DE102020131643A1

DE102020131643A1 - Gleichstromnabe

Info

Publication number: DE102020131643A1
Application number: DE102020131643.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-11-30
Filing date: 2020-11-30
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichstromleistungsnabe (100) zur Verbindung von Gleichstromquellen (101) - mit primärem Gleichstromspeicher (102) sekundärem Speicher (103); dazu Freischaltung von Gleichstromkanälen (104) und Anschlussmöglichkeit für Wechselrichter (105).Sie dient die Vermeidung hochfrequenter Schaltvorgänge mindestens in der Leistungselektronik, idealerweise auch in der gesamten Schaltung, wodurch dieser „gütig-ruhige, langlebige Herzschlag einer Schildkröte“ zusammen mit einer wohldimensionierten Auslegung sämtlicher Baugruppen und einer Reduktion auf ein Minimum derselben für eine besonders kosten-, ressourcen-, wartungsgünstige Lösung führen soll, welche komplett neue Maßstäbe maximaler Lebensdauer setzen und ein Referenzwerk für ein Micro-Open-Repair Konzept sein soll. Somit kann gleichsam eine konzeptionelle Elektrizitätslösung als Bestandteil einer realistischen Energiewende dargestellt werden, welche auf allen unterschiedlichen Einkommensleveln dieser Erde nicht nur technisch vorteilhaft sondern mit einhergehenden positiven Nebenwirkungen Verwendung finden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstromleistungsnabe (100) zur Verbindung von Gleichstromquellen (101) - mit primärem Gleichstromspeicher (102) sekundärem Speicher (103); dazu Freischaltung von Gleichstromkanälen (104) und Anschlussmöglichkeit für Wechselrichter (105).
Sie dient die Vermeidung hochfrequenter Schaltvorgänge mindestens in der Leistungselektronik, idealerweise auch in der gesamten Schaltung, wodurch dieser „gütig-ruhige, langlebige Herzschlag einer Schildkröte“ zusammen mit einer wohldimensionierten Auslegung sämtlicher Baugruppen und einer Reduktion auf ein Minimum derselben für eine besonders kosten-, ressourcen-, wartungsgünstige Lösung führen soll, welche komplett neue Maßstäbe maximaler Lebensdauer setzen und ein Referenzwerk für ein Micro-Open-Repair Konzept sein soll. Somit kann gleichsam eine konzeptionelle Elektrizitätslösung als Bestandteil einer realistischen Energiewende dargestellt werden, welche auf allen unterschiedlichen Einkommensleveln dieser Erde nicht nur technisch vorteilhaft sondern mit einhergehenden positiven Nebenwirkungen Verwendung finden wird.
Im Stand der Technik bekannt und offenbart sind Gleichstromleistungsnaben zum Anschluss von Stromquellen (101), primärem Speicher (102), sekundärem Speicher/Puffer (103), Gleichstromkanälen (104), sowie Ankopplungsmöglichkeit an ein Wechselspannungsnetz(106) über einen Umrichter (105) wie dies zum Beispiel aus der DE 10 2017 126 996 A1 eindeutig offenbart wird.
Die übliche Ausführung der Gleichstromleistungsnabe, also der Bereich, wo die DCseitige Zusammenführung der Komponenten (101 bis 105) realisiert wird geschieht auf der Leistungsebene mit DC/DC Wandlern, welche üblicherweise mit sogenannter Step-up/ Step-down Wandlung unterschiedliche Stufen (engl. Steps) von Potential-Pegeln aufeinander anpassen können und dazu hochfrequent getaktete Schaltglieder in Verbindung mit Induktivitäten verwenden.
Die übliche Ausführung auf der Steuerebene erfolgt mit Micro-Controller-Schaltungen. Diese bekannten Ausführungen sind sowohl auf der Leistungsebene sehr flexibel, da sie jeweils unterschiedliche Potentialebenen aufeinander anpassen können; als auch sehr flexibel auf der Steuerebene, da ein Micro-Controller zahlreiche Möglichkeiten unterschiedlicher Programmierung bietet.
Die Mängel im Stand der Technik sind jedoch die relative Kurzlebigkeit solcher Systeme gerade im Vergleich und bei Anwendung in Systemen mit eher langlebigen Komponenten wie Solarmodulen (101), Batterien (102) und einfachen Heizstäben oder Pumpen (103).
Dazu kommt die Komplexität solcher Systeme, welche eine Reparatur und Fehlersuche nahezu unmöglich bzw. unwirtschaftlich macht - und sei der Fehler auch nur in Details z.B. eines Kommunikations- oder Visualisierungsmodules.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Gleichstromleistungsnabe, umfassend eine Leistungs-Platine, umfassend eine erste Kontaktmöglichkeit für mindestens eine Stromquelle (101), mit vorzugsweise sechs Kontaktpaaren (1-12); umfassend eine zweite Kontaktmöglichkeiten für mindestens einen primären Speicher mit mindestens ein bis zwei Kontaktpaaren (21-22); umfassend eine dritte Kontaktmöglichkeit für mindestens einen sekundären Speicher (103), mit vorzugsweise 2 Kontaktpaaren (13-16); bevorzugt umfassend eine vierte Kontaktmöglichkeiten für mindestens einen Gleichstromkanal (104), vorzugsweise mit zwei Kontaktpaaren (17-18); bevorzugt umfassend eine fünfte Kontaktmöglichkeit für mindestens einen Umrichter (105), mit mindestens ein bis zwei Kontaktpaare (23-24); umfassend mit zumindest einem ersten Schalter (31) für die Stromquelle (101), umfassend mit mindestens einem zweiten Schalter (32) für die sekundären Speicher (103), umfassend mit mindestens einem dritten Schalter Schalter (33) für die vorhandenen Gleichstromkanäle (104); umfassend eine Logik / Steuereinheit, die vorzugsweise in die Leistungs-Platine integriert oder mit dieser lösbar kontaktiert ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Rückfallzeiten aller Schalter (31-33) im Durchschnittswert des Regelbetriebes betrachtet größer als 1 Sekunde sind, vorzugsweise größer als 10 Sekunden und insbesondere größer als Sekunden ist.
Erfindungsgemäß_verbindet man in der Gleichstromleistungsnabe (die Erfindung) nun Quellen (101) Speicher (102) Puffer (103) und Kanäle (104) miteinander, welche einen gemeinsame DC-Arbeitsbereich teilen und somit ohne hochfrequente Schalthandlungen miteinander verbunden werden können, so dass die Rückfallzeiten sämtlicher Schaltglieder im Leistungsbereich deutlich größer 1 Sekunde ausgeführt werden können.
Dies verhindert einen vorzeitigen Verschleiß und gibt die Möglichkeit, im Falle des seltenen Schaltens sehr langsam und damit wärmeverlustbehaftet aber nahezu EMV-frei zu schalten.
Erfindungsgemäß führt man außerdem die sehr einfache Logik:

1) „Falls die Ladespannung erreicht ist ODER der Ladestrom für den primären Speicher (102) zu hoch ist: schalte zunächst sequentiell die Pufferkanäle (103) zu. Falls der ,Fehler' dadurch nicht behoben wird: schalte sequentiell die Quellen (101) ab.“
2) Bei kritischen Fehlern trenne den primären Speicher (102) galvanisch vom System.
3) Falls Ladestand des primären Speichers (102) dies erlaubt, schalte DC-Kanäle (104) frei.

Durch den leicht realisierbaren geringen Strombedarf einer solchen Analogen Intelligenz kann man sich das Netzteil im einfachsten Fall aus Widerstand und Zenerdiode zusammenbauen, weil der Wirkungsgrad des Netzteils nicht interessiert, so dass die Rückfallzeiten sämtlicher Schaltglieder im für die wesentliche Funktion benötigten Steuerbereich ebenfalls deutlich größer als 1 Sekunde ausgeführt werden können.
Vorteilhaft können die Rückfallzeiten aller Schalter im für die Bereitstellung der wesentlichen Funktion vorgesehenen Abschnitt der Logik / Steuereinheit größer als 1 Sekunde sein, idealerweise größer als 10 Sekunden und insbesondere größer als 100 Sekunden sein.
Vorteilhaft kann der die Logik/Steuereinheit, insbesondere der für die Bereitstellung der wesentlichen Funktion vorgesehene Abschnitt der Logik/Steuereinheit, eine Ansteuerung der Schalter (31-33) und weiterhin bevorzugt eine Bereitstellung einer internen Versorgungsspannung(en) für die Logik/Steuereinheit umfassen.
Vorteilhaft können Leistungskontakte (17-20) als vierte Kontaktmöglichkeit für wenigstens einen Gleichstromkanal (104) umfasst sein, wobei vorzugsweise für jeden Gleichstromkanal (104) ein dritter Schalter (33) vorgesehen ist.
Vorteilhaft können Leistungskontakte (23-24) als fünfte Kontaktmöglichkeit für wenigstens einen Umrichter (105) umfasst sein.
Vorteilhaft kann für den primären Speicher (102) ein galvanischen Trennelement (35) der zweiten Kontaktmöglichkeit vorgeschaltet sein, das als Relais oder Schütz ausgeführt ist.
Vorteilhaft kann für den primären Speicher (102) ein galvanisches Trennelement (35) der zweiten Kontaktmöglichkeit vorgeschaltet sein, das als ein 2-poliger Leitungsschutzschalter ausgeführt ist; wobei an dem 2-poligen Leitungsschutzschalter (35) überkreuz d.h. einmal auf der geradzahligen Anschluss-Seite, einmal auf der ungeradzahligen Anschluss-Seite ein Schalter (34) angeschlossen ist; wobei vorzugsweise ein niederohmiger Widerstand (37) in Reihe zu einer vorzugsweise elektronischen Ausführung des Schalters (34) vorgesehen ist;
Vorteilhaft können die Quellenkanäle (101) mit Schottky-Dioden (30) versehen sein, vorzugsweise in Bauform TO220 oder ähnlich.
Vorteilhaft können alle Schalter (31, 32, 33) als Feld-Effekt-Transistoren ausgeführt sein, vorzugsweise in Bauform TO220 oder ähnlich.
Vorteilhaft kann im Strompfad des primären Speichers (102) der zweiten Kontaktmöglichkeit vorgeschaltete Shunts (36) verbaut sein, vorzugsweise vier bis sechs Stück mit Widerstandswert von 15-25mOhm und Leistungswert von 3-6 Watt.
Vorteilhaft kann der zweiten Kontaktmöglichkeit ein mehrpoliger Wahlschalter, vorzugsweise in vier- bis sechspoliger Ausführung vorgeschaltet sein, welcher in eine Messeinheit (42) eines Stromes des primären Speichers (102) eingreift, indem er in der Messeinheit (42) befindliche Widerstände mit jeder Schalterstellung durch einen anderen Widerstandswert ersetzt ; so dass sich vorzugsweise mit dem Wahlschalter ein maximaler Stromfluss in den primären Speicher (102) in vier bis sechs Schritten einstellen lässt.
Vorteilhaft können ein logischer Kern der Logik/Steuereinheit mindestens drei und maximal fünf Komparatoren umfassen.
Vorteilhaft können Leistungskontakte auf Hutschienen o.Ä. angeordnet sein, welche mit den Leistungskontakten (1-24) auf einer Platine der Gleichstromleistungsnabe verbunden sind.
Die Analoge Intelligenz ist in 3 hinreichend verständlich skizziert:

Das Ereignis: Ladespannung ODER Ladestrom erreicht wird mit den Komparatoren (40+41) detektiert im Falle von Pegel=High=Ereignis aktiv mit Dioden ODER-verknüpft einem Kondensator (42) zugeführt, welcher mit seiner Spannung eine Komparator-Ausgangsstufe (43) speist, welche mit steigenden Pegeln zunächst die Puffer-Schalter (32) einschaltet, bei weiter steigendem Kondensator-Pegel die Quellen-Schalter (31) ausschaltet.

