DE102012105609B3

DE102012105609B3 - Warmwasserbereiter und Verfahren zum Betreiben eines Warmwasserbereiters

Info

Publication number: DE102012105609B3
Application number: DE102012105609A
Authority: DE
Inventors: Tim Zielosko; Andreas Wagner
Original assignee: Wagner and Co Solartechnik GmbH
Current assignee: Wagner and Co Solartechnik GmbH
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: WO2014001302A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter und ein Verfahren zum Betreiben des Warmwasserbereiters, der eine elektrische Heizeinrichtung 2 aufweist, die von einer ersten elektrischen Energiequelle 3 und einer zweiten elektrischen Energiequelle 4 mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Zur energieeffizienten Versorgung mit geringem Aufwand ist die Heizeinrichtung 2 von der ersten Energiequelle 3 mit Gleichspannung und von der zweiten Energiequelle 4 mit Wechselspannung versorgbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Warmwasserbereiter gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Warmwasserbereiters gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 17.
Warmwasserbereiter sind auch unter der Bezeichnung elektrischer Boiler bekannt. Sie dienen beispielsweise mit einem Inhalt von 50 bis 80 Liter Volumen für die Deckung eines Warmwasserbedarfs von Haushalten mit 3 bis 4 Personen. Dies entspricht einem durchschnittlichen Warmwasserbedarfs von ca. 80 bis 120 Litern am Tag.
Innerhalb des Warmwasserbereiters wird Wasser mittels einer Heizeinrichtung erwärmt. Diese kann mit fossilen Brennstoffen wie beispielsweise Öl oder Gas betrieben werden. Weiter verbreitet sind allerdings elektrische Heizeinrichtungen. Aufgrund der zunehmenden Verknappung fossiler Rohstoffe werden die Preise für elektrische Energie allerdings immer teurer. Dies führt dazu, dass die Warmwasserbereiter immer energieeffizienter werden.
Es ist auch bekannt, Warmwasser mittels solarthermischer Anlagen aufzuwärmen. Diese Anlagen erfordern jedoch eine relativ große Anlagengröße, um effizient arbeiten zu können.
In kleineren Anlagen, also beispielsweise für die Warmwasserbereitung in Privathaushalten, ist es bekannt, Strom zur Versorgung der elektrischen Heizeinrichtung zu verwenden, der über Photovoltaikelemente, also Solarzellen, gewonnen wurde. Diese Solarzellen werden dabei in der Regel gleichzeitig zur Einspeisung elektrischer Energie in öffentliche Versorgungsnetzwerke genutzt. Dafür ist allerdings ein relativ hoher Aufwand zu betreiben. So müssen beispielsweise spezielle Wechselrichter und Zählereinrichtungen vorgesehen werden sowie Anmelde- und Zählergebühren bezahlt werden. Der Aufwand und die Kosten für eine derartige photovoltaische Anlage sind daher relativ hoch.
In DE 20 2010 008 307 U1 ist ein Heißwasserspeicher beschrieben, der eine Heizeinrichtung aufweist, die zur Stromversorgung über eine elektrische Leitung an einer Photovoltaik-Anlage angeschlossen ist. Die elektrische Leitung weist dafür ein Steuerorgan auf, das zusätzlich mit einem Netzstromanschluss und einem elektro-chemischen Energiespeicher verbunden ist. Dadurch ist es möglich, die Heizeinrichtung mit Hilfe der photovoltaischen Anlage oder über den Netzstromanschluss oder aber den elektrochemischen Energiespeicher mit Energie zu versorgen. Das Steuerorgan sorgt dann also dafür, dass die elektrische Heizeinrichtung immer mit ausreichender Energie versorgt wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für eine energieeffiziente Warmwasserbereitung zu minimieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Wasserbereiter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 16.
Dafür ist die Heizeinrichtung von der ersten Energiequelle mit Gleichspannung und von der zweiten Energiequelle mit Wechselspannung versorgbar.
Die elektrische Heizeinrichtung kann also direkt mit elektrischer Energie in Form von Gleichspannung und in Form von Wechselspannung versorgt werden. Zusätzliche Schaltungselemente, die vor dem Eingang der elektrischen Heizeinrichtung angeordnet sind und beispielsweise die Spannung der ersten Energiequelle zunächst in Wechselspannung umwandeln, sind nicht erforderlich. Die Anzahl der erforderlichen elektrischen Bauelemente wird damit gering gehalten und damit der Aufwand für die Bereitstellung des Warmwasserbereiters minimiert. Dadurch ist der Warmwasserbereiter sehr kostengünstig herstellbar und weniger reparaturanfällig.
