DE102006030751A1

DE102006030751A1 - Vorrichtung zur Nutzung von Solarenergie

Info

Publication number: DE102006030751A1
Application number: DE102006030751A
Authority: DE
Inventors: Matthias Haag
Original assignee: Kaco Geraetetechnik GmbH
Current assignee: Kaco New Energy GmbH
Priority date: 2006-06-21
Filing date: 2006-06-21
Publication date: 2007-12-27

Abstract

Vorrichtung zur Nutzung von Solarenergie haben ein Sonnenlicht aufnehmendes Element in Form eines Photovoltaik-Generators. Er wandelt das Sonnenlicht in Strom um, das in das Stromnetz als Verbraucher eingespeist wird. Während der Winterzeit setzt sich auf dem Photovoltaik-Generator Schnee ab, der zu Problemen führt. Damit auf dem das Sonnenlicht aufnehmenden Element befindlicher Schnee oder Eis gefahrlos entfernt werden kann, weist die Vorrichtung eine Schalteinheit auf, die die Vorrichtung so umschaltet, daß Energie vom Verbraucher dem Element zugeführt wird. Dadurch wird das Element erwärmt, so daß auf ihm liegender Schnee oder eine Eisschicht abgetaut werden. Die Vorrichtung ist vorteilhaft eine Photovoltaik-Anlage, die außer im Einspeisebetrieb auch im Schmelzbetrieb eingesetzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung von Solarenergie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bekannte Vorrichtungen haben als Sonnenlicht aufnehmende Elemente Photovoltaik-Generatoren, die auf Gebäudedächern, sonstigen baulichen Einrichtungen oder auf sonstigen baulichen Flächen montiert werden und das Sonnenlicht in Strom umwandeln, der in das Stromnetz eingespeist wird. Häufig ist die gesamte Dachfläche mit solchen Photovoltaik-Generatoren belegt, so daß in großem Maße Strom erzeugt werden kann. Während der Winterzeit setzt sich auf den Photovoltaik-Generatoren Schnee ab. Die Schneeschichten auf den Gebäudedächern können so dick werden, daß Gebäudedächer einstürzen können. Um dieser Gefahr zu begegnen, werden die Schneelasten auf dem Dach abgeräumt. Dies ist jedoch zum Teil mit einem hohen Risiko für die Personen versehen, die auf dem Dach stehen und den Schnee abräumen.
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß auf dem das Sonnenlicht aufnehmenden Element befindlicher Schnee oder Eis gefahrlos entfernt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Richtung der Energiezuführung umgekehrt, so daß das das Sonnenlicht umwandelnde Element die Energieform nicht mehr dem Verbraucher zuführt, sondern umgekehrt vom Verbraucher erhält. Dies hat zur Folge, daß sich das Element erwärmt. Dadurch wird der auf diesem Element liegende Schnee oder eine entsprechende Eisschicht abgetaut. Dadurch wird in einfacher und dennoch zuverlässiger Weise sichergestellt, daß sich auf dem Element keine hohen Schneedecken bilden können.
Vorteilhaft ist das Element ein Photovoltaikmodul oder die Verschaltung von mehreren Photovoltaik-Modulen, die im Einspeisebetrieb das Sonnenlicht in Strom umwandeln und in das Stromnetz einspeisen. Der Energiefluß kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung umgekehrt werden, so daß der Strom vom Stromnetz in das Photovoltaikmodul strömt und es erwärmt. Dadurch ist es möglich, den Schnee oder das Eis, die im Winter die Photovoltaikmodule bedecken, abgetaut werden. Diese Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung hat darüber hinaus den Vorteil, daß unnötige Energieeinbußen durch den Schnee oder das Eis beseitigt werden, die tagelang die Photovoltaikmodule bedecken.
Vorteilhaft ist die Schalteinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Wechselrichter, vorzugsweise ein trafoloser Wechselrichter.
Damit Änderungen am Gerät zwischen dem Einspeis- und dem Schmelzbetrieb nicht notwendig sind, wird der Wechselrichter vorteilhaft im Vierquadranten-Betrieb betrieben. Dadurch ist ein energetisches Zurückspeisen aus dem Stromnetz in die Photovoltaikmodule einfach möglich.
