem Wechselrichter zugeführt und ohne Zwischenspeicher ins Stromnetz eines Verbrauchers eingespeist. Nicht verbrauchter Solarstrom geht direkt ins Netz eines Energieversorgungsunternehmens. Der nicht eigengenutzte Solarstrom wird dabei vom Energieversorgungsunternehmen vergütet. Im Gegenzug wird der Strombedarf, der in Zeiten von keiner oder nur geringer Leistung des Solargenerators entsteht, aus dem Stromnetz des Energieversorgungsunternehmens bezogen. Dies führt zum Teil zu hohen Einspeiseleistungen von Photovoltaikanlagen in das Stromnetz der Energieversorgungsunternehmen. Übers Jahr wird rechnerisch oftmals eine Vollversorgung mit Solarstrom erreicht, aber keineswegs zu allen Zeiten. Dies führt teilweise zu Problemen mit der vorhandenen Infrastruktur der vorhandenen Stromnetze der Energieversorgungsunternehmen, da diese zeitweise überlastet werden. Insbesondere bei hoher Sonneneinstrahlung und vielen netzgekoppelten Photovoltaikanlagen treten hohe Stromspitzen im Sommer in der Mittagszeit auf. Diese Stromspitzen sind auch der Maßstab für die Auslegung der vom Betreiber der Photovoltaikanlage bereitzustellenden Infrastruktur, d. h. diese Stromspitzen definieren im Wesentlichen die Leistung des bereitzustellenden Wechselrichters. Zum anderen führen die wetter- und tageszeitabhängigen Energieeinspeisungen zu erheblichen Problemen bei der Regelung konventioneller Kraftwerksanlagen. Schließlich ist es für den Betreiber einer Photovoltaikanlage zum einen unbefriedigend und zum anderen teuer, bei wenig oder keine Sonnenlicht Strom von den Energieversorgungsunternehmen zukaufen zu müssen.
Aus der DE 196 30 432 A1 ist eine netzgekoppelte Photovoltaikanlage mit Energieerzeugerteil und einem Netzkoppelteil sowie einem elektrischen Energiespeicherteil bekannt. Das Energiespeicherteil kann aus dem Energieerzeugerteil gesteuert in Zeiten mit geringem Leistungsbedarf geladen werden und gesteuert in Zeiten mit hohem Leistungsbedarf elektrische Energie an das Netzkoppelteil mit Wechselrichter abgeben. Ziel ist die Spitzenlastkappung bei Stromnetzgroßkunden mit Anschluss ans öffentliche Netz, aber auch bei Energieversorgern selbst.
Die DE 42 15 550 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem Gleichstrom von einem Gleichstromerzeuger bedarfsweise unmittelbar einem Gleichstromspeicher zugeführt und dort gespeichert sowie bedarfsweise von dort abgezogen und wechselgerichtet und transformiert ins Wechselstromnetz eingespeist wird. Dabei wird der vom Gleichstromerzeugter erzeugte Gleichstrom über Stormrichter und Transformator in das Wechselstromnetz eingespeist. Alternativ wird der Strom dem Gleichstromspeicher zugeführt und erst bei Bedarf von dort die gespeicherte elektrische Energie über Stromrichter und Transformator ins Netz eingespeist. Zweck dieser Energiespeicherung ist eine in sekundenschnell verfügbare Sekundärreserveleistung.
Die DE 10 2008 059 293 A1 beschreibt eine stetige, unterbrechungsfreie Stromversorgung eines Verbrauchers aus einer Photovoltaikanlage mit einem Batteriepufferspeicher. Dabei soll die Stromversorgung bei Tageslicht vom Stromnetz unabhängig sein.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbessertes netzgekoppeltes System zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben eines netzgekoppelten Systems zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie vorgestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit einem Solargenerator und einem Netzwechselrichter vorgesehen, wobei ferner ein intelligenter Energieverwaltungseinheit mit einer Regeleinheit, einem MPP-T(Maximum-Power-Point-Tracker) Laderegler und einem lokalen Energiespeicher vorgesehen ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Solargenerator über den MPP-T-Laderegler mit dem Energiespeicher und dem Netzwechselrichter verbunden ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbeildung der Erfindung sieht vor, dass die Regeleinheit Mittel zum Messen einer SOLL-Leistung eines lokalen Verbrauchswechselstroms aufweist, um Gleichstrom aus dem Solargenerator und/oder dem Energiespeicher an den Wechselrichter bedarfsgerecht nachzuführen. Dazu können auch Parameter wie die voraussichtliche Solarstromerzeugung (Tagesgang) von externen Informationsquellen, wie beispielsweise dem Internet, herangezogen werden.