Vorzugsweise sind die erste Energiequelle und die zweite Energiequelle über eine Steuereinrichtung, die insbesondere einen Wechselschalter aufweist, mit der Heizeinrichtung verbindbar, wobei ggf. die erste Energiequelle von der zweiten Energiequelle galvanisch getrennt ist. Über die Steuereinrichtung kann vorgegeben werden, ob die Heizeinrichtung von der ersten Energiequelle oder von der zweiten Energiequelle versorgt werden soll. Dabei kann ein Umschalten zwischen den beiden Energiequellen über einen einfachen Wechselschalter erfolgen, ohne das eine Umsetzung von Gleichspannung in Wechselspannung bzw. anders herum erforderlich ist. Durch eine galvanische Trennung der ersten Energiequelle von der zweiten Energiequelle wird eine Wechselwirkung zwischen der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle verhindert, also die Sicherheit erhöht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Energiequelle als Photovoltaik-Modul ausgebildet, wobei die zweite Energiequelle insbesondere durch ein öffentliches Stromnetz gebildet ist. Über das Photovoltaik-Modul wird elektrische Energie aus Sonnenlicht gewonnen, also aus einem regenerativen Energieträger. Durch die zweite Energiequelle, die bspw. durch ein öffentliches Stromnetz gebildet ist, wird dabei die erforderliche Versorgungssicherheit gewährleistet. Da das Photovoltaik-Modul die Heizeinrichtung direkt mit Gleichspannung versorgen kann, kann auf die sonst im Zusammenhang mit Photovoltaik-Modulen eingesetzten Wechselrichter und Zählereinrichtungen verzichtet werden. Vielmehr ergibt sich ein sehr energieeffizientes System, das mit relativ geringen Bauteilen auskommt und damit mit geringem Aufwand herstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Heizeinrichtung ein erstes Heizelement, das von der ersten Energiequelle mit elektrischer Energie versorgbar ist, und ein zweites Heizelement auf, das von der zweiten Energiequelle mit elektrischer Energie versorgbar ist. Die beiden Heizelemente können dann unabhängig voneinander betrieben werden und die Verschaltung ist damit denkbar einfach. Insbesondere besteht dabei keine Gefahr, dass eine Wechselwirkung zwischen der ersten Energiequelle und der zweiten Energiequelle auftritt. Auch kann das eine Heizelement dann für den Betrieb bei Gleichspannung optimiert werden, während das andere Heizelement für den Betrieb mit Wechselspannung ausgelegt ist. Zwar sind bei dieser Lösung durch die Verwendung zweier Heizelemente relativ viele Bauteile erforderlich, der übrige Aufbau ist aber damit sehr einfach. Damit ergibt sich eine sehr geringe Fehleranfälligkeit.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Heizeinrichtung mindestens ein elektrisches Heizelement auf, das sowohl von der ersten Energiequelle als auch von der zweiten Energiequelle mit elektrischer Energie versorgbar ist. Dadurch muss im Warmwasserbereiter kein zusätzlicher Raum für ein weiteres Heizelement vorgesehen sein. Vielmehr können konventionelle Warmwasserbereiter genutzt werden, die als Massenprodukt kostengünstig beziehbar sind.
Bevorzugter Weise ist eine Messeinrichtung zur Überwachung von Strom und Spannung an der Heizeinrichtung vorgesehen. Dadurch können innere Kurzschlüsse an der Heizeinrichtung oder an der Zuleitung erkannt werden und der Warmwasserbereiter abgeschaltet werden, sobald kritische Abweichungen festgestellt werden. Da photovoltaische Anlagen nur einen Kurzschluss-Strom liefern, der knapp über dem Betriebsstrom liegt, sind konventionelle Sicherungen nicht einsetzbar. Durch die Messung von Strom und Spannung über die Heizeinrichtung ist ein Abschalten bei kritischen Abweichungen aber so dennoch möglich.