Der Beginn des Abschmelzvorganges kann manuell über einen Schalter oder sensorgesteuert erfolgen. Vorteilhaft ist die sensorgesteuerte Umschaltung des Wechselrichters, so daß Schnee/Eis zuverlässig abgetaut werden. Sobald der Abschmelzvorgang erfolgt ist, wird die Vorrichtung entweder manuell oder sensorgesteuert umgeschaltet. Hierfür wird vorteilhaft ein Temperatur- und/oder ein Helligkeitssensor eingesetzt. Insbesondere ein Helligkeits sensor erkennt die abgetauten Photovoltaikmodule aufgrund des höheren Lichteinfalls, so daß der Helligkeitssensor ein entsprechendes Schaltsignal erzeugt, wodurch die Vorrichtung aus dem Schmelzbetrieb wieder in den Einspeisebetrieb umgeschaltet wird.
Die Photovoltaikmodule können auf eine Dachabdeckung als gesonderte Module aufgesetzt werden. Die Module können aber auch in die Dachziegel selbst integriert sein. Ebenso können die Module als dachintegrierte Systeme ausgeführt sein, die die Dachabdeckung selbst bilden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen
1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
2 ein Schaltbeispiel eines Wechselrichters der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Wirkungsweise der Vorrichtung. Sie hat wenigstens einen Photovoltaik-Generator 1, der mindestens ein Photovoltaik-Modul, vorzugsweise eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen, aufweist und an einen Wechselrichter 2 angeschlossen ist. Er ist mit dem Stromnetz 3 verbunden. Die Vorrichtung wird üblicherweise so betrieben, daß der Photovoltaik-Generator 1 Energie in das Stromnetz 3 einspeist. Die Wirkungsweise des Photovoltaik-Generators 1 ist bekannt und wird darum auch nicht näher erläutert. Die Photovoltaik-Generatoren 1 werden in der Regel auf einem Dach eines Gebäudes montiert, wobei dieses Dach ein Flachdach oder auch ein Schrägdach sein kann. Es kann die gesamte Dachfläche mit Photovoltaik-Generatoren 1 belegt sein. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, nur einen Teil der Dachfläche mit solchen Generatoren zu versehen. Die Photovoltaik-Generatoren 1 nutzen die Sonneneinstrahlung aus, Energie zu erzeugen, die in das Stromnetz 3 eingespeist werden kann. In 1 ist die Energieflußrichtung bei dem beschriebenen Einspeisebetrieb durch den Pfeil 4 angegeben. Der Wechselrichter 2 ist in diesem Falle in den Einspeisebetrieb geschaltet. Der Wechselrichter 2 wandelt die vom Photovoltaik-Generator 1 kommende Gleichspannung vor Einspeisung in das Stromnetz 3 in Wechselspannung um.
Der Wechselrichter 2 kann aus dem Einspeisebetrieb in einen Schneeschmelzbetrieb umgeschaltet werden. Dies hat zur Folge, daß Energie aus dem Stromnetz 3 in den Photovoltaik-Generator 1 eingespeist wird. Die Energie wird im angeschlossenen Photovoltaik-Generator 1 in Wärme umgesetzt. Dadurch ist es möglich, Schnee, der im Winter auf den Photovoltaik-Generatoren 1 liegt, abzutauen. Dadurch werden unnötige Energieeinbußen durch den Schnee beseitigt, der tagelang die Photovoltaik-Generatoren 1 bedecken kann. In 1 ist die Energieflußrichtung beim Schneeschmelzbetrieb durch den Pfeil 5 angegeben. Die Umschaltung des Wechselrichters 2 vom Einspeis- in den Schneeschmelzbetrieb kann manuell über einen Schalter oder auch automatisch beispielsweise über einen Sensor gestartet werden. In gleicher Weise kann nach dem Abschmelzen des Schnees der Wechselrichter 2 durch einen Schalter oder vorzugsweise mittels wenigstens eines Sensors aus dem Schneeschmelzbetrieb in den Einspeisebetrieb umgeschaltet werden.
