DE102014215988A1

DE102014215988A1 - Klimaanlage für den Betrieb mit einer stromerzeugenden Solaranlage, solarbetriebenes Klimatisierungssystem und Verfahren zum Solarbetrieb einer Klimaanlage

Info

Publication number: DE102014215988A1
Application number: DE102014215988.1A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Lechler; Norbert Sellin
Original assignee: PROMESS GES fur MONTAGE und PRUEFSYSTEME MBH; Promess Gesellschaft fur Montage- und Pruefsysteme Mbh
Current assignee: PROMESS GES fur MONTAGE und PRUEFSYSTEME MBH; Promess Gesellschaft fur Montage- und Pruefsysteme Mbh
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2016-02-18
Also published as: WO2016023952A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage (2) für den Betrieb mit einer stromerzeugenden Solaranlage (4), die die Klimaanlage (2) mit Energie versorgt. Die Klimaanlage (2) ist mit einem Elektromotor (10) zum Antrieb einer Klimaanlagenkomponente (12), insbesondere eines Kompressors, und mit einem Regler (14) zur Steuerung des Elektromotors (10) vorgesehen. Um die hohen Kosten einer Batterie zum Zwischenspeichern der von der Photovoltaikanlage erzeugten Energie zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Regler (14) einen Zwischenkreis (16) aufweist. Der Zwischenkreis (16) dient dazu, die von der stromerzeugenden Solaranlage (4) erzeugte Energie zwischenzuspeichern. Ist ausreichend Energie im Zwischenkreis (16) vorhanden, kann die zum Anfahren des Elektromotors (10) benötigte Leistungsspitze bereitgestellt werden. Die Erfindung betrifft neben der Klimaanlage (2) auch ein solarbetriebenes Klimatisierungssystem (1) mit einer solchen Klimaanlage (2) und mit einer Photovoltaikanlage (4), die an dem Zwischenkreis (16) der Klimaanlage (2) angeschlossen ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Solarbetrieb der Klimaanlage (2) mittels eines Elektromotors (10) und eines Reglers (16) für den Elektromotor (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für den Betrieb mit einer stromerzeugenden Solaranlage, mit einem Elektromotor zum Antrieb einer Klimaanlagenkomponente und mit einem Regler zur Steuerung des Elektromotors.
Die Erfindung betrifft ferner ein solarbetriebenes Klimatisierungssystem mit einer solchen Klimaanlage und mit einer stromerzeugenden Solaranlage.
Schließlich betrifft die Erfindung noch ein Verfahren zum Solarbetrieb einer Klimaanlage mit einem Elektromotor und mit einem Regler für den Elektromotor. Solarbetriebene Klimaanlagen sind beispielsweise aus der DE 41 11 319 A1 und der DE 199 03 769 A1 bekannt. Auch die GB 2,335,031 A befasst sich mit einer solarbetriebenen Klimaanlage. Diese drei Klimaanlagen benötigen für ihren Betrieb eine zwischengeschaltete Batterie.
Diese Lösung ist jedoch aufwendig und umständlich, da die stromerzeugende Solaranlage den Batteriesatz laden muss. Dabei muss der Ladevorgang sehr genau gesteuert werden, damit die Batterie nicht durch Tiefentladung, zu hohe Ladeströme oder zu langes Laden beschädigt oder zerstört wird.
Des Weiteren muss die Gleichspannung der Batterie anschließend wieder in Wechselstrom umgerichtet werden, damit der Motor des Kompressors betrieben und angesteuert werden kann. Um die Kühl- oder Heizleistung der Klimaanlage und die tatsächlich verfügbare Leistung der stromerzeugenden Solaranlage, beispielsweise einer Photovoltaik-Anlage, auszugleichen, muss eine zusätzliche Regelung vorgesehen werden.
