AT509824A1 - Vorrichtung zur erzeugung thermischen energie - Google Patents

Description

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Vorrichtung zur Erzeugung thermischer Energie

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung thermischer Energie mit einer nichtlinearen elektrischen Stromquelle, einem elektrischen Kondensator, einem Regler und einem elektrischen Nutzwiderstand, sowie ein Verfahren zur Leistungsanpassung einer nichtlinearen elektrischen Stromquelle an einen Nutzwiderstand mit einem Kondensator und einem Regler.

Neben der direkten Umwandlung von Sonnenenergie in thermischer Energie mit Hilfe von Solarkollektoren stellt die Photovoltaik, also die direkte Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie mittels Solarzellen, eine moderne und vielversprechende alternative Energiequelle mit steigendem Anwendungspotential dar. Die heutzutage mit Solarzellen in der Photovoltaik erzielbaren Wirkungsgrade erreichen, abhängig von den Einstrahlungsbedingungen, 20-40%, wodurch die Photovoltaik eine der vielversprechendsten alternativen Energiegewinnungsquellen darstellt.

Photovoltaik wird derzeit auf zwei Arten genutzt: Erstens existieren, vor allem in Gegenden mit starker Sonneneinstrahlung, Solarkraftwerke, die die generierte elektrische Energie in das öffentliche Versorgungsnetz einspeisen.

Zweitens existieren zunehmend kleinere Solaranlagen, die die generierte elektrische Energie mittels Schaltreglem in Pufferbatterien speichern, und bei Bedarf mittels Wechselrichtern auf die benötigte Wechselspannung transformieren. Diese Nutzung weist jedoch zwei Nachteile auf, nämlich die geringe Lebensdauer der Batterien und •Λ · « ·*·* *» *··· · ··* • · «»«·· > ·· # * · ♦··· *·*» · * · ···· ··· ·· « t I *» 2

49214 Ag/Fl Logotfienn Regelsysteme GmbH den Verlust, der durch die Schaltregler (ca. 85%) und die Wechselrichter (ca. 85%) hervorgerufen wird.

Politische und private Bestrebungen gehen neuerdings verstärkt in die Richtung, s Photovoltaik direkt im Haushalt (Eigennutzung) zu verwenden. Insbesondere als unterstützende Energiequelle für die Warmwasserbereitung und andere Heizzwecke ist die Photovoltaik auch in Ländern mit mittlerer oder geringer Sonneneinstrahlung von Vorteil. io Ein Photovoltaikmodul stellt eine nichtlineare elektrische Stromquelle dar, deren Innenwiderstand, Kurzschlusstrom und Leerlaufspannung nicht konstant sind, sondern von der vorherrschenden Bestrahlungsstärke und Temperatur stark abhängig sind. Der sogenannte Maximum Power Point (MPP) ist jener Punkt im Strom-Spannungs-Diagramm einer Solarzelle, an dem die größte Leistung i5 entnommen werden kann, d.h. jener Punkt, an welchem das Produkt von Strom und Spannung sein Maximum hat. Dieser MPP ist nicht konstant, sondern hängt von der Bestrahlungsstärke, der Temperatur und auch dem Typ der Solarzelle ab.

Damit eine Solarzelle oder ein Solargenerator immer am MPP operiert, sind 20 Regelalgorithmen notwendig, die die Spannung an der Solarzelle auf den benötigten Wert einstellen. Derartige Regelalgorithmen sind als MPP-Tracker bekannt und beispielsweise in der DE 10 060 108 A1 beschrieben.

Um die generierte elektrische Energie zwischenzuspeichem, ist ein elektrischer 25 Energiespeicher notwendig. Dazu bieten sich Kondensatoren entsprechender Größe an, wie es insbesondere in der Druckschrift US 2006/0 132 102 A1 offenbart ist. Um einen derartigen Kondensator effizient zu laden, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, die nichtlineare Stromquelle mit einem Kondensator zu verbinden, und die elektrische Energie des Photovoltaikgenerators durch einen DC-DC 30 Konverter auf das vom Kondensator benötigte Spannungsniveau zu konvertieren.

