DE102014002933A1

DE102014002933A1 - Mittels Photovoltaikanlage gespeistes Gleichspannungsnetzwerk mit variabler Spannung zur Verbrauchsoptimierung

Info

Publication number: DE102014002933A1
Application number: DE102014002933.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Photovoltaikanlagen können zum Aufheizen von Wärmespeichern genutzt werden. Um eine Amortisation in vertretbaren Zeiträumen zu ermöglichen, muss die Anlage einfach aufgebaut sein und die verfügbare Energie möglichst effizient genutzt werden. Die Photovoltaikpanele und ggf. weitere Energieerzeuger speisen mittels Leistungsoptimierer in ein Gleichspannungsnetzwerk mit stark variierender Spannung ein. Ein permanent angeschlossener Verbraucher ist so dimensioniert, dass er bei Maimalspannung die verfügbare Leistung umsetzt. Weitere Verbraucher können am Gleichspannungsnetzwerk betrieben werden und teilen sich die verfügbare Leistung entsprechend der resultierenden Gleichspannung auf. Brauchwassererwärmung, Heizungsunterstützung, Versorgung von Gebäuden ohne öffentliches Netz

Description

Photovoltaikanlagen verwenden zu einem großen Teil einen Wechselrichter, um eine eng tolerierte Wechselspannung zu erzeugen oder Strom synchronisiert in ein vorhandenes Wechselspannungsnetz einzuspeisen. Andere Systeme laden mittels Gleichstrom einen Speicher, welcher eine mit geringen Toleranzen versehene Gleichspannung zur Verfügung stellen oder wiederum einen Wechselrichter versorgen.
Um die durch die Photovoltaikmodule erzeugte Leistung optimal nutzen zu können, passen sogenannte MPP-Tracker im Wechselrichter bzw. in der Ladeeinrichtung die Leistungsentnahme an die Kennlinie der Module an. Dies funktioniert für eine Reihenschaltung mehrerer Module recht gut, solange die Module die gleiche Einstrahlung erhalten und damit in einem ähnlichen Arbeitspunkt ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie sind. Daher bieten einzelne Hersteller Leistungsoptimierer an, die als MPP-geregelte Spannungswandler jedes Modul auch bei unterschiedlicher Sonneneinstrahlung in einem optimalen Arbeitspunkt arbeiten lassen.
Zur Erwärmung von Brauchwasser und zur Heizungsunterstützung wird die Sonnenwärme überwiegend mittels Solarthermieanlagen verwendet. Relativ hohe Installations- sowie Betriebskosten führen jedoch oft zu nicht vertretbaren Amortisationszeiten. Eine Alternative bieten verfügbare Lösungen, bei denen die Leistung aus Solaranlagen entweder direkt mittels Widerstandsheizer oder über eine Wärmepumpe zur Erwärmung des Wassers genutzt wird. Vorteile gegenüber Solarthermieanlagen ergeben sich durch preisgünstig verfügbare Photovoltaikmodule, geringerem Installationsaufwand, nicht erforderliche Betriebskosten für Umwälzpumpen sowie das mögliche Heizen in jedem Temperaturlevel.
Dennoch sind für vertretbare Armortisationszeiten eine preisgünstige Ausstattung sowie eine effiziente Ausnutzung der bereitgestellten Leistung erforderlich. Dazu ist es insbesondere erforderlich, die Kennlinien der Photovoltaikeinrichtung mittels geeigneter MPP-Tracker auf die der Heizelemente anzupassen.
Der PV Heater von REFUsol ermöglicht durch 3 separate Heizkreise mit eigenem MPP-Tracker eine gute Energieausnutzung. Der technische Aufwand führt jedoch zu einem Preis, der dem der Photovoltaikmodule entspricht. Darüber hinaus ist die Verwendung der elektrischen Energie für andere Zwecke nicht mit vertretbarem Aufwand möglich.
Bei der im Patentanspruch beschriebenen Lösung wird die Energie aus Solarmodulen über mindestens einen MPP-Tracker einem permanent angeschlossenem Verbraucher zugeführt. Dieser Verbraucher wird derart dimensioniert, dass er bei der Maximalspannung des Systems die gesamte Leistung verbraucht. Dieser Verbraucher kann beispielsweise ein Heizstab in einem Warmwasserbehälter sein. Verringert sich die aus den Solarmodulen verfügbare Leistung, verringert der MPP-Tracker die Spannung soweit, dass wiederum die gesamte Leistung im Verbraucher umgesetzt wird.
Anstatt nur einen MPP-Tracker zusammen für alle Solarmodule zu installieren, ist es besser, jedes Modul mit einem Leistungsoptimierer auszustatten. Auf diese Weise speist jedes Modul auch bei unterschiedlicher Sonneneinstrahlung optimal seine Leistung in das Gleichspannungsnetz ein. Außerdem ermöglicht dies auch eine Parallelschaltung mehrerer Stränge sowie die Integration anderer Gleichstromerzeuger, wie beispielsweise Windräder oder thermoelektrische Generatoren in das System.