Würde man die stromerzeugende Solaranlage direkt mit den handelsüblichen Klimaanlagen verbinden, würde zwar mit steigender Sonneneinstrahlung auch mehr elektrische Energie für die Kühlleistung zur Verfügung stehen. Die anfangs von der Solaranlage erzeugte Energie würde aber nicht ausreichen, um die Klimaanlage ohne Batterie zu starten, denn zum Anfahren benötigt der Elektromotor kurzfristig vermehrt Energie. Bei direktem Betrieb der Klimaanlage mit dem photovoltaisch erzeugten Strom besteht bei herkömmlichen Klimaanlagen die Gefahr einer Überhitzung der Motorwicklung und damit einer Zerstörung des Antriebs der Klimaanlagenkomponente.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage und ein solarbetriebenes Klimatisierungssystem zu schaffen, die ohne großen zusätzlichen Aufwand funktionieren.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Regler einen Zwischenkreis aufweist. Beim solarbetriebenen Klimatisierungssystem ist entsprechend die stromerzeugende Solaranlage an den Zwischenkreis der Klimaanlage direkt oder indirekt angeschlossen. Die Klimaanlage kann zu diesem Zweck entsprechende Anschlüsse aufweisen.
Ermöglicht wird dies dadurch, weil erfindungsgemäß der Zwischenkreis des Reglers als Energiespeicher für die von der stromerzeugenden Solaranlage als externe Energiequelle zugeführte Energie dient. Damit wird der Zwischenkreis gegenüber der herkömmlichen Nutzung zweckentfremdet, gemäß der er dazu dient, Bremsenergie des Elektromotors zwischenzuspeichern und damit die Energieeffizienz des Antriebs zu erhöhen. Entsprechend wird bei dem eingangs genannten Verfahren die zum Anfahren des Elektromotors benötigte Solarenergie im Regler zwischengespeichert. Neben der Einsparung einer (Starter-)Batterie bietet diese Lösung den Vorteil, dass sowohl Zwischenkreis als auch Solaranlage mit Gleichstrom funktionieren, also auf Gleichrichter verzichtet werden kann.
Diese einfache Lösung kann durch die im Folgenden beschriebenen, voneinander unabhängigen und jeweils für sich vorteilhaften Weiterbildungen nochmals verbessert werden.
Der Zwischenkreis kann zur Speicherung von Energie wenigstens einen Kondensator aufweisen. Die Kapazität des Kondensators ist an den Verbrauch der Klimaanlage und die Leistung der Solaranlage angepasst. Er kann insbesondere batteriefrei sei. Regler und Zwischenkreis sind bevorzugt in die Klimaanlage integriert.
Die vom Elektromotor angetriebene Klimaanlagenkomponente ist bevorzugt ein Kompressor.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn zum Antrieb der Klimaanlagenkomponente ein Servoantrieb eingesetzt wird. Der Elektromotor ist in einem solchen Fall ein Servomotor, bei dem Regler handelt es sich um einen Servoregler. Ein Servoregler weist üblicherweise einen Leistungsverstärker auf, der mit dem Zwischenkreis versehen ist.
Die Erfindung macht sich die Überlegung zunutze, dass es bei der Verwendung von Servoantrieben in einer mittels solarbetriebenen Klimaanlage nicht auf eine exakte Kontrolle einer Winkelposition, Drehgeschwindigkeit oder Beschleunigung, wie üblicherweise bei Servoantrieben, ankommt. Der Servoantrieb wird vielmehr allein deswegen genutzt, weil sein Zwischenkreis bereits die Möglichkeit zum Zwischenspeichern von Energie aus der stromerzeugenden Solaranlage erlaubt. Die im Zwischenkreis gespeicherte Energie wird zum Anfahren des Motors genutzt. Bei den Servoantrieben handelt es sich um weit verbreitete, standardisierte Bauelemente handelt, die ohne konstruktive Änderungen, jedoch mit anderer Funktion des Zwischenkreises, in der erfindungsgemäßen Klimaanlage verwendet werden.