Der Wechselrichter 2 ist vorzugsweise trafolos und wird im Vierquadrantenbetrieb betrieben, ohne daß Änderungen am Wechselrichter 2 vorgenommen werden müssen.
Der Wechselrichter ist in einem Gehäuse 6 (2) untergebracht. Es hat zwei Gleichspannungsanschlüsse 8, 9 für den Photovoltaik-Generator 1. Die Gleichspannungsanschlüsse 8, 9 sind Schraubanschlüsse, können aber auch als Steckanschlüsse ausgeführt sein, mit denen eine sichere elektrische Verbindung zwischen dem Photovoltaik-Generator 1 und dem Wechselrichter 2 gewährleistet ist. Die Anschlüsse 8, 9 sind an ein Modul 10 angeschlossen, mit dem der Erdschluß überwacht wird und das als EMV-Filter sowie als Überspannungsschutz dient.
Die von den Anschlüssen 8, 9 kommende Energie oder Gleichspannung werden einer IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)-Anordnung 11 zugeführt. Sie wird mit einer vorgegebenen Taktfrequenz, im Ausführungsbeispiel mit 18 kHz, betrieben und ist in Brückenschaltung aufgebaut. Die Brückenschaltung 12 der IGBT-Anordnung 11 ist über einen Netzdrosselbaustein 13 an ein Schaltmodul 14 angeschlossen.
Zwischen dem Modul 10 und der IGBT-Anordnung 11 liegt eine Eingangskapazität 15, mit der die Spannung geglättet und Energie gepuffert wird.
Der Wechselrichter 2 ist mit mindestens einem Sensor 16 zur Temperaturüberwachung versehen.
Das Schaltmodul 14 weist zwei Schaltelemente 17, 18, vorzugsweise Relais, auf.
Am Gehäuse 6 befindet sich ein Anschluß 20, mit dem der Wechselrichter 2 an das Stromnetz 3 angeschlossen wird. Dem Anschluß 20 vorgeschaltet ist ein Modul 21, das einen EMV-Filter sowie einen Überspannungsschutz aufweist und an Masse anliegt. Im Modul 21 sind Meßglieder enthalten, die von einer Steuerung in einem Schaltnetzteil- und Signalaufbereitungsbaustein 28 ausgewertet werden. Wird die Vorrichtung im Schneeschmelzbetrieb eingesetzt, dann stellt das Modul 21 sicher, daß die vom Stromnetz 3 über den Anschluß 20 zugeführten Ströme/Spannung den Photovoltaik-Generator 1 nicht beschädigen können. Zwischen dem Schaltmodul 14 und dem Modul 21 befindet sich ein AFI-Modul 22, das ebenfalls an Masse anliegt. Das AFI- Modul 22 dient dem Anlagen- und Personenschutz und erkennt Fehlerströme, die im Wechselrichter, bei den PV-Modulen oder in der Verkabelung der PV-Module entstehen können.
Vom Anschluß 20 führt ein Schutzleiter 23 zum Modul 21. Der Neutralleiter 24 ist vom Anschluß 20 zum Schaltelement 18 des Schaltmoduls 14 geführt. Auch der Leiter 25 ist vom Anschluß 20 zum Schaltelement 18 geführt. Die Leiter 26 und 27 führen vom Anschluß 20 zum Modul 21. Die Leiter 26, 27 sind lediglich zur Überwachung vorgesehen, während über den Leiter 25 die Einspeisung des Stroms vom Photovoltaikmodul 1 in das Stromnetz 3 erfolgt.
Die Module 10, 15, 11, 14, 21 und 22 sind an den Schaltnetzteil- und Signalaufbereitungsbaustein 28 angeschlossen, der sich im Gehäuse 6 des Wechselrichters 2 befindet. Der Baustein 28 dient auch zur Signalaufbereitung und kann über einen Nachtaktivierungstaster 29 aktiviert werden.
