CZ37854U1

CZ37854U1 - Zařízení pro optimální využití zdroje obnovitelné energie proměnlivého výkonu

Info

Publication number: CZ37854U1
Application number: CZ2024-41783U
Authority: CZ
Inventors: Josef KuÄŤera; Josef Ing. Kučera; René Indrák; René Ing. Indrák
Original assignee: Josef Ing. Kučera; René Ing. Indrák
Priority date: 2024-02-20
Filing date: 2024-02-20
Publication date: 2024-04-30

Description

Zařízení pro optimální využití zdroje obnovitelné energie proměnlivého výkonu

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro optimální využití zdroje obnovitelné energie proměnlivého výkonu. Jeho využití je vhodné zejména pro ohřev vody v bojleru pomocí solárních panelů.

Dosavadní stav techniky

Systémy pro solární ohřev vody, nebo ohřev pomocí jiných OZE, se neobejdou bez přizpůsobovacího členu, pokud mají dosahovat uspokojivé účinnosti.

Pokud jsou zdrojem obnovitelné energie solární panely, mají vlivem proměnlivého slunečního osvitu také proměnlivý výkon.

Stejná situace je při použití obnovitelné energie z větru, kdy vlivem měnící se síly větru turbína dodává proměnlivý výkon.

K optimálnímu využití energie ze zdroje obnovitelné energie dojde v případě, kdy je přizpůsobovací člen schopen přizpůsobovat odpor topné jednotky měnícímu se výkonu zdroje obnovitelné energie.

Uvedená problematika je v současnosti řešena DC/DC nebo DC/AC měničem se sledováním bodu maximálního výkonu (MPPT) nebo PWM regulátorem. Tato řešení obvykle obsahují komponenty s omezenou životností (např. elektrolytické kondenzátory), produkují značné elektromagnetické rušení, mají velkou vlastní spotřebu energie, vyžadují aktivní chlazení a mohou vyluzovat nepříjemné akustické projevy. Ve většině případů jde o složité a drahé řešení.

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody odstraňuje zařízení pro optimální využití zdroje obnovitelné energie proměnlivého výkonu podle tohoto technického řešení.

Zařízení využívá možnost kontinuálně přizpůsobovat hodnotu odporu topné jednotky umístěného například v bojleru, aktuálním hodnotám elektrické energie získané ze zdroje obnovitelné energie s proměnlivým výkonem, jako jsou solární panely nebo větrné turbíny. Tímto způsobem reaguje na jejich měnící se výkon.

Jeho podstata spočívá v tom, že obsahuje topnou jednotku tvořenou dvěma a více topnými elementy. Topné elementy jsou připojitelné pomocí přepínacího zařízení ke zdroji obnovitelné energie. Jejich připojení může být samostatné nebo v sériové nebo paralelní nebo sérioparalelní kombinaci. Zařízení dále obsahuje řídicí jednotku, napojenou na přepínací zařízení a měřič napětí a/nebo proudu a/nebo výkonu zdroje obnovitelné energie. Topnými elementy jsou obvykle odporové dráty.

Podstatné je, že topné elementy jsou v topné jednotce již vzájemně sériově spojeny a do přepínacího zařízení jsou vyvedeny pouze jejich společné spoje a konce.

Rovněž je podstatné, že jednotlivé topné elementy v topné jednotce nemusí být vzájemně pospojovány a do přepínacího zařízení jsou vyvedeny pouze jejich konce.

- 1 CZ 37854 U1

Podstatné je, že topné elementy jsou v přepínacím zařízení propojeny do sériové nebo paralelní, popřípadě sérioparalelní kombinace.

Přitom je podstatné, že topné elementy jsou různého výkonu, což umožňuje docílit více nastavitelných hodnot odporu topné jednotky.

Dále je podstatné, že topná jednotka je uzpůsobena pro ohřev vody nebo vzduchu. Podle účelu použití je uzpůsobena její konstrukce.

Dále je podstatné, že přepínací zařízení obsahuje polovodičové a/nebo mechanické spínací prvky. Přitom obvykle bývá přepínací zařízení opatřeno polovodičovými spínacími prvky.

Dále je podstatné, že topná jednotka je umístěná do teplovodního bojleru.

