CZ2014836A3 - Indukční topný obvod určený k připojení na alespoň jeden fotovoltaický panel nebo větrnou elektrárnu - Google Patents

Abstract

Indukční topný obvod obsahuje indukční topnou spirálu (IS), kondenzátorovou baterii (CB), řídící zdroj napětí (RZ), první indukční cívku (L1), druhou indukční cívku (L2), první tranzistor (T1), druhý tranzistor (T2), první Zenerovou diodu (D1), druhou Zenerovou diodu (D2), první odpor (R1), druhý odpor (R2), kladnou vstupní svorku (+X) obvodu a zápornou vstupní svorku (-X) obvodu. Na kladnou vstupní svorku (+X) obvodu a zápornou vstupní svorku (-X) obvodu je připojen stejnosměrný zdroj napětí. Dvě indukční cívky (L1, L2) jsou paralelně připojeny na kladnou vstupní svorku (+X). Katoda první Zenerovy diody (D1), kolektor prvního tranzistoru (T1), vstupní kontakt kondenzátorové baterie (CB) a vstup indukční spirály (IS) je připojen k výstupu první indukční cívky (L1). Katoda druhé Zenerovy diody (D2), kolektor druhého tranzistoru (T2), výstupní kontakt kondenzátorové baterie (CB) a výstup indukční spirály (IS) je připojen k výstupu druhé indukční cívky (L2). Anoda první Zenerovy diody (D1) je přivedena na výstup druhého odporu (R2) a na bázi druhého tranzistoru (T2). Anoda druhé Zenerovy diody (D2) je přivedena na výstup prvního odporu (R1) a na bázi prvního tranzistoru (T1). Vstup prvního odporu (R1) a druhého odporu (R2) tvoří řídící svorku (X). Kladná svorka řídícího zdroje napětí (RZ) je přivedena na řídící svorku (X). Záporná svorka řídícího zdroje napětí (RZ) je uzemněna. Řídící zdroj napětí (RZ) je nezávislý na hodnotě napětí stejnosměrného zdroje napětí přivedeného na vstupní svorky (+X, -X) obvodu. Emitor prvního tranzistoru (T1) a emitor druhého tranzistoru (T2) je vyveden na zápornou vstupní svorku (-X) stejnosměrného zdroje napětí přivedeného na vstupní svorky (+X, -X) obvodu. Stejnosměrným zdrojem napětí je alespoň jeden fotovoltaický panel nebo větrná elektrárna.

Description

Indukční topný obvod určený k připojení na alespoň jeden fotovoltaický panel nebo větrnou elektrárnu

Oblast techniky

Vynález se týká indukčního topného obvodu určeného k připojení na alespoň jeden fotovoltaický panel nebo větrnou elektrárnu.

Dosavadní stav techniky

Ohřev vody je v současné době řešen například prostřednictvím plynových kotlů, kotlů na tuhá paliva, štěpku nebo pelety, a v neposlední řadě také kotlů na olej nebo naftu. Nejrozšířenějšími jsou však kotle elektrické, které se stále častěji kombinují s fotovoltaickými panely, vytvářejícími stejnosměrný elektrický proud, který průchodem topnou elektrickou spirálou vodu ohřívá. Největším nedostatkem takových řešení je však účinnost přeměny a tedy přenosu elektrické energie na tepelnou energii ohřívající vodu nebo jiné tepelně vodivé topné médium, např. transformátorový olej, nemrznoucí směs atd.

Vzhledem ktomu, že topné systémy s fotovoltaickými panely jsou na slunečním svitu přímo závislé, a i sebemenší pokles záření může mít výrazný vliv na kvalitu ohřevu, je nanejvýš nutné, aby byla účinnost, respektive výkon topných těles co nejvyšší, a aby tak byl zajištěn potřebný ohřev i za nízké sluneční intenzity.

Jinou variantou ohřevu vody je použití indukčních topných desek. Obdobný systém je v současné době použit například v kuchyních, kde indukční varné desky nahrazují plynové a klasické elektrické sporáky. Indukční varné desky však vyžadují střídavý proud a nebyly proto doposud nikdy použity v kombinaci se stejnosměrným proudovým zdrojem z energeticky obnovitelného zdroje. Pro změnu stejnosměrného napětí na střídavé je možno teoreticky použit měniče napětí. To však v tomto případě není možné jelikož, indukční varná deska potřebuje na počátku svého spouštění stejnosměrný proud a nelze jej tedy zapojit přímo před usměrňovači můstek.

Známý elektrický obvod s indukčním ohřevem je představen na obr. 1. Jeho nevýhodou je však nutnost přivádět napětí jen do 60V, jelikož v případě přivedení vyššího napětí by došlo ke zničení elektronických součástek. Neumožňuje proto připojení například fotovoltaických panelů, které během dne vytvářejí různě vysoká napětí. Ani v případě volby součástek s jinými parametry by problém neřešil, jelikož v případě vyšší odolnosti by byly prvky více robustní, drahé a méně citlivé.