Ausgehend von diesem Stand der Technik stellen sich nun zwei Probleme: Erstens entstehen sowohl bei der DC-DC Konvertierung, als auch bei der Speicherung der elektrischen Energie in einem Kondensator beträchtliche Verluste. Es wäre * · »· · 9 * ♦* 9 *» • 9 · ····« 4 · • * ·····*··» · · 9 • * * * * · ft · » ·· «V · · 4 4 · 3 49214 Ag/Fl

Logotherm Regelsysteme GmbH vorteilhaft, die vom Photovoltaikmodul gelieferte Leistung direkt thermisch nutzen zu können.

Zweitens wird bei den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik das Photovoltaikmodul impulsartig belastet, um die generierte elektrische Energie auf ein 5 geeignetes Spannungsniveau zu transferieren. Diese impulsartige Belastung ist schädlich und reduziert die Lebensdauer des Photovoltaikmoduis.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Probleme zu lösen, und die direkte thermische Nutzung von Photovoltaik zu ermöglichen, ohne die Lebensdauer der io Photovoltaikmodule durch impulsartige Belastungen zu reduzieren.

Diese technische Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kondensator parallel zur Stromquelle geschalten ist und ein steuerbarer Schalter zwischen dem Kondensator und dem Nutzwiderstand vorgesehen ist. Der 15 Nutzwiderstand kann insbesondere als Heizwiderstand zur Erwärmung eines Wärmeträgers ausgeführt sein, wodurch die direkte thermische Nutzung der Photovoltaik ermöglicht wird. Dies erlaubt mittels eines Eiektroheizeinsatzes die Erwärmung des Wärmeträgers einer Warmwasserheizung, die Erwärmung von Warmwasser und andere Heizzwecke, die mittels Gleichspannung betrieben werden 20 können. Das Photovoltaikmodul ist direkt mit dem elektrischen Kondensator verbunden, wobei der Kondensator parallel zum Photovoltaikmodul geschalten ist, und damit das Photovoltaikmodul stets gleich belastet ist. Um eine Ausgangsspannung von 230V +15% zu erhalten, ist es insbesondere vorteilhaft, mehrere Photovoltaikmodule in Serie zu schalten. 25

Der Kondensator erfüllt zwei Zwecke: Erstens dient er als Speicherkondensator, der die vom Photovoltaikmodul gelieferte Energie zwischenspeichert, damit sie bei Bedarf an den Nutzwiderstand abgegeben werden kann.

Zweitens dient der Kondensator dazu, die Spannung am Photovoltaikmodul derart 30 einzustellen, dass dieses stets am Maximum Power Point (MPP) betrieben wird. Damit wird erreicht, dass stets die maximal verfügbare Leistung aus dem Photovoltaikmodul gezogen wird.

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Dazu ist ein Regler vorgesehen, der zunächst anhand der Kennlinie des Photovoltaikmoduls den MPP feststellt, und dann durch Auf- oder Entladung des Kondensators den Arbeitspunkt der Stromquelle derart einstellt, dass der elektrische

Innenwiderstand der Stromquelle, also der Quotient ~, an den Nutzwiderstand δ angepasst ist. Dazu kann Insbesondere ein Leistungstransistor vorgesehen sein, der bevorzugt als Feldeffekttransistor ausgeführt sein kann. Die Berechnung des MPP kann durch eine Schaltlogik und/oder einen Mikroprozessor erfolgen.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Auf- oder Entladung des Kondensators 10 durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren erfolgt. Je nach benötigter Spannung am Kondensator wird die Pulsweite des Leistungstransistors, der sich zwischen dem Kondensator und dem Nutzwiderstand befindet, so gesteuert, dass sich die gewünschte Spannung am Kondensator einstellt. Dieses Regelungsverfahren wird in den Ausführungsbeispielen beschrieben. Um zu verhindern, dass bei in Serie 15 geschalteten mechanischen Thermostaten bei Schaltvorgängen eine Plasmabildung (Kontaktbrand) erfolgt, wird auch bei voll ausgesteuertem Leistungstransistor eine periodische Tastlücke in das Pulsweitenmodulationssignal eingefügt.