Podstatné je, že zařízení obsahuje signalizační a ovládací prvky. Např. obsahuje displej informující o aktuálních a agregovaných hodnotách výkonu a energií, optickou signalizaci stavů topí/netopí/zapnuto/vypnuto/chyba apod. Dále např. obsahuje klávesnici či samostatná tlačítka pro nastavení teplotních limitů pro spínání topné jednotky či dalších provozních režimů.

Podstatné je, že zařízení obsahuje komunikační rozhraní pro vzdálenou signalizaci a ovládání, které je propojené s řídicí jednotkou, což umožňuje připojení zařízení na internet a například jeho ovládání z mobilu, sběr dat pro vizualizaci průběhů v mobilní či webové aplikaci apod.

Konečně je podstatné, že zdrojem obnovitelné energie proměnlivého výkonu jsou solární panely nebo větrná elektrárna.

Objasnění výkresů

Technické řešení je blíže objasněno pomocí výkresů, na kterých je schematicky znázorněno zařízení pro optimální využití zdroje obnovitelné energie proměnlivého výkonu podle tohoto technického řešen, ve kterých na:

obr. 1 je blokové schéma zařízení, na kterém je vyobrazen zdroj obnovitelné energie, měřič, přepínací zařízení, řídící jednotka, topná jednotka a sada topných elementů;

obr. 2 jsou schematicky znázorněny elektrické zapojení přepínacího zařízení a topné jednotky s několika sériově zapojenými, samostatnými topnými elementy;

obr. 3 je schematicky znázorněno elektrické zapojení provedení přepínacího zařízení a topné jednotky se třemi sériově spojenými topnými elementy, přičemž součástí obr. 3 je tabulka, která uvádí dosažitelné kombinace propojených topných elementů a výslednou hodnotu odporu topné jednotky v závislosti na nastavení přepínacího zařízení; a obr. 4 je zobrazen příklad typického průběhu výkonu “P” zdroje obnovitelné energie, tvořeného solárními panely, v závislosti na úrovni osvitu v konkrétní denní době “t”, přičemž součástí obr. 4 je tabulka s uvedenými kombinacemi spojení třech topných elementů, tvořených odpory, dle okamžitého výkonu solárních panelů. Je použito zapojení přepínacího zařízení a topné jednotky dle obr. 3.

Příklady uskutečnění technického řešení

V příkladném provedení je uvedeno zařízení pro solární ohřev vody podle tohoto technického řešení, jak je znázorněno na obr. 1. Zdrojem 1 obnovitelné energie proměnlivého výkonu jsou

- 2 CZ 37854 U1 v tomto případě čtyři solární panely, každý o výkonu 550 Wp. Solární panely jsou umístěny na střeše rodinného domu. Celkový dosažitelný výkon zdroje 1 obnovitelné energie při intenzitě osvětlení 1000 W/m² činí 4 x 550 W = 2,2 kW.

Ohřev vody je realizován 200 litrovým bojlerem. V bojleru je umístěna topná jednotka 4, která je tvořená třemi v sérii zapojenými topnými elementy 6 o hodnotách odporů R1 =90 Ω, R2 =60 Ω, R3 =30 Ω. Topné elementy 6 jsou realizovány v tzv. “suchém” provedení. Topné elementy 6 jsou vytvořeny navinutím odporového drátu na keramické těleso. Topná jednotka 4 disponuje čtyřmi přípojnými vývody, které jsou známým způsobem vyvedeny pod snímatelný kryt bojleru.

Spínacími prvky přepínacího zařízení 3 je šestice unipolárních tranzistorů, které jsou propojeny s topnou jednotkou 4 dle zapojení znázorněném na obr. 3.

Zařízení pro optimální využití zdroje 1 obnovitelné energie proměnlivého výkonu je tvořeno přepínacím zařízením 3, řídicí jednotkou 5 a měřičem 2. Je provedeno v jednom pouzdření a tvoří jeden celek. Zařízení pro optimální využití zdroje 1 obnovitelné energie proměnlivého výkonu je umístěno na vhodném místě poblíž bojleru.