Notfalls - bei stetig weiter steigenden Kondensator Pegel - kann sogar noch der Schalter (34) für die galvanische Notabschaltung betätigt werden. Das kann z.B. eintreten, wenn ein fehlerhafter Umrichter (105) versucht die Batterie (102) zu überladen.
Daneben gibt es weitere Ereignisse, die auf die Notabschaltung einwirken: kritische Überspannung, kritische Tiefe Spannung, Temperatur.
Diese Ereignisse können zumeist mit einfachen Schwellwert-Bauteilen (50-51) genau genug erfasst und über ein Trigger-Bauteil (52) dem Schalter (34) für die galvanische Notabschaltung zugeführt werden.
Die Schalter (33) für die Gleichstromkanäle (104) werden mit Hysterese-beruhigten Komparatoren (60) vorzugsweise mit einem länger „ON“ bleibenden Kanal für „Wichtiges“ freigeschalten bzw. gesperrt.
Die Kurzform der Beschreibung zusammen mit den Figuren ist für die Mehrzahl der Leser zum Verständnis hinreichend. Es folgt noch eine ausführliche Beschreibung der - technischen und konzeptionellen - Vorzüge der Erfindung.
Die vorliegende Erfindung einer Gleichstromnabe stellt eine möglichst vorteilhafteste und eine erfinderisch neue Ausführung derselben darstellt und zeigt, dass das Konzept mit DC-Leistungsnaben im Zusammenhang mit DC-Quellen und DC-Speichern dem umständlicheren Konzept mit AC/DC-Umrichtern in den meisten Anwendungsfällen haushoch überlegen ist.
Wobei eine Energiewende hier definiert ist, als eine Reduzierung der großen drei Hauptenergieträger: Öl, Kohle und Gas idealerweise Richtung NULL wobei die energietechnische Versorgungssicherheit und empfundene Lebensqualität der Weltbevölkerung im Allgemeinen nicht darunter leiden sollen; salopper formuliert sollen Erneuerbare Energien - im vorliegenden PV und Batterie - die großen Drei ersetzen aber das Licht soll deswegen nicht ausgehen.
Wir werden sehen, dass mit reiner Masse an Anlagen und weiter steigendem Komfort-wunsch aufsteigender Regionen bei gleichzeitig weiter anziehendem Energiebedarf eigentlich saturierter Regionen das Ziel unter Umständen schwer zu erreichen sein wird.
Auch auf Grund der weithin angenommenen existenziellen Bedeutung dieser Aufgabenstellung Energiewende insbesondere im Zusammenhang mit Begriffen wie Klimawandel, Peak Oil, hohe Weltbevölkerung, Verteilungskonflikte, Flucht und Ressourcen hat die folgende in-der-Tiefe Beschäftigung mit möglichen (positiven wie negativen) Nebenwirkungen verschiedener bekannter Ansätze und die sich mit der Erfindung neu ergebenden Möglichkeiten durchaus ihren Platz verdient.
1. Die Energiewende - 6.000 Terra Watt Stunden
Im Buch „Factfulness“ von Hans Roslin stieß ich auf die Tatsache, dass 87% des Weltenergiebedarfs von Öl, Kohle und Gas gedeckt werden, was ich auf Wikipedia bestätig fand zuzüglich der Information, dass die absoluten Zahlen der sogenannten fossilen Energieträger nach wie vor linear ansteigen - und dass auch noch mit im Mittel steilerer Tangente als die sogenannten Erneuerbaren Energien nachziehen. (Anm: Die Grafik auf Wikipedia umfasste Daten nur von 1965 bis 2015)
Es gibt also keine Energiewende - höchstens vielleicht im einstelligen Prozentbereich, wo man im genannten Diagramm von Wikipedia ablesen kann, dass seit etwa 2005 die sogenannten erneuerbaren Energien die Atomenergie überholt haben und im Aufsteigen begriffen sind - jedoch Stand 2015 (Diagramm Ende) noch mit kleinerer Steigung anwachsen als die großen Drei: Öl - Kohle - Gas.
Nehmen wir einmal an, Elon Musks Zukunftsvisionen und Zukunftsfabriken (Gigafactory) sind durchdacht und sowohl Photovoltaikmodule als auch Batteriezellen stellen im Sinne einer Kreislaufwirtschaft nachhaltige Möglichkeiten von Stromerzeugung und Stromspeicherung dar: wie weit kommt man damit und was sind die Kosten?
Diese Welt wird nach den Analysen aus Factfulness, Hans Roslin von 8-11 Milliarden Menschen bevölkert werden, wobei sich bei Ausrottung der extremen Armut auch hier eine Stabilität und Sättigung von 10 Milliarden Menschen verteilt auf vielleicht 2 Milliarden Haushalte ergibt.
Geben wir nun auf jedes Haus im globalen Durchschnitt 8-12 Photovoltaik-Module (ca. 3.000Watt) und eine Batterie idealerweise aus einem E-Mobility Second-Life-Konzept.
Es ergibt sich eine globale installierte Solarleistung von 6 TW was bei ca 1.000 Sonnenstunden pro Jahr (365 Tags a 3h optimaler Solarertrag) zu einer Energiemenge von 6.000TWh führt, welche dazu in der Lage ist 18.000 TWh Kohle zu ersetzen, nämlich auf Grund des Wirkungsgrades von etwa 0.3 bei der Umsetzung von Kohle in Strom bei der Verbrennung in Kraftwerken.
Dies entspricht etwa einem guten Drittel bis zur knappen Hälfte des Weltkohlebedarfs. Der Weltenergiebedarf liegt bei etwa 170.000 TWh nochmal etwa beim gut Dreifachen des Kohleanteils.
Wir kommen also selbst mit unserem ambitionierten Modell: auf j e des Haus eine Solaranlage plus Batterie dazu also nur auf etwa ein Neuntel unseres Zieles.
2. Die Energiewende - 6 Trillion Dollars - alle 25 bis 50 Jahre
Plausibilisieren wir zunächst einmal den angenommenen Gedanken der Nachhaltigkeit, um nicht den Fehler zu machen, Ressourcen aus dem Boden zu holen und gedankenlos in die Luft zu blasen, oder in 2 Milliarden Häuser zu installieren, ohne zu wissen, ob wir die Ressourcen wieder zeitnah zurück in einen Kreislauf bekommen.
Man kann diese Aufgabe durchaus mit einem Jongleur vergleichen, der versucht 2 Milliarden Bälle (PV-Batterie-Anlagen) mit der linken Hand in die Luft zu werfen - diese beim wieder Herunterfallen (End-of-Life) mit der rechten Hand so schnell als möglich recyclen also der linken Hand wieder zuführen muss zum neuen Abwurf, so dass zu jeder Zeit 2 Milliarden Bälle in der Luft sich befinden.
Zudem stellt sich die Frage: gibt es genug Ressourcen um überhaupt 2 Milliarden Bälle zu fertigen.
Photovoltaik-Module sind schon mal sehr einfach aufgebaut (Alu, Glas, AnschlussLeitungen „und das blaue Zeug“) und halten derzeit gute 25 Jahre in mehr oder weniger erster Generation und könnten vielleicht in neuerer Version und angepasst auf das ambitionierte Ziel bis über 50 Jahre halten
Batterien sind ebenfalls einfach aufgebaut (Zwei Materialen, Elektrolyt und das Gehäuse) und man spricht jetzt schon von Möglichkeiten eine „Million-Miles“ (1.4 Million Fahrkilometer) Batterie in der Automobilität entwickeln zu können - was auch auf eine Lebensdauer von 50 Jahren hoffen lässt.
Die Verfügbarkeit der Rohstoffe und vereinfachende Weiterentwicklungen sowie alternative und massenhaft vorhandene Materialien sind Teil der Hoffnung.
Ein System mit 8-12 Modulen und 1 Second-Life Batterie nehmen wir in Gigafactory-Preisen hier mit 2.000 Dollar an - welche alle 25-50 Jahre zu investieren sind.
Global betrachtet ergeben sich für (Module und Batterie) also Kosten von: 2 Mrd Systeme x 2.000 Dollar/System = 4 Trillion Dollar. Was seit 2009 in etwa dem jährlichen Haushalt der USA entspricht und somit alle 25-50 Jahre tatsächlich von einer vereinten Menschheitsfamilie auf diesem Planeten auch realistisch zu leisten scheint.
Zu den Kosten addiert müssen noch werden die je nach Region abweichenden Kosten der Installation, die Elektronik und ggf. die „Nebenwirkungen“ eines solchen Systems.
Und genau hier ist der Ansatzpunkt des Erfinders: der bisherige Ansatz mit Umrichtern ist nicht geeignet für die Umsetzung eines globalen Systems mit bis zu 2 Milliarden installierten Einheiten.
3. Stand der Technik und das Problem: der Umrichter
Ein Umrichter ist dazu da um Sachen zu verbinden, die nicht zueinander passen. Er ist ein hochkomplexer Adapter, ein Vermittler, ein Diplomat, ein Mediator der sich durch den niemals zu bewältigenden Konflikt zwischen Gleichspannung und Wechselspannung buchstäblich selbst verschleißt und entsprechend nur mit relativ kurzer Lebenszeit gesegnet ist.
Visualisierungs- und Kommunikationsmodule, welche für eine ordnungsgemäße Funktion zunehmend obligatorisch werden, deren Defekt aber gleichsam den Defekt des ganzen Umrichters bedeutet kommen hinzu.
Ein Umrichter für 3.000 Watt auf dem Niveau von Schutzkleinspannung zählt nicht zu den Preis-Leistungs-Killern und muss unter hohen Verlusten 60Ampere durch seine Schaltkreise zerhacken, modulieren, glätten, filtern. In 24/7 Manier. Mit wenigstens 25kHz. Über Jahre.
So ein Umrichter ist nach 7-14 Jahren in der Regel kaputt auch bei namhaftesten Herstellern und kostet auf die erhofften (und für eine Energiewende benötigten) 50 Jahre Lebensdauer von PV und Batterie gerechnet mehr als alles andere zusammen. Und das als bloßer Adapter von DC auf AC.
Nach Lebensende des Umrichters ist es eine schwierige Arbeit die vielfältigen Elemente der Leistungselektronik zuzüglich der Elemente der Visualisierung zuzüglich der Elemente der Kommunikation wieder auseinander zu sortieren um an die darin verbauten Rohstoffe zu gelangen.
Die rechte Hand (des Recyclings) unseres Jongleurs kann also sowohl auf Grund der zu schnellen Runterfallzeit dieser 2 Milliarden Bälle und auf Grund der zu komplizierten Rückführung an die linke Hand (neuer Input in das System) chronisch überlastet sein.
Lassen sich Komponenten nicht vollständig und zeitnah in einem Kreislauf bewegen - das sollte die Definition von Erneuerbare Energien sein - treten hier die gleichen Effekte wie bei den großen Drei - den sogenannten Fossilien Energieträgern - auf: das System weist eine Endlichkeit auf: Bälle gehen verloren und der Vorrat an Ressourcen für neue Bälle wird sich mit hinreichend langer Zeit erschöpfen. Die Nebenwirkungen eines solchen ungenügenden Recyclingprozesses bringen zusätzlichen Aufwand an Kosten - und Energie.