Noch eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Regeleinheit eine Logikschaltung aufweist, die im Fall, dass die SOLL Leistung P SOLL kleiner als eine Leistung des Solargenerators ist, die überschüssige Leistung dem Energiespeicher zuführt, und im Fall, dass die SOLL Leistung P SOLL größer als die Leistung des Solargenerators ist, die Differenz DELTA P vom Energiespeicher und/oder aus dem Netz eines Energieversorgungsunternehmens bezieht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Netzwechselrichter auf eine maximale Verbrauchsleistung in einem Haushalt oder Gewerbebetrieb ausgelegt ist. Dies kann beispielsweise bei einem vier Personen Haushalt eine Leistung pro Haushalt von vorzugsweise 2–7 kW, besonders bevorzugt von 3–5 kW sein.
Noch eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Energiespeicher als Tagesspeicher mit einer Speicherkapazität für eine maximale Nacht-Verbrauchsleistung in einem Haushalt oder Gewerbebetrieb ausgelegt ist. Dies kann beispielsweise bei einem vier Personen Haushalt pro Haushalt eine Speicherkapazität von vorzugsweise 5–20 kWh, besonders bevorzugt 10–15 kWh sein, so dass der Strombedarf für die Nacht gespeichert wird. Der Energiespeicher kann dabei vorzugsweise eine stationäre Batterie mit hoher Zyklenfestigkeit und hohem Lade-/Entladewirkungsgrad sein, beispielsweise Li-Ionen-, NiMH- oder NaS-Akkus aber auch Blei-Säure-Akkus, etc.
Schließlich sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass bei maximaler Stromerzeugung des Solargenerators 1/3 der Leistung über den regelbaren Netzwechselrichter ins Stromnetz (A) und 2/3 der Leistung in den Energiespeicher geleitet werden. Der Netzwechselrichter besitzt dabei als Maximalleistung 1/3 der Leistung des Solargenerators.
Eine intelligente Energieverwaltungseinheit, die einen MPP-T(Maximum-Power-Point-Tracker)-Laderegler, einen Netzwechselrichter und einen regelbaren Verteiler aufweist, wobei Anschlüsse für die Einleitung von Gleichstrom aus einem regenerativen Generator und Anschlüsse für die Einleitung bzw. Entnahme von Gleichstrom aus einen Energiespeicher an dem MPP-T-Laderegler vorgesehen sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass der MPP-T-Laderegler mit dem Netzwechselrichter verbunden ist und dass der Netzwechselrichter einen geregelten Verteiler aufweist, der Anschlüsse für die Abgabe von Wechselstrom an einen Verbraucher und Anschlüsse für die Abgabe oder Aufnahme von Wechselstrom aus einem externen Stromnetz aufweist, um die Abgabe des erzeugten Wechselstroms an einen Verbraucher und/oder ein externes Stromnetz zu steuern.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der intelligenten Energieverwaltungseinheit sieht vor, dass ferner Anschlüsse für Messsignale eines Bedarfsstroms vorgesehen sind, um eine bedarfsgerechte Speicherung und/oder Wandlung von Gleichstrom zu ermöglichen.
Noch eine vorteilhafte Weiterbildung der intelligenten Energieverwaltungseinheit sieht vor, dass ferner ein lokaler Energiespeicher als integraler Bestandteil der intelligenten Energieverwaltungseinheit vorgesehen ist. Hierdurch lässt sich eine besonders kompakte Energieverwaltungseinheit bereitstellen, die einfach zu installieren und zu warten ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb eines netzgekoppelten Systems zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie, weist folgende Schritte auf

– Ermitteln eines Bedarfsstroms eines Verbrauchers;
– Weiterleitung von Gleichstrom an einen Netzwechselrichter;
– Abgabe des erzeugten Wechselstroms an den Verbraucher.

Nachfolgend wird die Erfindung gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines netzgekoppelten Systems zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit einem intelligenten Energieverwaltungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematisches Blockschaltbild eines netzgekoppelten Systems zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie vom Stand der Technik.