Do zařízení pro optimální využití zdroje 1 obnovitelné energie proměnlivého výkonu jsou vedeny od zdroje 1 obnovitelné energie dva solární kabely a z něj je vyveden čtyřvodičový kabel do topné jednotky 4 umístěné v bojleru.

Měřič 2 je realizován pomocí známých obvodů. Obsahuje odporový dělič, bočník a analogově/digitální převodník mikroprocesoru. Řídící jednotka 5 obsahuje uživatelské rozhraní, což je displej a klávesnice. Řídící jednotka 5 obsahuje rovněž komunikační rozhraní, které je propojené s internetem.

V bojleru je pro případ nedostatku energie ze solárních panelů instalována topná spirála napojena na rozvodnou síť. Tato část zařízení není součástí tohoto technického řešení.

Funkce zařízení je následující:

Cílem je získat maximální dostupné množství energie (maximum power point tracking - MPPT) ze zdroje 1 obnovitelné energie proměnlivého výkonu, tj. ze solárních panelů a zužitkovat ji na ohřev vody pomocí topné jednotky 4, umístěné v bojleru.

Pomocí měřiče 2 je sledován okamžitý proud a napětí zdroje 1 obnovitelné energie, tj. solárních panelů. Tyto informace spolu se znalostí hodnot odporů jednotlivých topných elementů 6 jsou pro řídicí jednotku 5 rozhodovacími vstupními údaji.

Řídicí jednotka 5 průběžně vypočítává ideální zatěžovací odpor zdroje 1 obnovitelné energie. Na základě takto vypočítané ideální hodnoty odporu stanovuje nejbližší možnou nastavitelnou hodnotu odporu celé topné jednotky 4, kterou realizuje vhodným propojením jednotlivých topných elementů 6 pomocí přepínacího zařízení 3.

Zařízení pro optimalizaci využití zdroje 1 obnovitelné energie je možno ovládat pomocí klávesnice. Protože je zařízení připojeno na domácí Wi-Fi síť, je možno pomocí mobilu monitorovat teplotu vody v bojleru a řídit dohřev vody z rozvodné sítě v případě nedostatku energie ze solárních panelů.

Konkrétní zjednodušený případ může vypadat takto:

Je 16:00 odpoledne a pomocí měřiče 2 je zjištěno, že solární panely dle momentálního osvitu dodávají cca 600 Wp (viz graf a tabulka obr. 4). Řídicí jednotka 5 stanoví pro tento výkon ideální hodnotu zatěžovacího odporu R = 45,7 Ω. Optimálního využití energie by bylo v tento okamžik dosaženo, pokud by bylo možno topnou jednotku 4 na tuto hodnotu odporu nastavit. Nejbližší

- 3 CZ 37854 U1 dosažitelná hodnota odporu topné jednotky 4 (dle tabulky obr. 3) je hodnota 45 Ω a tak řídicí jednotka 5 přepínacím zařízením 3 tento odpor nastaví. Provede to zapojením sérioparalelní kombinace topných elementů 6 tak, že zapojí odpory R2 a R3 sériově a k nim připojí R1 paralelně (výsledný odpor je pak R1||(R2+R3), jak je uvedeno v kombinaci číslo 7 tabulky obr. 3). Pokud se světelné podmínky změní, vypočte se a nastaví jiná, vhodnější kombinace topných elementů 6.

V druhém příkladném provedení je uvedeno zařízení pro dohřev užitkové vody pomocí přebytků energie z fotovoltaické elektrárny a větrné turbíny, jak rovněž znázorněno na obr. 1.

Zdrojem 1 obnovitelné energie proměnlivého výkonu je v tomto případě 7 kWp solární elektrárna se solárními panely, umístěnými na střeše rodinného domu, doplněna o 1 kWp větrnou turbínu. Oba tyto zdroje 1 obnovitelné energie disponují měniči, které dodávají střídavou energii do domovního rozvodu domu.