Alle diese Fragestellungen sind in der vorliegenden Erfindung konzeptionell berücksichtigt. Die Gleichstromleistungsnabe in vorgestellter Version verfügt über konsequenten Simply Style, welcher ein Micro-Open-Repair Konzept auf SMD-Bauteil-Ebene ermöglicht, welches auf dem Niveau vom 1 - bis 2. Ausbildungsjahr einer üblichen Elektronikerausbildung an Hand der einfachen Schaltpläne und mit einem übersichtlich gestalteten physikalischen Layout mit mindestens 0603 bis 0805 SMD-Bauteilgröße für gute Lesbarkeit sorgt und lokal durchgeführt werden kann. Durch die lokale Instandhaltungsmöglichkeit und die lange Lebensdauer erspart sich ein guter Teil „Stupid Mobility“ - lebensqualitätsfreie Wege und Transporte - und damit weitere Energie - und dann auch noch gerechnet auf 2 Milliarden Systeme. Das ist gemeint mit positiven Nebenwirkungen.
Auch sorgt dieses Konzept des Open-Repair, welches nur mit einer geeigneten Simply Style Architektur wie in der Erfindung umgesetzt möglich ist, für lokales Empowerment: Bildung, Mündigkeit, Chancen. Habe ich Chancen wo ich bin brauche nicht mehr flüchten: Vermeidung von Stupid Mobility - lebensqualitätsfreie Wege - einhergehend mit Bedarf an Stupid Energy.
Die Erfindung nimmt den kürzesten und damit vorteilhaftesten Weg zur Erreichung des Zieles: eine sichere Versorgung mit Elektrizität möglichst aller Menschen auf diesem Planeten unter Verwendung von PV und BAT und bestmöglicher Vermeidung der großen Drei im Gesamtkontext.
Gleichstromquelle (PV) und Gleichstromspeicher (BAT) passen naturgemäß und harmonisch zueinander und können ohne Umrichter (weder AC-DC noch DC-DC) in einer ruhigen Güte und Langlebigkeit miteinander verbunden werden - ohne viel Aufwand, ohne viel Verschleiß.
Der BULK des Umsatzes an elektrischer Aktivität muss folglich ebenfalls auf der Gleichstromseite stattfinden. Wie dies auf allen Einkommensleveln dieser Erde möglich ist und wie eine friedliche Koexistenz zum bestehenden 230/400 Volt Netz möglich ist - welches z.B. in den städtischen Metropolen dieser Welt nach wie vor eindeutig überlegen ist und nicht einfach abgerissen werden soll (stupid energy) - wird nun ausführlich erläutert und dargestellt.
4. Gleichstromquelle - Gleichstromspeicher - Gleichstromumsatz
Erfindungsgemäß verbindet man PV (101) und Batterie (102) - oder zukünftige andersartige Stromquellen (101) und ihren primären Stromspeicher (102) - mit einem zueinander passenden Spannungsarbeitsbereich, wobei hier natürlich die Batterie ausschlaggebend ist und die PV-Module entsprechend intelligent gefertigt werden: sie haben grundsätzlich einen weiten Arbeitsbereich, wenn man Einbußen im Prozentbereich gegenüber dem MPP nicht so eng betrachtet.
Eine optimale Arbeitsspannung ist hier im Bereich 50-60Volt (in Anwendung von Lithiumbatterien wohl im zu bevorzugenden engeren Bereich 54-58Volt), welche wohl den modularen Standard der Automobilindustrie und der TESLA Speicherlösung widergibt und in der Photovoltaik mit 2 seriellen Modulen leicht abgebildet werden kann.
Eine optimale Anzahl von PV-Strängen sind hier 6 Stränge - auf Grund der Multiplikation mit den 2 seriellen Modulen welches die Zahl 12 ergibt, also bis zu 12 Module lassen sich über die Gleichstromleistungsnabe mit einem 50/60Volt Batteriespeicher verbinden. Wobei sich diese 12 Module bei der Installation der Module auf einem Dach geschickterweise sowohl als 2x6, 3x4, 4x3, 6x2 und das auch noch in Quer- und Hochformat also insgesamt 8 Dachgestaltungsmöglichkeiten verbauen lassen. Auch die 5er Zahlen: 15 und 25 lassen sich bedienen indem man die 3 bzw. 1 übrigen Module mit kleinen Umrichtern versorgt bzw. lassen sich 10 und 20 Module einfach unter Nichtnutzung eines Kanales an die Gleichstromleistungsnabe mit 6 Quelleneingängen anschließen.
Es ergibt sich von alleine die Vorgabe: bei Eintritt des Ereignisses „Ladespannung ODER Ladestrom erreicht“ müssen die PV-Stränge sequentiell abgeschaltet werden um dem Ereignis entgegen zu wirken.
Hier bietet es sich erfindungsgemäß an, vor dem Wegschalten des Stromes diesen Strom umzuleiten in einen oder mehrere sekundäre Speicher (103) - damit wird sogar mit einem so simplen Konzept wie erfindungsgemäß angewandt und für die lange Lebensdauer sowie ein Micro-Open-Repair mit all seinen nicht zu unterschätzenden globalen positiven Nebenwirkungen - eine Eigenbedarfsoptimierung auf der Gleichstromseite geschaffen. Für ein derartiges Feature benötigen herkömmliche AC/DC-Umrichter zumeist noch zusätzliche Komponenten und Steuerungsmodule. Bei der Erfindung ist die Eigenbedarfsoptimierung mit sekundären Speicher-Ports die Standard-Ausstattung ohne Aufpreis.
Es bieten sich 10-16 Ampere (500-900Watt) starke Verbraucher an: im soliden westlichen Behausungen vielleicht Warmwasser-Lösungen, in sonnigeren Äquatorregionen wahrscheinlich eher Wasserpumpen. In der Zukunft vielleicht neuartige modulare Power-to-Fuel Konzepte um mittels der sekundären Speicherports (103) Heizvorräte für den Winter, Auto oder Herd lokal zu erzeugen und abzufüllen.
Die Langlebigkeit der Erfindung erlaubt es, lange und optimistisch vorauszuschauen in eine Zukunft mit vielen Möglichkeiten.
Eine positive Lebenseinstellung ist bei der Frage der Energie nicht zu unterschätzen. Zuviel Energieverbrauch und Konsum mag gleichsam Frustkonsum und Verzweiflung abbilden.
Die Freischaltung von Gleichstromkanälen (104) solange die Ladespannung dies erlaubt und der Anschluss für Wechselrichter (105) bieten sowohl neuen Gleichstrom-WABEN-Architekturen direkten als auch den klassischen 230/400Volt Regionen indirekten Zugang zur gespeicherten Energie.
Eine WABE stellt hier ein reines Offgrid-Netz einer einzelnen Einheit mit optionalem und leich lösbarem Zusammenschluss zu WABEN-CLUSTERN mit Sharing&Trade dar: Teile und Handle.
Die klassischen 230/400 Volt Architekturen werden im städtischen Raum und in höher entwickelten Regionen idealerweise bestehen bleiben: es lohnt nicht die Kupferleitungen aus fertig installierten Häusern mühsam umzuinstallieren. Durch den BULK des Stromumsatzes im DC-Bereich über die sekundären Speicher (103) kann jedoch auch hier der Umrichter (105) entlastet werden, was sich sowohl auf Anschaffungskosten als auch auf Lebensdauer positiv auswirken kann. Zudem werden die negativen Neben- und Wechselwirkungen der Umrichter durch eine Reduktion der Interaktion mit dem Netz gleichsam gemindert. DC-Quellen Strom (101), welcher DC-Speichern (102) zugeführt wird, vorzugsweise in weiteren DC-Puffern (103) umgesetzt und nur bei Eigenbedarf über Umrichter (105) lokal verbraucht wird legt auch in 230/400 Volt Architekturen den kürzest möglichen Weg zurück.
Dazu kommt idealerweise der angenehme Schutzkleinspannungsbereich der Gleichstromleistungsnabe - wodurch insbesondere bei Installation und Anwendung in Milliarden von Haushalten mit unterschiedlichen lokalen Sicherheits- und Bildungsleveln eine Vielzahl an Unfällen mit Sach- und Personenschaden vermeiden hilft.
5. Gleichstromleistungsnabe - eine Bauanleitung
Grundsätzlich soll die Gleichstromleistungsnabe ein „Hauch aus Nichts“ sein und die meiste Zeit auch „Nichts tun“ - idealerweise sowohl in Leistungsteil als auch in Steuerteil. Ruhig wie eine Schildkröte. Sie überwacht eine immer gleiche und langsame Tagesprozedur: die Batterie wird geladen mit dem Lauf der Sonne, sie wird üblicherweise entladen zwischen den Stunden der Dämmerung.
Gleichzeitig sollen jedoch bis zu starken 90 Ampere von 6 Solarmodulsträngen (101) also jeweils bis zu 15Ampere pro Quellenstrang verteilt werden. Davon bis zu 63Ampere auf den primären Speicher (102) je 10-30 Ampere pro sekundären Speicher (103), und dann über die DC-Kanäle (104) bzw. den Umrichter in sinnvollem Maß dem Menschen zur Verfügung gestellt.
Erläuterungen von Fig. 1 Blockschaltbild und Fig.2 Leistungsteil
Wir brauchen Rückstromschutzdioden (30) in jedem Solarstrang zum Schutz der PV-Module voreinander und vor der Batterie und vor einem eventuell angeschlossenem Umrichter.
Wir brauchen Schalter (31) um die Solarstränge schalten zu können und wir brauchen Schalter (32) für die Kanäle der sekundären Speicher sowie Schalter (33) für die DC-Kanäle.
Wir brauchen Leistungskontakte (1-24) zum Anschluss aller Leistungskomponenten (101-105). In einer Sparausführung ist es sogar möglich, die meisten Komponenten (101-105) direkt auf der Platine anzuschließen entweder an billige 6.3mm Fähnchen mit Quetschverbindern an den Leitungen oder direkt in teurere aber komfortablere Snap-in Verbindern - da braucht man die Leitungen der Komponenten inkl Solarmodule nur abzuisolieren. Steckkontakte (MC3, MC4) braucht man Grundsätzlich nicht - was bei insgesamt 24 Kontakten sich im Gesmatpreis der Anlage bemerkbar macht.
In einer üblicheren Ausführung wird man die Leistungskontakte der Platine jedoch an einen Klemmleistenblock auf Hutschiene verlängern und ggf. zuvor über Sicherungen zu schleifen. Es bietet sich an, diesen Anschluss-Bereich einem Installateur leicht zugänglich in einem speziellen Bereich des Gehäuses vorzusehen und den Bereich mit der Leistungsplatine und idealerweise wenigstens einem Voltmeter (Zeigerinstrument 48x48 oder 72x72) zur Visualisierung der Batteriespannung in einem anderen Bereich zu lassen, welcher bei der Installation verdeckt oder geschützt bleibt.
