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Die Erfindung betrifft eine Anpassungsschaltung zur Regelung einer Leistungsabgabe an eine resistive Last. Die Erfindung betrifft ferner eine Schaltungsvorrichtung, insbesondere eine Schaltungsvorrichtung mittels derer eine Versorgung eines Warmwassererzeugers aus einer regenerativen Energiequelle, insbesondere aus einer Solarzelle oder aus einem Windrad, erfolgen kann.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Warmwassererzeuger bekannt. Diese dienen dazu, Trink- oder Brauchwasser auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen und über einen integrierten Vorratsbehälter eine gewisse Menge Warmwasser bereitzuhalten. Warmwassererzeuger können im Rahmen einer Gebäudeinstallation sowohl zentral für das gesamte Gebäude als auch lokal für einzelne Entnahmestellen installiert werden. Typischerweise werden Warmwassererzeuger elektrisch betrieben, wobei ein aus dem Stromnetz gespeister Heizwiderstand zum Erwärmen des Warmwassers herangezogen wird.
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Neben dem Betrieb am Stromnetz werden im Stand der Technik bereits andere Aufbauten vorgeschlagen, bei denen ein Betrieb des Warmwassererzeugers mittels regenerativer Energiequellen erfolgen kann.
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So ist aus der
FR 2 490 791 ein Warmwassererzeuger bekannt, der über eine Photovoltaik-Anlage oder einen Netzanschluss mit elektrischer Energie gespeist werden kann, wobei die jeweilige Energiequelle ausgewählt oder automatisch umgeschaltet werden kann.
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In der
US 5,347,985 wird ein Warmwassererzeuger mit einer Steuerung zur Einhaltung einer konstanten Wassertemperatur angegeben, bei dem eine Photovoltaik-Energiequelle und eine Gleichstromquelle parallel zueinander geschaltet sind und in Abhängigkeit der verfügbaren Spannung der Photovoltaik-Quelle die konventionelle Gleichstromquelle geschaltet wird.
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Aus der
DE10 2012 105 609 B3 ist ein Warmwasserbereiter und ein Verfahren zum Betreiben des Warmwasserbereiters bekannt, die eine elektrische Heizeinrichtung aufweisen, die von einer ersten elektrischen Energiequelle und einer zweiten elektrischen Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Zur energieeffizienten Versorgung mit geringem Aufwand wird die Heizeinrichtung von der ersten Energiequelle mit Gleichspannung und von der zweiten Energiequelle mit Wechselspannung versorgt.
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In der
DE 20 2011 051 377 U1 wird eine Anordnung zum Betreiben eines elektrischen Verbrauchers mit der elektrischen Leistung einer regenerativen Energiequelle beschrieben, die eine Schalt-Einrichtung aufweist, welche eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen eines Ist-Leistungswerts der von der regenerativen Energiequelle gelieferten Leistung mit einem Soll-Leistungswert für den Verbraucher, einen Umschalter sowie eine Steuereinrichtung zum Verbinden eines Eingangs des Umschalters mit einem Ausgang des Umschalters, wenn der Ist-Leistungs-Wert den Soll-Leistungs-Wert überschreitet, umfasst.
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Die
EP 2 187 048 A1 betrifft Energieanlagen, die erneuerbare Energiequellen nutzen, und bezieht sich insbesondere auf Anlagen, die Wind- und Sonnenenergie nutzen, und kann zur unabhängigen Energieversorgung sowohl in kaltem als auch in heißem Klima verwendet werden. Das unabhängige Energieversorgungssystem enthält eine Windgeneratoranlage zur Erzeugung von elektrischer Energie und einen Sonnenkollektor. Der Sonnenkollektor ist mit einem Wärmespeicher verbunden. Das Energieversorgungssystem umfasst auch einen elektrischen Energiespeicher, einen Wechselrichter und ein automatisches Steuerungssystem für das Energieversorgungssystem, das über die Wärme- und elektrischen Lastsensoren mit Betätigungsmechanismen verbunden ist.