Die technische Aufgabe wird ebenfalls durch das erfindungsgemäße Verfahren 20 dadurch gelöst, dass der Regler den Arbeitspunkt berechnet, an dem die Stromquelle die maximale Leistung abgeben kann (Maximum Power Point MPP), und der Regler die Auf- oder Entladung des Kondensators derart steuert, dass die Stromquelle in diesem Arbeitspunkt betrieben wird. 25 Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Verwendung 30 eines Photovoltaikmoduls zur Erwärmung eines Wärmeträgers,

Fig. 3 zeigt die Stromspannungskennlinie eines Photovoltaikmoduls bei variierender Bestrahlungsstärke,

Fig. 4 zeigt das detaillierte Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung, • » »·

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Fig. 5 zeigt einen Teil des Regelalgorithmus des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 6 zeigt das erfindungsgemäße Pulsweitenmodulationsverfahren an einem Beispiel. 5 Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Eine nichtideale Stromquelle 1 ist mit einem Nutzwiderstand 6 über einen Regler 3 verbunden. Parallel zur Stromquelle 1 ist der Kondensator 2 geschalten. Die Stromquelle verfügt über einen Innenwiderstand 5, der abhängig von den Betriebsbedingungen der Stromquelle 1 ist. 10

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein Photovoltaikmodul 14 über einen Regler 3 an einen Heizwiderstand 15 zur Erwärmung eines Wärmeträgers 16 angeschlossen ist. Parallel zu den Anschlüssen des Photovoltaikmoduls 14 befindet sich ein Kondensator 2. Es ist angedeutet, dass 15 sich der Heizwiderstand 15 in einem Warmwasserspeicher befindet, der über einen Zulauf und einen Ablauf für den Wärmeträger 16, insbesondere Wasser, verfügt.

Fig. 3 zeigt verschiedene Stromspannungskennlinien eines Photovoltaikmoduls bei verschiedenen Bestrahlungsstärken. Die gekennzeichneten Maximum Power Points 20 (MPPi, MPP2, WIPP3) kennzeichnen jene Ströme (l1t l2) l3) sowie Spannungen (U1p U2, U3), bei denen für den jeweiligen Betriebszustand das Produkt aus Strom und Spannung maximal ist. Mit anderen Worten, MPP1f MPP2 und MPP3 kennzeichnen den idealen Arbeitspunkt des Photovoltaikmoduls für den jeweiligen Betriebszustand. 25 Fig. 4 zeigt ein detailliertes Schaltbild der erftndungsgemäßen Vorrichtung, in dem die Stromquelle 1 parallel zu einem Kondensator 2 und einem Regler 3 an einen Nutzwiderstand 6 angeschlossen ist. Am Kondensator 2 liegt die Kondensatorspannung Uc an. Der Regler 3 sorgt dafür, dass abhängig vom herrschenden Betriebszustand die Kondensatorspannung Uc so eingestellt wird, dass 30 sie gleich der Spannung am MPP für den herrschenden Betriebszustand ist. Dazu verfügt der Regler 3 über eine Steuerlogik 11, die insbesondere als Mikroprozessor ausgeführt sein kann. Die Steuerlogik 11 bezieht über den Spannungsmesser 8 und den Strommesser 9 sowie den Shuntwiderstand 19 die aktuellen Werte von Uc und dem von der Stromquelle bzw. dem Kondensator gelieferten Strom. Im vorliegenden ftft * » · * * ft · ft « ftft ft * · ft·*· ftft·· ft Φ ft ft* • · · * · · φ φ ♦ · · ft · φ · 6 49214 Ag/Fl

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Ausführungsbeispiel ist die Energieversorgung (10) des Reglers direkt an die Stromquelle 1 angeschlossen. Zur Interaktion mit dem Benutzer verfügt der Regler über die Tasten 12 und das LC-Display 13. 5 Der Regler 3 hat die Aufgabe, den Kondensator 2 abhängig von der berechneten Spannung am MPP und der aktuellen Kondensatorspannung Uc zu laden oder zu entladen. Dazu verfügt der Regler 3 über den Leistungstransistor 7, der insbesondere als Feldeffekttransistor ausgeführt sein kann. Dieser Leistungstransistor 7 kann Teil des Reglers sein, er kann aber auch getrennt vom Regler ausgeführt sein und mit io diesem über Steuerleitungen verbunden sein.

Wenn der Leistungstransistor 7 ausgeschaltet ist, dann besteht keine Verbindung zwischen dem Nutzwiderstrand und der Stromquelle. Die Stromquelle lädt in diesem Fall den Kodensator 2 auf und die Spannung am Kondensator Uc steigt an. Wenn der 15 Leistungstransistor eingeschaltet ist, dann wird der Nutzwiderstand 6 mit der Stromquelle 1 bzw. mit dem Kondensator verbunden, und es wird Ladung vom Kondensator 2 abgezogen. Die Kondensatorspannung Uc sinkt.