Realisieren lässt sich ein günstiges Gehäuse z.B. mit Aluminium-Rahmen Profilen z.B. 90-120mm Rahmenhöhe wie sie aus dem Schaltschrankbau bekannt sind. Oben und an den Seiten lässt man eine vorteilshafte Ausführung eines Gehäuses geschlossen. Unten sieht man die Leitungseinführungen vor, z.B. mit einem in Bürstenprofil passend zum Rahmen. Den Boden des Rahmens kann man mit einem Alublech in 2-4mm Dicke ggf. mit Kühlkörper versehen weitgehend ausfüllen und darauf die Leistungsplatine montieren, sowie das galvanische Trennelement, Sicherungen und Anschlussklemmen. Die Frontseite des Rahmens kann man ebenfalls mit einem Alublech bedecken und hier den Voltmeter für die Spannung und idealerweise einen Voltmeter mit zwei Richtungen für den Strom, wobei hier die Spannung am Shunt (36) abgegriffen wird, montieren. Außerdem kann man hier einen Wahlschalter für den maximalen Batterieladestrom platzieren, der idealerweise 3-5 Schaltstellungen aufweist. Dieser Wahlschalter dient im Wesentlichen zur Priorisierung: möchte ich maximalen Strom in die Batterie (default) oder eben mal schnell das Wasser heiß machen - indem ich mittags den maximalen Strom in die Batterie begrenze und ein Zuschalten der sekundären Speicher über das Ereignis „Ladestrom erreicht“ erzwinge.
Der Wahlschalter greift durch einfaches Zuschalten von Widerständen in die Strommessung am Shunt (36) ein und lässt somit z.B. eine Einstellung von 40-30-20-10 Ampere bzw. 60-45-30-15 Ampere als maximalen Ladestrom jedem Elektroniker leicht verständlich und daher im Fehlerfall reparierbar zu.
Plusklemmen sind in der Zeichnung dunkel ausgefüllt. Die Minusklemmen innen weiß gelassen.
Wir brauchen eine Messung (36) des Stromes in die Batterie um unser (tägliches) Ereignis „Ladespannung ODER Ladestrom erreicht“ detektieren zu können. Hier bieten sich robuste Shunts z.B. 5-10mOhm an, die direkt auf der Platine oder von dort verdrahtet auf ein Kühlblech angebracht sein können. Hall-Sensoren sind eine Möglichkeit - wir streben aber ein robustes „Micro-Open-Repair“ und damit verbunden ein „50-83Jahre Everlife“ Konzept an und verzichten auf jeden unnötigen Schnörkel und nicht benötige integrierte Schaltung - in allen für die ordnungsgemäße Funktion unabdingbaren Elementen der Erfindung.
Zudem sparen wir an jeden 10 Milliampere Strom um unser Netzteil im Extremfalle als einfachen Spannungsteiler aufbauen zu können. Dazu später mehr.
Smarte Parallel-Features lehnen wir in keinem Falle ab! Sie können problemlos parallel installiert werden und durch simple Spannungsabgriffe an unkritischen Stellen Informationen über Spannung, Strom und Temperatur erhalten. Aber wir installieren sie niemals seriell zur Funktion. Wenn sie kaputt gehen, lässt man sie blind liegen, entfernt ggf. die Spannungsabgriffe und nutzt die volle Lebensdauer der Erfindung.
Wir brauchen eine sichere galvanische Trennung (35) im schweren Fehlerfall insbesondere wenn wir es mit Lithiumbatterien aus der Second-Life Emobility zu tun haben.
Relais (35): Bei galvanischer Trennung mag man zuerst an ein Relais denken - was durchaus auch unser erster Gedanke und Lösungsansatz war, möglich ist aber teuer und zudem im Zweifel 50-83 Jahre permanent angezogen bleibt (wenn kein kritischer Fehler auftritt) und somit dauerhaft bis zu 8 Watt Spulenstrom frisst. Ein Relais ist in der verwendeten analogen Logik der Steuerung zudem etwas aufwendiger in der Frage, wie man den erstmaligen Zuschaltprozess organisiert und ggf. auftretende Turbulenzen dabei von einer sofortigen Wiederausschaltung fernhält: die Leerlaufspannung der Module beispielsweise würden - kurzzeitig - als Überspannung gewertet - ein angeschlossener Wechselrichter mit einer Elkoeingangsstufe würde zunächst einmal als Kurzschluss wirken. Es müssten also zuerst die Module (101) mit einem Wechselrichter (105) verbunden werden und von diesem in den Arbeitsbereich der Batterie gebracht und danach die Batterie (102) an ihre Kontakte angeschlossen werden - oder mit zusätzlichen externen Schaltern zugeschalten.
Einfacher ist die Lösung der galvanischen Trennung bei kritischen (seltenem, idealerweise nie) Fehler mit einem Sicherungsautomaten (35) in zweipoliger Ausführung (35.1 und 35.2). Damit ist eine kostengünstige und sicher bewährte Lösung gefunden, die ohne Standby-Verluste dafür aber mit unmittelbarer manueller Zuschaltmöglichkeit auskommt und überdies noch die benötigten Überlast- und Kurzschlussschutzfunktionen übernimmt.
Gezündet wird dieser Sicherungsautomat (35) mit einem kontrollierten Kurzschluss über einen idealerweise zwei, wegen der Redundanz, (elektronischen) Schalter (34) - sofern dies behördlich und normativ zulässig ist. Den kontrollierten Kurzschluss löscht der Sicherungsautomat im Moment seines Auslösens durch den Umstand, dass der elektronische Schalter seine Abgriffe entsprechend geschickt gewählt hat: einmal am nach Schaltvorgang isolierten Minuspol der Batterie - zum anderen an einem Ort, der nach dem Schaltvorgang sicher vom Pluspol der Batterie getrennt ist aber noch mit dem Pluspol der PV verbunden sein kann.
Ein Widerstand (37) unterhalb des Source- oder Emitter Kontaktes eines elektronischen Schalters (34) mit Wert von z.B. 10mOhm würde bei 500Ampere einen Spannungsfall von 5 Volt verursachen, welcher wiederum der Steuerspannung am Gate- oder Basis Kontakt entgegenwirken würde, so dass sich eine Art Strombegrenzung in analoger real-time Regelung ergibt und der Schalter (34) - gerade bei redundanter Ausführung - überleben könnte bei gleichzeitig sicherer und schneller Auslösung des vermutlich üblichen 40-63Ampere Automaten (35).
Für den Fall, dass er nicht überlebt und einen Kurzschluss hat, löst der Automat fortwährend nach Wiedereinschalten aus. Der Fall, dass er eine Unterbrechung hat, sollte durch geeignete Bauteilwahl, Überdimensionierung, Parallelschaltung mehrerer Schalter (34) udgl im Vorfeld abgeklärt werden.
Am besten, man verbindet diesen Schalter (34) einfach mechanisch lösbar in z.B. Schraub- oder Steckklemmen als Teil des „Micro-Open-Repair-Konzeptes“ auf Bauteilebene.
Figur 3 - Steuerteil - analoge Intelligenz
Wir brauchen eine elektronisch verwertbare Aussage zum Ereignis „Ladespannung erreicht“ welche am einfachsten mit einem Komparator (40) realisiert wird, der die Batteriespannung über einen entsprechenden Spannungsteiler teilt und mit einer Referenzspannung vergleicht (Komparator=Vergleicher). Die Referenzspannung können wir durch gängige Präzisionsbauteile z.B. Zenerdioden leicht generieren und den meisten Komparatoren am Minus-Eingang zur Verfügung stellen.
Wir brauchen eine elektronisch verwertbare Aussage zum Ereignis „Ladestrom erreicht“, welche am einfachsten mit einem Komparator (41) realisiert wird, welcher den Spannungsfall am Shunt (36) oder Hall-Sensor zunächst geschickt verstärkt und somit idealerweise mit unserem präzisen Referenzsignal an einem Komparator vergleicht.
Hier greift auch der besagte Wahlschalter: 40-30-20-10 Ampere einfach ein und schaltet z.B. verschiedene Widerstände als Verstärkungsfaktor über den Komparator/Operationsverstärker oder wir bilden nach der Verstärkung einen Spannungsteiler in welchem wir mit dem Wahlschalter verschiedene Teilerverhältnisse auswählen. Man könnte auch einen Potentionmeter verwenden, bei einem Wahlschalter ist für einen Endanwender aber die Zuordnung 40-30-20-10 Ampere so schön nachvollziehbar und 3-4 Stufen reichen aus: es geht zur Not auch mit zwei Stufen: z.B. 40-10 Ampere auch das erreicht das Ziel der Priorisierung: will ich Strom in die Batterie oder schnell mal eben heißes Wasser (im Westen) oder arbeitende Wasserpumpen (im Süden) oder Power-To-Gas-At-Home (in der Zukunft).
Beide Komparatoren (40-41) werden unter Einsparung integrierter Schaltkreise mit Dioden logisch ODER-verknüpft, was das High-Signal angelangt, welches das Ereignis „Ladespannung ODER Ladestrom erreicht“ elektrisch widergibt. Über einen Widerstand lädt dieses Ereignis/Signal einen Kondensator (42) mit einer relativ kurzen Zeitkonstante z.B. 1 Sekunde.
Der Kondensator (42) speist eine Komparator-Ausgangsstufe (43) mit Hysterese - also verzögertem Rückfall der Komparatoren durch positive Rückkopplung. Diese Komparator-Ausgangsstufe zeichnet sich erfindungsgemäß durch eine ansteigende Schaltschwelle aus (hier ist also nicht unsere Referenzspannung am Minuspol sondern individuelle Pegel!), so dass zunächst das erste der Schaltglieder (32) für die sekundären Speicher zugeschalten wird, worauf in der Regel das Ereignis „Ladespannung ODER Ladestrom erreicht“ erlischt, der entsprechende Komparator (40-41) mit seinem Ausgang auf NULL zurück geht und die Ladung des Kondensators (42) gestoppt wird und somit kein weiterer der Komparatoren der Ausgangsstufe (43) anspricht, da ein nicht mehr ansteigender Pegel des Kondensators die ansteigenden Schaltschwellen unserer Ausgangsstufe (43) nicht weiter erklimmen kann.
Die Entladung des Kondensators (42) kann auf Grund der genannten Dioden in der analogen ODER-Verknüpfung der Komparatoren (40-41) nicht über dieselben erfolgen sondern muss über die Komparator-Ausgangsendstufe (43) und deren Widerstände erfolgen - im Wesentlichen über die Rückkoppelwiderstände all derjenigen Komparatoren, welche an ihrem Ausgang noch den Wert NULL besitzen.
Erfindungsgemäß ist diese Zeit sehr lang, so dass sich Rückfallzeiten der Schaltglieder (31-32) von über 1 Sekunde, idealerweise über 1 Minute ergeben. Wodurch man es sich leisten kann, die entsprechenden Schalter (31-32) sehr langsam und sanft zu schalten (z.B. durch entsprechend Gate-Widerstände welche die Gate-Source Kapazität mit einer RC-Konstante laden müssen), wodurch zwar die Verlustleistung im relativ langen Schaltvorgang entsprechend relativ groß ist, die emittierten elektromagnetischen Wellen jedoch minimiert werden.