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In der
GB 2 488 800 A ist ein Flüssigkeitsheizsystem beschrieben, das einen Flüssigkeitsspeichertank mit einem ihm zugeordneten Tauchheizkörper und mindestens eine erneuerbare Energiequelle umfasst, die über einen Schalter elektrisch mit dem Heizgerät verbindbar ist, wobei der Schalter zusätzlich mit einem Sensor verbunden ist und wobei die mindestens eine erneuerbare Energiequelle im Gebrauch eine Quelle erneuerbarer elektrischer Energie bereitstellt und der Schalter die erneuerbare Energie auf der Grundlage einer vom Sensor gelieferten Messung selektiv an das Heizgerät leitet. Die erneuerbare Energiequelle und der Sensor können ein photovoltaisches Paneel bzw. ein Lichtsensor sein, wobei der Schalter die erneuerbare Energie zum Heizgerät leitet, wenn das von dem Sensor erfasste Licht einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet.
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Die
AT 509 824 A1 betrifft ein Verfahren zur Leistungsanpassung einer nichtlinearen elektrischen Stromquelle an einen Nutzwiderstand mit einem Kondensator und einem Regler, wobei der Regler den Arbeitspunkt berechnet, an dem die Stromquelle die maximale Leistung abgeben kann, indem der Regler die Spannung an der Stromquelle variiert, den Innenwiderstand der Stromquelle berechnet, den Innenwiderstand mit dem Nutzwiderstand vergleicht und bei Nichtübereinstimmung den Spannungswert an der Stromquelle nachjustiert, bis Übereinstimmung herrscht. Zudem steuert der Regler die Auf- oder Entladung des Kondensators derart, dass die Stromquelle in diesem Arbeitspunkt betrieben wird.
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Die
JP 2015-36958 A zeigt eine Vorrichtung zur Steuerung der photovoltaischen Energieerzeugung, die mit einer photovoltaischen Energieerzeugungsvorrichtung und einem Gleichstromversorgungssystem verbunden ist, um eine Gleichstromleistung zu verbrauchen oder zu speichern. Die Vorrichtung steuert derart, dass die photovoltaisch erzeugte Energie ihr Maximum erreichen kann.
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Die
DE 103 12 921 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Nutzung einer von mindestens einem Solargenerator erzeugten Gleichspannung, wobei die Schaltungsanordnung einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator, und eine dem Energiespeicher nachgeschaltete Wechselrichterschaltung oder einen Verbraucher umfasst. Dem Energiespeicher ist ein Schaltelement vorgeschaltet, wobei die Schaltungsanordnung derart ausgebildet ist, dass bei Überschreiten einer definierten ersten Generatorspannung des Solargenerators das Schaltelement geöffnet und bei Unterschreiten der ersten Generatorspannung oder einer zweiten, im Verhältnis zur ersten Generatorspannung geringeren, Generatorspannung das Schaltelement eingeschaltet wird, sodass der für die Wechselrichterschaltung oder den Verbraucher mögliche Eingangsspannungsbereich erhöht wird.
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DE 37 25 476 A1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Speisung einer elektrischen Last aus einer elektrischen Energiequelle mit schwankender Leistungsfähigkeit mit einer Einrichtung zur Anpassung der Leistungsaufnahme an die Ergiebigkeit der Energiequellen und mit einer Vorrichtung zur Hilfsspannungserzeugung. Um einen sicheren Anfangsbetrieb zu gewährleisten, ist an die Energiequelle eine durch die Spannung der Energiequelle steuerbare Umschaltvorrichtung zum wahlweisen Verbinden einer Vorlast oder des Hilfsspannungseingangs der Speisevorrichtung mit der Energiequelle angeschlossen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik haben sich die Erfinderin bzw. der Erfinder nun die Aufgabe gestellt, eine Schaltungsvorrichtung zur Versorgung eines Warmwassererzeugers aus einer regenerativen Energiequelle zu schaffen, bei der ein Zusammenarbeiten mit regenerativen Energiequellen erfolgen kann, ohne dabei den Installationsaufwand auch bereits bestehender Warmwassererzeuger zu erhöhen. Ferner soll eine Anpassungsschaltung zur Regelung einer Leistungsabgabe an eine resistive Last, die in solch einer Schaltungsvorrichtung eingesetzt werden kann, angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anpassungsschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Schaltungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Die erfindungsgemäße Anpassungsschaltung ist vorgesehen zur Regelung einer Leistungsabgabe an eine resistive Last, die parallel zu einem Kondensator mit Ausgangsanschlüssen einer Energiequelle verbunden ist und deren Ausgangsstromkreis durch die resistive Last geführt ist, wobei die Anpassungsschaltung über eine Steuerschaltung, die lediglich die Spannung am Kondensator als Eingangsgröße benötigt, so angesteuert ist, dass ein Stromfluss durch einen Schalter zur resistiven Last einer vorgegebenen Leistungsabgabe an die resistive Last entspricht.