Die Schaltlogik 11 steuert das Ein- und Ausschalten des Leistungstransistors 7, 20 durch ein in der Figur mit PWM symbolisiertes Pulsweitenmodulationsverfahren, welches in Fig. 6 beschrieben wird.

Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt des Regelalgorithmus des Reglers 3. Zunächst wird aus der Kennlinie des Photovoltaikmoduls, der Temperatur und der Bestrahlungsstärke 25 der Maximum Power Point (MPP) bestimmt. Alternativ kann der MPP auch durch iteratives Abfahren der Stromspannungskennlinie bestimmt werden. Dies liefert den Wert von MPP als Sollwert des Regelungsverfahrens. Alternativ kann der Wert von UMPP durch andere Verfahren bestimmt werden. Derartige Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt (MPP-Tracker). 30

Nach Bestimmung von UMpp wird die aktuelle Kondensatorspannung Uc gemessen und mit UMpp verglichen, Wenn Uc > UMPP ist, dann wird der Kondensator entladen, indem ein entsprechendes Pulsweitenmodulationssignal an den Leistungstransistor 7 angelegt wird, bis Spannungsgleichheit zwischen Uc und UMPP hergesteilt ist. ·· *· * · ·*·« * · · · * · ·· * · · * · » I · » * · · ♦ ·*** »·«« · « * * · * i » · * • · · » m · * 7

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Solange Uc = UMPP ist, muss an dem herrschenden Puls des Leistungstransistors 7 nichts geändert werden.

Flg. 6 zeigt den zeitlichen Verlauf des Pulsweitenmodulationssignais sowie des s Sollwerts der Kondensatorspannung UMpp und der tatsächlichen

Kondensatorspannung Uc an einem beispielhaften Verlauf des Maximum Power Points UMpp im Laufe derzeit. Man sieht, dass bei steigendem Umpp das PWM-Signal längere Ausschaltdauem des Leistungstransistors 7 vorsieht, und sich die Kondensatorspannung Uc an den Sollwert UMpp entsprechend annähert. Auch wenn io die Stromquetle ihre maximale Leistung abgeben kann, wird der

Leistungstransistor 7 nicht voll ausgesteuert, sondern es verbleibt stets eine Tastlücke 18, um zu verhindern, dass bei in Serie geschaltenen mechanischen Thermostaten bei Schaltvorgängen eine Plasmabildung (Kontaktbrand) auftritt. Das gleiche gilt für den Fall, dass der Wert von UMpp drastisch sinkt und der Kondensator 15 entsprechend stark entladen werden soll.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren beschränken sich nicht auf die Verwendung mit Photovoltaikmodulen, sondern sind auch für die Verwendung an anderen nichtidealen Stromquellen vorgesehen, 20 insbesondere Windmaschinen oder Generatoren, die durch Wasserkraft betrieben werden. • · ·· » · »··· *» » I · t * I # · *·♦»*·»· ♦ «· • * ♦ ·**····«* · * * · * * · * · · ·· ·· · t · ν· 11

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Bezugszeichenliste 1 Stromquelle 2 Kondensator 5 3 Regler 4 Maximum Power Point (MPP) 5 Innenwiderstand 6 Nutzwiderstand 7 Schalter 10 8 Spannungsmesser 9 Strommesser. 10 Energieversorgung 11 Schaltlogik 12 Tasten 15 13 LC-Display 14 Photovoltaik-Generator 15 Heizwiderstand 16 Wärmeträger 17 Pulsweitenmodulationsverfahren 20 18 Tastlücke 19 Shuntwiderstand

Claims (12)