Nadbytečná elektrická energie, která se nespotřebuje pro provoz domácnosti, je použita k dohřevu užitkové vody. Ten je realizován pomocí 2000 litrové akumulační nádoby, která disponuje několika montážními otvory pro vložení různých topných elementů 6. Topné elementy 6 dohromady tvoří topnou jednotku 4. V tomto případě jde o různé zapojení samostatných a sériově zapojených topných elementů 6. Příklady typických zapojení jsou uvedeny v obr. 2. Přepínací zařízení 3 a řídicí jednotka 5 tvoří jeden celek, umístěný v rozvaděči v technické místnosti domu poblíž akumulační nádoby. Vstupuje do něj energie z domovního rozvodu, je napojena topná jednotka 4 akumulační nádoby a je na něj napojen měřič 2, v tomto případě podružný elektroměr, nacházející se v domovním rozvaděči.

Zařízení neobsahuje žádné lokální signalizační ani ovládací prvky jako je displej apod. Disponuje pouze rozhraním pro napojení na mobilní síť, přes kterou jsou nastavovány podmínky provozu a je monitorován stav.

Funkce zařízení je následující:

Měřičem 2 jsou snímány případné přetoky elektrické energie směrem z domu. V tomto případě jde o elektroměr měřící okamžitý výkon dodávaný z domu. Tato informace spolu se znalostí odporu jednotlivých topných elementů 6 slouží řídicí jednotce 5 jako rozhodovací vstup pro regulaci.

Řídicí jednotka 5 průběžně vypočítává ideální zatěžovací odpor zdroje 1 obnovitelné energie. Na základě této ideální hodnoty odporu stanovuje nejbližší možnou nastavitelnou hodnotu odporu celé topné jednotky 4. Tu pak aplikuje pomocí přepínacího zařízení 3, a to sepnutím jednotlivých topných elementů 6. Cílem je spotřebovat maximální dostupné množství energie zdroje 1 obnovitelné energie, které by se jinak nezhodnotilo a dodalo ve formě přetoku do rozvodné sítě.

Průmyslová využitelnost

Technické řešení je využitelné pro realizaci jednoduchého a cenově dostupného zařízení, které optimálně využívá zdroj obnovitelné energie, zejména solárních panelů, jejichž výkon je proměnlivý podle momentální intenzity slunečního svitu.

Claims

1. Zařízení pro optimální využití zdroje (1) obnovitelné energie proměnlivého výkonu, vhodné zejména pro ohřev vody energií ze solárních panelů, vyznačující se tím, že obsahuje topnou jednotku (4) tvořenou dvěma a více topnými elementy (6), připojitelnými pomocí přepínacího zařízení (3) ke zdroji (1) obnovitelné energie, a to samostatně nebo v sériové nebo paralelní nebo sérioparalelní kombinaci, přičemž dále obsahuje řídicí jednotku (5), napojenou na přepínací zařízení (3) a měřič (2) napětí a/nebo proudu a/nebo výkonu zdroje (1) obnovitelné energie.

2. Zařízení pro optimální využití zdroje (1) obnovitelné energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že topné elementy (6) jsou v topné jednotce (4) vzájemně sériově spojeny a do přepínacího zařízení (3) jsou vedeny pouze jejich společné spoje a konce.

3. Zařízení pro optimální využití zdroje (1) obnovitelné energie podle nároku 1, vyznačující se tím, že konce jednotlivých topných elementů (6) jsou z topné jednotky (4) samostatně vyvedeny do přepínacího zařízení (3).

4. Zařízení pro optimální využití zdroje (1) obnovitelné energie podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že topné elementy (6) jsou různého výkonu.

5. Zařízení pro optimální využití zdroje (1) obnovitelné energie podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že topná jednotka (4) je uzpůsobena pro ohřev vody nebo vzduchu.

6. Zařízení pro optimální využití zdroje (1) obnovitelné energie podle některého z předchozích nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že přepínací zařízení (3) obsahuje polovodičové spínací prvky.

7. Zařízení pro optimální využití zdroje (1) obnovitelné energie podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že topná jednotka (4) je umístěna do teplovodního bojleru.

8. Zařízení pro optimální využití zdroje (1) obnovitelné energie podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že obsahuje komunikační rozhraní pro vzdálenou signalizaci a ovládání, které je propojené s řídicí jednotkou (5).

9. Zařízení pro optimální využití zdroje (1) obnovitelné energie podle některého z předchozích nároků, vyznačující se tím, že zdrojem (1) obnovitelné energie proměnlivého výkonu jsou solární panely a/nebo větrná elektrárna.