Vorzugsweise ist parallel zur ersten Energiequelle ein kapazitiver Spannungsteiler angeordnet. Bei Gleichströmen treten bei Spannungen über etwa 60 Volt verstärkt Lichtbögen beim Ausschalten auf, die die Kontakte eines Schalters zerstören können. Durch den kapazitiven Spannungsteiler kann nun beispielsweise ein Halbleiterschalter angesteuert werden, der die erste Energiequelle, also die Gleichspannungs-Quelle, immer dann kurzschließt, wenn keine Versorgungsspannung anliegt. Das Auftreten von Lichtbögen beim Ausschalten wird damit verhindert.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass der Warmwasserbereiter einen ersten Schalter aufweist, der eine Energieversorgung der Heizeinrichtung bei Erreichen einer maximalen Speichertemperatur unterbricht, wenn die Heizeinrichtung von der ersten Energiequelle versorgt wird. Der Schalter kann als Thermostatschalter ausgebildet sein. Ein Überhitzen des Warmwasserbereiters wird damit zuverlässig verhindert. Beispielsweise kann die maximale Speichertemperatur daher auf ca. 80° Celsius festgelegt werden. Es ist aber auch denkbar, diese variabel zu halten, so dass ein Benutzer diese auf sein eigenes Verbrauchsverhalten abstimmen kann.
Vorzugsweise weist der Warmwasserbereiter einen zweiten Schalter auf, der eine Energieversorgung der Heizeinrichtung bei Erreichen einer Mindestwarmwassertemperatur unterbricht, wenn die Heizeinrichtung von der zweiten Energiequelle versorgt wird. Der Schalter kann als Thermostatschalter ausgebildet sein. Bei Erreichen einer Mindestwarmwasser-Temperatur vorzugsweise oben im Speicher wird also die zweite Energiequelle, bei der es sich in der Regel um eine konventionelle Energiequelle, wie bspw. einen Netzstrom-Anschluss, handelt, abgeschaltet. Dadurch wird nur so viel Energie von der zweiten Energiequelle bezogen, wie für das Bereitstellen einer Mindestwarmwassermenge erforderlich ist. Eine stärkere Aufheizung erfolgt dann nur durch Nutzen der ersten Energiequelle. Dadurch wird gewährleistet, dass immer dann, wenn von der ersten Energiequelle Energie bereitgestellt wird, auch ein Erwärmen erfolgen kann. Insofern wird sichergestellt, dass die erste Energiequelle immer genutzt werden kann, wenn diese Energie liefert.
Bevorzugter Weise ist die initiierte Speichertemperatur in Abhängigkeit von der von der ersten Energiequelle bereitgestellten Leistung und/oder in Abhängigkeit von anderen Einflussfaktoren veränderbar. Die von der ersten Energiequelle bereitgestellte Leistung kann bspw. von einer aktuellen Sonneneinstrahlung abhängig sein. Bei hoher Einstrahlung kann eine geringere Speichertemperatur ausreichen, um die eventuelle Nachheizung auszusetzen, da ja in relativ kurzer Zeit mit ausreichender Warmwasser-Temperatur zu rechnen ist. Die Regelung der maximalen Speichertemperatur für die zweite Energiequelle kann aber auch an den Strahlungsintensitätsverlauf, an die Tageszeit oder einen Stromtarif gekoppelt werden.
Vorzugsweise weist der Warmwasserbereiter einen dritten Schalter auf, der eine Energieversorgung für die Heizeinrichtung bei Erreichen einer maximalen Temperatur unterbricht. Dieser dritte Schalter kann beispielsweise als Thermostatschalter ausgebildet sein und dient als Sicherheitstemperaturbegrenzer und unterbricht bspw. eine Energieversorgung, wenn eine maximale Temperatur des Wassers von 95° Celsius überschritten wird. Der dritte Schalter kann beispielsweise die Energieversorgung der Steuereinheit unterbrechen, so dass der erste und/oder der zweite Schalter öffnen. Damit wird sichergestellt, dass dieser Schalter nicht durch einen Lichtbogen bei Gleichspannungsversorgung beeinträchtigt wird. Vielmehr wird nur die Versorgungsspannung der Schalter gesteuert. Durch ein Unterbrechen dieser Versorgungsspannung wird automatisch die Stromversorgung für die elektrische Heizeinrichtung unterbrochen, unabhängig davon, ob die elektrische Heizeinrichtung von der ersten Energiequelle oder von der zweiten Energiequelle versorgt wird.