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung zur Versorgung eines Warmwassererzeugers aus einer regenerativen Energiequelle, insbesondere aus einer Solarzelle oder aus einem Windrad umfasst solch eine Anpassungsschaltung, wobei bei der Schaltungsvorrichtung Ausgangsanschlüsse der Energiequelle, parallel zu denen ein Kondensator vorgesehen ist, mit der Anpassungsschaltung verbunden sind, deren Ausgangsstromkreis durch einen Heizwiderstand des Warmwassererzeugers geführt ist, wobei die Anpassungsschaltung über die Steuerschaltung so angesteuert ist, dass der Stromfluss durch den Heizwiderstand einer vorgegebenen Leistungsabgabe an den Heizwiderstand entspricht und dass alternativ oder zusätzlich ein Betrieb des Warmwassererzeugers über eine Netzversorgung durchführbar ist, wobei eine Netzspannung über einen AC-DC-Wandler und einen weiteren Schalter, der von der Steuerschaltung betätigt werden kann, an den Warmwassererzeuger zugeschaltet oder zuschaltbar ist.
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Demnach wird eine Schaltungsvorrichtung geschaffen, bei der über eine Anpassungsschaltung einem Heizwiderstand von einer regenerativen Energiequelle Energie zugeführt werden kann, wobei alternativ oder zusätzlich ein Betrieb mittels einer Netzversorgung möglich ist. Die Anpassungsschaltung ist dabei so ausgeführt, dass ein Betrieb des Heizwiderstands über beide Energiequellen möglich ist. Dazu kann in einer ersten Variante der Heizwiderstand auf den Betrieb mit der Netzversorgung ausgelegt sein. In einer zweiten Variante ist der Heizwiderstand auf den Betrieb mit der regenerativen Energiequelle ausgelegt. Die Schaltungsvorrichtung kann dabei als Zusatzgerät zu bereits existierenden Warmwassererzeugern eingesetzt werden, um diese entsprechend auf den zusätzlichen Betrieb mit regenerativen Energiequellen umzurüsten. Es ist jedoch auch möglich, die Schaltungsvorrichtung in einen Warmwassererzeuger zu integrieren.
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In einer ersten Variante der Schaltungsvorrichtung ist die Anpassungsschaltung ein DC-DC-Wandler, der vorzugsweise als Hochsetzsteller ausgebildet ist, der die Ausgangsspannung der Energiequelle in eine erste Gleichspannung umsetzt, um den für eine Netzspannung ausgelegten Heizwiderstand wahlweise mit der ersten Gleichspannung zu betreiben. Dabei kann bei dieser Schaltungsvorrichtung die Netzspannung oder die erste Gleichspannung wahlweise über einen Umschalter an den Warmwassererzeuger geführt sein.
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In dieser Variante kann der Heizwiderstand des Warmwassererzeugers ohne weitere Anpassung direkt mit der Netzversorgung betrieben werden. Dies stellt auch die Ausgangssituation für den Fall dar, dass ein Warmwassererzeuger lediglich für den Betrieb mit der Netzversorgung ausgelegt ist und entsprechend nachgerüstet werden soll. Es ist daher nicht erforderlich, den Heizwiderstand auszutauschen. Um nun den Heizwiderstand mit der regenerativen Energiequelle betreiben zu können, ist es notwendig, deren Ausgang bezüglich ihrer Spannung so weit anzuheben, dass ein Betrieb des für Netzspannung ausgelegten Heizwiderstands möglich wird. Dazu wird die Anpassungsschaltung in Form eines DC-DC-Wandlers ausgeführt, der demnach als Hochsetzsteller ausgebildet ist. Typischerweise kann die Spannung am Ausgang des DC-DC-Wandlers in etwa 50 V betragen. Gemäß dieser Variante erhält man eine einfache Anbindung an die Netzversorgung, wobei gleichzeitig eine komplexere Anbindung an die regenerative Energiequelle erforderlich ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die eine zweite Variante der Schaltungsvorrichtung betrifft, ist die Anpassungsschaltung ein Kondensatorstellglied, das einen parallel zu den Ausgangsanschlüssen angeordneten Kondensator und einen von der Steuerschaltung getakteten Schalter im Ausgangsstromkreis umfasst, um eine zweite Gleichspannung zu erzeugen, an die der Heizwiderstand angepasst ist.