Parallel zur Versorgungsspannung des permanenten Verbrauchers können bei Bedarf weitere Verbraucher angeschlossen werden. Auf diese Weise entsteht ein Gleichspannungsnetzwerk für mehrere Verbraucher. Die Spannung des Netzwerkes verringert sich durch die zusätzliche Belastung soweit, bis der Leistungsbedarf aller Verbraucher gedeckt oder eine Minimalspannung unterschritten wird.
Dabei sind insbesondere zwei Arten von Verbrauchern sinnvoll einsetzbar: Verbraucher, welche unabhängig von der Spannung eine bestimmte Leistung verbrauchen und Verbraucher mit einem spannungsabhängigen Bedarf.
Der spannungsunabhängige Bedarf sollte Verbrauchern mit geringer Leistung, wie beispielsweise LED-Beleuchtung und elektronischen Geräten, vorbehalten sein. Hier werden neuerdings ohnehin Schaltnetzteile eingesetzt, die ohne großen Aufwand für Gleichspannung und große Spannungsbereiche ausgelegt werden können.
Ggf. sind diese Verbraucher beim Unterschreiten einer Minimalspannung ganz abzuschalten. Um ein Schwingen der Spannung zu verhindern dürfen diese Verbraucher jedoch nur manuell oder bei einer deutlich höheren Spannung wieder zugeschaltet werden.
Weitere Heizelemente, Wärmepumpen auf der Basis von Peltierelementen oder Laderegler für elektrische Speicher können als Verbraucher mit einem von der Versorgungsspannung abhängigem Leistungsbedarf zusätzlich am Gleichspannungsnetzwerk betrieben werden. Die erzeugte Leistung der Photovoltaikmodule teilt sich dann auf die verschiedenen Verbraucher auf.
Um das Gleichspannungsnetzwerk auch bei geringem oder fehlendem Ertrag der Energieerzeuger nutzen zu können, ist die Kombination mit einem Energiespeicher sinnvoll. Dieser wird mit einer Nennspannung leicht oberhalb der Minimalspannung der Gleichstromnetzwerkes betrieben und über eine Diode mit dem Gleichspannungsnetz verbunden, so dass nur bei Unterschreitung dieser Nennspannung eine Speisung des Netzwerkes aus dem Speicher erfolgt. Das Aufladen des Speichers erfolgt bei höheren Netzspannungen sinnvollerweise mit einem von der Netzspannung abhängigem Ladestrom.
Die zusätzliche Verwendung von Schutzeinrichtungen gegen Überstrom oder Tiefentladung der Speicher entsprechend gängiger technischer Regeln ändert die prinzipielle Funktion nicht und wird daher nicht explizit erwähnt.
In 1 speist ein Strang aus Photovoltaikpanelen (1) über einen MPP-Tracker (2), welcher die Belastung der Module in einen optimalen Arbeitspunkt legt, in ein Gleichspannungsnetzwerk (3). An dieses Netzwerk ist mindestens eine Last angeschlossen, welche für eine effektive Nutzung der erzeugten Energie so ausgelegt ist, dass bei maximaler Spannung im Netzwerk die maximal verfügbare Leistung verbraucht wird. Dazu ist in der Abbildung ein Heizwiderstand (4) dargestellt, der einen Wärmespeicher auflädt.
Anstelle eines MPP-Trackers für einen gesamten String können auch Leistungsoptimierer (2a) eingesetzt werden, die wie in 2 dargestellt jeweils die Arbeitspunktanpassung für ein Photovoltaikpanel (1) übernehmen. Sie werden dazu direkt mit jeweils einem Panel verbunden oder sind bereits anstelle der Anschlussdose am Panel montiert. Sie sind dafür entwickelt, die Leistung bei unterschiedlicher Sonneneinstrahlung auf die einzelnen Module durch individuelle Strom-Spannungs-Anpassung zu optimieren und passen in der dargestellten Verschaltung auch die Arbeitspunkte der Module an unterschiedliche Belastungen im Gleichspannungsnetzwerk (3) an. So wird im gezeigten Beispiel mit 6 Photovoltaikpanelen in Abhängigkeit von der erzeugten Leistung und der Belastung im Netzwerk eine Spannung zwischen etwa 30 und 250 V bereitgestellt. Neben dem Heizwiderstand (4) ist an das Netzwerk eine LED-Beleuchtung (5) angeschlossen. Der eingebaute LED Treiber ist dabei in der Lage, den Arbeitsstrom der LED aus einer im weiten Bereich variierenden Versorgungsspannung zu erzeugen. Damit ist der Lichtstrom und die Leistungsaufnahme der LED-Beleuchtung weitgehend unabhängig von der vorhandenen Versorgungsspannung.
2 stellt weiterhin die Möglichkeit dar, dass weitere Erzeuger in das Gleichspannungsnetzwerk (3) einspeisen. Das ist im Beispiel der Generator (6) einer kleinen Windkraftanlage, der ebenfalls über eine geeignete Anpassung bzw. einen MPP-Tracker (7) an das Gleichspannungsnetzwerk angeschlossen wird. Darüber hinaus ist das Netzwerk mit einem elektrischen Speicher verbunden. Ein Akkumulator (8) dessen Minimalspannung der des Netzwerkes (3) entspricht, wird mittels Laderegler (9) mit einem von der Netzwerkspannung abhängigem Strom geladen. Unterschreitet die Netzwerkspannung die des Akkumulators (8), speist dieser über den Gleichrichter (10) in das Netzwerk ein.
Am Beispiel von 2 wird gezeigt, dass die in der Erfindung beschriebene Einrichtung eine effiziente Energieausnutzung in autarken Einrichtungen ermöglicht.

