DE102015106388A1

DE102015106388A1 - Apparatus and method for the controllable conversion of electrical energy into thermal energy

Info

Publication number: DE102015106388A1
Application number: DE102015106388.3A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Krug; Jochen Browa
Original assignee: EISENWERK WITTIGSTHAL GmbH
Current assignee: EISENWERK WITTIGSTHAL GmbH
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie, umfassend wenigstens ein steuerbares Halbleiterbauelement (7), das so angeordnet ist, dass seine Verlustwärme beim Betrieb als Heizwärme nutzbar ist und das zu beheizende Medium das Halbleiterbauelement (7) kühlt, wobei für die Steuerung der Leistung des Halbleiterbauelements (7) wenigstens eine Steuerleitung (6) vorgesehen ist, durch die ein Steuersignal übertragen wird, das ein Maß einer für die Umwandlung in Wärmeenergie verfügbaren elektrischen Leistung umfasst.Apparatus for the controllable conversion of electrical energy into heat energy, comprising at least one controllable semiconductor component (7) which is arranged such that its lost heat can be used as heating heat during operation and the medium to be heated cools the semiconductor component (7), wherein for the control of the power the semiconductor device (7) is provided with at least one control line (6) through which a control signal is transmitted, which comprises a measure of an electric power available for conversion into heat energy.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie, insbesondere aus einer dezentralen Energieerzeugungsanlage, in Wärmeenergie, insbesondere zur Brauchwassererwärmung. Steuerbare Heizeinrichtungen, insbesondere Heizstäbe, sind bekannt. Heizstäbe sind gekapselte, insbesondere flüssigkeitsdichte Heizelemente, die unter anderem zur Warmwasserbereitung in einem Boiler eingesetzt werden. Sie können nach Erreichen der gewünschten Wassertemperatur ausgeschaltet werden oder durch eine Steuerung in ihrer Heizleistung verändert werden. The invention relates to a device and a method for the controllable conversion of electrical energy, in particular from a decentralized power generation plant, into heat energy, in particular for service water heating. Controllable heating devices, in particular heating rods, are known. Heating rods are encapsulated, in particular liquid-tight heating elements, which are used, inter alia, for hot water in a boiler. They can be switched off after reaching the desired water temperature or be changed by a control in their heating power.

Bekannte Heizstäbe umfassen eine Heizspirale oder eine Heizwendel aus einem temperaturbeständigen Draht, der von Strom durchflossen wird und sich dabei erhitzt. Die einfachste Variante, um die Leistungsabgabe des Heizstabes zu steuern, ist ein Schalter, z. B. ein Relais (Ein/Aus-Steuerung). Known heating elements include a heating coil or a heating coil of a temperature-resistant wire, which is traversed by current and thereby heated. The simplest way to control the power output of the heating element is a switch, z. B. a relay (on / off control).

Im Zusammenhang mit der Nutzung erneuerbarer Energien vor allem in Haushalten ergibt sich aber der Bedarf nach einem graduell steuerbaren Heizstab, der in der Leistungsabgabe der schwankenden Erzeugungssituation angepasst werden kann und dadurch nicht anderweitig benötigte Leistung als Heizleistung abfährt. Bekannt ist eine Wellenpaketsteuerung, die sich zwar generell zur Leistungsbegrenzung eignet, allerdings nicht in der gewünschten Form, da keine wirkliche Anpassung an die Erzeugerleistung möglich ist. In connection with the use of renewable energies, especially in households, there is the need for a gradually controllable heating element, which can be adjusted in the output of the fluctuating production situation and thus does not otherwise required power dissipates as heating power. Although known is a wave packet control, which is generally suitable for power limitation, but not in the desired form, since no real adaptation to the generator power is possible.