Als weitere Sicherheit ist vorgesehen, zusammen mit der Unterbrechung der Netz-Versorgungsspannung auch die Stromzufuhr der DC-Quelle zu unterbrechen. Dazu wird die Versorgungsspannung der Steuereinheit auch für die Versorgung eines Schütz verwendet, der (stromlos offen) die DC-Stromversorgung aus der ersten Energiequelle unterbreicht. Damit wird sichergestellt, dass auch im Fall eines Defekts in der Steuereinheit sicher die Stromzufuhr von der ersten Stromquelle zum elektrischen Heizelement unterbrochen wird.
Vorteilhafterweise weist der Warmwasserbereiter eine Schutzschaltung mit zwei symmetrischen Varistoren auf. Durch den Einsatz zweier symmetrischer Varistoren können Erdschlussfehler, die bspw. an den Photovoltaikmodulen auftreten können, die die erste Energiequelle bilden, erkannt werden. Damit ergeben sich ein sicherer Überspannungsschutz und eine Möglichkeit einer Erdschlusserkennung; diese ist speziell bei PV-Gleichstromversorgung wichtig, da hier die bei Wechselstrom üblichen Sicherheitssysteme, wie z.B. Überstrom-Sicherungen, nicht ohne weiteres nutzbar sind.
Vorzugsweise ist das Heizelement als Heizstab ausgebildet, der eine zylindrische Umhüllung aufweist, wobei in der Umhüllung unten und oben eine Öffnung angeordnet ist, die oben Drossel-artig verjüngt ist und insbesondere die Umhüllung Glas aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung wird die im Heizstab produzierte Wärme im Glasrohr wie in einem Kamin nach oben geleitet, wobei die Drossel dafür sorgt, dass dort eine möglichst große Temperaturerhöhung erzielt wird. Dadurch entsteht eine Wärmeschichtung innerhalb des Warmwasserbereiters, wobei also zunächst nur der obere Teil des Warmwasserbereiters aufgeheizt wird. Damit ist ein relativ hoher Temperaturhub von ca. 25 bis 35 Kelvin erreichbar, wobei durch den Kamineffekt auch bei unterschiedlicher Leistung, die von den Energiequellen bereitgestellt wird, eine relativ hohe Wassertemperatur erzielt wird. Glas ist dabei besonders interessant wegen seiner hohen Temperaturbeständigkeit und elektrochemischen Neutralität. Darüber hinaus hat Glas gute Isoliereigenschaften. Wechselwirkungen zu dem anodischen Korrosionsschutz in emaillierten Warmwasserbereitern sind daher unkritisch.
Vorzugsweise ist benachbart zum Heizstab eine Mg-Anode angeordnet, wobei das Glas die Heizeinrichtung gegenüber der Mg-Anode weitgehend elektrisch isoliert. Das Glas ist dabei beispielsweise rohrförmig ausgebildet und umgibt den Heizstab. Das Glas dient also als elektrischer Isolator. Der Heizstab und die Mg-Anode können direkt nebeneinander auf einer Flanschplatte montiert sein. Ohne Isolierung fließt ein relativ starker Schutzstrom direkt zum Heizstab, so dass sich die Mg-Anode relativ schnell verbraucht und im Stromschutzschatten ein reduzierter Korrosionsschutz gegeben ist. Dabei werden durch die Isolierung auch Kalkablagerungen verringert, die durch einen Stromfluss zwischen Heizstab und Mg-Anode verstärkt würden.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Dabei weist das Verfahren mindestens die Schritte zum Bestimmen, ob die Heizeinrichtung von der ersten Energiequelle oder von der zweiten Energiequelle versorgt werden soll und das Verbinden der Heizeinrichtung mit der entsprechenden Energiequelle auf.
Der Warmwasserbereiter kann also sowohl von der ersten als auch von der zweiten Energiequelle versorgt werden. Damit ist immer eine ausreichende Versorgungssicherheit gewährleistet.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass in Abhängigkeit von der Leistung, die von der ersten Energiequelle zur Verfügung gestellt wird, eine maximale Speichertemperatur für die zweite Energiequelle festgelegt wird, wobei bei höherer Leistung der ersten Energiequelle eine niedrigere maximale Speichertemperatur für die zweite Energiequelle eingestellt wird als bei geringerer Leistung. Damit wird ausgenutzt, dass in dem Fall, dass von der ersten Energiequelle viel Leistung zur Verfügung steht, ein relativ schnelles Aufwärmen des Warmwassers im Warmwasserbereiter erfolgen kann. Dann ist es nicht erforderlich, Netzstrom für das Erwärmen mit der zweiten Energiequelle zu verbrauchen. Für das Aufwärmen mit der ersten Energiequelle steht dann mehr Volumen als Speicherreserve zur Verfügung. Die Energie-Effizienz des Warmwasserbereiters wird also gesteigert.