Cílem vynálezu je představit topný obvod, který by výše zmíněné nevýhody odstranil a umožnil tak vysoce efektivní ohřev teplonosných médií.

Podstata vynálezu

Výše zmíněné nedostatky odstraňuje do značné míry indukční topný obvod určený k připojení na alespoň jeden fotovoltaický panel nebo větrnou elektrárnu, obsahující indukční topnou spirálu, kladnou vstupní svorkou obvodu a zápornou vstupní svorku obvodu, určené k připojení obnovitelného zdroje napětí, kde na kladnou vstupní svorku jsou paralelně připojeny dvě indukční cívky, kde k výstupu první indukční cívky je připojena katoda první zenerovy diody, kolektor prvního tranzistoru, vstupní kontakt kondenzátorové baterie a vstup indukční spirály, a k výstupu druhé indukční cívky je připojena katoda druhé zenerovy diody, kolektor druhého tranzistoru, výstupní kontakt kondenzátorové baterie a výstup indukční spirály, přičemž emitor prvního tranzistoru a emitor druhého tranzistoru jsou uzemněny a vyvedeny na primární zápornou vstupní svorku obnovitelného zdroje napětí, a výstup prvního odporu a druhého odporu jsou přivedeny do řídící svorky propojené s kladnou vstupní svorkou obvodu, jehož podstata spočívá v tom, že dále obsahuje řídící zdroj napětí připojený k řídící svorce.

Ve výhodném provedení je mezi řídící svorku a řídící zdroj je připojen termistor.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále přiblížen pomocí obrázků, kde obr. 1 představuje indukční topný obvod podle stavu techniky, obr. 2 představuje indukční topný obvod podle vynálezu se zapojeným řídícím napěťovým zdrojem a obr. 3 představuje indukční topný obvod podle vynálezu se zapojeným řídícím napěťovým zdrojem a ovládacím termistorem.

Příklad provedení vynálezu

Základní schéma indukčního topného obvodu podle vynálezu je představeno na obr. 2. Jak je z uvedeného obrázku patrné, na vstupní svorky +X, -X je přivedeno stejnosměrné napětí z primárního zdroje energie, kterým může být alespoň jeden fotovoltaický panel nebo stejnosměrná baterie, kombinace fotovoltaických panelů a baterií, nebo přes napěťový usměrňovači můstek usměrněné střídavé napětí 230V.

Na kladnou vstupní svorku +X jsou paralelně připojeny dvě cívky L1 a L2 zajišťující rozkmit napětí na cca 100kHz. Cívky L1 a L2 jsou výhodně cívky s feromagnetickým jádrem, sloužící k vytvoření vyšších kmitů napětí.

K výstupu první indukční cívky L1 je připojena katoda první zenerovy diody Pl, dále kolektor prvního tranzistoru T1, vstupní kontakt kondenzátorové baterie CB a vstup indukční spirály IS.

První zenerova dioda D1 slouží k zabránění možnému poškození prvního tranzistoru T1 vlivem přepólování. První tranzistor T1, výhodně typu Qi BUZ45 nebo IRF840, je určen k rozkmitu a zesílení proudu. Kondenzátorová baterie CB slouží kzamezení rezonování první indukční cívky LI, a je výhodně svitkového typu. Kondenzátorových baterií CB může být i více, a to paralelně propojených. Indukční spirálou IS může být měděný pevný nebo lankový vodič, nebo výhodně měděná trubička o průměru 2 až 6mm a indukčností menší než 2mH.

K výstupu druhé indukční cívky L2 je připojena katoda druhé zenerovy diody D2, dále kolektor druhého tranzistoru T2, výstupní kontakt kondenzátorové baterie CB a výstup indukční spirály IS.

Druhá zenerova dioda D2 slouží k zabránění možnému poškození druhého tranzistoru T2 vlivem přepólování. Na anodu první zenerovy diody D1 je připojena báze druhého tranzistoru T2 a vstupní kontakt prvního odporu R1. Na anodu druhé zenerovy diody D2 je připojena báze tranzistoru T1 a vstupní kontakt druhého odporu R2.

První odpor R1 a druhý odpor R2 slouží ke srážení napětí, jelikož tranzistorům T1 a T2 stačí jen velmi malé napětí ktomu, aby se otevřel, přičemž pří velkém napětí by se mohl poškodit.

Emitor prvního tranzistoru T1 a emitor druhého tranzistoru T2 jsou uzemněny a vyvedeny na zápornou vstupní svorku -X primárního zdroje PZ.

Výstup prvního odporu R1 a druhého odporu R2 jsou přivedeny do řídící svorky X.

Jak je patrné z prvního provedení představeného na uvedeném obr. 2, je řídící svorka X v případě, že obvod je proveden jako samooscilační, připojena ke kladné vstupní svorce +X.