Es gibt aber mehrere bekannte Möglichkeiten zur Lösung des Problems. Eine Variante ist der Phasenanschnitt, der aber in vielen Energienetzen im Rahmen der notwendigen Leistung nicht akzeptiert wird wegen befürchteter Rückwirkungen ins Versorgernetz, z. B. durch Oberwellen. Eine weitere Lösung besteht aus einem Frequenzumrichter, der aber technisch komplex und relativ teuer ist. Nutzbar ist auch ein klassisches Netzteil, welches versorgernetzkonform, wenig komplex und damit billig ist. Allerdings geht dabei die Steuerung der hohen Leistung bei Heizstäben mit einer relativ hohen Verlustleistung einher. Dies stellt erstens ein technisches Problem dar, weil das Netzteil immer eine ausreichende Kühlung benötigt. Zweitens geht die Verlustleistung bei dem Heizprozess verloren. But there are several known ways to solve the problem. A variant is the phase control, which is not accepted in many energy networks in the context of the necessary performance because of feared repercussions in the utility grid, z. B. by harmonics. Another solution consists of a frequency converter, which is technically complex and relatively expensive. It can also be used as a classic power supply that complies with the power supply network, is not very complex and thus cheap. However, the control of the high power in heating rods is associated with a relatively high power loss. First, this is a technical problem because the power supply always needs sufficient cooling. Second, the power loss is lost in the heating process.

Die Anwendung eines Halbleiterbauelements zur Heizung ist zwar an sich bekannt. So beschreibt die Druckschrift US 33 00 623 A den Einsatz eines Transistors zur Beheizung von piezoelektrischen Kristallen. Die Druckschrift DE 22 55 736 A1 beschreibt ebenfalls einen Transistor, der aber in einer kleinen Heizpatrone für die Erwärmung ausdrücklich nur kleiner Mengen eines strömenden Mediums, insbesondere in zahnärztlichen Geräten, vorgesehen ist. The application of a semiconductor device for heating is known per se. This is how the document describes US 33 00 623 A the use of a transistor for heating piezoelectric crystals. The publication DE 22 55 736 A1 also describes a transistor, which is provided in a small heating cartridge for heating expressly only small amounts of a flowing medium, especially in dental equipment.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Heizeinrichtung anzubieten, bei der größere Mengen an Wasser, wie sie im Haushalt benötigt werden, erwärmbar sind und zugleich die Heizleistung steuerbar ist, ohne dass die Steuerung eine Verlustwärmeleistung an die Umgebung abgibt. It is therefore an object of the invention to provide a heater in which larger amounts of water, as they are needed in the home, are heatable and at the same time the heat output is controllable without the controller gives a loss of heat output to the environment.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie, umfassend wenigstens ein steuerbares Halbleiterbauelement, das so angeordnet ist, dass seine Verlustwärme beim Betrieb als Heizwärme nutzbar ist und das zu beheizende Medium das Halbleiterbauelement kühlt, wobei für die Steuerung der Leistung des Halbleiterbauelements wenigstens eine Steuerleitung vorgesehen ist, durch die ein Steuersignal übertragen wird, das ein Maß einer für die Umwandlung in Wärmeenergie verfügbaren elektrischen Leistung umfasst. Das Steuersignal wird dann beispielsweise so gewonnen, dass aus der Leistungsdifferenz zwischen der erzeugten und der verbrauchten Elektroenergie eine Überschussleistung ermittelt wird. Diese wird dann in einer geeigneten Steuergröße umgeformt und als Steuersignal über die Steuerleitung abgegeben. The object is achieved by a device for the controllable conversion of electrical energy into heat energy, comprising at least one controllable semiconductor component, which is arranged so that its heat loss during operation is used as heating heat and the medium to be heated cools the semiconductor device, wherein for the control of power the semiconductor device is provided at least one control line through which a control signal is transmitted, which comprises a measure of an available for the conversion of heat energy electrical power. The control signal is then obtained, for example, such that an excess power is determined from the power difference between the generated and the consumed electric energy. This is then converted into a suitable control variable and delivered as a control signal via the control line.

Die Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie ist in einer bevorzugten Ausführungsform als Heizstab ausgeführt. Als Heizstab kommt im Sinne der Erfindung jede Einrichtung in Frage, die Elektroenergie in Wärmeenergie umwandelt und als eine räumlich begrenzte, bevorzugt gekapselte Anordnung ausgebildet ist. The device for the controllable conversion of electrical energy into heat energy is designed in a preferred embodiment as a heating rod. As a heating rod in the context of the invention, any device in question, the electrical energy converts into heat energy and is designed as a spatially limited, preferably encapsulated arrangement.