Wird kein Servoantrieb verwendet, so kann als Elektromotor auch ein beliebiger Drehstrommotor eingesetzt werden, wenn dessen Regler einen Umrichter zur indirekten Ansteuerung des Drehmotors aufweist. Auch hier dient der Zwischenkreis als Energiespeicher zum Anfahren des Motors.
Selbstverständlich kann die Klimaanlage und/oder das solarbetriebene Klimatisierungssystem auch eine Batterie aufweisen. Im Unterschied zum Stand der Technik ist aufgrund des Zwischenkreises die Batterie jedoch nicht für das Anfahren und Antreiben des Elektromotors notwendig.
Falls von der stromerzeugenden Solaranlage mehr Energie erzeugt wird, als die Klimaanlage benötigt, kann diese überschüssige Energie von der Klimaanlage in Form von Strom nach außen abgegeben werden. Die überschüssige Energie kann in einem Energiespeicher, beispielsweise einer Batterie, zwischengespeichert oder in ein Stromnetz eingespeist werden. Hierzu kann die Klimaanlage mit einem Stromausgang versehen sein, an dem im Betrieb Energie aus dem Zwischenkreis von außen abgreifbar ist.
Die Leistungsanpassung zwischen der Solarenergie aus der Solaranlage und dem Verbrauch des Elektromotors erfolgt bevorzugt über eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl des Elektromotors. Hierbei kann insbesondere die Drehzahl des Elektromotors mit zunehmender Solarenergie steigen. Mit Hilfe eines Servoantriebs lässt sich diese Art der Leistungsanpassung einfach implementieren, denn die Leistungsanpassung wird durch die Intensität der Sonneneinstrahlung unterstützt: Je höher die Sonneneinstrahlung ist, umso höher ist die von der Solaranlage erzeugte Energie bzw. Spannung. Damit ist dann auch eine höhere Drehzahl der Klimaanlagenkomponente und somit eine höhere Kühlleistung möglich.
Die Drehzahl des Elektromotors kann auf einfache Weise in Abhängigkeit von der Spannung im Zwischenkreis gesteuert werden. Diese Spannung ist bevorzugt proportional zu der von der stromerzeugenden Solaranlage erzeugten Energie.
Der Elektromotor wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erst dann angefahren, wenn eine Grenzspannung im Zwischenkreis überschritten ist. Mit Beginn der Energieerzeugung durch die Solaranlage wird bei dieser Ausgestaltung folglich zunächst der Zwischenstromkreis geladen. Erst wenn die Spannung im Zwischenstromkreis eine ausreichende Höhe erreicht hat, wird die Ausgangsstufe des Reglers freigegeben und der Elektromotor angefahren. Da unmittelbar nach dem Anlaufen des Elektromotors der Energiebedarf absinkt, reicht die Energie im Zwischenstromkreis für den Anlauf aus.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
Es zeigt:
1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen solarbetriebenen Klimatisierungssystems.
Anhand dieser Figur wird nunmehr der Aufbau eines solarbetriebenen Klimatisierungssystems 1 beispielhaft beschrieben. Die Merkmalskombination des nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels soll lediglich eine mögliche Ausgestaltung beschreiben, bei der die vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung möglichst vollständig enthalten sind. Auf einzelne Weiterbildungen kann selbstverständlich verzichtet werden, wenn es auf das mit dieser Weiterbildung verbundene Merkmal nicht ankommt.
Das solarbetriebene Klimatisierungssystem 1 weist eine Klimaanlage 2 und eine stromerzeugende Solaranlage 4, hier eine Photovoltaikanlage, auf. Die Photovoltaikanlage 4 versorgt die Klimaanlage 2 über eine Versorgungsleitung 6 mit elektrischer Energie bevorzugt in der Form einer Gleichspannung. Zusätzlich kann die Klimaanlage 2 auch über eine Netzleitung über ein nicht dargestelltes Stromnetz mit Energie versorgt werden.
