DE102007056618A1

DE102007056618A1 - Sonnenkollektoranlage mit gesicherter ins Netz einspeisbarer Mindestleistung

Info

Publication number: DE102007056618A1
Application number: DE102007056618A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Beck; Thomas Dipl.-Ing. Neußner
Original assignee: Adensis GmbH
Current assignee: Belectric GmbH
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2009-06-25

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 (9) einspeisbaren Wechselstrom zu überführen. Die Vorrichtung beruht auf einem elektro-mechanischen Wirkprinzip und umfasst einen Gleichstromelektromotor (11), dessen Welle einen Wechselstromgenerator (13) antreibt. Zur Sicherstellung eines garantierten Grundlastbeitrags zur Einspeisung in das Netz (9) ist die Anlage (1) zusätzlich mit einem Verbrennungsmotor (14) ausgestattet, der bei Bedarf zuschaltbar ist. Alternativ zum Verbrennungsmotor (14) wird die Zuschaltung einer Brenranlage (1) eignet sich auch bevorzugt in einem Einsatz als Inselbetrieb. Dieser den üblichen Wechselrichter (7) ersetzende Energieumformer ist für Leistungsstärken geeignet, die jenseits des für 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 Wechselrichters in einen Wechselstrom umgewandelt wird. Zur Zeit werden für Großanlagen Wechselrichter angeboten, die für eine Leistung von bis zu 300000 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 Leitungspunkt 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 2 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.
Zur Lösung dieses Problems ist es von der Anmelderin bereits vorgeschlagen worden, den klassischen Wechselrichter durch eine Vorrichtung mit einem Gleichstromelektromotor zu ersetzen, an dessen Welle ein Wechselstromgenerator antreibbar ist. 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. Diese Vorgehensweise bietet außerdem 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 klassischen Wechselrichtern.
Bei Großanlagen der hier betrachteten Art ist es ein Nachteil, dass sie nicht als Grundlastlieferant zur Energieversorgung beitragen können, da sich die Energieausbeute aus den Sonneneinstrahlungsverhältnissen ergibt. Dieser Umstand macht es auch unmöglich, eine größere Sonnenkollektoranlage als verlässlichen Energieversorger im Inselbetrieb einzusetzen. Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gestellt, hier Abhilfe zu schaffen.
Diese Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Vorrichtung einen Gleichstromelektromotor (11) aufweist, an dessen Welle ein Wechselstromgenerator (13) und ein Verbrennungsmotor (14) anschließbar sind.
Durch die wahlweise Ankopplung des Verbrennungsmotors können im Zuge der Energieversorgung Zeitspannen überbrückt werden, an denen keine ausreichende Sonnenenergie zur Verfügung steht. Der Verbrennungsmotor kann auch permanent angekoppelt sein und läuft dann entweder im Leerlauf mit oder treibt die Welle gezielt an.
In einer zweiten Ausführungsform wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Vorrichtung einen Gleichstromelektromotor (11) aufweist, dessen Statorwicklung zusätzlich an den Ausgang einer Brennstoffzelle angeschlossen ist. Bei zusätzlichem Energiebedarf wird die Brennstoffzelle aktiviert und liefert an den Gleichstrommotor die erforderliche elektrische Energie, die momentan von der Sonnenkollektoranlage nicht aufgebracht werden kann. Auch in dieser Ausführungsform kann eine gleichmäßig hohe Energieverfügbarkeit sichergestellt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Übererzeugung von elektrischer Energie aus den Photovoltaikmodulen zur Herstellung von Wasserstoff verwendet wird, der dann in einem Tank zwischengelagert wird, um ihn bei Bedarf mittels des Verbrennungsmotors beziehungsweise der Brennstoffzelle zu verwerten.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Es zeigen:
1 ein Diagramm zur Arbeitsweise eines MPP-Reglers; und
2 eine Photovoltaikanlage nach dem Stand der Technik
3 eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage mit angeschlossenem Verbrennungsmotor, und
4 eine erfindungsgemäße Photovoltaikanlage mit angeschlossener Brennstoffzelle.
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 zum einen anstelle des Wechselrichters (7) ein Gleichstrommotor (11) vorgesehen ist, dessen Welle einen Drehstromgenerator (13) antreibt, der in bekannter Weise den erzeugten Strom an ein 400 Volt Drehstromnetz liefert, und dessen Welle zum anderen bei Bedarf durch einen Verbrennungsmotor (14) angetrieben werden kann. 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.
Die Ausgestaltung der Erfindung nach der 4 sieht vor, anstelle oder auch zusätzlich zum Verbrennungsmotor eine Brennstoffzelle (19) vorzusehen, die mittels Wasserstoff betrieben wird. Die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird parallel zu den Anschussklemmen (5) der Solaranlage an den Stator des Gleichstrommotors (11) angeschlossen.
Die Zuschaltung des Verbrennungsmotors (14) oder der Brennstoffzelle (19) wird zweckmäßigerweise mittels der Regeleinheit (17) vorgenommen. Mit Hilfe der Regeleinheit (17) wird zu diesem Zweck die Netzfrequenz des Versorgungsnetzes ausgewertet, an welches der Wechselstromgenerator (13) angeschlossen ist. Dazu kann das im Systemwechselrichter ohnehin vorhandene Frequenzmessgerät (nicht gezeigt) verwendet werden, mit dem üblicherweise die Synchronisation an ein bestehendes Netz vorgenommen wird.
Im Inselbetrieb der Sonnenkollektoranlage kann die Netzfrequenz als Sollwertvorgabe dienen, wobei der Verbrennungsmotor (14) bzw. die Brennstoffzelle (19) bei unterschreiten eines unteren Sollwertes der Netzfrequenz zugeschaltet wird. Im Verbundnetzbetrieb der Anlage wird über die Stromrichtung bestimmt, ob der Wechselstromgenerator Leistung in das Netz (9) einspeist oder dem Netz (9) entnimmt. Wird eine Grundlast garantiert, wird der zugeordnete Stromwert als Sollwert herangezogen. Dabei braucht die Grundlast nicht konstant zu sein. Sie kann entlang einer gewünschten Kurve vorgegeben sein, wobei sich dann der Sollwert des Stroms entsprechend ändert.
Die mechanische Verbindung zwischen dem Gleichstrommotor (11), dem Wechselstromgenerator (13) und dem Verbrennungsmotor (14) kann über unterschiedliche Wege er folgen. So ist eine gemeinsame Welle (21) sinnvoll, auf welche der Gleichstrommotor (11), der Wechselstromgenerator (13) und der Verbrennungsmotor (14) gemeinsam arbeiten.
Die Welle (21) kann dabei einstückig durchgehend oder auch mehrteilig ausgebildet werden, wobei die Teile miteinander jeweils über eine Flanschkupplung (nicht gezeigt) verbunden sind. Alternativ hierzu kann auch eine weitere Welle (23) vorgesehen sein (hier gezeigt zwischen Wechselstromgenerator (13) und Verbrennungsmotor (14)), die mittels einer Kupplung (25) an die erste Welle (21) lösbar angekoppelt ist. dadurch ist der Verbrennungsmotor (14) über die ihm zugeordnete Kupplung (25) zu- oder abschaltbar.
Es kommt jede Art von Verbrennungsmotor infrage, dessen Treibstoff sich lagern lässt. Als Treibstoff kommen daher insbesondere Biomasse, Öl oder Wasserstoff infrage. Zur Erzielung einer ausreichenden Effizienz von Nutzen zu Aufwand kommen insbesondere Anlagen ab einer Leistung von ca. 1 MW in Betracht. Unter Berücksichtigung eines Nullbeitrags der Sonnenkollektoranlage zur Energielieferung ist also auch der Verbrennungsmotor (14) dann auf mindestens 1 MW auszulegen.
Bezugszeichenliste