Langzeitkosten von Nebenwirkungen gerade im Bereich EMV sind ein großes Streitthema und nur sehr schwer zu erfassen.
Nicht auszudenken, wir installieren 2 Milliarden taktende Umrichter-Systeme und merken dann, dass negative Wechselwirkungen mit Flora, Fauna, Menschheitsfamilie entstanden sind. Insbesondere unter Berücksichtigung des möglichen Transportes unruhiger Taktungen über die langen Überlandleitungen im 400kV Bereich.
Nach einem Rückfall der Schaltglieder hat sich die Situation entweder entspannt - es wurde Strom aus der Batterie entnommen und es passt somit wieder etwas Strom hinein - oder das Ereignis „Ladespannung ODER Ladestrom erreicht“ wird unmittelbar wieder erkannt und führt innerhalb der definierbaren Ladezeit des Kondensators (42) zum erneuten beschriebenen Schaltvorgang mit der beschriebenen erfindungsgemäßen langen Rückfallzeit der Schaltglieder (31-32).
Zu beachten ist, dass der Kondensator (42) im Moment des Rückfalles eines Schaltgliedes (31-32) nicht wieder bis auf NULL entladen wurde, sondern nur soweit die Hysterese der Komparator-Ausgangsstufe eben eingestellt ist und somit nach erstmaliger Detektion des genannten Ereignisses die folgenden Detektionen und damit ein Ansprechen der Schaltglieder (31-32) schneller erfolgen.
Nicht zu verwechseln: der Schaltvorgang selbst bleibt sanft und langsam - er findet lediglich früher statt als bei Reset des Kondensators (42) auf NULL bei Ereignis-Ende.
Das ist ganz geschickt, weil so wird alle paar Minuten bei bereits voller Batterie und fehlender Leistungsentnahme und rückfallendem Schalter nicht unnötig lange Strom nachgeladen.
Bleibt das Ereignis „Ladespannung ODER Ladestrom erreicht“ bestehen, so schalten sequentiell alle Schalter (32) alle vorhandenen sekundären Speicher (103) zu und alle weiteren Schalter (31) und damit alle Gleichstromkanäle (101) i.d.R. Photovoltaik-Stränge ab.
Früher oder später sollte das Ereignis nun an der Eingangsstufe (40-41) verschwinden.
Um eine Entladung des Kondensators (42) dann immer noch zu ermöglichen und eine Sackgasse der analogen Intelligenz zu vermeiden muss je nach Ausführung der Komparator-Ausgangsstufe ggf. ein hochohmiger Widerstand parallel zum Kondensator geschalten werden.
In der Dimensionierung der Rückkoppel-Widerstände und der Schaltschwellen der Ausgangsendstufe (43) und einem ggf. zusätzlichen Entladewiderstand des Kondensators (42) ist etwas Gefühl und eine feine Anpassung erforderlich um mit einem Minimium an Bauteilen und Spannungsteilern auszukommen. Grundsätzlich gibt es hier zwei verschiedenen Wege: eine gemeinsame Referenzspannung an alle Minus-Eingänge der Komparatoren (43) und das Signal des Kondensators (42) über individuelle Spannungsteiler an die Pluseingänge der Komparatoren (43). Oder eine gemeinsame Speisung der Pluseingänge der Komparatoren (43) über den Kondensator (42) und eine individuelle (aufsteigende) Referenzspannung an die Minuseingänge der Komparatoren.
Kritische Fehler im System sollen im ordnungsgemäßen Betrieb nie auftreten dann aber zu einer Auslösung des galvanischen Trennelementes (35) führen: idealerweise ein zweipoliger Sicherungsautomat wie eingezeichnet, alternativ ein Relais, dessen ordnungsgemäße Verbauung dem Fachmann einleuchtend ist.
Kritische Fehler können sein: Übertemperatur (50) welche mit PTC, NTC Schaltungen intern (oder auch extern) gemessen und mit Spannungsteilern auf Maß gebracht und mit Überwindung der Schwellspannung einfacher Dioden oder Zener-Dioden und schlussendlich einem Diac (52) zu einer sicheren Auslösung eines elektronischen Schalters (34) zur Zündung von Sicherungsautomat (35) oder Relais führen können.
Kritische Fehler können sein: Überspannung (51) welche mit einer Zener-Diode hinreichend präzise indikiert und mit einem Diac (52) hinreichend sicher getriggert werden kann zu Auslösung von Schalter (34) und Automat (35) oder Relais.
Kritische Fehler können sein: Tiefe Entladung (nicht eingezeichnet). Arbeitet man hier mit Zenerdioden wie bei der Überspannung, so ist eine analoge Inversion zu verwenden, die mit zwei Transistoren leicht realisiert werden kann, wobei Transistor1 durch Plus an der Basis eigentlich immer schaltet aber von Transistor2 die Basis und den Emitter kurzgeschlossen bekommt, falls Transisor1 schaltet.
Bei der Temperaturüberwachung kann man selbstverständlich auch einen Komparator verwenden - aber wozu. Bei einer Übertemperatur in einem trägen System kommt es auf ein paar Grad Toleranz nicht an, bei der angestrebten überdimensionierten Auslegung der Bauteile (50-83 Jahre Produktlebenszeit!) tritt der Fall nie auf. Und wenn: dann ist es gar nicht schlecht, wenn ein Mensch vor Ort kommen muss und den Automat (35) wieder umlegen und sich ggf. ein Bild der Lage machen oder sich wenigstens ein paar Gedanken.
Bei den Überspannungs/Tiefentladungsüberwachungen ist der Komparator eine ernstzunehmendere Alternative, da sich damit präziser arbeiten lässt.
Die Variante mit Zener-Dioden und ggf. analoger Inversion können idealerweise sehr gut als zweite Redundanz verwendet werden und helfen die wertvolle Batterie sicher zu schützen und Folgeschäden damit teure Nebenwirkungen zu vermeiden.
Erste Redundanz für Überspannung stellt die einfach-robuste Komparator-Einheit (40) bereits dar. Ein angeschlossener bidirektionaler Umrichter (105) hat in der Regel sogar hinreichend Möglichkeiten für eine solide Einfehlersicherheit. Man muss aber aufpassen, dass der Umrichter mit seinem Strombedarf und fehlender Speisung der Batterie (102) durch die Quellen (101) die Batterie nicht versehentlich tiefentlädt.
Ein etwaiger angeschlossener Umrichter (105) sollte im Einspeisebetrieb eine leicht höhere Entladeschlussspannung besitzen als die Gleichstromleistungsnabe selbst.
Eine kombinierte Auslösung des Automaten (35) bei nicht zu stoppendem Ende des Ereignisses „Ladespannung ODER Ladestrom erreicht“ über einen zusätzlichen und finalen Komparator in der Ausgangsstufe (43) bietet hier eine weitere Sicherheit.
Ein etwaiger angeschlossener Umrichter (105) sollte im Ladebetrieb eine leicht niedrigere Ladeschlussspannung besitzen als die Gleichstromleistungsnabe selbst.
Wenn der Automat zu oft auslösen sollte auf Grund von Ereignissen über den Kondensator (42) und den finalen Komparator lässt sich der finale Komparator mit dem entsprechenden Ausgangspin einfach deaktivieren, indem man den Pin heiß macht und anhebt oder einen Dip-Switch in der Schaltung öffnet Das verstehen wir unter Micro-Open-Repair auf Facharbeiter-Niveau für lokales Empowerment als eine mögliche positive Nebenwirkung der Erfindung.
Die Schalter (33) der Gleichstromkanäle (104) sind freigeschalten sofern dies die Ladespannung der Batterie erlaubt. Spannungsteiler und Komparatoren mit Hysterese machen hier einem dem Fachmann verständlichen Job. Redundanzen mit einfachen Bauteilen wie gehabt sind möglich.
Es bietet sich an, einen Herz-Bereich der DC-WABE, also einen besonderen Kanal länger mit Strom zu versorgen als einen (oder mehrere) andere Kanäle: hier lassen sich wichtige Verbraucher wie Licht, Steuerungen, Internet und Telefonie versorgen auch wenn die „Kraft- und Luxuskanäle“ schon - bei einer höheren Ladespannung - abgeschaltet sind. Gleichsam kündigt das Abschalten der „Kraft- und Luxuskanäle“ unmissverständlich einen niedrigen Ladestand der Batterie an und bezieht den Menschen so aktiv in ein wichtiges Verständnis und Bewusstsein seiner Ressourcen mit ein.
Positive Nebenwirkungen. 2 Milliarden solcher Systeme reichen ja nur zum Replace von einem Drittel des Weltkohlebedarfes, welcher aber steigend ist! Und 2 Milliarden solcher Systeme kosten schon 4-6 Tausend Milliarden Dollar (4-6 Trillions) und das auch nur zu den erhofften Gigafactory-Preisen.
Die Rückfallzeiten dieser DC-Kanäle (104) lässt man ebenfalls am besten im Minutenbereich. Für eine zusätzliche Ruhe in den Schalthandlungen (33) der DC-Kanäle sowie der kritischen Überspannungsauslösung (51 und 34) und der Tiefentladeauslösung (Detektion nicht eingezeichnet) sollten RC-Glieder mit Kondensatoren sorgen um ein Flackern sowie Fehlauslösungen zu vermeiden.
Man sieht in 3, dass die Minuspole (2, 4, 6, 7, 10, 12) der Stromquellen unterhalb der GND-Linie (Anschlusskontakt 24 sowie alle Source/Emitter - Kontakte der Schaltglieder 32 und 33) liegen.
Eine Ansteuerung deren Schaltglieder (31) erfolgt am besten so, dass die Schaltglieder mit Ihrem Gate/Basis Anschluss über einen Widerstand direkt an PLUS (23) hängen und somit „von alleine“ zugeschalten werden und folglich „künstlich abgeschaltet“ werden müssen. Dies kann geschehen, indem man die genannten Gate/Basis Anschlüsse mit einem galvanisch getrennten Schaltelement z.B. Optokoppler oder Relais mit ihrem Source/Emitter Anschluss kurzschließt.
Wie bei der analogen Inversion (s.o.).
Wir sprechen hier von den üblichen N-Kanal Mosfets / npn-Transistoren und verwenden zum Schutz der Gate-Source / Basis-Emitter Spannung noch entsprechende Zener-Dioden Beschaltungen, wie dem Fachmann hinreichend bekannt. Diese Bauteile sind in einem Micro-Open-Repair nicht sehr angenehm zu tauschen, transportieren hohe Ströme, sollten daher wohldimensioniert, thermisch gut angekoppelt und am empfindlichen Gate hinreichend geschützt werden.