Die Klimaanlage 2 weist einen Elektromotor 10 auf, mit dem eine Klimaanlagenkomponente 12, insbesondere ein Kompressor, angetrieben wird. Ein Regler 14 steuert den Elektromotor 10 über eine Steuerleitung 15.
Der Regler 14 weist einen Zwischenkreis 16 auf, der mit wenigstens einem Kondensator 18 versehen ist. Der Zwischenkreis 16 kann Teil eines Leistungsverstärkers 20 sein, der zusätzlich einen Umrichter 22 umfasst. Der Regler 14 kann neben der Leistungselektronik (nicht dargestellt) eine Steuerelektronik zur Regelung, Sollwertgenerierung und Überwachung aufweisen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist zum Antrieb der Klimaanlagenkomponente 12 ein Servorantrieb in die Klimaanlage 2 integriert. Der Elektromotor 10 ist in diesem Fall ein Servomotor 24, der Regler 14 stellt einen Servoregler 26 dar. Im Servoregler 26 dient der Zwischenkreis 16 zum Zwischenspeichern von Energie beispielsweise aus Bremsbewegungen des Servomotors 24. Diese Funktion des Zwischenkreises 16 wird jedoch in der Klimaanlage 2 nicht oder nur selten benötigt. Stattdessen wird der Zwischenkreis 16 dazu benutzt, die von der Photovoltaikanlage 4 über die Versorgungsleitung 6 der Klimaanlage 2 zur Verfügung gestellte Energie zwischenzuspeichern. Die Photovoltaikanlage 4 ist hierzu direkt oder indirekt mit dem Zwischenkreis 16 verbunden bzw. an diesen gekoppelt.
Wird in der Klimaanlage 2 kein Servoantrieb verwendet, ist der Elektromotor 10 bevorzugt als Drehstrommotor 28 ausgestaltet, der über den Umrichter 22 angesteuert wird. Auch bei dieser Ausgestaltung dient der Zwischenkreis 16 zum Speichern der von der Photovoltaikanlage 4 erzeugten Energie.
Die Klimaanlage 2 kann mit einem Stromausgang 30 versehen sein, der über eine Ausgangsleitung Energie aus dem Zwischenkreis 16 zum Abgriff von außerhalb der Klimaanlage 2 zur Verfügung stellt. Auf diese Weise kann überschüssige Energie aus der Photovoltaikanlage 4, die zum Betrieb der Klimaanlage 2 nicht benötigt wird, zum Antrieb von weiteren Geräten oder zum Aufladen eines weiteren Zwischenspeichers, wie einer Batterie, verwendet oder in ein Stromnetz eingespeist werden.
Die Funktion des solarbetriebenen Klimatisierungssystems der 1 ist wie folgt:
Gerade wenn die Sonne scheint, besteht ein erhöhter Bedarf an der von der Klimaanlage 2 zur Verfügung gestellte Kälteleistung. Diesen bei Sonneneinstrahlung erhöhten Energiebedarf stellt die Photovoltaikanlage 4 bereit, die mit zunehmender Sonneneinstrahlung eine erhöhte Energiemenge über die Versorgungsleitung 6 abgibt.
Zum Anlaufen benötigt der Elektromotor 10 jedoch kurzzeitig vermehrt Energie. Diese Energie wird dadurch bereitgestellt, dass die Photovoltaikanlage 4 zunächst den Zwischenkreis 16 auflädt. Ist im Zwischenkreis 16 eine Grenzspannung überschritten, schaltet der Regler 14 die Energieversorgung des Elektromotors 10 ein. Nach dem Anlaufen des Elektromotors kann der Regler 14 die zugeführte Leistung wieder reduzieren. Überschüssige Energie kann im Zwischenkreis 16 gespeichert und/oder über den Stromausgang 30, der über eine Ausgangsleitung 32 mit dem Regler 14 bzw. dem Zwischenkeires 16 verbunden ist, nach außen abgegeben werden.