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In dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Heizwiderstand an die Ausgangsspannung der Anpassungsschaltung angepasst, sodass diese im Vergleich zur obigen Variante einfacher ausgeführt sein kann. Die Anpassungsschaltung ist in Form eines Stellglied ausgebildet, welches einen Kondensator und einen von der Steuerschaltung getakteten Schalter umfasst, sodass über die Ansteuerung des getakteten Schalters die gewünschte Leistung von der regenerativen Energiequelle an den Heizwiderstand übertragen werden kann. Auch diese Schaltungsvorrichtung eignet sich zur Nachrüstung bestehender Warmwassererzeuger, wobei hier jedoch zusätzlich ein Austausch des Heizwiderstands erforderlich sein kann, sofern dieser bezüglich seiner Spezifikationen für einen Betrieb an der regenerativen Energiequelle nicht geeignet ist.
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Gemäß der Erfindung ist dabei die Netzspannung über einen AC-DC-Wandler und einen weiteren Schalter an den Warmwassererzeuger zugeschaltet oder zuschaltbar.
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Da der Heizwiderstand an den Betrieb mit der Anpassungsschaltung angepasst ist, kann dieser bei den üblichen Netzspannungen von ca. 220-250 V ohne weitere Maßnahmen nicht direkt mit der Netzversorgung verbunden werden. Zur Herabsetzung des Spannungswertes wird daher ein AC-DC-Wandler eingesetzt, der über einen weiteren Schalter zugeschaltet werden kann. Der AC-DC-Wandler stellt dabei an seinem Ausgang einen Spannungswert bereit, der in etwa demjenigen der Anpassungsschaltung entspricht. Somit ist es möglich, den Warmwassererzeuger mit beiden Energiequellen zu verbinden und wahlweise zu betreiben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerschaltung ausgeführt, der vorzugsweise als Solarzelle ausgeführten Energiequelle eine maximale Energie zu entnehmen.
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Üblicherweise werden Solarzellen am Punkt maximaler Leistung betrieben, was gemäß der Erfindung auch über die Schaltungsvorrichtung bzw. den Betrieb der Steuerschaltung erreicht werden kann. Somit sind zum Betrieb am Punkt maximaler Leistung keine weiteren Komponenten mehr nötig, was insgesamt den Aufbau eines mittels regenerativer Energiequellen betreibbaren Warmwassererzeugers weiter vereinfacht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Entnahme der maximalen Energie in Abhängigkeit einer Spannung am Kondensator und einer Periodendauer eines Aktivierens des Schalters gesteuert.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung stellt auf einfache Weise eine Regelung der Leistungsabgabe sicher, die einen Betrieb bei maximaler Energieabgabe ermöglicht. Dazu ist lediglich die Bestimmung einer Spannung am Kondensator notwendig, welche mit der von der Steuerschaltung generierten Periodendauer kombiniert wird. Eine gleichzeitige Messung von Strom und Spannung, wie dies üblicherweise zur Leistungsbestimmung erfolgt, ist daher nicht notwendig.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein Heizvorgang in Abhängigkeit einer Wassertemperatur im Warmwassererzeuger.
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Demnach kann sichergestellt werden, dass genügend erwärmtes Wasser im Warmwassererzeuger vorgehalten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Steuerschaltung bei Erreichen einer Minimaltemperatur im Warmwassererzeuger einen Heizvorgang aktivieren oder bei Erreichen einer Maximaltemperatur im Warmwassererzeuger einen Heizvorgang deaktivieren.
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Die Steuerschaltung kann über eine geeignete Sensorschaltung zur Temperaturmessung im Warmwassererzeuger weitere Funktionen ausüben, die sowohl das Vorhandensein von Warmwasser als auch das Bereitstellen einer Verbrüh-Sicherung umfassen können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt bei Erreichen der Minimaltemperatur ein Zuschalten der Netzspannung, um die Minimaltemperatur im Warmwassererzeuger unabhängig von der regenerativen Energiequelle aufrechtzuerhalten.