Vorzugsweise werden bei der Festlegung der maximalen Speichertemperatur ein Verlauf von der von der ersten Energiequelle zur Verfügung gestellten Leistung, eine aktuelle Tageszeit und/oder weitere Faktoren berücksichtigt. Dies steigert die Energie-Effizienz des Warmwasserbereiters, da ein unnötiges Aufheizen durch die zweite Energiequelle verhindert wird. Dabei lässt sich der Warmwasserbereiter an ein individuelles Verbrauchsverhalten anpassen. Auch können Wetterdaten wie beispielsweise eine Wettervorschau verwendet werden, um Aussagen zu treffen, wie viel Energie durch die erste Energiequelle bereitgestellt werden kann. Ein Aufwärmen bei Energieversorgung über die zweite Energiequelle kann dann beispielsweise nur bis 40° C erfolgen, wenn in Kürze ein höherer Leistungseintrag durch die erste Energiequelle zu erwarten ist, der dann zu einer stärkeren Erwärmung, beispielsweise bis 80° C, genutzt wird. Die von der zweiten Energiequelle zu beziehende Leistung wird damit minimiert.
Dabei ist besonders bevorzugt, dass zunächst nur ein oberer Teil des Warmwasserspeichers erwärmt wird. Damit wird eine Wärmeschichtung im Warmwasserbereiter erreicht. Die Wärmeschichtung dient dazu, Betriebszeiten der zweiten Energiequelle zu reduzieren, indem das Aufwärmen des größeren Volumenanteils mit der ersten Energiequelle erfolgt. Damit ist ein relativ energieeffizienter Betrieb des Warmwasserbereiters möglich. Diese Schichtung funktioniert sowohl beim elektrischen Aufheizen, bei dem dann vorzugsweise nur der obere Speicherteil erwärmt wird, als auch beim Zapfen von warmen Wasser, weil erst nach der Abnahme einer größeren Warmwassermenge der im oberen Bereich des Speichers installierte Thermostatfühler die zweite Energiequelle zuschaltet.
Vorzugsweise wird eine Leistung, insbesondere Stromstärken und/oder Spannungen, an der Heizeinrichtung erfasst und zur Fehlererkennung ausgewertet. Dadurch lassen sich vor allem interne Kurzschlüsse an der Heizeinrichtung oder in Zuleitungen erkennen. Auch bei dem Einsatz von Gleichstrom-Anlagen als erster Energiequelle, die nur einen Kurzschlussstrom liefern, der knapp über dem Betriebsstrom liegt, ist damit eine relativ hohe Sicherheit erreichbar, wobei eine Energieversorgung bei kritischen Abweichungen abgeschaltet werden kann.
Über die Strom-Spannungsmessung zum Schutz gegen interne Kurzschlüsse ist auch meßbar, wenn sich der Heizstab auf unerwünscht hohe Temperaturen von deutlich über Siedetemperatur erwärmt, was beispielsweise durch Kalkablagerungen bedingt sein kann. Je nach Wasserqualität kann der Heizstab auch unter günstigen technischen Bedingungen relativ schnell verkalken. Über die Steuereinheit kann dann gegebenenfalls ein Signal ausgegeben werden und/oder eine Energieversorgung unterbrochen werden.
Vorzugsweise wird die Intensität der Sonneneinstrahlung ermittelt, indem eine von der ersten Energiequelle bereitgestellte Leistung erfasst und umgerechnet wird. Die Intensität der Sonneneinstrahlung ist relativ schwierig direkt erfassbar. Demgegenüber lässt sich elektrische Leistung relativ einfach messen. Durch den direkten Zusammenhang der von der ersten Energiequelle bereitgestellten Leistung mit der Sonneneinstrahlung lässt sich relativ einfach die Intensität der Sonneneinstrahlung bestimmen.