Vorteilhaft ist es, wenn aus dem oder den Halbleiterbauelementen eine Steuereinrichtung gebildet wird. Solche Steuereinrichtungen sind robust und kostengünstig. Es handelt sich beispielsweise um ein übliches Netzteil. It is advantageous if a control device is formed from the semiconductor component (s). Such controllers are robust and inexpensive. It is for example a conventional power supply.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Steuereinrichtung mit einer Heizwendel verbunden ist und Steuereinrichtung und Heizwendel zusammen in einem Heizstab angeordnet sind, die dann die Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie bildet. Damit wird eine übliche Anordnung einer Steuereinrichtung auf den erfindungsgemäßen Heizstab angewandt, in dem die Steuereinrichtung mit in den Heizstab integriert und die Verlustwärme der Steuereinrichtung mit genutzt werden kann. An embodiment provides that the control device is connected to a heating coil and control device and heating coil are arranged together in a heating rod, which then forms the device for the controllable conversion of electrical energy. Thus, a conventional arrangement of a control device is applied to the heating element according to the invention, in which the control device integrated with the heating element and the heat loss of the controller can be used with.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass mehrere Halbleiterbauelemente parallel oder in Reihe geschaltet und gemeinsam, in Gruppen oder einzeln ansteuerbar sind. Damit wird auf eine Heizwendel verzichtet, die Wärme stammt ausschließlich aus den Halbleiterbauelementen. Hierfür kann jedes ansteuerbare Halbleiterbauelement, wie ein Schalter oder Verstärker, beispielsweise ein Transistor, eingesetzt werden. Die Parallel- oder Reihenschaltung kann jedoch ebenso angewendet werden, wenn eine Heizwendel zum Einsatz kommt. A further embodiment provides that a plurality of semiconductor components are connected in parallel or in series and can be controlled jointly, in groups or individually. This dispenses with a heating coil, the heat comes exclusively from the semiconductor devices. Anyone can do this controllable semiconductor device, such as a switch or amplifier, such as a transistor can be used. However, the parallel or series connection can also be applied if a heating coil is used.

Je nach Kenngrößen der Halbleiterbauelemente und der vorliegenden Größen von Strom und Spannung werden die Halbleiterbauelemente parallel oder in Reihe geschaltet. Alternativ kann die Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie auch mehrere Eingänge aufweisen, die mit einzelnen Halbleiterbauelementen oder Gruppen von Halbleiterbauelementen verbunden sind, so dass beispielsweise die Leistung von mehreren unabhängigen Erzeugungsanlagen gemeinsam genutzt werden kann, z. B. in einem Boiler. Depending on the characteristics of the semiconductor components and the present quantities of current and voltage, the semiconductor components are connected in parallel or in series. Alternatively, the controllable power conversion device may also have multiple inputs connected to individual semiconductor devices or groups of semiconductor devices, such that, for example, the power of multiple independent power plants may be shared, e.g. B. in a boiler.

Die Ansteuerung kann durch eine auf alle Halbleiterbauelemente wirkende Steuerleitung erfolgen, alternativ aber auch durch mehrere Steuerleitungen, die einzelne Halbleiterbauelemente oder Gruppen von Halbleiterbauelementen ansteuern. Dann können auch unterschiedliche Halbleiterbauelemente mit anderen Eigenschaften eingesetzt werden. Von dem Merkmal einzelner Steuerleitungen ist auch eine Ansteuerung umfasst, bei der mehrere Signale, im Sinne einzelner Steuerleitungen, über eine physisch vorhandene Leistung geführt werden. The control can be effected by a control line acting on all semiconductor components, but alternatively also by a plurality of control lines, which drive individual semiconductor components or groups of semiconductor components. Then different semiconductor devices with different properties can be used. The characteristic of individual control lines also includes a control in which a plurality of signals, in the sense of individual control lines, are routed via a physically present power.