Die Kühlleistung der Klimaanlage 2 wird über eine Drehzahlregelung des Elektromotors 10 eingestellt. Der Regler 14 regelt dabei die Drehzahl des Elektromotors 10 in Abhängigkeit von der Spannung bzw. Energie im Zwischenkreis 16. Je höher die Spannung im Zwischenkreis 16 ist, desto größer ist die Drehzahl des Elektromotors 10. Auf diese Weise kann der Regler 14 die Leistung der Klimaanlage 2 an die Leistung der Photovoltaikanlage anpassen.
Bezugszeichenliste

1: solarbetriebenes Klimatisierungssystems
2: Klimaanlage
4: Photovoltaikanlage
6: Versorgungsleitung
8: Netzleitung
10: Elektromotor
12: Klimaanlagenkomponente
14: Regler
15: Steuerleitung
16: Zwischenkreis
18: Kondensator
20: Leistungsverstärker
22: Umrichter
24: Servomotor
26: Servoregler
28: Drehstrommotor
30: Stromausgang
32: Ausgangsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4111319 A1 [0003]
DE 19903769 A1 [0003]
GB 2335031 A [0003]

Claims

Klimaanlage (2) für den Betrieb mit einer stromerzeugenden Solaranlage (4), mit einem Elektromotor (10) zum Antrieb einer Klimaanlagenkomponente (12) und mit einem Regler (14) zur Steuerung des Elektromotors (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (14) einen Zwischenkreis (16) aufweist.
Klimaanlage (2) nach Anspruch 1, wobei der Regler (14) an die stromerzeugende Solaranlage (4) als Energiequelle für den Elektromotor (10) anschließbar ausgestaltet ist.
Klimaanlage (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zwischenkreis (16) wenigstens einen Kondensator (18) aufweist.
Klimaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (10) ein Drehstrommotor (28) ist und der Regler (14) einen Umrichter (22) zur wenigstens indirekten Ansteuerung des Drehstrommotors (28) aufweist.
Klimaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Elektromotor (10) ein Servomotor (24) und der Regler (14) ein Servoregler (26) ist.
Klimaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Klimaanlagenkomponente (12) ein Kompressor ist.
Klimaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem Stromausgang (30), an dem im Betrieb Energie aus dem Zwischenkreis (16) von außerhalb der Klimaanlage (2) abgreifbar ist.
Solarbetriebenes Klimatisierungssystem (1) mit einer Klimaanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und mit einer stromerzeugenden Solaranlage (4), dadurch gekennzeichnet, dass die stromerzeugende Solaranlage (4) an den Zwischenkreis (16) der Klimaanlage (2) angeschlossen ist.
Solarbetriebenes Klimatisierungssystem (1) nach Anspruch 8, wobei im Betrieb Energie aus der stromerzeugenden Solaranlage (4) im Zwischenkreis gespeichert ist.
Verwendung eines Zwischenkreises (16) eines Reglers (14) für einen Elektromotor (10) einer Klimaanlage (2) als Energiespeicher für von einer stromerzeugenden Solaranlage (4) der Klimaanlage (2) zugeführte Energie.
Verfahren zum Solarbetrieb einer Klimaanlage (2) mit einem Elektromotor (10) und mit einem Regler (14) für den Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (14) von einer stromerzeugenden Solaranlage (4) erzeugte Solarenergie zum Antrieb des Elektromotors (10) zwischenspeichert.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsanpassung zwischen einer stromerzeugenden Solaranlage (4) und dem Elektromotor (10) über eine Steuerung und/oder Regelung der Drehzahl erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Elektromotors (10) mit zunehmender Solarenergie aus einer an die Klimaanlage (2) der angeschlossenen stromerzeugenden Solaranlage (4) steigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Elektromotors (10) in Abhängigkeit von der Spannung im Zwischenkreis (16) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung im Zwischenstromkreis (16) abhängig von der der Klimaanlage (2) zugeführten Solarenergie ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Elektromotor (10) angefahren wird, wenn eine Grenzspannung im Zwischenkreis (16) überschritten ist.