Bei Verwendung eines Relais als galvanisches Trennelement (35) wird man dieses auch „nach Einstecken selbstschaltend“ wie die Schaltglieder (31) der Stromquellen anschließen müssen und in diesem Fall die für die Selbstschaltung verwendeten Transistoren mit anderen Transistoren nach genanntem Prinzip des Zusammenkneifens der Gate-Source / Basis-Emitter Spannung „künstlich ausschalten“. Auf Grund der Tatsache, dass hier ein gemeinsamer GND (die Linie von Kontakt 24) Bezug vorliegt, erübrigt sich der Kunstgriff mit dem galvanisch getrennten Optokoppler/Kleinrelais.
Diese Schaltströme für idealerweise Optokoppler liegen bei 10mA pro Stromkanal (101) in der Summe also bis zu 60mA und machen idealerweise den Hauptanteil des Strombedarfes der analogen Intelligenz in der Steuerung aus.
Man kann in 3 an Hand der Komparator Gatter abzählen, dass hier mit 3-4 ICs mit je 4 Gattern die Logik bedient werden kann. Der LM2902 beispielsweise bietet sich an und benötigt laut Datenblatt von NXP nur 1 mW Leistung pro OP-Gatter und hat einen weiten (unempfindlichen) Versorgungsspannungsbereich von 3-30Volt. Auf jeden Fall ist unser zu erwartender Netzteilstrom ohne die 6 Optokopplerströme von insgesamt 60mA eher im Bereich 10-20mA anzunehmen.
Bei 60Volt Systemspannung und angenommenen zusätzlichen 60mA Netzteilstrom fallen demnach bei Ausschalten aller Stromquellen über ihre Schaltstufe (31) annähernd 4 Watt zusätzliche Leistung am Netzteil ab. Das Gute daran ist, dass dies einer Überladung der Batterie durch die mit den Rückfallzeiten der Schaltglieder etwa minütlich auftretenden Strom-Impulse entgegenwirkt. Da Gute ist auch, dass sämtliche Wärmeverluste über den Schottky-Dioden zu dem Zeitpunkt gegen NULL sind. Die zusätzlichen knapp 4 Watt tragen also nicht zu einer Überhitzung des Gehäuses bei und bedeuten auch keine Verlustleistung.
Was dem Elektroniker-Lehrling im ersten Lehrjahr naheliegt: ein Netzteil aus einem schlichten Spannungsteiler aufzubauen liegt dem Entwicklungsingenieur in der heutigen Zeit ferner als alles.
Bei zu erwartenden 60-100mA Strombedarf ergibt sich in einer Multiplikation mit einer maximalen Schutzkleinspannung von 60Volt eine Verlustleistung von 3.6 bis 6 Watt bei Verwendung eines trivialen Netzteils bestehend aus dem Spannungsteiler eines Leistungswiderstandes und einer Zener-Diode mit idealerweise 10-15 Volt. In einer gehobeneren Ausführung kann ein schleifender Transistor mit entsprechender Zenerdiode an Gate/Basis verwendet werden - dies verhindert die Quer-Verluste im belasteten Spannungsteiler. Alle solche Schaltungen sind einfachen Tabellenbüchern (Friedrich) oder Basisliteratur zu elektronischen Schaltungen zu entnehmen und werden hier nicht weiter als Zeichnungen aufgeführt.
Idealerweise wird der Transistor durch einen über dem Drain/Kollektor befindlichen Leistungswiderstand entlastet.
Zwei 5Watt-Widerstände im Spannungsteiler des Netzteils stellen hier eine adäquate Überdimensionierung im Sinne einer Lebensdauer von 50-83 Jahren dar.
Eine Leistungs-Zener Diode parallel zur Netzteilspannung von 10-15Volt mit einem Wert von 11-16Volt würde im Falle eines Versagens des schleifenden Transistors die Netzteilspannung in Verbindung mit dem genannten Entlastungs-Leistungswiderstand (die zwei 5Watt-Widerstände) oberhalb von Drain/Kollektor „auffangen“ und eine Beschädigung der ICs verhindern.
Micro-Open-Repair bedeutet nicht, dass ständig was kaputt gehen soll.
Theoretisch könnte diese Zerstörung des ursprünglichen Netzteils am Spannungshub (z.b. von 12Volt auf 14Volt) detektiert und einem Komparator zugeführt werden, welcher dies als kritischen Fehler auffasst den Automaten (35) auslöst und zur Reparatur rufen um nach einer Ursache zu forschen.
Die Wahl der Spannungsversorgung von 10-15 Volt hat zweifachen Grund: zum einen muss die Spannung hoch genug sein, um eine sinnvolle Quantifizierung der Schaltschwellen der Komparatoren (43) zu gewährleisten inklusive Hysterese: dazu braucht man möglichst einen großen Spannungsbereich. Zum anderen wählen wir die Spannung niedrig genug um die Gates unserer Schalter (üblicherweise Gate-Source 20V MAX) nicht zu gefährden und uns hier weitere Schutzbauteile (z.B. die oben genannten Zenerdioden - also braucht man die doch nicht unbedingt) zu sparen. Außerdem wollen wir zur maximalen Spannung der Komparatoren (30Volt) einen ausreichenden Sicherheitsabstand.
Micro-Open-Repair bedeutet nicht, dass ständig etwas Kleines kaputt gehen soll.
Jegliche EMV Filter können wir wahrscheinlich weglassen oder minimieren auf Zenerdioden, Varistoren und Kondensatoren.
Wir erzeugen keine EMV, weil wir es uns leisten können, sanft und schleifend zu schalten - wegen der langen erfindungsgemäßen Rückfallzeiten im Minutenbereich. So lange hat jeder Schalter Zeit sich von der Kraftanstrengung des langsamen Schaltens abzukühlen und damit zu erholen.
Wir sind nicht anfällig für EMV weil wir keine sensiblen Bauteile im 3V3 Bereich verwenden sondern lediglich robuste Komparatoren mit 15 Volt Luft zum Anschlag.
Elektrolytkondensatoren, die über die Jahre austrocknen können wir uns komplett sparen - wir verwenden nur langlebige robuste Bauteile.
Shunts und Leistungswiderstände schalten wir lieber mehrfach parallel und belasten nur um 50% deren Nennleistung bei zu erwartender Umgebungstemperatur unseres Gehäuses.
Schottky-Dioden (30) und Leistungsschalter (31-33) dimensionieren wir ebenfalls lieber um 30-50% über und sorgen für eine gute Temperaturanbindung.
Den elektronischen Schalter (34) schließen wir im Falle der Verwendung eines LS-Schalters (35) an verlötete Klemmbuchsen an zur einfachen Reparatur im Falle einer Zerstörung - so braucht man die Platine nicht einmal auszubauen sondern tauscht den FET wie eine Sicherung.
Leistungskontakte (1-20) legen wir im Layout als „Multiple-Choice“ aus: für manche Kunden sind kostengünstige 6.3mm Fähnchen zum Stecken von Quetschverbindern erste Wahl für andere werden Premium-Snap-In Kontakte von WAGO o.Ä. bevorzugen.
Leistungskontakte (21-24) für Batterie und Wechselrichter werden mit bis zu 63 Ampere und mit 16qmm angeschlossen und werden entsprechend robust ausgelegt um die erwünschte Lebensdauer von 50-83 Jahren erreichen zu können.
Specials für den Kundenkomfort wäre mindestens ein Voltmeter zur Visualisierung der Batteriespannung - gerne auch mit vorgeschalteter 45Volt ZenerDiode, so dass ein 15 Volt Messbereich den wichtigen Bereich in Vergrößerung darstellt. Abgriffe und Zener Diode am besten auf der Platine.
Specials für den Kundenkomfort wären der genannte Wahlschalter am besten mit 4 Schaltstellungen, welcher so geschickt in die Messwandlung (41) des Ladestromes verschalten ist, dass sich hier der maximale Ladestrom der Batterie in klar definierten Schritten von 40-30-20-10 Ampere bzw. 60-45-30-15 Ampere einstellen lassen. Dies stellt gleichsam eine Priorisierung: primärer Speicher - sekundärer Speicher dar, so dass der Anwender entscheiden kann: heute möchte ich erstmal warmes Wasser (10A) - die Batterie kann warten.
Die Realisierung ist trivial: in einem Spannungsteiler werden entweder kein (Schalterstellung=0) Widerstand mit eingeschalten oder im entsprechenden Teilerverhältnis in den Schaltstellungen 1 bis 4 zu einem Widerstand welcher auf den Abgriff des Shunt (36) Spannung folgt.
Specials für den Kundenkomfort wäre ggf. ein ebensolcher Wahlschalter für eine Feinjustierung der Batterie-Ladeschluss-Spannung sowohl im Maximum als auch Minimum, so dass die Temperaturabhängigen Bleibatterien besser bedient werden können in Abhängigkeit der jahreszeitlichen Umgebungstemperatur.
Umrichter können Strom in nahezu beliebig kleinen Größen bereitstellen und in der Batterieladung somit den Ladeschluss perfekt vollenden. Wie funktioniert dies bei der Gleichstromleistungsnabe, welche ja nur relativ grob einen 10-15 Ampere (Peak) Kanal von Solarmodulen abschalten kann?
In der Realität ist der Ablauf eines Tages in der Gleichstromnabe mit bis zu 90 Ampere zum einen zwar mächtig wie ein Feuerdrachen, zum anderen jedoch überschaubar langsam und mit der gütigen Ruhe einer Schildkröte zu managen. Die 10-15 Ampere Peak vom letzten verbliebenen Solarstrang im Falle des Erreichens der Ladeschlussspannung sind Peak-Werte für den Fall eines optimalen Sonneneinstrahlungswinkels auf den Modulstrang. Von der Gleichstromnabe betrachtet beschreibt die Sonne jedoch einen Bogen von Ost nach West wodurch sich bei einer Südausrichtung der Module bereits ab z.B. 14 Uhr Nachmittag schon ein deutlicher Austritt aus dem optimalen Ertragswinkel einstellt, welcher sich über Stunden bis z.B. 18 Uhr hinzieht. Bei Rückfallzeiten des letzten Schaltgliedes im mindestens Minutentakt wird nun 30-60 mal pro Stunde also im Beispiel 120-240 mal in den genannten 4 Stunden eine Probe gemacht, ob der Strom nun geeignet sei, für eine balancierende Vollladung der Batterie. Bei jeder Probe die eine geringe Zeit geeignet ist, wird zum Balancing der Batterie beigetragen. Zudem können in dieser Zeit Energieeinheiten aus der Batterie über die anderen Kanäle (103-105) entnommen werden so dass auch schon frühzeitig wieder größere Strommengen für eine gute Balancierung geeignet sind. Vor dem kompletten Ende der Bestrahlung des Modules ergeben sich in der Praxis sicher ausreichende Zeiten mit 1-2 Ampere sanfter Vollladung.
6. Gleichstromleistungsnabe - Wirkungsgrad und Kosten - eine Abschätzung
Jede Gleichstromquelle bei Anwendung Photovoltaik wird 10 -15 Ampere liefern. Wir rechnen mit 10A und setzen die Ergebnisse für 15A in Klammern dahinter