Vorteilhafterweise wird über den Hochsetzsteller ein Leistungsoptimum der ersten Energiequelle durch Optimierung eines Strom-Spannungsverhältnisses erzielt. Der Hochsetzsteller arbeitet also als sogenannter MPP-Tracker. Damit werden ein optimierter Betrieb und damit eine gute Energieausnutzung erhalten.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass beim Schalten eines Schalters über den Hochsetzsteller die Energiequelle 3 gleichzeitig auf parallelem Weg kurzgeschlossen wird, um so Lichtbögen am Schalter zu vermeiden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigt die
1 einen Schaltplan zur Verbindung einer Heizeinrichtung eines Warmwasserbereiters mit einer ersten Energiequelle und einer zweiten Energiequelle,
Die 1 zeigt einen Schaltplan 1 für die Versorgung einer Heizeinrichtung 2 eines Warmwasserbereiters mit elektrischer Energie von einer ersten Energiequelle 3 und einer zweiten Energiequelle 4. Die erste Energiequelle 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Photovoltaik-Anlage ausgebildet, die einen oder mehrere Solarzellenstrings 5, 6 aufweist und Sonnenenergie in elektrische Gleichspannung umwandelt. Die erste Energiequelle 3 stellt also elektrische Energie in Form von Gleichspannung bzw. Gleichstrom zur Verfügung.
An der ersten Energiequelle 3 ist ein DC-Schaltrelais 7 angeschlossen. Die von der ersten Energiequelle 3 bereitgestellte Gleichspannung liegt bei geschlossenem DC-Schaltrelais 7 als Eingangs-Spannung Ue über einen Eingangskondensator 8 an. Dieser Eingangskondensator 8 sollte großzügig bemessen sein, um eine gleichmäßige Belastung der ersten Energiequelle 3 zu erreichen.
Das Schaltrelais 7 wird in geschlossenem Zustand des Sicherheitstemperaturbegrenzers 23 mit Netzstrom versorgt. So wird verhindert, dass im Falle eines Defekts in der Steuereinheit und gleichzeitig hoher Speichertemperatur ein weiteres Aufheizen des Boilers, über die Grenztemperaturen hinaus, erfolgen kann, da ein Sicherheitstemperaturbegrenzer 23 automatisch die Stromzufuhr zum Schaltrelais 7 unterbricht. Damit wird auch die DC-Versorgung des Heizelements automatisch unterbrochen.
Es ist ein zusätzlicher manueller Schalter 24 vorgesehen, mit dem die Stromversorgung des DC-Schaltrelais 7 unterbrochen werden kann. Das DC-Schaltrelais 7 ist damit manuell auslösbar. Das DC-Schaltrelais 7 stellt damit in Kombination mit dem zusätzlichen Schalter 24 einen manuellen DC-Freischalter dar.
Parallel zum Eingangskondensator 8 und zur ersten Energiequelle 3 ist eine Überspannungs-Schutzschaltung 9 mit zwei symmetrischen Varistoren 10, 11 geschaltet. Zwischen den Varistoren 10, 11 liegt dabei Erdpotential an. Dadurch können Erdschlussfehler durch eine Verschiebung der Spannungssymmetrie erkannt werden. Ferner ergibt sich ein guter Überspannungsschutz. Dabei wird eine Spannung über jeden der Varistoren 10, 11 mittels Spannungsmessern 12, 13 ermittelt und in einer Steuereinheit 14 ausgewertet.
Parallel zur ersten Energiequelle 3 ist ein kapazitiver Spannungsteiler 15 angeordnet, der nun bspw. über einen Halbleiterschalter des Hochsetzstellers 16 die erste Energiequelle 3 kurzschließt, wenn die Heizeinrichtung 2 nicht von der ersten Energiequelle 3 mit elektrischer Energie versorgt werden soll. Dadurch kann ein Ausschalten erfolgen, ohne das ein Lichtbogen auftritt.
An den kapazitiven Spannungsteiler 15 schließt sich der Hochsetzsteller 16 an, der bspw. mit einer Schaltfrequenz von ca. 35 kHz betrieben wird. Dies liegt außerhalb des hörbaren Bereichs und ermöglicht dennoch den Einsatz von relativ günstigen Elektrolyt-Kondensatoren. Der Hochsetzsteller 16 arbeitet als sogenannter MPP-Tracker und passt ein Strom-Spannungsverhältnis derartig an, dass die erste Energiequelle 3 in einem Bereich arbeitet, in dem die größte Leistung entnommen werden kann.
Zum Ausgleich von Spannungsschwankungen, also für eine konstante Gleichspannung, kann ein nicht dargestellter Ausgangskondensator vorgesehen sein. Dieser ist zwar nicht unbedingt nötig, verhindert aber elektromagnetische Störungen und eine Belastung der Heizeinrichtung durch zu starke Stromschwankungen.
