DE102006026073A1 - Sonnenkollektoranlage mit elektromagnetischer Energieumsetzung - Google Patents

Abstract

Eine Sonnenkollektoranlage (1) umfasst eine Vielzahl von Photovoltaikmodulen (3) und eine Vorrichtung, um den von den Sonnenstrahlen in den Kollektormodulen (3) erzeugten Gleichstrom in einen in ein Stromversorgernetz einspeisbaren Wechselstrom zu überführen. Die Vorrichtung beruht auf einem elektro-mechanischen Wirkprinzip und umfasst vorzugsweise einen Gleichstromelektromotor (11), dessen Welle (18) einen Wechselstromgenerator (13) antreibt. Dieser den üblichen Wechselrichter (7) ersetzende Energieumformer ist für Leistungsstärken geeignet, die jenseits des für elektrische Solar-Wechselrichter Machbaren liegen. Er hat eine hohe Lebensdauer und lässt sich im Bereich weniger Sekunden auf den Punkt der maximalen Leistung (MPP) der Kollektoranlage (1) einstellen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sonnenkollektoranlage mit einer Vielzahl von Kollektormodulen, insbesondere Photovoltaikmodulen und mit einer Vorrichtung, um den von den Sonnenstrahlen in den Kollektormodulen erzeugten Gleichstrom in einen in ein Stromversorgernetz einspeisbaren Wechselstrom zu überführen.
• Derartige Anlagen sind sattsam bekannt, wobei der von den Photovoltaikmodulen gelieferte Gleichstrom mittels eines elektrischen Wechselrichters in einen Wechselstrom umgewandelt wird. Zur Zeit werden für Großanlagen Wechselrichter angeboten, die für eine Leistung von bis zu 700 KW ausgelegt sind. Für größere Anlagen müssen mehrere Wechselrichter bereitgestellt werden.
• Der Wechselrichter, der eine hohe Effizienz bei der Energieumsetzung hat, ist jedoch aufgrund seiner großen Kapazitäten relativ träge, um die von den Modulen erzeugte Leistung an den maximalen Leistungspunkt zu bringen. In der erläuternden 1 ist eine typische Strom/Spannungskurve eines Photovoltaikmoduls dargestellt. Diese Kurve weist einen maximalen Leistungspunkt (MPP) auf, bei dem die schraffiert dargestellte integrierte Fläche eine maximale Größe entsprechend einer maximalen zur Verfügung gestellten Leistung aufweist. Die Regelung des Wechselrichters erfolgt durch eine iterative Annäherung an diesen Leistungspunkt MPP, indem entlang des Doppelpfeils P vor- und zurückgeregelt wird, bis man auf den MPP gelangt. Je nach Sonneneinstrahlung ändert sich dieser MPP fortlaufend und die Regelung muss permanent einen neuen MPP suchen und einstellen. Dabei steht das träge Regelverhalten des Wechselrichters einem zügigen Nachlaufverhalten zum aktuellen MPP im Wege. Derzeit müssen zwischen 20 Sekunden und 3 Minuten angesetzt werden, bis ein Wechselrichter an eine momentan vorliegende Sonnenenergieeinstrahlung angepasst ist. Durch diese Trägheit wird ein Teil der vorhandenen Energie nicht ausgenutzt.
• Hier soll durch die Erfindung Abhilfe geschaffen werden. Dabei verlassen die Erfinder vorliegender Anmeldung den klassischen Weg des Wechselrichtereinsatzes zu Lasten eines weniger effizienten Systems, indem sie ein elektro-mechanisches Wirkprinzip einführen, um die elektrische Gleichstromleistung in eine elektrische Wechselstromleistung zu überführen. Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Vorrichtung einen Gleichstromelektromotor aufweist dessen Welle einen Wechselstromgenerator antreibt. Hier liegt die Anpassungszeit an den MPP bei wenigen Sekunden und es wird im Ergebnis trotz des schlechteren Wirkungsgrades der mechanischen Komponenten ein positiver Energiesaldo erzielt. Weiterhin bietet die Erfindung den Vorteil, dass unabhängig von der Größe der Kollektoranlage nur eine einzige Umwandlungsvorrichtung eingesetzt werden muss. Diese hat zudem bei sachgerechter Pflege den Vorteil einer vielfach höheren Lebensdauer im Vergleich zu Wechselrichtern.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Es zeigen:
• 1 einen typischen Strom/Spannungsverlauf einer Photovoltaikanlage
• 2 eine Photovoltaikanlage nach dem Stand der Technik
• 3 eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage
• In der 2 ist eine Sonnenkollektoranlage 1 gezeigt, die eine Vielzahl von Photovoltaikmodulen 3 aufweist von denen jedes mit Photovoltaikzellen bestückt ist. Die Module 3 sind in bekannter Weise zu Strängen verbunden, an deren Ende Anschlüsse 5 vorgesehen sind, um den erzeugten Strom abzugreifen. Je nachdem wie viel Strom von der an den Anschlüssen angeschlossenen Last abgenommen wird, stellt sich die in der Kurve der 1 entsprechende Spannung ein. Nach Kenntnis der Anmelderin sind zur Zeit nur Anlagen bekannt, bei denen ein Wechselrichter 7 an die Anschlüsse 5 angeschlossen ist, der den eingangsseitigen Gleichstrom in einen ausgangsseitigen Wechselstrom umwandelt. Der Wechselstrom wird dann in ein Stromnetz 9 von z.B. 220 Volt eingespeist.
• Die 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem anstelle des Wechselrichters 7 ein Gleichstrommotor 11 vorgesehen ist, dessen Welle 18 einen Drehstromgenerator 13 antreibt, der in bekannter Weise den erzeugten Strom an ein 400 Volt Drehstromnetz liefert. Es sind auch andere elektromechanische Anlagen denkbar, wie z.B. ein Pumpspeicherkraftwerk, bei dem das Wasser mit einer Gleichstrompumpe auf ein höheres Niveau gepumpt wird, um bei Bedarf durch unterhalb des Wasserspiegels liegende Generatoren Strom zu gewinnen.
• Eine Abzweigung mindestens einer der Anschlüsse 5 ist mit einer Recheneinheit 15 derart verbunden, dass an deren Eingang der aktuelle Strom- und/oder Spannungswert der Kollektormodule 3 angelegt ist. In der Recheneinheit 15 wird der maximale Leistungspunkt (MPP) der Kollektormodule 3 für die aktuelle Sonneneinstrahlung ermittelt und als Sollwert eines Stroms oder einer Spannung als ein Ausgangssignal zur Verfügung gestellt. Dieser Sollwert wird dem Eingang einer Regeleinheit 17 zugeführt, die durch eine Einflussnahme auf die Erregung des Gleichstrommotors 11 dort eine Feldschwächung oder eine Feldstärkung bewirkt, um den vom Motor 11 konsumierten Strom entsprechend dem Ausgangssignal der Recheneinheit 15 zu regeln.