Verluste je Schottky-Diode: (U × I) 10A × 0.5V = 5W (7.5W)

Verluste je Schalter: (I² × R) (10A)² × 10mOhm = 1W (2.25W)

Verluste Shunts: (I² × R) (10A)² × 20mOhm= 2W

(hier wird für je 10Ampere maximal zulässigen Strom ein 5W Shunt / 20mOhm verbaut. Bei 40Ampere maximalem Strom ergibt sich in der Summe durch Parallelschaltung ein 5mOhm Shunt. Bei 60Ampere maximalem Strom ein 3.3mOhm Shunt. Am OPV (41) der Strommessung kann man mit dem Verstärkungsfaktor den Messwert justieren unter Einbeziehung der Kontaktwiderstände. Durch die zusätzliche Bestückung oder Entfernung von Shunts kann man hier direkt den maximalen Strom einstellen.)
Ohne die Verluste an Klemmen und Automaten ergibt sich somit eine Summe der Verluste von: Schottky-Dioden: 6x5W=30W (45W) Schalter: 6×1W= 6W (15.5W)
Shunts: 6x2W = 12W (bleibt 12W wegen alternativen Shunt und 60Ampere maximalen Shuntstrom) macht in der Summe: 48Watt (72.5Watt) bezogen auf 3.000Watt (4.500Watt) Leistungsumsatz bezogen auf 50Volt.
Wir rechnen mit 50 Volt statt mit 60Volt um dem Fehler zu unseren Gunsten den wir mit Unterschlagung der Leistungsfälle an Automat und Kontakten gemacht haben entgegen zu wirken.
Dies entspricht einem Wirkungsgrad von starken 98% bei 10Ampere und annähernd 98% bei 15Ampere.
Der Strom von 6x15Ampere=90Ampere ist zwar zu groß für die Batterie bei geplanter 63Ampere Absicherung und 60Ampere Shuntstrom, kann aber über die sekundären Speicher (103) die DC-Kanäle (104) oder den Wechselrichter (105) durchaus umgesetzt werden.

Die Schottky Dioden sind das Nadelöhr und bedürfen besonderen Schutzes, dh guter Kühlanbindung. Wer sie weglassen möchte, weil er nicht um einen Modulbrand im Fehlerfall fürchten muss auf Grund neuer Entwicklungen in diesem Bereich oder Aufgrund des Aufstellortes der Module spart hier die Hälfte aller thermischen Verluste ein.

Kosten - eine Abschätzung
Schottky-Dioden und Schalter:	1$/Stück -> 20$
Leistungsteckverbinder:	1$/Stück -> 15-45$ (je nachdem ob Hutschienenklemmen dazu kommen oder direkt auf der Platine mit Flachsteckverbindern angeschlossen wird.)

Sicherungsautomat, zweipolig, 40-60Ampere →	→ 20$
Platine und SMD Bestückung →	20$
Messgerät Voltmeter	20$
Gehäuse z.B. Alu-Rahmen-Konstruktion	40$ (ASS in der Schweiz liefert ASS110 Rahmen, die geeignet wären, individuell ablängbar, wie ein Bausatz zu verschrauben und mit Abdeckungen sowie Bodenblechen größtenteils geschlossen werden können aber von unten mit Bürstenprofilen einen schönen Zugang für die vielen Anschlussleitungen für die Leistungskontakte (1-24),halb-offen' lassen.

SUMME MATERIALKOSTEN: und Ausführung

120-160$ je nach Einkaufsvolumen

Man vergleiche den möglichen Verkaufspreis mit einem 3.000Watt Umrichter und rechne dann noch die mehrmaligen Wiederanschaffungskosten des Umrichters während der für eine sinnvolle Energiewende benötigten System-Lebensdauer von 50Jahren hinzu. Obendrein bietet die Gleichstromleistungsnabe eine Eigenstromoptimierung mit den sekundären Speichern (103) und eine Notstromlösung - direkt aus den DC-Kanälen (104) - jederzeit schwarzstartsicher.
7. Variationen
Was kann man anders machen? Wie könnte eine alternative Lösung unter Beibehaltung der essentiellen Grundgedanken aussehen?
Microcontroller -> man könnte einen Microcontroller aussuchen oder designen, der relativ einfach gestrickt ist, wenig Strom benötigt, mit einer niedrigen Taktfrequenz betrieben wird, eine hohe Robustheit gegenüber möglicher EMV Spitzen aufweist oder in Watte gegenüber denselben eingepackt ist und diesen ebenfalls am „Spannungsteiler-Netzteil“ betreiben. Idealerweise würde man eine Sockelausführung oder ein Stück Platine mit Sockelausführung verwenden um im Fehlerfall das „Micro Open Repair“ Konzept durch simplen Microcontroller-Platinen-Versand umsetzen zu können. Was jedoch könnte ein Microcontroller besser managen als die vorgestellte Analoge Intelligenz? Man könnte ihn leichter anpassen durch lokales Softwareupdate (anspruchsvollere Ausbildung benötigt) auf sich im Laufe der Zeit ggf. verändernden Batterieparameter bei neu entwickelten Batterien mit anderen Materialien - in der Analogschaltung wären dazu lokale Lötarbeiten im Bereich der Spannungsteiler (40, 60) nötig. Eine Internetanbindung mit Remote-Update frisst gleich wieder so viel Strom, dass die Idee mit dem einfachen Netzteil dahin ist und zusätzlich EMV Filter eingebaut werden müssen. Ein Microcontroller könnte jedoch Bauteile sparen und die Platine kleiner gestalten lassen. An für sich ist genügend Platz, da die vielen Schalter und Schottky Dioden selbst bei Platinenumkreisender Anordnung schon eine Fläche etwas kleiner als eine Tafel Ritter-Sport-Schokolade aufspannen.
Beide Variationen: Analoge Intelligenz oder robuster Microcontroller sind mit dem ruhigen Herzschlag einer Schildkröte sowohl in Leistungs- als auch Steuerteil vereinbar.
Noch ein sehr ruhiger Quarz sorgt für einen ruhigen innere Vorgänge im Microcontroller.
Ansonsten ist es mit dem definierten geringen Strombedarf schwierig zusätzliche Features draufzupacken. Weglassen kann man im Prinzip auch nichts mehr. Die Auslegung auf 6 Stromquellen Strings reizt das Maximum der 63Ampere Architektur bis ans Limit aus und gibt mit den 12 Modulen bezogen auf ein 50Volt System nahezu jedem Dach eine faire Chance auf eine Teilnahme am Gleichstrom-Naben-System. Durch die parallele Verschaltung der Stromquellen sind Verschattungen kein Problem, Ost-West-Anlagen können mit auf dem Dach installierten Y-Verbindern sogar mit bis zu 24 Modulen an die Gleichstromleistungsnabe angeschlossen werden.
Smarte Features wie schon angedeutet würden ein separates Netzteil benötigen.
8. Ausblicke -Level1 bis Level4
Im Westen wo ich lebe haben wir fertig verdrahtete Häuser im 230/400 Volt Netz - hier sind die Gleichstromkanäle (104) der Erfindung zunächst Bastlern vorgesehen, wobei deren Lebenserwartung die idealerweise vorgesehene Schutzkleinspannung von 50-60Volt Batterien und zwei seriellen Modulen entgegenkommt. Über den sekundären Speicher (103) bietet sich hier erfindungsgemäß die Möglichkeit den Umrichter (105) zu reduzieren und den Stromumsatz in möglichst kleinem Kreis zu führen. Damit trägt die Erfindung dazu bei den Spagat: möglichst viel Photovoltaik dazubauen (Energiewende) möglichst wenige Umrichter im Netz haben (Stabilität, EMV) besser als bisher zu meistern. Umrichtern wird heute teilweise schon normativ ein Einspeiselimit (60%-Regel) verordnet, in Frankreich wurden zur Mittagszeit einspeisende Umrichter schon zu einer Zahlung für die eingespeisten kWh verordnet (Strombörse, Angebot-Nachfrage) und es gibt Untersuchungen zur Auswirkung auf die Sekundenstabilität bei weiter zunehmendem Verlust von Schwungmasse im Netz durch die Abschaltung von Kraftwerken (Turbine=schwer, rotierend = Schwungmasse).
Das Umrichterkonzept bremst die Energiewende (die es ja jedenfalls bis 2015 wie eingangs erwähnt noch nicht einmal gibt) de facto aus. Unpassendes künstlich passend zu machen funktioniert nicht im großen Stil. Das ist bisher ein besserer Feldtest, eine Bewährungsprobe, die Mängel sind bekannt und die vorliegende Erfindung soll helfen diese auf vorteilhaftesten, weil kürzestem Weg zu beseitigen.
Im Westen also weiterhin 230/400 Volt Konzept aber Reduktion der ins Netz speisenden Umrichterleistung. Wie sieht es jedoch global betrachtet aus? Welche Möglichkeiten bietet die Erfindung in den unterschiedlichen Gegebenheiten dieser Welt?
Hans Roslin hat in dem eingangs erwähnten Buch „Factfulness“ die Welt in 4 Einkommenslevel eingeteilt, wobei sich das Einkommen von Stufe zu Stufe vervierfacht angefangen von

1$/Tag auf Level1 über
4$/Tag auf Level2 über
16$/Tag auf Level3 bis
64$/Tag auf Level 4.

Anschaulicher werden die Lebensrealitäten der einzelnen Levels, wenn man die verfügbare Mobilität betrachtet:

1 Milliarde Menschen (Level4) haben Autos -
1 Milliarde Menschen (Level1) haben nicht einmal ein Fahrrad.

Die Mehrheit der Menschen ist mit Fahrrädern (3 Milliarden auf Level2) bzw. mit motorisierten Fahrrädern (2 Milliarden auf Level3) unterwegs.
Auf Level1 kann man mit PV, BAT und der Erfindung anfangen pro Dorfgemeinschaft eine Art Zentrums - WABE und dort z.B. Schule, Arzt, Kommunikation oder Bildung einrichten und Licht nach Sonnenuntergang und Internet. Am Tag laufen Wasserpumpen und nehmen vor allem Frauen diese Arbeit ab. Die Erfindung ermöglicht modularen Ausbau mit weitern Quellen (101), größerem Speicher (102), zusätzlichen Puffern (103).
Wenn sich je 50 Menschen eine derartige WABE teilen und diese §5.000 kostet, dann kann man mit §100 Milliarden 20 Millionen solcher WABEN installieren.
Es bietet sich an, 200 Millionen Fahrräder hinzuzufügen, wobei sich hier bei Kosten von §100 pro Fahrrad weitere $20 Milliarden ergeben und wenigstens ein Fahrrad pro 5 Menschen (Familie) überall auf der Welt zur Verfügung steht.
Das gibt Hoffnung, eine faire Chance und reduziert negative Migration: Stupid Mobility - lebensqualitätsfreie Bewegung mit hohen Folgekosten.
Im Gegenteil: wo es Fahrräder und Licht nach Sonnenuntergang gibt, vielleicht gehe ich da ja am Ende meines Lebens oder als Jakobsjahr mal hin. Lebe und lehre und lerne dort.
Das gibt noch mehr Hoffnung und noch bessere Chancen. Smart Mobility - lebensqualitätsfördernde Bewegung und Reisen.
Auf Level2 wird die Erfindung einfach weiter verbreitet sein als auf Level1.
Auf Level3 wird es Mischstrukturen mit dem230/400 Volt Netz häufiger geben, also der Umrichteranschluss wird genutzt.
Zu beachten ist Folgendes: man benötigt in der DC-WABE, also einem System bestehend aus der Erfindung und Quellen(101) und Speichern (102-103) nicht zwingend eine komplette Installation durch das ganze Haus. Die Leitungen müssen bei der vorzugsweisen Schutzkleinspannung bereits ab 1500Watt/30Ampere mit 6qmm ausgeführt werden. Idealerweise installiert man um die Gleichstromleistungsnabe und nahe der Batterie große Verbraucher wie Waschmaschinen und zieht von dort auch Leitungen zu Internet und zentralen Steuerungseinheiten wie Heizung und Licht wo weit möglich.
Aber in nicht verkabelte Zimmer des Hauses kann man gut Fahrrad-Akku ähnliche Einheiten tragen, abstellen und dort vor Ort Verbraucher oder im Zimmer micro-lokal also vorgesehene Verkabelungen, Verteiler anschließen. Ist der Akku leer lädt man ihn an der Gleichstromleistungsnabe neu auf.
Man bekommt so ein sehr gutes Gefühl für Energiemengen und Effizienz als positive Nebenwirkung.
Man kann auch wirklich eine neue Art Fahrradakkus verwenden - die Mobilität der Welt ist ja zweirädrig zu über Zweidritteln!
Ideal wäre, der neue Fahrrad-Akku hat oben gleich ein feines Licht dran, welches man anknipsen kann und gerade bei Dunkelheit den Akku wie eine Laterne durchs Haus an den gewünschten Ort tragen.
Eine direkte Lademöglichkeit für Akkus über die Gleichstromleistungsnabe ist natürlich die Parallel-Schaltung zum Hauptakku. Dazu kann z.B. der Port für den Wechselrichter (24-24) mitgenutzt werden. Ein Problem bei der Parallelschaltung von Akkus ist immer: dass bei unterschiedlichem Ladestand sehr hohe Ausgleichsströme fließen können. Abhilfe kann man hier gerade bei Lithium-Batterien mit sehr kleinem Spannungsfenster mit folgender Lösung schaffen, wo sich zwischen 12 und 100% SOC alles zwischen 55 und 58 Volt abspielt: man schaltet zwischen die auszugleichenden Akkus einen PTC Widerstand mit z.B. 3Volt/10A/30Watt: Bei einer Batterie mit 55Volt welche mit einer 58Volt Batterie verbunden wird, wird der Ladestrom auf 10A gedrosselt. Der PTC hat dann einen Widerstandswert von 300mOhm bei 30Watt Erhitzung. Fällt der Spannungsfall über dem Widerstand auf 1Volt könnten sich z.B. folgende Werte ergeben: 1Volt/20A/20Watt. Der PTC hätte dann einen Widerstandswert von 50mOhm bei 20Watt Erhitzung. Die Ausgleichsladung findet aber nun doppelt so schnell statt. Wird eine 50Volt (Fahrrad)Batterie auf diese Weise eine halbe Stunde mit 20A geladen so erhält sie eine Ladung von 10Ah -> das sind 500Wh, damit kommt man gut 50km mit zusätzlicher eigener Kraftanstrengung mit dem Fahrrad, damit kann man 100h eine LED Lampe betreiben oder 10h einen Laptop.
Vielleicht könnten starke Glühbirnen mit Wolframdraht oder Ähnlichem die genannte PTC-Charakteristik erzielen. Da werden Temperaturen um 2.000°C erreicht, wodurch sich ein solch extremes PTC Verhalten vielleicht erzielen ließe. Außerdem wird am Glühen des Wendels sehr schön das Ende des Ausgleichsladevorgangs visualisiert und man bekommt mit der Zeit ein besseres Gefühl für den richtigen Zeitpunkt des Parallelschaltens der mobilen Akku-Geräte.
Ein großer Teil Einsparung an Stupid Mobility kann jedoch mit den DC-WABEN und einer neuen Ordnung in der Struktur der Welt einhergehen: regionale Subsistenz mit kurzen (Fahrrad)wegen in friedlicher Koexistenz mit globalen Giga und Terra-Strukturen. Der BULK jedoch von Mobilität, Souveränität, Kultur, Arbeit und Lebensfreude kann in den WABEN stattfinden.
Gefällt die WABE nicht mehr - zieht man um. Freiwillig und in neue lebenswerte Räume mit einem neuen globalen Mindeststandard. Smart Mobility.
Es geht um einen neue Balance - eine friedliche Koexistenz moderner Hochtechnologien im Stile Elon Musk (Ad Astra!) getragen von belastbaren Simply Style Konzepten mit weiter globaler Verbreitung und einem Mindestlebensstandard (Fahrrad - Licht - Internet - Wasser) nach dem Muster natürlicher Kreisläufe - der Jongleur mit linker und rechter Hand und 2 Milliarden Bällen.
Dazu möchte die vorliegende Erfindung konstruktiv beitragen.
Bezugszeichenliste
Anmerkung: 1-24 sind in der Erfindung befindliche Kontaktanschlüsse Ausgeführt sind jeweils Kontaktpaare: Plus (dunkel) und Minus (hell)

1 - 12: Kontaktpaare Quellen
13-16: Kontaktpaare Sekundären Speicher
17-20: Kontaktpaare DC-Kanäle
21-22: Kontaktpaar Primärer Speicher
23-24: Kontaktpaar Umrichter
30: Schottky-Dioden
31: Schalter Quellen
32: Schalter Sekundäre Speicher
33: Schalter Kanäle
34: Schalter Galvanisches Trennelement
35: Galvanisches Trennelement
36: Strom-Messeinrichtung z.B. Shunt
37: Widerstand
40: Komparator-Eingangsschaltung: Ladespannung überschritten
41: Komparator-Eingangsschaltung: Ladestrom überschritten
42: Kondensator („Ladespannung ODER Ladestrom erreicht“)
43: Komparator-Ausgangsstufe mit Hysterese
50: Übertemperatur-Komparation: via Diode und Diac
51: Überspannungs-Komparation: via Z-Diode und Diac
52: Diac o.a. Schwellwert-Trigger-Schalter
60: Entladeschluss-Komparation der DC-Kanäle
100: Die Erfindung: Gleichstromleistungsnabe
101: Quellen
102: Primärer Speicher
103: Sekundärer Speicher
104: Kanäle
105: Umrichter
106: AC-Netz: z.B. 230V / 50Hz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017126996 A1 [0003]

Claims

Gleichstromleistungsnabe, umfassend eine Leistungs-Platine, umfassend eine erste Kontaktmöglichkeit für mindestens eine Stromquelle (101), mit vorzugsweise sechs Kontaktpaaren (1-12), umfassend eine zweite Kontaktmöglichkeiten für mindestens einen primären Speicher mit mindestens ein bis zwei Kontaktpaaren (21-22), umfassend eine dritte Kontaktmöglichkeit für mindestens einen sekundären Speicher (103), mit vorzugsweise 2 Kontaktpaaren (13-16), bevorzugt umfassend eine vierte Kontaktmöglichkeiten für mindestens einen Gleichstromkanal (104), mit zumindest einem, bevorzugt zwei Kontaktpaaren (17-18), bevorzugt umfassend eine fünfte Kontaktmöglichkeit für mindestens einen Umrichter (105), mit mindestens einem Kontaktpaar (23-24), umfassend zumindest einen ersten Schalter (31) für die Stromquelle (101), umfassend mindestens einen zweiten Schalter (32) für die sekundären Speicher (103), umfassend mindestens einen dritten Schalter (33) für den mindestens einen Gleichstromkanal (104), und umfassend eine Logik / Steuereinheit, die bevorzugt in die Leistungs-Platine integriert oder mit dieser lösbar kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückfallzeiten aller Schalter (31-33) im Durchschnittswert des Regelbetriebes betrachtet größer als 1 Sekunde sind, bevorzugt größer als 10 Sekunden, insbesondere größer als 100 Sekunden ist.
Gleichstromleistungsnabe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückfallzeiten aller Schalter (31-33) im für die Bereitstellung der wesentlichen Funktion vorgesehenen Abschnitt der Logik / Steuereinheit größer als 1 Sekunde sind, bevorzugt größer als 10 Sekunden, insbesondere größer als 100 Sekunden ist.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Logik/Steuereinheit, insbesondere der für die Bereitstellung der wesentlichen Funktion vorgesehenen Abschnitt der Logik/Steuereinheit, eine Ansteuerung der Schalter (31-33), und bevorzugt eine Bereitstellung einer internen Versorgungsspannung(en) für die Logik/Steuereinheit umfasst.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungskontakte (17-20) als vierte Kontaktmöglichkeit für wenigstens einen Gleichstromkanal (104) umfasst sind, wobei vorzugsweise für jeden Gleichstromkanal (104) ein dritter Schalter (33) vorgesehen ist.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungskontakte (23-24) als fünfte Kontaktmöglichkeit für wenigstens einen Umrichter (105) umfasst sind.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Kontaktmöglichkeiten für den primären Speicher (102) ein galvanischen Trennelement (35) vorgeschaltet ist, das als Relais oder Schütz ausgeführt ist.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Kontaktmöglichkeiten für den primären Speicher (102) ein galvanisches Trennelement (35) vorgeschaltet ist, das als ein 2-poliger Leitungsschutzschalter ausgeführt ist; wobei an dem 2-poligen Leitungsschutzschalter (35) überkreuz d.h. einmal auf der geradzahligen Anschluss-Seite, einmal auf der ungeradzahligen Anschluss-Seite ein Schalter (34) angeschlossen ist; wobei vorzugsweise ein niederohmiger Widerstand (37) in Reihe zu einer vorzugsweise elektronischen Ausführung des Schalters (34) vorgesehen ist.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellenkanäle (101) mit Schottky-Dioden (30) versehen sind, vorzugsweise in Bauform TO220 oder ähnlich.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schalter (31-33) als Feld-Effekt-Transistoren ausgeführt sind, vorzugsweise in Bauform TO220 oder ähnlich.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strompfad des primären Speichers (102) der zweiten Kontaktmöglichkeit vorgeschaltete Shunts (36) verbaut sind, vorzugsweise vier bis sechs Stück mit Widerstandswert von 15-25mOhm und Leistungswert von 3-6 Watt.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Kontaktmöglichkeit ein mehrpoliger Wahlschalter, vorzugsweise in vier- bis sechspoliger Ausführung vorgeschaltet ist, welcher in eine Messeinheit (42) eines Stromes des primären Speichers (102) eingreift, indem er in der Messeinheit (42) befindliche Widerstände mit jeder Schalterstellung durch einen anderen Widerstandswert ersetzt; so dass sich vorzugsweise mit dem Wahlschalter ein maximaler Stromfluss in den primären Speicher (102) in vier bis sechs Schritten einstellen lässt.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein logischer Kern der Logik/Steuereinheit mindestens drei und maximal fünf Komparatoren umfasst.
Gleichstromleistungsnabe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungskontakte auf Hutschienen o.Ä. angeordnet sind, welche mit den Leistungskontakten (1-24) auf einer Platine der Gleichstromleistungsnabe verbunden sind.