Bevorzugt ist eine Ansteuerung durch drei Steuerleitungen vorgesehen, wobei für jede Phase eines Dreiphasensystems ein gesondertes Steuersignal erzeugt und zu einer Gruppe von Halbleiterbauelementen geleitet wird. Preferably, a control by three control lines is provided, wherein for each phase of a three-phase system, a separate control signal is generated and passed to a group of semiconductor devices.

Vorteilhaft zur Umwandlung einer hohen Leistung ist es, die erfindungsgemäße Vorrichtung kaskadiert aufzubauen. Das geschieht in der Weise, dass neben der Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie, umfassend wenigstens ein steuerbares Halbleiterbauelement, wenigstens eine herkömmliche Heizeinrichtung mit einer Heizwendel vorgesehen ist. Dabei wird mit steigendem Angebot an Elektroenergie und damit steigender Heizleistung zunächst die steuerbare erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt, um die Elektroenergie in Wärme umzuwandeln. Ist deren Leistungsgrenze erreicht, wird die erste Heizeinrichtung mit einer Heizwendel zugeschaltet und die steuerbare Vorrichtung in ihrer Leistung heruntergefahren. Steigt das Angebot an Elektroenergie weiter, wird steuerbare Vorrichtung in ihrer Leistung wieder gesteigert. Ist dann erneut die Leistungsgrenze der steuerbaren Vorrichtung erreicht, wird die nächste Heizeinrichtung mit einer Heizwendel zugeschaltet. So wird fortgefahren, bis die gesamte verfügbare Überschussleistung an elektrischer Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden kann. It is advantageous for the conversion of a high power to construct the device according to the invention in cascade. This is done in such a way that in addition to the device for the controllable conversion of electrical energy into heat energy, comprising at least one controllable semiconductor component, at least one conventional heating device is provided with a heating coil. Initially, the controllable device according to the invention is used with increasing supply of electrical energy and thus increasing heating power in order to convert the electric energy into heat. Is the power limit reached, the first heater is switched on with a heating coil and shut down the controllable device in their performance. If the supply of electric energy continues to increase, controllable device is increased again in its performance. If the power limit of the controllable device is then reached again, the next heating device is switched on with a heating coil. This continues until all available surplus power of electrical energy can be converted to heat energy.

Dies hat den Vorteil, dass die steuerbare Vorrichtung nur eine geringe Leistung benötigt und nur einen begrenzten, variablen Teil des Leistungsspektrums abdecken muss. Der übrige Teil der Gesamtkapazität der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird über einfache und preisgünstige herkömmliche, diskret schaltbare Heizeinrichtungen mit einer Heizwendel abgedeckt. Hier kann auch eine Erweiterung erfolgen, beispielsweise wenn auch die Erzeugungsanlage in ihrer Kapazität erweitert wird. This has the advantage that the controllable device requires only a low power and only needs to cover a limited, variable part of the power spectrum. The remaining part of the total capacity of the device according to the invention is covered by simple and inexpensive conventional, discretely switchable heaters with a heating coil. An extension can also be made here, for example if the capacity of the generating plant is also increased.

Bei einer Ausführungsform wird die Steuerung in Form eines normalen Netzteils in den Heizstab integriert. Auf diese Weise wird die Kühlung der Steuerung optimal sichergestellt – vor allem, wenn eine thermische Entkopplung zwischen der Heizwendel und der Steuerung vorgesehen ist. In one embodiment, the controller is integrated in the form of a normal power supply in the heating element. In this way, the cooling of the controller is optimally ensured - especially if a thermal decoupling between the heating coil and the controller is provided.