Claims

Einrichtung zur Versorgung von Gleichstromverbrauchern mittels Photovoltaik gekennzeichnet dadurch, dass a) sich zwischen den Photovoltaikmodulen und dem Verbrauchernetzwerk mindestens ein Spannungswandler (MPP-Regler) zum Anpassen der Belastung an die Kennlinie der Module befindet und b) die Spannung im Verbrauchernetzwerk zum Zweck der Leistungsoptimierung zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert variiert, wobei der Maximalwert mindestens dreimal so groß wie der Minimalwert ist, c) im Normalbetrieb wenigstens ein Verbraucher am Netzwerk angeschlossen ist, dessen Leistungsaufnahme stetig mit der Netzspannung ansteigt und d) der bzw. die permanent angeschlossenen Verbraucher für eine effiziente Nutzung so dimensioniert sind, dass bei Maximalspannung die maximal erzeugbare Leistung verbraucht wird.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Netzwerk weitere Verbraucher angeschlossen sind, die unabhängig von der Versorgungsspannung eine Leistung verbrauchen, solange die Spannung einem individuellen Minimalwert überschreitet, welcher größer als die Minimalspannung des Netzwerkes sein sollte.
Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrischer Speicher mit einer Nennspannung oberhalb der Minimalspannung des Netzwerkes, aus diesem geladen wird, solange die Spannung des Speichers geringer als die Netzwerkspannung ist und anderenfalls in das Netzwerk einspeist.
Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu oder anstelle von Photovoltaikmodulen andere Gleichstromerzeuger zum Speisen des Systems genutzt werden.
Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalspannung durch den bzw. die MPP-Tracker begrenzt wird, wodurch die permanent angeschlossene Last nicht zwangsläufig bei maximaler Spannung die maximal erzeugte Leistung verbrauchen muss.
Verwendung der Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche zur Brauchwassererwärmung oder Heizungsunterstützung.