1. 8 49214 Ag/Fl Logotherm Regelsysteme GmbH Patentansprüche Vorrichtung zur Erzeugung thermischer Energie mit einer nichtlinearen elektrischen Stromquelle (1), einem elektrischen Kondensator (2), einem Regler (3) und einem elektrischen Nutzwiderstand (6), dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (2) parallel zur Stromquelle geschalten ist und ein steuerbarer Schalter (7) zwischen dem Kondensator (2) und dem Nutzwiderstand (6) vorgesehen ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein, den Arbeitspunkt der Stromquelle (1) durch Auf- oder Entladung des Kondensators (2) über den Schalter (7) einstellenden Regler (3) vorgesehen ist, um die Abgabe der maximalen Leistung an den Nutzwiderstand (6) zu erreichen. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (7) zur Verbindung des Nutzwiderstandes (6) mit dem Kondensator (2) eingerichtet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (7) als Leistungstransistor und insbesondere als Feldeffekttransistor ausgeführt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auf- oder Entladung des Kondensators (2) über den Schalter (7) durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren (17) gesteuert ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (3) Spannungssensoren (8) und/oder Stromsensoren (9) und/oder einen Shuntwiderstand (19) umfasst. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (3) eine Schaltlogik (11) und/oder einen Mikroprozessor umfasst. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energieversorgung (10) des Reglers (3) vorgesehen ist, die mit der Stromquelle (1) und/oder dem Kondensator (2) verbunden ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (3) Tasten (12) und/oder ein LC-Display (13) zur Interaktion mit dem Benutzer umfasst. 4 • · »t • ♦ • · • * • · * * # · · * * + « * • *··· ·#*# « · f 4 9»*· ·· • · · 44 9 49214 Ag/Fl Logotherm Regelsysteme GmbH
2. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Stromquelle (1) einen Photovoltaik-Generator (14) oder mehrere, in Serie oder parallel geschaltene Photovoltaik-Generatoren (14) umfasst.
3. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der zusammengeschaltenen Photovoltaik-Generatoren (14) so gewählt ist, dass eine Ausgangsspannung Uc am Kondensator (2) im Bereich von 195V bis 265V liegt.
4. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, io dass der Nutzwiderstand (6) als Heizwiderstand (15) zur Erwärmung eines Wärmeträgers (16) ausgeführt ist.
5. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Wärmeträgers (16) die Bereitung von Wannwasser oder die Heizung in privaten Haushalten umfasst.
6. 14. Verfahren zur Leistungsanpassung einer nichtlinearen elektrischen Stromquelle (1) an einen Nutzwiderstand (6) mit einem Kondensator (2) und einem Regler (3), dadurch gekennzeichnet, dass a. der Regler (3) den Arbeitspunkt (4) berechnet, an dem die Stromquelle (1) die maximale Leistung abgeben kann (Maximum Power Point 20 MPP), und b. der Regler (3) die Auf- oder Entladung des Kondensators (2) derart steuert, dass die Stromquelle (1) in diesem Arbeitspunkt (4) betrieben wird.
7. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auf- oder 25 Entladung des Kondensators (2) ein Schalter (7) vorgesehen ist, der im eingeschalteten Zustand den Nutzwiderstand (6) mit dem Kondensator (2) verbindet, und im ausgeschalteten Zustand den Nutzwiderstand (6) vom Kondensator (2) trennt.
8. 16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auf- 30 oder Entladung des Kondensators (2) über den Schalter (7) durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren (17) gesteuert ist.
9. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Pulsweitenmodulationsverfahren (17) so viel elektrische Ladung aus dem Kondensator (2) entnommen wird, dass die gemittelte Spannung am 1 44 44 4 4 4 4 4» 44 • ♦ 4 4 • * 4 4 4 • 4 • 4 4 4 4 4 4 44 • * • 4 4444 »44« 4 4 4 4 4 4 4 • 4 4 4 4 4 »4 4 4 » 4 4 44 10 49214 Ag/Fl Logotherm Regelsysteme GmbH Kondensator (2) der Spannung entspricht, bei der die Stromquelle (1) die maximale Leistung abgeben kann.
10. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulsweitenmodulationsverfahren {17) eine Auflösung von 8 bis 10 Bit 5 aufweist.
11. 19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Pulsweitenmodulationsverfahren (17) eine periodische Tastlücke (18) vorgesehen ist.
12. 20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, io dass zur Bestimmung des optimalen Arbeitspunktes (4) der Regler (3) a. die Spannung an der Stromquelle (1) variiert, b. den Innenwiderstand (5) der Stromquelle (1) berechnet, c. den Innenwiderstand (5) mit dem Nutzwiderstand (6) vergleicht, d. und bei Nichtübereinstimmung den Spannungswert an der 15 Stromquelle (1) nachjustiert, bis Übereinstimmung herrscht. Wien, am 29. April 2010

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