Der Baustein 28 wird von einem Mikroprozessor 30 oder einem digitalen Signalprozessor angesteuert, der ebenfalls im Gehäuse 6 untergebracht ist. Die Verbindung zwischen dem Mikroprozessor 30 und dem Baustein 28 erfolgt vorteilhaft über ein Flachbandkabel 31. Es ist auch möglich, den Mikroprozessor 30 in den Baustein 28 zu integrieren. Der Mikroprozessor 30 kann mit (nicht dargestellten) Tasten am Gehäuse bedient werden. Vorteilhaft ist am Gehäuse 6 ein Display 32 vorgesehen, anhand dessen die Eingaben mittels der Tasten überprüft werden können. Der Mikroprozessor 30 ist vorteilhaft als redundantes Zweiprozessorsystem ausgebildet, so daß ein Ausfall des Mikroprozessors 30 nahezu ausgeschlossen ist.
Der Mikroprozessor 30 ist mit Schnittstellen 33 bis 35 versehen, von denen die Schnittstelle 33 eine RS232-, die Schnittstelle 34 eine RS485- und die Schnittstelle 35 eine S_o-Schnittstelle ist. Die Schnittstellen 34, 35 sind an Steuerklemmen 36, 37 intern direkt auf der Steuerplatine angeschlossen.
Die Schnittstelle 33 ist über ein Flachbandkabel 39 mit einem entsprechenden Anschluß 40 verbunden.
Der Mikroprozessor 30 hat ein Störmelderelais 41, das mit einer Steuerklemme 42 verbunden ist. Über die S_o-Schnittstelle erfolgt die Verbindung zum internen Gerätebus. Über die Schnittstellen 33 und 34 können Daten in den Prozessor 30 eingegeben und/oder aus ihm ausgelesen werden. So können beispielsweise Meßdaten abgefragt oder beispielsweise eine neue Software eingespielt werden.
Die Vorrichtung kann in zwei unterschiedlichen Weisen betrieben werden, ohne daß ein Umbau erforderlich ist. Im Normalbetrieb (Einspeisebetrieb) wandelt der Photovoltaik-Generator 1 die Sonnenenergie in elektrischen Strom um, der über den Wechselrichter 2 in das Stromnetz 3 eingespeist wird. Die Schaltelemente 17, 18 des Schaltmoduls 14 sind geschlossen, so daß der an den Anschlüssen 8, 9 eingespeiste Strom zum Anschluß 20 geführt und von dort in das Stromnetz 3 eingespeist werden kann. Das Modul 10 stellt einen Schutz gegen Überspannung sicher. Durch den EMV-Filter werden Störfelder ausgefiltert. Mit der IGBT-Anordnung 11 ist mittels der Brückenschaltung 12 ein Vierquadranten-Betrieb möglich.
Der Vierquadranten-Betrieb ermöglicht, daß der Strom nicht nur in der üblichen Weise in das Stromnetz 3 eingespeist wird, sondern daß umgekehrt auch Strom dem Netz 3 entnommen und dem Photovoltaik-Generator 1 zugeführt werden kann. Dies erfolgt dann, wenn der Photovoltaik-Generator 1 erwärmt werden soll, um beispielsweise auf ihm liegenden Schnee abzutauen. Der Abschmelzvorgang bzw. die Umschaltung in den Schneeschmelzbetrieb kann mittels eines Schalters manuell erfolgen. Dann wird die Brückenschaltung 12 in bekannter Weise so angesteuert, daß der Strom dem Netz 3 entnommen und dem Photovoltaik-Generator 1 zugeführt wird.
Der Netzdrosselbaustein 13 als Induktivität begrenzt den Kreisstrom des Vierquadranten-Antriebes. Die Netzdrosseln verhindern, daß der Kreisstrom zu hohe Werte annimmt.
Die Umschaltung vom Einspeisebetrieb 4 in den Schneeschmelzbetrieb 5 kann auch sensorgesteuert automatisch erfolgen. Durch die Erwärmung des Photovoltaik-Generators 1 schmilzt der auf ihm liegende Schnee ab, so daß zuverlässig verhindert wird, daß sich auf dem Dach dicke Schneeschichten bilden.