Über einen ersten Schalter 17 wird bei Erreichen einer maximalen Speichertemperatur die Energiezuführung von der ersten Energiequelle 3 unterbrochen. Die Ansteuerung des ersten Schalters 17 erfolgt über die Steuereinheit 14, die eine Temperatur eines Warmwasserbereiters 19 über einen temperaturabhängigen Widerstand 20 ermittelt. Anstelle eines temperaturabhängigen Widerstands kann auch ein anderes thermisches Messelement verwendet werden.
Der erste Schalter 17 ist zum Abschalten bei Erreichen einer Maximal-Temperatur des Wassers im Warmwasserbereiter 19 vorgesehen. Dabei wird die erste Energiequelle 3 von der Heizeinrichtung 2 getrennt, wenn eine Maximal-Temperatur erreicht ist, wenn keine Versorgungsspannung anliegt oder wenn ein Fehler erkannt wurde.
An den Wechselschalter 18 ist über einen zweiten Schalter 21 die zweite Energiequelle 4 angeschlossen, die in diesem Ausführungsbeispiel durch ein öffentliches Versorgungsnetz gebildet ist. Die zweite Energiequelle 4 stellt dabei elektrische Energie in Form von Wechselstrom bzw. Wechselspannung zur Verfügung. Dabei dient die zweite Energiequelle 4 auch zur Versorgung der Steuereinheit 14 mit elektrischer Energie.
Der Wechselschalter 18 verbindet je nach Schaltstellung die erste Energiequelle 3 oder die zweite Energiequelle 4 mit der Heizeinrichtung 2, die innerhalb des Warmwasserbereiters 19 angeordnet ist und als Heizstab ausgebildet ist. Damit erfolgt je nach Schaltstellung des Wechselschalters 18 eine Versorgung der Heizeinrichtung 2 von der ersten Energiequelle 3 oder von der zweiten Energiequelle 4. Der Wechselschalter 18 wird dabei von der Steuereinheit 14 angesteuert.
In einer Messanordnung 22 wird eine zur Heizeinrichtung geleitete Leistung bzw. Strom und Spannung erfasst. Die Heizvorrichtung 2 weist einen definierten Widerstand auf. Dadurch kann durch Überwachung von Strom und Spannung eine Identifizierung von Kurz- und Erdschlüssen erfolgen. Möglich ist auch eine Temperaturüberwachung des elektrischen Heizstabs. Falls er sich wegen starker Verkalkung zu sehr aufheizt, verändert sich der Widerstand im Vergleich zum vorherigen Kaltzustand des Gerätes und löst dadurch ggfs. eine Abschaltung oder ein Warnsignal aus.
Ein dritter Schalter 23 dient als Sicherheitsauslöser des Warmwasserbereiters 2.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Energiequelle 3 und die zweite Energiequelle 4 eine gleiche Spannungs-Differenz bereitstellen, bspw. von 230 Volt.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Schaltplan
2: Heizeinrichtung
3: Erste Energiequelle
4: Zweite Energiequelle
5, 6: Solarzellenstring
7: DC-Schaltrelais
8: Eingangskondensator
9: Schutzschaltung
10: Varistor
11: Varistor
12, 13: Spannungsmesser
14: Steuereinheit
15: Spannungsteiler
16: Hochsetzsteller
17: 1. Schalter
18: Wechselschalter
19: Warmwasserspeicher
20: Temperaturabhängiger Widerstand
21: 2. Schalter
22: Messanordnung
23: 3. Schalter
24: Manueller Schalter

Claims

Warmwasserbereiter mit mindestens einem Warmwasserspeicher (19), der eine elektrische Heizeinrichtung (2) aufweist, wobei mindestens eine erste elektrische Energiequelle (3) und eine zweite elektrische Energiequelle (4) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (2) von der ersten Energiequelle (3) mit Gleichspannung und von der zweiten Energiequelle (4) insbesondere mit Wechselspannung versorgbar ist, wobei gegebenenfalls zwischen der ersten Energiequelle (3) und der Heizeinrichtung (2) ein Wechselrichter angeordnet ist.
Warmwasserbereiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiequelle (3) und die zweite Energiequelle (4) über eine Steuereinheit (14), die insbesondere einen Wechselschalter (18) aufweist, mit der Heizeinrichtung (2) verbindbar sind, wobei gegebenenfalls die erste Energiequelle (3) von der zweiten Energiequelle (4) galvanisch getrennt ist.
Warmwasserbereiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiequelle (3) als Photovoltaik-Modul ausgebildet ist, wobei die zweite Energiequelle (4) insbesondere durch ein öffentliches Stromnetz gebildet ist.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (2) ein erstes Heizelement, dass von der ersten Energiequelle (3) mit elektrischer Energie versorgbar ist, und ein zweites Heizelement aufweist, dass von der zweiten Energiequelle (4) mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (2) mind. ein Heizelement aufweist, das sowohl von der ersten Energiequelle (3) als auch von der zweiten Energiequelle (4) mit elektrischer Energie versorgbar ist.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Messeinrichtung (22) zu Überwachung von an die Heizeinrichtung (2) gelieferter elektrischer Leistung aufweist.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur ersten Energiequelle (3) ein kapazitiver Spannungsteiler (15) angeordnet ist.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (2) über einen Hochsetzsteller an die erste Energiequelle (3) angeschlossen ist, wobei der Hochsetzsteller ein zum optimierten Betrieb der ersten Energiequelle erforderliches Strom/Spannungsverhältnis liefert.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem ersten Schalter (17) eine Energieversorgung der Heizeinrichtung (2) bei Erreichen einer maximalen Speichertemperatur unterbrechbar ist, wenn die Heizeinrichtung (2) von der ersten Energiequelle (3) versorgt wird.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass er einen zweiten Schalter (21) aufweist, der eine Energieversorgung der Heizeinrichtung (2) bei Erreichen einer Mindesttemperatur unterbricht, wenn die Heizeinrichtung (2) von der zweiten Energiequelle (4) versorgt wird.
Warmwasserbereiter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Speichertemperatur in Abhängigkeit von der Leistung, die von der ersten Energiequelle (3) bereitgestellt wird, und/oder in Abhängigkeit von anderen Einflussfaktoren veränderbar ist.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er einen dritten Schalter (23) aufweist, der eine Energieversorgung der Heizeinrichtung (2) bei Erreichen einer maximalen Temperatur unterbricht.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, er ein Schaltrelais (7) aufweist, das beim Öffnen des Schalters (23) die Gleichstromversorgung der ersten Energiequelle (3) unterbricht.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Schutzschaltung (9) mit zwei symmetrischen Varistoren (10, 11) aufweist.
Warmwasserbereiter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als Heizstab ausgebildet ist, der eine zylindrische Umhüllung, mit unten und oben einer Öffnung, die oben Drossel-artig verjüngt ist, aufweist, wobei die Umhüllung größenteils aus Glas besteht.
Warmwasserbereiter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass benachbart zum Heizstab eine Mg-Anode angeordnet ist, wobei das Glas den Heizstab gegenüber der Mg-Anode weitgehend elektrisch isoliert.
Verfahren zum Betreiben eines Warmwasserbereiters nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das mindestens folgende Schritte umfasst: • Bestimmen, ob die Heizeinrichtung von der ersten Energiequelle oder von der zweiten Energiequelle versorgt werden soll und • Verbinden der Heizeinrichtung mit der entsprechenden Energiequelle.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der von der ersten Energiequelle zur Verfügung gestellten Leistung eine maximale Speichertemperatur zur Begrenzung einer maximalen Energiezufuhr von der zweiten Energiequelle festgelegt wird, wobei bei höherer Leistung der ersten Energiequelle eine niedrigere maximale Speichertemperatur eingestellt wird als bei geringerer Leistung.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Festlegung der maximalen Speichertemperatur ein Verlauf der von der ersten Energiequelle zur Verfügung gestellten Leistung, eine aktuelle Tageszeit und/oder weitere Faktoren berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine zugeführte Leistung an der Heizeinrichtung erfasst wird und zur Fehlererkennung ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst nur ein oberer Teil des Warmwasserspeichers erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sonneneinstrahlung ermittelt wird, indem eine von der ersten Energiequelle bereitgestellte Leistung erfasst und umgerechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass über den Hochsetzsteller ein Leistungsoptimum der ersten Energiequelle durch Optimierung eines Strom/Spannungsverhältnisses erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schalten von Schalter 17, 18 über den Hochsetzsteller die Energiequelle 3 gleichzeitig auf parallelem Weg kurzgeschlossen wird, um so Lichtbögen am Schalter 17, 18 zu vermeiden.