Řídící svorka X je připojena k řídícímu zdroji RZ, sloužícímu k řízení tranzistorů T1 a T2. V představeném provedení je řídícím zdrojem RZ baterie o napětí 12V. Lze si představit i jiné zdroje napětí.

Podle jiného provedení představeného na obr. 3, je výše uvedený indukční topný obvod podle vynálezu opatřený řídícím zdrojem RZ, představený na obr. 2, doplněn o termistor T, jehož spínač propojuje řídící svorku X a řídící zdroj RZ. V takovém případě je spouštění tranzistorů T1 a T2 ovládáno na základě teploty naměřené tímto termistorem T.

Princip

Přivedením stejnosměrného napětí na kontakty +X, -X je přivedeno napětí na báze tranzistorů T1 a T2, které se začnou střídavě otevírat a zavírat, čímž dojde k nabíjení kondenzátorové baterie CB a jejímu následnému vybíjení do k ní připojené indukční spirály IS.

Použití

Výše uvedený indukční topný obvod podle vynálezu je jednoduché zařízení, zajišťující vysoce výkonný indukční ohřev až do 1000°C, využívající elektrické energie získané z fotovoltaických panelů nebo baterií nebo větrné elektrárny.

Výhody

Již při samotném ohřevu vody pomocí indukčního ohřevu ze sítě je úspora energie výrazně vyšší než u systému používajících topnou odporovou spirálu.

Pro zajištění maximální úspornosti je představený systém využívá ne drahé střídavé elektrické energii ze sítě, nýbrž ekologicky čistou energii vyrobenou z fotovoltaických panelů nebo větrné čí jiného energeticky obnovitelného zdroje elektrické energie tedy stejnosměrný proud. Účinnost ohřevu je u představeného řešení podle vynálezu do 83 do 94%, přičemž ta souvisí i s vysokou rychlostí ohřevu, který je vyšší téměř o 50%.

Oproti stávajícímu stavu techniky je možno k představenému řešení připojit zdroj elektrické energie s vysoce nerovnoměrným příkonem a to za použití minimálních dodatečných nákladů. Jinou výhodou je bezpečnost, kdy vzhledem k regulaci řídícího napětí není nutno používat součástky s vysokou napěťovou odolností.

Claims (2)

1. l PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Indukční topný obvod obsahující indukční topnou spirálu (IS), kondenzátorovou baterii (CB), řídící zdroj napětí (RZ), první indukční cívku (L1), druhou indukční cívku (L2), první tranzistor (T1), druhý tranzistor (T2), první zenerovu diodu (D1), druhou zenerovu diodu (D2), první odpor (R1), druhý odpor (R2), kladnou vstupní svorku (+X) obvodu a zápornou vstupní svorku (-X) obvodu, kde na kladnou vstupní svorku (+X) obvodu a zápornou vstupní svorku (-X) obvodu je připojen stejnosměrný zdroj napětí, kde dvě indukční cívky (L1, L2) jsou paralelně připojeny na kladnou vstupní svorku (+X), kde katoda první zenerovy diody (D1), kolektor prvního tranzistoru (T1), vstupní kontakt kondenzátorové baterie (CB) a vstup indukční spirály (IS) je připojena k výstupu první indukční cívky (L1), kde katoda druhé zenerovy diody (D2), kolektor druhého tranzistoru (T2), výstupní kontakt kondenzátorové baterie (CB) a výstup indukční spirály (IS) je připojen k výstupu druhé indukční cívky (L2), kde anoda první zenerovy diody (D1) je přivedena na výstup druhého odporu (R2) a na bázi druhého tranzistoru (T2), kde anoda druhé zenerovy diody (D2) je přivedena na výstup prvního odporu (R1) a na bázi prvního tranzistoru (T1), kde vstup prvního odporu (R1) a druhého odporu (R2) tvoří řídící svorku (X), kde kladná svorka řídícího zdroje napětí (RZ) je přivedena na řídící svorku (X), vyznačující se tím, že stejnosměrným zdrojem napětí je alespoň jeden fotovoltaický panel nebo větrná elektrárna, kladná svorka řídícího zdroje napětí (RZ) je dále přivedena na kladnou vstupní svorkou (+X) obvodu a záporná svorka řídícího zdroje napětí (RZ) je uzemněna, řídící zdroj napětí (RZ) je nezávislý na hodnotě napětí stejnosměrného zdroje napětí přivedeného na vstupní svorky (+X, -X) obvodu, emitor prvního tranzistoru (T1) a emitor druhého tranzistoru (T2) je vyveden na zápornou vstupní svorku (-X) stejnosměrného zdroje napětí přivedeného na vstupní svorky (+X, -X) obvodu.
2. 2. Indukční topný obvod podle nároku 1 vyznačující se tím, že mezi řídící svorku (X) a řídící zdroj napětí (RZ) je připojen termistor (T).