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Unabhängig vom Vorhandensein von Energie der regenerativen Energiequelle, welche beispielsweise bei fehlender Sonneneinstrahlung oder Windstille ausbleibt, kann daher sichergestellt werden, dass für eine Benutzerin oder einen Benutzer dennoch erwärmtes Wasser im Warmwassererzeuger vorgehalten wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in vorgegebenen Abständen ein Heizvorgang aktivierbar, um die Temperatur im Warmwassererzeuger kurzzeitig so weit zu erhöhen, dass ein Abtöten von Keimen im Wasser erfolgt.
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Durch kurzzeitiges Steigern der Temperatur im Warmwassererzeuger können Keime oder Bakterien abgetötet werden, was beispielsweise einer Ansiedlung von schädlichen Legionellen entgegenwirken kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die regenerative Energiequelle so ausgelegt, dass sie vorrangig vor der Netzversorgung Energie an den Warmwassererzeuger liefert.
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Aus Gründen der Energieeffizienz ist es vorteilhaft, die regenerative Energiequelle bevorzugt zu nutzen, um die Betriebszeit mit der Netzversorgung möglichst gering halten zu können. Je nach zur Verfügung gestelltem Strommix auf Seiten der Netzversorger kann daher neben einer Kostenersparnis eine weitere Reduktion von abgegebenem CO2 beim Betrieb des Warmwassererzeugers erreicht werden.
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In einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe auch durch eine Anpassungsschaltung zur Regelung einer Leistungsabgabe an eine resistive Last gelöst, die parallel zu einem Kondensator mit Ausgangsanschlüssen einer Energiequelle verbunden ist und deren Ausgangsstromkreis durch die resistive Last geführt ist, wobei die Anpassungsschaltung über eine Steuerschaltung so angesteuert ist, dass ein Stromfluss durch einen Schalter zur resistiven Last einer vorgegebenen Leistungsabgabe an die resistive Last entspricht.
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Die resistive Last kann dabei ein Heizwiderstand eines Warmwassererzeugers sein. Neben einer Verwendung in Zusammenhang mit einem Heizwiderstand ist auch eine Verwendung allgemein für resistive Lasten und ohne direkten Bezug zu einem Warmwassererzeuger denkbar.
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Gemäß einer Ausführungsform der Anpassungsschaltung kann die Steuerschaltung ein Aktivieren des Schalters mittels einer Pulsbreitenmodulation durchführen.
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Typischerweise wird das Aktivieren des Schalters bei der Anpassungsschaltung mittels Pulsbreitenmodulation durchgeführt. Die Steuerschaltung kann dabei die Pulsbreitenmodulation so regeln, dass der Energiequelle die maximale Energie oder wahlweise Energie bis zur maximalen Energie entnommen wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Anpassungsschaltung kann mittels der Steuerschaltung eine Zweipunktregelung erfolgen, bei der in Abhängigkeit einer Spannung am Kondensator ein Aktivieren des Schalters erfolgt.
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Die Leistungsabgabe ergibt sich dann aus dem Quadrat dieser Spannung und dem Verhältnis aus Einschaltzeit des Schalters zur gesamten Periodendauer des Schaltsignals. Der so ermittelte Wert steht mit der Leistung in einem proportionalen Verhältnis und weist beim selben Tastverhältnis der Pulsbreitenmodulation ein Maximum auf wie die Leistungsabgabe der Quelle.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Schaltungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- 3 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anpassungsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird nachfolgend eine erste Ausführungsform einer Schaltungsvorrichtung 2 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Die Schaltungsvorrichtung 2 weist eine regenerative Energiequelle 4 auf, deren Ausgangsanschlüsse 6 und 8 mit einer Anpassungsschaltung 10 verbunden sind. Bei der regenerativen Energiequelle 4 kann es sich beispielsweise um eine Solarzelle bzw. eine Mehrfachanordnung von Solarzellen oder auch um ein Windrad handeln. Der über die weiteren Ausgangsanschlüsse 12 und 14 gebildete Ausgangsstromkreis der Anpassungsschaltung 10 wird einem Umschalter 16 zugeführt, welcher von einer Steuerschaltung 18 betätigt wird. Somit ist es möglich, die von der Anpassungsschaltung 10 abgegebene Leistung einem Warmwassererzeuger 20 zuzuführen, sodass ein im Inneren angeordneter Heizwiderstand 22 im Vorratsbehälter 24 gespeicherte Flüssigkeit entsprechend erwärmen kann. Des Weiteren ist eine Netzversorgung 26 über Netzversorgungsanschlüsse 28 und 30 dem Umschalter 16 zugeführt, sodass alternativ oder zusätzlich ein Betrieb des Warmwassererzeugers 20 über die Netzversorgung 26 durchgeführt werden kann.