Ausführungsbeispiel 1: Erhöhung des eigenverbrauchten Solarstroms
Die Leistung des Verbrauchsstroms B wird gemessen und der regelbare Netzwechselrichter erzeugt genau diese Leistung A. Wird vom Solargenerator mehr Strom erzeugt als Leistung A benötigt wird, geht der restliche Solarstrom in den Stromspeicher. Wird im Verbrauch mehr benötigt als der Solargenerator Strom bringt, dann kommt der restliche Strom für A aus dem Stromspeicher. Ergebnis im Normalbetrieb: Kein Strombezug vom Netz des Energieversorgungsunternehmens (EVU). Keine Stromabgabe an das Netz des Energieversorgungsunternehmens. Der gerade erzeugte bzw. der gespeicherte Solarstrom wird primär zum Eigenverbrauch bereitgestellt. Damit erhöht sich der Anteil des eigenverbrauchten Solarstroms. Mittels Prognosen aus externen Quellen, beispielsweise von Internetseiten, über die zukünftige Solarstromerzeugung und eine lernende Logikschaltung zur Ermittlung des Verbrauchslastgangs, kann das System weiter auf optimierten Eigenverbrauch geregelt werden. Ist der Stromspeicher voll geladen, wird der komplette Solarstrom des Solargenerators in Wechselstrom umgeformt A und eingespeist. Damit geht ein Teil des Solarstroms ins Netz des Energieversorgungsunternehmens. Ist der Stromspeicher leer, schaltet der regelbare Netzwechselrichter aus und der Verbrauchsstrom kommt direkt vom Netz C des Energieversorgungsunternehmens. Der Stromspeicher wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Tagesspeicher ausgelegt, so dass der Strombedarf für die Nacht gespeichert wird. In privaten Haushalten hat der Stromspeicher somit ca. 5–20 kWh Speicherkapazität.
Ausführungsbeispiel 2: Senkung der Anschlussleistung
Vielerorts sind die Stromleitungen des Energieversorgungsunternehmen-Netzes an der Leistungsgrenze. Insbesondere bei hoher Sonneneinstrahlung und vielen netzgekoppelten Photovoltaik-Anlagen ohne Stromspeicher treten hohe Stromspitzen im Sommer in der Mittagszeit auf. Die Maximalleistung und damit die Stromspitzen können durch das erfindungsgemäße netzgekoppelte System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie und Regelung 2 minimiert werden. Bei Volllast des Solargenerators fließt 1/3 der Leistung über den regelbaren Netzwechselrichter ins Stromnetz des Energieversorgungsunternehmens A, 2/3 gehen in den Stromspeicher. Bringt der Solargenerator weniger als 1/3 der Maximalleistung so wird der regelbare Netzwechselrichter weiterhin auf Volllast betrieben. Der zusätzliche Strom kommt aus dem Stromspeicher. Nachts wird damit der restliche (gespeicherte) Solarstrom ins Netz eingespeist. Ergebnis: An manchen Tagen wird 24 h die Wechselrichterleistung ins Netz des Energieversorgungsunternehmens eingespeist. Da diese nur 1/3 der Solargeneratorleistung hat, senkt die neue Systemtechnik den Spitzenstrom um 66%! Der regelbare Netzwechselrichter benötigt eine Ausgangsleistung von nur 1/3 der Solargeneratorleistung. Der Stromspeicher muss so groß sein, dass 2/3 der Solarstromerzeugung eines schönen Sommertags aufgenommen werden können.
