DE102006030751A1 - Vorrichtung zur Nutzung von Solarenergie - Google Patents
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Abstract
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-Generator1 , der mindestens ein Photovoltaik-Modul, vorzugsweise eine Vielzahl von Photovoltaik-Modulen, aufweist und an einen Wechselrichter2 angeschlossen ist. Er ist mit dem Stromnetz3 verbunden. Die Vorrichtung wird üblicherweise so betrieben, daß der Photovoltaik-Generator1 Energie in das Stromnetz3 einspeist. Die Wirkungsweise des Photovoltaik-Generators1 ist bekannt und wird darum auch nicht näher erläutert. Die Photovoltaik-Generatoren1 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-Generatoren1 belegt sein. Es ist aber auch ohne weiteres möglich, nur einen Teil der Dachfläche mit solchen Generatoren zu versehen. Die Photovoltaik-Generatoren1 nutzen die Sonneneinstrahlung aus, Energie zu erzeugen, die in das Stromnetz3 eingespeist werden kann. In1 ist die Energieflußrichtung bei dem beschriebenen Einspeisebetrieb durch den Pfeil4 angegeben. Der Wechselrichter2 ist in diesem Falle in den Einspeisebetrieb geschaltet. Der Wechselrichter2 wandelt die vom Photovoltaik-Generator1 kommende Gleichspannung vor Einspeisung in das Stromnetz3 in Wechselspannung um. - Der Wechselrichter
2 kann aus dem Einspeisebetrieb in einen Schneeschmelzbetrieb umgeschaltet werden. Dies hat zur Folge, daß Energie aus dem Stromnetz3 in den Photovoltaik-Generator1 eingespeist wird. Die Energie wird im angeschlossenen Photovoltaik-Generator1 in Wärme umgesetzt. Dadurch ist es möglich, Schnee, der im Winter auf den Photovoltaik-Generatoren1 liegt, abzutauen. Dadurch werden unnötige Energieeinbußen durch den Schnee beseitigt, der tagelang die Photovoltaik-Generatoren1 bedecken kann. In1 ist die Energieflußrichtung beim Schneeschmelzbetrieb durch den Pfeil5 angegeben. Die Umschaltung des Wechselrichters2 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 Wechselrichter2 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 Wechselrichter2 vorgenommen werden müssen. - Der Wechselrichter ist in einem Gehäuse
6 (2 ) untergebracht. Es hat zwei Gleichspannungsanschlüsse8 ,9 für den Photovoltaik-Generator1 . Die Gleichspannungsanschlüsse8 ,9 sind Schraubanschlüsse, können aber auch als Steckanschlüsse ausgeführt sein, mit denen eine sichere elektrische Verbindung zwischen dem Photovoltaik-Generator1 und dem Wechselrichter2 gewährleistet ist. Die Anschlüsse8 ,9 sind an ein Modul10 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)-Anordnung11 zugeführt. Sie wird mit einer vorgegebenen Taktfrequenz, im Ausführungsbeispiel mit 18 kHz, betrieben und ist in Brückenschaltung aufgebaut. Die Brückenschaltung12 der IGBT-Anordnung11 ist über einen Netzdrosselbaustein13 an ein Schaltmodul14 angeschlossen. - Zwischen dem Modul
10 und der IGBT-Anordnung11 liegt eine Eingangskapazität15 , mit der die Spannung geglättet und Energie gepuffert wird. - Der Wechselrichter
2 ist mit mindestens einem Sensor16 zur Temperaturüberwachung versehen. - Das Schaltmodul
14 weist zwei Schaltelemente17 ,18 , vorzugsweise Relais, auf. - Am Gehäuse
6 befindet sich ein Anschluß20 , mit dem der Wechselrichter2 an das Stromnetz3 angeschlossen wird. Dem Anschluß20 vorgeschaltet ist ein Modul21 , das einen EMV-Filter sowie einen Überspannungsschutz aufweist und an Masse anliegt. Im Modul21 sind Meßglieder enthalten, die von einer Steuerung in einem Schaltnetzteil- und Signalaufbereitungsbaustein28 ausgewertet werden. Wird die Vorrichtung im Schneeschmelzbetrieb eingesetzt, dann stellt das Modul21 sicher, daß die vom Stromnetz3 über den Anschluß20 zugeführten Ströme/Spannung den Photovoltaik-Generator1 nicht beschädigen können. Zwischen dem Schaltmodul14 und dem Modul21 befindet sich ein AFI-Modul22 , das ebenfalls an Masse anliegt. Das AFI- Modul22 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 Schutzleiter23 zum Modul21 . Der Neutralleiter24 ist vom Anschluß20 zum Schaltelement18 des Schaltmoduls14 geführt. Auch der Leiter25 ist vom Anschluß20 zum Schaltelement18 geführt. Die Leiter26 und27 führen vom Anschluß20 zum Modul21 . Die Leiter26 ,27 sind lediglich zur Überwachung vorgesehen, während über den Leiter25 die Einspeisung des Stroms vom Photovoltaikmodul1 in das Stromnetz3 erfolgt. - Die Module