Es ist eine Ausführungsvariante vorgesehen, in der auf die Heizwendel ganz verzichtet und die Steuerung so dimensioniert wird, dass die Verlustleistung maximiert und damit die eigentliche Quelle für die Leistungsabgabe des Heizstabes wird. Hierzu werden bevorzugt einfache, preisgünstige Bauelemente mit hoher Verlustleistung eingesetzt. It is a variant provided in the completely dispensed with the heating coil and the controller is dimensioned so that the power loss maximized and thus becomes the actual source of power output of the heating element. For this purpose, preferably simple, inexpensive components are used with high power dissipation.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie mittels einer Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie in allen ihren Varianten, wie zuvor beschrieben, wobei die Elektroenergie aus einer dezentralen erneuerbaren Energieerzeugungsanlage stammt und ein über eine Steuerleitung der Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie zugeführtes Steuersignal die Größe der überschüssigen Energiemenge umfasst, so dass die Vorrichtung in der Weise gesteuert wird, dass nur die überschüssige Energiemenge in Wärmeenergie umgewandelt wird. The object of the invention is further achieved by a method for controllable conversion of electrical energy by means of a device for controllable conversion of electrical energy into thermal energy in all its variants, as described above, wherein the electric energy comes from a decentralized renewable energy generation plant and a via a control line of the device for controllable conversion of electrical energy into heat energy supplied control signal comprises the amount of excess amount of energy, so that the device is controlled in such a way that only the excess amount of energy is converted into heat energy.

Damit wird erreicht, dass die Heizleistung der in der Leistungsabgabe schwankenden Erzeugungssituation angepasst werden kann und dadurch nicht anderweitig benötigte Leistung als Heizleistung abfährt. Dies ist z. B. dann erforderlich, wenn nur ein begrenzter Anteil der dezentral erzeugten Menge an Elektroenergie lokal abgenommen werden kann, z. B. durch Eigenverbrauch. Entsteht eine solche Differenz, wird ein Steuersignal über die Steuerleitung an die Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie geleitet, so dass die erforderliche Menge an Elektroenergie in Wärmeenergie umgewandelt werden kann. Damit erfolgt eine vollständige Nutzung der erzeugten Energie. This ensures that the heating power of the fluctuating in the power output generation situation can be adjusted and thus not otherwise required power dissipates as heating power. This is z. B. then required if only a limited proportion of the decentrally generated amount of electrical energy can be removed locally, z. B. by self-consumption. If such a difference arises, a control signal is passed via the control line to the device for the controllable conversion of electrical energy into heat energy, so that the required amount of electrical energy can be converted into thermal energy. This is a complete use of the energy generated.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1: eine schematische Darstellung eines Boilers mit einem steuerbaren Heizstab mit Heizwendel nach dem Stand der Technik; 1 : a schematic representation of a boiler with a controllable heating element with heating coil according to the prior art;

2: eine schematische Darstellung eines Boilers mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstabs mit Heizwendel; 2 a schematic representation of a boiler with an embodiment of a heating element according to the invention with heating coil;

3: eine schematische Darstellung eines Boilers mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstabs ohne Heizwendel; und 3 a schematic representation of a boiler with an embodiment of a heating element according to the invention without heating coil; and

4: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstabs ohne Heizwendel. 4 : A schematic representation of an embodiment of a heating element according to the invention without heating coil.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Boilers 1, der über die Energiezuleitung 2 mit Elektroenergie in Höhe der Eingangsleistung P₁₀₀ versorgt wird, mit einem steuerbaren Heizstab 3 mit Heizwendel 4 nach dem Stand der Technik. Dort ist die Steuereinrichtung 5 außerhalb des Heizstabs 3 angeordnet, so dass deren Verlustwärme im Umfang der Verlustleistung P_x nicht nutzbar ist und anderweitig abgeführt werden muss. Es verbleibt als Heizleitung nur die Steuerleistung P_100-x. 1 shows a schematic representation of a boiler 1 , about the power supply 2 is supplied with electrical energy equal to the input power P ₁₀₀ , with a controllable heating element 3 with heating coil 4 According to the state of the art. There is the controller 5 outside the heating element 3 arranged so that their heat loss in the amount of power loss P _{x is} not available and must be dissipated elsewhere. It remains as a heating line only the control power P _100-x .

