Improvement
of solar electricity
self-consumption . Verbesserung des PV-Eigenstromverbrauch
Eigenverbraucherhöhung
durch intelligente Erwärmung von Wasser mittels Heizstab
und Phasenanschnittsteuerung.
Wirtschaftliche
Vorbetrachtung:
Die von kleinen privaten
Photovolatikanlagen erzeugte Leistung (hier 4kWp) kann im
Normalfall nur bis zu ca. 25% (im
Jahresdurchschnitt)
durch kochen, waschen, trocknen etc. selbst verbraucht werden. Bei
größeren Anlagen ist es eher noch weniger. Lässt sich durch
intelligente Steuerung dieser Prozentsatz aber erheblich erhöhen,
wenn man
Solarstrom z.B. zum Aufheizen von Wasser nutzt? Dabei sind
diverse Randbedingungen für die Wirtschaftlichkeit von Bedeutung, auf
die hier später noch eingegangen wird.
Für das beschriebene Projekt waren die Investitionskosten (Material und
Arbeitszeit) von nachrangiger Bedeutung. In erster Linie sollte
generelle Machbarkeit eruiert und Wirkschaftlichkeit im Betrieb
realisiert werden.
Erste Berechnungen zum
Leistungsverbrauch bei Wassererhitzung ergaben
realistische und verwertbare Ergebnisse. Z.B. würde die Erhitzung von
800 l Wasser um 10 K bei durchschnittlich 3kW ca. 3 Stunden dauern.
Die Kostenbetrachtung und der Vergleich diverser strombasierenter
Energiequellen
zum
Erhitzen von Wasser pro kWh, muss differenziert gesehen werden und ist
aktuell mit entscheidend über die Rentabilität des Systems. Der
Vergleich zeigt, dass beim Einsatz der vorhandenen WP die
Erhitzung von Wasser (noch) nicht rentabel ist. Bei allen anderen
Stromquellen jedoch schon. Öl als Energieträger ist nur zur Referenz
aufgeführt. Dem Vergleich liegen Einspeisevergütungen von 2011
zugrunde. Die aktuellen Vergütungen und Strompreise begünstigen
hingegen den Eigenverbrauch erheblich. Die heutige Rentabilität muss
daher individuell neue berechnet werden.
Betrachtung Technische
Realisierung: Grob
gesehen muss man wissen, wieviel solare Energie im Moment zur Verfügung
steht und wie viel Leistung
lokal im Moment verbraucht wird. Wenn ein Überschuss an Solarenergie
besteht, können zusätzliche Verbraucher angeschaltet werden. Das könnte
man manuell erledigen, diverse PV-Wechselrichter sind aber auch schon
mit Einrichtungen versehen, die je nach aktuellem solaren Ertrag
zusätzliche Verbraucher zu- und abschalten können. Dies geschieht dann
aber meistens nach der "EIN-AUS" Methode. Ein z.B. 6 kW Heizstab
belastet nach Anschaltung immer mit 6kW. Entweder muss gewartet werden
bis 6 kW übrig sind oder man bezieht die Differenz an Leistung vom
Stromlieferant und zahlt dafür.
Um eine 6 kW Heizpatrone mit z.B. nur 1kW Leistungsaufnahme zu
betreiben, kommt nur eine Phasenanschnittsteuerung in Betracht,
vergleichbar mit einem Dimmer für Beleuchtung im Wohnzimmer. Allerdings
ist dabei durch die wesentlich höhere Lesitung , ein erhöhter Aufwand
zur Störungsvermeidung nötig. Diese
Lösung kann jedoch schnell genug auf Lastwechsel reagieren , wenn
plötzlich durch Verbraucher im Haus mehr Leistung benötigt wird.
Eine Pulspaketsteuerung, die mit der gleicher Einrichtung realisierbar
wäre und mit wesentlich geringerem Filteraufwand auskäme, hilft hier
nicht. Für die Dauer des Paketes würde die volle Leistung aufgenommen.
Damit liese sich wohl eine Temperatur- aber keine Leistungsregelung
erreichen.
Realisierung: Für
die hier gewählte Lösung wurde für die Leistungselektronik auf
käufliche Komponenten zurückgegriffen. Der SUNPOWER Controller mit SW
ist Eigenbau.
Controller
zur Ermittlung der erzeugten und verbrauchten Energie, zum Regeln
des Heizstabes und zum Logger der Daten (hier Eigenbaucontroller
mit LPC2148 MC)
Ergebnis und Hinweise: Bei
der hier gewählten Anordnung können um die 90% Selbstverbrauchsanteil
erreicht werden. Vorausgesetzt, die überzählige Leistung der
Solaranlage
kann immer an den Wasserpuffer abgegeben werden. Die überschüssige
Leistung ist sehr fein dosier- und die Heizpatrone ab fast 0 Watt bis
zum Maximum aussteuerbar. Unter ca. 200 W Überschuss wird jedoch
absichtlich nicht mehr ausgeregelt, um bei
kleinen Grundlaständerungen im unteren Leistungsbereich nicht sofort
nachregeln zu müssen. Die Regelung ist ausserdem "hängend", d.h. es
wird
immer erst im nachinein erkannt ob die zulässige Leistung
überschritten ist. Es kommt daher regelungsbedingt manchmal zu ganz
kurzen
Leistungsaufnahmen vom Netz.
Bildergalerie: Bilder des
Testaufbaus im Schaltschrank und Testaufbau des Controllers.
(click
to
the picture)
Bei
Bedarf könnte der SUNPOWER Controller und die nötige SW genauer
beschrieben werden.
Der Autor spart sich das aber im Moment!