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Die Anpassungsschaltung 10 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 als DC-DC-Wandler ausgeführt, sodass die Ausgangsspannung der regenerativen Energiequelle 4 über die Schaltungsvorrichtung 2 in eine erste Gleichspannung umgesetzt wird, die so gewählt ist, dass der für die Netzspannung der Netzversorgung 26 ausgelegte Heizwiderstand 22 mit der ersten Gleichspannung betrieben werden kann. Folglich kann der Heizwiderstand 22 wahlweise über die Netzversorgung 26 oder die erste Gleichspannung am Ausgang der Anpassungsschaltung 10 mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Auswahl der Spannungsquelle erfolgt dabei mittels der Steuerschaltung 18. Dazu kann die Steuerschaltung 18 mit einer Vielzahl von weiteren Eingangssignalen verbunden sein, die beispielsweise die Temperatur der Flüssigkeit im Vorratsbehälter 24, die Ausgangsspannung der regenerativen Energiequelle 4 oder andere geeignete Parameter bestimmen, die der Steuerschaltung 18 zugeführt werden, um den Umschalter 16 entsprechend zu betätigen. Die Steuerschaltung 18 kann dabei der regenerativen Energiequelle 4 Vorrang vor der Netzversorgung 26 einräumen, die Mindesttemperatur im Vorratsbehälter 24 überwachen oder für eine Temperaturbegrenzung bis zu einer Maximaltemperatur im Vorratsbehälter 24 sorgen. Weitere Beispiele werden unten noch näher ausgeführt.
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Die in Zusammenhang mit 1 beschriebene Ausführungsform erfordert keinerlei Anpassung am Warmwassererzeuger 20, da die Anpassungsschaltung 10 über die Anpassung an die erste Gleichspannung ein Betrieb des Heizwiderstand 22 ermöglicht, der an sich für den Betrieb mit Netzspannung ausgelegt ist. Folglich ist der Betrieb über die Netzversorgung 26 ohne weitere Anpassungen möglich.
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In Zusammenhang mit 2 wird nun eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung 2 beschrieben. Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1 ist hier der Heizwiderstand 22 für einen Betrieb mit der regenerativen Energiequelle 4 ausgelegt, sodass der Heizwiderstand 22 mit einer zweiten Gleichspannung versorgt werden kann, die im Unterschied zur ersten Gleichspannung am Ausgang des DC-DC-Wandlers niedriger gewählt sein kann. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass nun die Anpassungsschaltung 10 einfacher gewählt werden kann, um an ihrem Ausgang die zweite Gleichspannung bereitstellen zu können.
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Wie in 2 dargestellt ist, wird die Anpassungsschaltung 10 als Stellglied ausgeführt, welches parallel zu den Ausgangsanschlüssen 6 und 8 einen Kondensator 32 aufweist. Der Ausgangsstromkreis weist nun einen typischerweise mit der Steuerschaltung 18 getakteten Schalter 34 auf, sodass über das Tastverhältnis am Schalter 34 eine vorgegebene Leistungsabgabe an den Heizwiderstand 22 erfolgt, der an die zweite Gleichspannung angepasst ist.
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Um nun alternativ oder zusätzlich den Betrieb mit der Netzversorgung 26 zu ermöglichen, ist ein weiterer Schalter 36 vorgesehen, der über eine Diode 38 die von einem AC-DC-Wandler 40 an den Ausgängen 42 und 44 zugeführte Spannung von der Anpassungsschaltung 10 trennt. Der AC-DC-Wandler 40 wandelt die Wechselspannung der Netzversorgung 26 so in die gleichgerichtete Spannung um, dass ebenfalls ein Betrieb des Heizwiderstands 22 möglich ist. Die Ausgangsspannung des AC-DC-Wandlers 40 wird daher in etwa gleich zur zweiten Gleichspannung gewählt sein. Der weitere Schalter 36 kann ebenfalls von der Steuerschaltung 18 betätigt werden.