10 ,15 ,11 ,14 ,21 und22 sind an den Schaltnetzteil- und Signalaufbereitungsbaustein28 angeschlossen, der sich im Gehäuse6 des Wechselrichters2 befindet. Der Baustein28 dient auch zur Signalaufbereitung und kann über einen Nachtaktivierungstaster29 aktiviert werden. - Der Baustein
28 wird von einem Mikroprozessor30 oder einem digitalen Signalprozessor angesteuert, der ebenfalls im Gehäuse6 untergebracht ist. Die Verbindung zwischen dem Mikroprozessor30 und dem Baustein28 erfolgt vorteilhaft über ein Flachbandkabel31 . Es ist auch möglich, den Mikroprozessor30 in den Baustein28 zu integrieren. Der Mikroprozessor30 kann mit (nicht dargestellten) Tasten am Gehäuse bedient werden. Vorteilhaft ist am Gehäuse6 ein Display32 vorgesehen, anhand dessen die Eingaben mittels der Tasten überprüft werden können. Der Mikroprozessor30 ist vorteilhaft als redundantes Zweiprozessorsystem ausgebildet, so daß ein Ausfall des Mikroprozessors30 nahezu ausgeschlossen ist. - Der Mikroprozessor
30 ist mit Schnittstellen33 bis35 versehen, von denen die Schnittstelle33 eine RS232-, die Schnittstelle34 eine RS485- und die Schnittstelle35 eine So-Schnittstelle ist. Die Schnittstellen34 ,35 sind an Steuerklemmen36 ,37 intern direkt auf der Steuerplatine angeschlossen. - Die Schnittstelle
33 ist über ein Flachbandkabel39 mit einem entsprechenden Anschluß40 verbunden. - Der Mikroprozessor
30 hat ein Störmelderelais41 , das mit einer Steuerklemme42 verbunden ist. Über die So-Schnittstelle erfolgt die Verbindung zum internen Gerätebus. Über die Schnittstellen33 und34 können Daten in den Prozessor30 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 Wechselrichter2 in das Stromnetz3 eingespeist wird. Die Schaltelemente17 ,18 des Schaltmoduls14 sind geschlossen, so daß der an den Anschlüssen8 ,9 eingespeiste Strom zum Anschluß20 geführt und von dort in das Stromnetz3 eingespeist werden kann. Das Modul10 stellt einen Schutz gegen Überspannung sicher. Durch den EMV-Filter werden Störfelder ausgefiltert. Mit der IGBT-Anordnung11 ist mittels der Brückenschaltung12 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 Netz3 entnommen und dem Photovoltaik-Generator1 zugeführt werden kann. Dies erfolgt dann, wenn der Photovoltaik-Generator1 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 Brückenschaltung12 in bekannter Weise so angesteuert, daß der Strom dem Netz3 entnommen und dem Photovoltaik-Generator1 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 Schneeschmelzbetrieb5 kann auch sensorgesteuert automatisch erfolgen. Durch die Erwärmung des Photovoltaik-Generators1 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 Einspeisebetrieb4 . 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 Brückenschaltung12 umgeschaltet wird. Ein Helligkeitssensor kann für diese Schaltaufgabe ebenfalls eingesetzt werden, da nach dem Wegschmelzen des Schnees der Lichteinfall auf den Photovoltaik-Generator1 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-Generator1 liegen bleibt. Dann wird die Brückenschaltung12 umgeschaltet und die Vorrichtung vom Einspeisbetrieb4 in den Schmelzbetrieb5 überführt. - An den Wechselrichter
1 können mehrere Photovoltaik-Generatoren1 angeschlossen werden. Auch ist es möglich, auf dem Dach eines Gebäudes mehrere Wechselrichter mit einer entsprechenden Zahl von Photovoltaik-Generatoren1 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 (17)
- 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 bis35 ) 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.
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