1: Sonnenkollektoranlage
3: Photovoltaikmodul
5: Anschlüsse
7: Wechselrichter
9: Stromnetz
11: Gleichstrommotor
13: Wechselstromgenerator
14: Verbrennungsmotor
15: Recheneinheit
17: Regeleinheit
19: Brennstoffzelle
21: gemeinsame Welle
23: weitere Welle
25: Kupplung

Claims

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 einen Gleichstromelektromotor (11) aufweist, an dessen Welle ein Wechselstromgenerator (13) und ein Verbrennungsmotor (14) anschließbar sind.
Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrommotor, der Wechselstromgenerator und der Verbrennungsmotor auf eine einzige gemeinsame Welle (21) arbeiten.
Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Welle (21) einstückig durchgehend ist.
Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle mehrteilig ist, wobei die Teile miteinander jeweils über eine Kupplung verbunden sind.
Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (14) über eine weitere Welle (23) mittels einer Kupplung (25) an die Welle (21) angekoppelt ist
Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (14) über die ihm zugeordnete Kupplung (25) zu- oder abschaltbar ist.
Sonnenkollektoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (14) mit Biomasse, Öl oder Wasserstoff angetrieben ist.
Sonnenkollektoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Verbrennungsmotors (14) mindestens 1 MW beträgt.
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 (9) einspeisbaren Wechselstrom zu überführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Gleichstromelektromotor (11) aufweist, dessen Statorwicklung zusätzlich an den Ausgang einer Brennstoffzelle (19) angeschlossen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übererzeugung von elektrischer Energie aus den Photovoltaikmodulen zur Herstellung von Wasserstoff verwendet wird.
Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 1, 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.
Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 11 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 und die bei mangelnder Feldstärke zur Erreichen eines Mindestsollwerts der Erregung den Verbrennungsmotor zuschaltet.
Sonnenkollektoranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgröße die Netzfrequenz des Versorgungsnetzes (9), die Stromrichtung in oder aus dem Versorgungsnetz (9) oder ein Sollwert des Stroms in das Versorgungsnetz (9) herangezogen wird.