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Die erste Variante der Schaltungsvorrichtung 2 gemäß 1 unterscheidet sich daher von der zweiten Variante der Schaltungsvorrichtung gemäß 2 dadurch, dass im ersten Fall die Anbindung der Netzversorgung einfacher ist, während die regenerative Energiequelle über einen komplexeren DC-DC-Wandler als Anpassungsschaltung 10 angebunden wird. Im zweiten Fall ist dagegen die Anbindung der regenerativen Energiequelle 4 über eine weniger komplexe Anpassungsschaltung 10 möglich, die lediglich aus einem Kondensator und einem Schalter bestehen kann. Jedoch wird hier die Zuführung von Energie über die Netzversorgung komplexer und benötigt einen eigenen AC-DC- Wandler.
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Unabhängig von der Ausgestaltung der Schaltungsvorrichtung 2 ist es jedoch in beiden Varianten möglich, eine Versorgung des Warmwassererzeugers 20 mittels einer regenerativen Energiequelle 4 durchzuführen, wobei die Schaltungsvorrichtung 2 entweder als Zusatzgerät oder auch als Vorschaltgerät bereitgestellt werden kann. Neben der Integration in neuartigen Warmwassererzeugern 20 ist auch ein Nachrüsten von bereits installierten Warmwassererzeugern 20 möglich.
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Wie bereits erwähnt, ist die regenerative Energiequelle 4 beispielsweise als Solarzelle ausgeführt. Typischerweise wird hier eine Energieentnahme so durchgeführt, dass die Solarzelle mit maximaler Leistung betrieben werden kann. Dazu kann beispielsweise eine aus dem Stand der Technik bekannte MPP-Schaltung verwendet werden, die dazu ausgelegt ist, die Solarzelle am Punkt maximaler Leistung (dem englischen Sprachgebrauch folgend oftmals als MPP = Maximum Power Point bezeichnet) zu betreiben.
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Diese Funktion kann in der zweiten Variante der Schaltungsvorrichtung 2 jedoch auch durch die Anpassungsschaltung 10 übernommen werden, wobei typischerweise die Spannung am Kondensator 32 und die Periodendauer des Aktivierens des Schalters 34 als Eingangsgrößen für die Entnahme der Energie aus der Solarzelle herangezogen werden.
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Falls die Spannung der regenerativen Energiequelle 4, welche für die Zeit des Energiepulses auch die Spannung am Heizwiderstand 22 ist, über der Leerlaufspannung der Netzversorgung 26 am AC-DC-Wandler 40 liegt, gibt die Netzversorgung 26 am AC-DC-Wandler 40 daher keine Energie für die Impulsdauer mehr ab, sobald ein Energiepuls über den Schalter 34 zugeführt wird. Dies bedeutet, dass ohne weiteres Zutun ein Vorrang für die erneuerbare Energiequelle 4 geschaffen wird. Je breiter die Pulsweite am Schalter 34 ist, desto geringer ist die Energieabgabe der Netzversorgung 26 am AC-DC-Wandler 40.
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Bei Direktanschluss der regenerativen Energiequelle 4 bzw. auch bei Anschluss über einen MPP-Tracker ergeben sich deutlich geringere Spannungen am Heizwiderstand 22, sodass diese nicht zwingend über der Leerlaufspannung der Netzversorgung 26 am AC-DC-Wandler 40 liegt. Ein Vorrang für Solarenergie kann dann durch aktives Ausschalten des weiteren Schalters 36 gegebenenfalls zusammen mit der Diode 38 erfolgen.
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Hierbei ist es sinnvoll, die Netzversorgung 26 am AC-DC-Wandler 40 über den weiteren Schalter 36 so zu regeln, dass eine gewünschte Mindesttemperatur aufrechterhalten wird. Die Schaltungsvorrichtung 2 speist dann automatisch die verfügbare Solarenergie in den Warmwassererzeuger 20 ein. Sobald die Mindesttemperatur überschritten ist, liegt dann reiner Solarbetrieb vor.