1

Sonnenkollektoranlage

3

Photovoltaikmodul

5

Anschlüsse

7

Wechselrichter

9

Stromnetz

11

Gleichstrommotor

13

Wechselstromgenerator

15

Recheneinheit

17

Regeleinheit

18

Welle

Claims (4)

1. Sonnenkollektoranlage (1) mit einer Vielzahl von Kollektormodulen, insbesondere Photovoltaikmodulen (3) und mit einer Vorrichtung, um den von den Sonnenstrahlen in den Kollektormodulen (3) erzeugten Gleichstrom in einen in ein Stromversorgernetz einspeisbaren Wechselstrom zu überführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (11, 13) auf einem elektro-mechanischen Wirkprinzip beruht.
2. Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Gleichstromelektromotor (11) aufweist, an dessen Welle ein Wechselstromgenerator (13) angeschlossen ist.
3. Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit (15) vorgesehen ist, an deren Eingang der aktuelle Strom- und/oder Spannungswert der Kollektormodule (3) angelegt ist, in welcher der maximale Leistungspunkt (MPP) der Kollektormodule (3) für die aktuelle Sonneneinstrahlung ermittelt wird und an deren Ausgang ein Regelsollwert für die magnetische Erregung des Gleichstrommotors (11) zur Verfügung gestellt wird.
4. Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinheit (17) vorgesehen ist, an dessen Eingang das Ausgangssignal der Recheneinheit (15) zugeführt ist und die durch eine Einflussnahme auf die Erregung des Gleichstrommotors (11) dort eine Feldschwächung oder eine Feldstärkung bewirkt, um den vom Motor (11) konsumierten Strom entsprechend dem Ausgangssignal der Recheneinheit (15) zu regeln.