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Boilers 1 mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstabs 3 mit Heizwendel 4, wobei der Heizstab 3 über die Energiezuleitung 2 mit Elektroenergie versorgt wird. Dort ist die Steuereinrichtung 5 innerhalb des Heizstabs 3 angeordnet, so dass deren Verlustwärme zur Erwärmung des im Boiler 1 befindlichen Brauchwassers nutzbar ist. Das Brauchwasser dient zudem als Kühlung für die Steuereinrichtung 5, so dass die Verlustwärme nicht anderweitig abgeführt werden muss. Damit ist die zugeführte Eingangsleistung P₁₀₀ auch die letztlich in Wärme umgewandelte Leistung, da die Verlustleistung P_x mit zur Beheizung des Brauchwassers beiträgt. 2 shows a schematic representation of a boiler 1 with an embodiment of a heating element according to the invention 3 with heating coil 4 , where the heating element 3 via the energy supply 2 is supplied with electrical energy. There is the controller 5 inside the heating element 3 arranged so that their heat loss to warm up in the boiler 1 located hot water is available. The service water also serves as a cooling for the control device 5 , so that the heat loss does not have to be dissipated otherwise. Thus, the supplied input power P _{100 is} also the ultimately converted into heat power, since the power loss P _x contributes to the heating of the process water.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Boilers 1 mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstabs 3‘ ohne Heizwendel. Dort ist die Steuereinrichtung 5 innerhalb des Heizstabs 3‘ angeordnet, so dass allein deren Verlustwärme zur Erwärmung des im Boiler 1 befindlichen Brauchwassers genutzt wird. Damit ist die zugeführte Eingangsleistung P₁₀₀ auch die letztlich in Wärme umgewandelte Leistung. Das Brauchwasser dient zudem als Kühlung für die Steuereinrichtung 5. 3 shows a schematic representation of a boiler 1 with an embodiment of a heating element according to the invention 3 ' without heating coil. There is the controller 5 inside the heating element 3 ' arranged so that only their heat loss to warm up in the boiler 1 used domestic water is used. Thus, the input power P _{100 is} also the power ultimately converted into heat. The service water also serves as a cooling for the control device 5 ,

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizstabs 3‘ ohne Heizwendel, wobei die Schaltung der Transistoren 7 erkennbar ist. Bei der hier dargestellten Ausführungsform sind alle Transistoren 7 mit dem Kollektor- und dem Emitteranschluss parallel geschaltet. Ebenso wäre eine Reihenschaltung möglich. 4 shows a schematic representation of an embodiment of a heating element according to the invention 3 ' without heating coil, the circuit of the transistors 7 is recognizable. In the embodiment illustrated here, all transistors are 7 connected in parallel with the collector and emitter terminals. Likewise, a series connection would be possible.

Eine einzige Steuerleitung 6 verbindet die Basis aller Transistoren 7 und steuert damit alle Transistoren 7 zugleich. Ebenso wäre eine einzelne Ansteuerung der Transistoren 7 oder von Gruppen von Transistoren 7 möglich. A single control line 6 connects the base of all transistors 7 and controls all transistors 7 at the same time. Likewise, a single drive of the transistors would be 7 or groups of transistors 7 possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Boiler boiler
22: Energiezuleitung energy supply
3, 3‘ 3, 3 ': Heizstab heater
44: Heizwendel heating coil
55: Steuereinrichtung zur Leistungsteuerung Control device for power control
66: Steuerleitung control line
77: Halbleiterbauelement, Transistor Semiconductor device, transistor
P₁₀₀ P ₁₀₀: Eingangsleistung input power
P_x P _x: Verlustleistung power loss
P_100-x P _100-x: Steuerleistung control power

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 3300623 A [0005] US 3300623 A [0005]
DE 2255736 A1 [0005] DE 2255736 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie, umfassend wenigstens ein steuerbares Halbleiterbauelement (7), das so angeordnet ist, dass seine Verlustwärme beim Betrieb als Heizwärme nutzbar ist und das zu beheizende Medium das Halbleiterbauelement (7) kühlt, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung der Leistung des Halbleiterbauelements (7) wenigstens eine Steuerleitung (6) vorgesehen ist, durch die ein Steuersignal übertragen wird, das ein Maß einer für die Umwandlung in Wärmeenergie verfügbaren elektrischen Leistung umfasst. Device for the controllable conversion of electrical energy into heat energy, comprising at least one controllable semiconductor component ( 7 ), which is arranged so that its heat loss during operation can be used as heating heat and the medium to be heated, the semiconductor device ( 7 ), characterized in that for controlling the power of the semiconductor device ( 7 ) at least one control line ( 6 ) through which a control signal is transmitted comprising a measure of electrical power available for conversion to thermal energy.

Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Steuereinrichtung (5) vorgesehen ist, die ein oder mehrere Halbleiterbauelemente (7) umfasst, und in einem Heizstab (3) angeordnet ist. Apparatus according to claim 1, wherein a control device ( 5 ) is provided, the one or more semiconductor devices ( 7 ) and in a heating rod ( 3 ) is arranged.

Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuereinrichtung (5) mit einer Heizwendel (4) verbunden ist und Steuereinrichtung (5) und Heizwendel (4) zusammen in dem Heizstab (3) angeordnet sind. Device according to claim 2, wherein the control device ( 5 ) with a heating coil ( 4 ) and control device ( 5 ) and heating coil ( 4 ) together in the heating rod ( 3 ) are arranged.

Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei mehrere Halbleiterbauelemente (7) parallel oder in Reihe geschaltet und gemeinsam, in Gruppen oder einzeln durch eine separate Steuerleitung (6) ansteuerbar sind. Device according to one of the preceding claims, wherein a plurality of semiconductor components ( 7 ) connected in parallel or in series and together, in groups or individually by a separate control line ( 6 ) are controllable.

Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei in einem dreiphasigen Energieerzeugungssystem für jede Phase eine separate Steuerleitung (6) vorgesehen ist, so dass Überschussleistung für jede Phase gesondert umwandelbar ist. Apparatus according to claim 4, wherein in a three-phase power generation system for each phase a separate control line ( 6 ) is provided so that excess power for each phase is separately convertible.

Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zusätzlich wenigstens eine diskret schaltbare Heizeinrichtung mit wenigstens einer Heizwendel vorgesehen und in der Weise mit der Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie verknüpft ist, dass mit Erreichen der Leistungsgrenze der Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie die diskret schaltbare Heizeinrichtung eingeschaltet wird. Device according to one of the preceding claims, wherein additionally provided at least one discretely switchable heater with at least one heating coil and is linked in such a way with the device for controllable conversion of electrical energy into thermal energy, that with reaching the power limit of the device for the controllable conversion of electrical energy into heat energy the discretely switchable heater is turned on.

Verfahren zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroenergie aus einer dezentralen erneuerbaren Energieerzeugungsanlage stammt und ein über eine Steuerleitung (6) der Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie zugeführtes Steuersignal die Größe der überschüssigen Energiemenge umfasst, so dass die Vorrichtung in der Weise gesteuert wird, dass eine überschüssige Energiemenge in Wärmeenergie umgewandelt wird. Process for the controllable conversion of electric energy by means of a device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the electric energy originates from a decentralized renewable energy generation plant and is supplied via a control line ( 6 ) the control signal supplied to the device for the controllable conversion of electric energy into heat energy comprises the amount of the excess amount of energy, so that the device is controlled in such a way that an excess amount of energy is converted into heat energy.

Verfahren nach Anspruch 7, wobei die dezentrale erneuerbare Energieerzeugungsanlage Elektroenergie dreiphasig erzeugt und drei den Phasen zugeordnete Steuersignale erzeugt werden. Method according to claim 7, wherein the decentralized renewable energy generating plant generates three-phase electrical energy and generates three control signals associated with the phases.

Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei durch das Steuersignal stufenweise wenigstens eine diskret schaltbare Heizeinrichtung ein- oder ausgeschaltet wird, sobald eine Leistungsgrenze über- oder unterschritten ist, und zwischen den Leistungsgrenzen eine Vorrichtung zur steuerbaren Umwandlung von Elektroenergie in Wärmeenergie gesteuert wird. The method of claim 7 or 8, wherein at least one discretely switchable heater is switched on or off in stages by the control signal when a power limit is exceeded or fallen below, and between the power limits, a device for controllable conversion of electrical energy into heat energy is controlled.