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Des Weiteren kann die Steuerschaltung 18 über eine geeignete Sensorschaltung auch die Temperatur im Vorratsbehälter 24 überwachen, sodass bei Erreichen einer Minimaltemperatur ein Heizvorgang aktiviert wird. Dies kann unabhängig vom Vorhandensein der regenerativen Energie über die Netzversorgung 26 durchgeführt werden, sodass im Warmwassererzeuger 20 zu jeder Zeit erwärmtes Wasser zur Verfügung steht. Des Weiteren kann eine derartige Sensorschaltung auch eine Maximaltemperatur überwachen, sodass ein Heizvorgang deaktiviert wird, sobald die Maximaltemperatur erreicht ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass keinerlei Gefährdung durch Verbrühen für eine Benutzerin oder einen Benutzer des Warmwassererzeugers 20 besteht. Schließlich ist es ebenso möglich, in regelmäßigen Abständen einen Heizvorgang im Warmwassererzeuger 20 zu aktivieren, um die Temperatur im Warmwassererzeuger 20 kurzzeitig so weit zu steigern, dass ein Abtöten von Keimen im Wasser erfolgt. Während dieser Phase kann auch die oben beschriebene Maximaltemperatur durchaus überschritten werden.
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Wie bereits beschrieben, erlaubt die in Zusammenhang mit 2 beschriebene Anpassungsschaltung 10 eine einfache Regelung einer Leistungsabgabe an eine resistive Last. Neben einer Verwendung in Zusammenhang mit einem Heizwiderstand 22 ist auch eine Verwendung der Anpassungsschaltung 10 allgemein für resistive Lasten denkbar. Die Anpassungsschaltung 10 ist in 3 nochmals allgemein ohne direkten Bezug zu einem Warmwassererzeuger 20 dargestellt.
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Typischerweise wird das Aktivieren des Schalters 34 bei der Anpassungsschaltung 10 mittels Pulsbreitenmodulation durchgeführt werden. Die Steuerschaltung 18 kann dabei die Pulsbreitenmodulation so regeln, dass der Energiequelle 4 die maximale Energie entnommen wird. Falls gewünscht kann aber die Pulsbreitenmodulation auch so eingestellt werden, dass eine geringere als die maximale Energie entnommen wird. Folglich kann über die Steuerschaltung 18 die Energiemenge auf einen gewünschten Wert bis zur maximalen Energiemenge eingestellt werden.
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Mittels der Steuerschaltung 18 kann auch eine Zweipunktregelung erfolgen, wobei das Aktivieren des Schalters 34 in Abhängigkeit der Spannung am Kondensator 32 erfolgt. Dabei wird die Last 22 bei Überschreiten einer bestimmten oberen Spannung am Kondensator 32 zugeschaltet. Bei Unterschreiten einer unteren Spannung am Kondensator 32 wird die Last 22 wieder abgeschaltet. Der Kondensator 32 muss dabei so bemessen sein, dass die in den Schaltpausen erzeugte Energie aufgenommen und zwischengespeichert werden kann.
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Da die Steuerschaltung 18 lediglich die Spannung am Kondensator 32 als Eingangsgröße benötigt, ist ein derartiger Aufbau für eine einfache Ermittlung der maximalen Leistungsabgabe der Energiequelle 4 geeignet. Anstelle einer Messung von Strom und Spannung bzw. deren Effektivwerte wird erfindungsgemäß lediglich die Spannung am Kondensator 32 gemessen. Die Leistungsabgabe ergibt sich dann aus dem Quadrat dieser Spannung und dem Verhältnis aus Einschaltzeit des Schalters 34 zur gesamten Periodendauer des Schaltsignals. Der so ermittelte Wert steht mit der Leistung in einem proportionalen Verhältnis und weist beim selben Tastverhältnis der Pulsbreitenmodulation ein Maximum auf wie die Leistungsabgabe der Energiequelle 4.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Schaltungsvorrichtung
- 4
- Energiequelle
- 6, 8
- Ausgangsanschlüsse
- 10
- Anpassungsschaltung
- 12,14
- weitere Ausgangsanschlüsse
- 16
- Umschalter
- 18
- Steuerschaltung
- 20
- Warmwassererzeuger
- 22
- Heizwiderstand/Last
- 24
- Vorratsbehälter
- 26
- Netzversorgung
- 28,30
- Netzversorgungsanschlüsse
- 32
- Kondensator
- 34
- Schalter
- 36
- weiterer Schalter
- 38
- Diode
- 40
- Wandler
- 42,44
- Ausgänge