Sobald der Schnee abgeschmolzen ist, erfolgt das Umschalten vom Schneeschmelzbetrieb 5 in den Einspeisebetrieb 4. Dies kann wiederum manuell mittels eines Schalters oder vorzugsweise sensorgesteuert erfolgen.
Als Sensor kann ein Temperatur- und/oder Helligkeitssensor oder eine Kombination aus mehreren Sensoren eingesetzt werden. Sobald der Schnee auf dem Photovoltaik-Generator 1 abgetaut ist, registriert der Sensor/die Sensorkombination eine ansteigende Temperatur, wodurch er ein entsprechendes Schaltsignal erzeugt, mit dem die Brückenschaltung 12 umgeschaltet wird. Ein Helligkeitssensor kann für diese Schaltaufgabe ebenfalls eingesetzt werden, da nach dem Wegschmelzen des Schnees der Lichteinfall auf den Photovoltaik-Generator 1 größer ist als in dem Fall, daß sich eine Schneedecke auf ihm befindet. In gleicher Weise registriert der Sensor/die Sensorkombination eine abnehmende Temperatur oder einen geringeren Lichteinfall, wenn Schnee oder Eis auf dem Photovoltaik-Generator 1 liegen bleibt. Dann wird die Brückenschaltung 12 umgeschaltet und die Vorrichtung vom Einspeisbetrieb 4 in den Schmelzbetrieb 5 überführt.
An den Wechselrichter 1 können mehrere Photovoltaik-Generatoren 1 angeschlossen werden. Auch ist es möglich, auf dem Dach eines Gebäudes mehrere Wechselrichter mit einer entsprechenden Zahl von Photovoltaik-Generatoren 1 zu verwenden.
Das beschriebene Prinzip der Erwärmung kann auch bei Solaranlagen eingesetzt werden, die nicht mit Strom, sondern mit einem Wärmeübertragungsmedium arbeiten. Hier erfolgt der Wärmeübergang der Solaranlage mittels eines Wärmetauschers an den jeweiligen Verbraucher. Liegt auf den Solarkollektoren auf dem Gebäudedach Schnee, dann kann der Wärmetauscher so umgeschaltet werden, daß vom Verbraucher Wärme auf das durch die Solarzellen strömende Medium übertragen wird, wodurch die Solarzellen erwärmt und der Schnee abgetaut werden.
Die beschriebene Vorrichtung kann außer auf Gebäudedächern auch auf sonstigen baulichen Einrichtungen oder Flächen montiert werden.

Claims

Vorrichtung zur Nutzung von Solarenergie, mit wenigstens einem Sonnenlicht aufnehmenden Element (1), mit dem das Sonnenlicht in eine andere Energieform umgewandelt und einem Verbraucher zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Schalteinheit (2) aufweist, die die Vorrichtung so umschaltet, daß Energie vom Verbraucher (3) dem Element (1) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (1) ein Photovoltaikmodul oder die Verschaltung von mehreren Photovoltaik-Modulen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinheit (2) ein Wechselrichter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (3) das Stromnetz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (2) im Vierquadranten-Betrieb betreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (2) einen IGBT-Baustein (11) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der IGBT-Baustein (11) eine Brückenschaltung (12) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der IGBT-Baustein (11) an einen Mikroprozessor (30) oder Digitalen Signalprozessor (DSP) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (30) ein redundantes Zwei-Prozessor-System aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (30) wenigstens eine Schnittstelle (33 bis 35) zur Datenein/ausgabe aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung manuell erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung sensorgesteuert erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umschaltung ein Temperatur- und/oder Helligkeitssensor (16) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (1) Teil eines Dachziegels ist.
Vorrichtung zur Nutzung von Solarenergie, mit wenigstens einem Sonnenlicht aufnehmenden Element, mit dem das Sonnenlicht in eine andere Energieform umgewandelt und einem Verbraucher zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abtauen von Schnee/Eis auf dem Element (1) dieses Element durch Umkehren des Energieflusses erwärmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie dem Verbraucher (3) entnommen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie Strom ist, der dem Stromnetz (3) entnommen wird.