Ausführungsbeispiel 3: Optimierung bei Smart Metering
In der Zukunft werden Verbrauchsstrompreise zeit- und angebotsabhängige sein und möglicherweise auch zeit- und angebotsabhängige Vergütungen für Solarstrom eingeführt. Das erfindungsgemäße netzgekoppelte System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie versorgt vorzugsweise die Verbraucher mit direkt erzeugtem und/oder gespeichertem Solarstrom in Zeiten mit hohem Strombezugspreis und speist ins Stromnetz bei hohem Vergütungspreis ein. Dazu erhält der Netzwechselrichter über eine Schnittstelle, z. B. zum Internet, zu einem intelligenten Stromzähler oder sonstige intelligente Zwischengeräte, Daten zum aktuellen Einspeise- bzw. Verbrauchsstrompreis und den Tagesgang dieser Werte. Der regelbare Netzwechselrichter wird durch den Verbrauchsstrom B geregelt, damit die Photovoltaik-Anlage den optimalen Ertrag bringt.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Bezugszeichenliste

1: System zur elektrischen Energieerzeugung
2: Solargenerator
3: MPP-Tracker-Laderegler
4: Netwechselrichter
5: Energiespeicher
6: Verbraucher
7: Stromnetz EVU
8: Regelbarer Verteiler
9: intelligente Energieverwaltungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19630432 A1 [0003]
DE 4215550 A1 [0004]
DE 102008059293 A1 [0005]

Claims

Netzgekoppeltes System (1) zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie mit einem Solargenerator (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Solargenerator mit einer intelligenten Energieverwaltungseinheit (9) verbunden ist, die einen MPP-T(Maximum-Power-Point-Tracker)-Laderegler (3), einen Netzwechselrichter (4) und einen regelbaren Verteiler (8) aufweist, wobei die Energieverwaltungseinheit (9) ferner mit einem lokalen Energiespeicher (5), einem lokalen Verbraucher (6) und einem externen Stromnetz (7) verbunden ist.
Netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie nach Anspruch 1, wobei der Solargenerator über den MPP-T-Laderegler mit dem Energiespeicher und dem Netzwechselrichter verbunden ist.
Netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regeleinheit Mittel zum Messen einer SOLL-Leistung eines lokalen Verbrauchswechselstroms aufweist, um Gleichstrom aus dem Solargenerator und/oder dem Energiespeicher an den Wechselrichter bedarfsgerecht nachzuführen.
Netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Regeleinheit eine Logikschaltung aufweist, die im Fall, dass die SOLL Leistung P SOLL kleiner als eine Leistung des Solargenerators ist, die überschüssige Leistung dem Energiespeicher zuführt, und im Fall, dass die SOLL Leistung P SOLL größer als die Leistung des Solargenerators ist, die Differenz DELTA P vom Energiespeicher und/oder aus dem Netz eines Energieversorgungsunternehmens bezieht.
Netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Netzwechselrichter auf eine maximale Verbrauchsleistung in einem Haushalt oder Gewerbebetrieb ausgelegt ist.
Netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Energiespeicher als Tagesspeicher mit einer Speicherkapazität für eine maximale Nacht-Verbrauchsleistung in einem Haushalt oder Gewerbebetrieb ausgelegt ist.
Netzgekoppeltes System zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie nach Anspruch 1, wobei bei maximaler Stromerzeugung des Solargenerators 1/3 der Leistung über den regelbaren Netzwechselrichter ins Stromnetz (A) und 2/3 der Leistung in den Energiespeicher geleitet werden.
Intelligente Energieverwaltungseinheit (9), die einen MPP-T(Maximum-Power-Point-Tracker)-Laderegler (3), einen Netzwechselrichter (4) und einen regelbaren Verteiler (8) aufweist, wobei Anschlüsse für die Einleitung von Gleichstrom aus einem regenerativen Generator und Anschlüsse für die Einleitung bzw. Entnahme von Gleichstrom aus einen Energiespeicher an dem MPP-T-Laderegler (3) vorgesehen sind, wobei der MPP-T-Laderegler (3) mit dem Netzwechselrichter (4) verbunden ist und wobei der Netzwechselrichter (4) einen geregelten Verteiler (8) aufweist, der Anschlüsse für die Abgabe von Wechselstrom an einen Verbraucher und Anschlüsse für die Abgabe oder Aufnahme von Wechselstrom aus einem externen Stromnetz aufweist, um die Abgabe des erzeugten Wechselstroms an einen Verbraucher und/oder ein externes Stromnetz zu steuern.
Intelligente Energieverwaltungseinheit (9) nach Anspruch 8, wobei ferner Anschlüsse für Messsignale eines Bedarfsstroms vorgesehen sind, um eine bedarfsgerechte Speicherung und/oder Wandlung von Gleichstrom zu ermöglichen.
Intelligente Energieverwaltungseinheit (9) nach Anspruch 8 oder 9, wobei ferner ein lokaler Energiespeicher (5) als integraler Bestandteil der intelligenten Energieverwaltungseinheit (9) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb eines netzgekoppelten Systems zur lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie, welches folgende Schritte aufweist: – Ermitteln eines Bedarfsstroms eines Verbrauchers; – Weiterleitung von Gleichstrom an einen Netzwechselrichter; – Abgabe des erzeugten Wechselstroms an den Verbraucher.