DE102020205646A1

DE102020205646A1 - Verwendung einer PTC-Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE102020205646A1
Application number: DE102020205646.3A
Authority: DE
Inventors: Kurt Walz; Sascha Barner; Herbert Weisenburger
Original assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Catem GmbH and Co KG
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2021-11-11
Also published as: CN113606790A; US20210352769A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Verwendung einer an sich bekannten PTC-Heizvorrichtung zur unmittelbaren Umwandlung von elektrischer Energie in Form einer Gleichstromspannung eines Photovoltaik-Moduls in Wärme. Diese Wärme wird bevorzugt in einen Kreislauf eingebracht, in den zumindest ein wärmeabgebender Wärmetauscher beispielsweise in Form eines Heizkörpers integriert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Verwendung einer PTC-Heizeinrichtung.
PTC-Heizeinrichtungen sind insbesondere als Luft- oder Wasserheizer in einem Kraftfahrzeug bekannt. EP 334 242 A1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung, bei welcher PTC-Heizeinrichtungen in eine Aufnahme einer Trennwand eingesetzt sind und mit der Trennwand abgedichtet steckkontaktiert sind. Die Trennwand trennt eine Anschlusskammer von einer Heizkammer. Auf der der Heizkammer abgewandten Seite und innerhalb der Anschlusskammer befindet sich eine Einrichtung zur Kontaktierung von mehreren PTC-Heizeinrichtungen. Die PTC-Heizeinrichtungen haben jeweils einen Rahmen, in dessen Rahmenöffnung jeweils zumindest ein PTC-Element aufgenommen ist, welches beidseitig mit Leiterbahnen ausbildenden Kontaktblechen versehen ist. Diese Kontaktbleche können auf unterschiedliche Weise gegenüber der Heizkammer so vorgesehen sein, dass sie nicht mit dem zu erwärmenden Medium in Kontakt treten.
Diesen allgemeinen Aufbau macht sich auch die vorliegende Erfindung zunutze. Die PTC-Heizeinrichtung kann dabei auch in eine Aufnahmetasche eingesetzt werden, die von der Trennwand in Richtung auf die Heizkammer abragt und vollständig geschlossen ist (vgl. EP 1 872 986 A1 ). Die PTC-Heizeinrichtung kann auch für sich jeweils eine äußere Umhüllung aufweisen, die das PTC-Element und die Leiterbahnen einschließt und diese elektrisch isolierend gegenüber der Umhüllung aufnimmt, beispielsweise indem an der Außenseite des PTC-Elementes bzw. der Leiterbahnen eine Isolierung vorgesehen ist oder diese Elemente zwischen isolierenden Keramikplatten oder anderen isolierenden Elementen aufgenommen sind, vgl. EP 1 916 873 A1 oder EP 1 931 176 A1 ).
Die vorliegende Erfindung schlägt eine neue Verwendung einer solchen PTC-Heizvorrichtung vor. Die PTC-Heizvorrichtung als solches kann die zuvor diskutierten Merkmale verwirklichen oder auf andere bekannte Konstruktionsprinzipien zurückgreifen. Dabei wird insbesondere auf Gestaltungen zurückgegriffen, bei denen die Heizkammer für sich umfänglich geschlossen und lediglich über Anschlussstutzen zum Ein- und Auslass von Fluid in die Heizkammer nach außen geöffnet ist, wobei das PTC-Element und die das PTC-Element bestromenden Leiterbahnen gegenüber der Heizkammer isoliert sind, so dass das zu erwärmende Medium eben nicht in Kontakt mit den stromführenden Elementen der PTC-Heizvorrichtung gelangt, vgl. EP 2 440 004 A1 .
Ein Photovoltaik-Modul erzeugt eine Gleichspannung. Die Höhe der erzeugten Spannung bei Photovoltaik-Modulen ist abhängig von der Einstrahlungsintensität des Sonnenlichts. Wird diese gestört oder verändert sich, beispielsweise durch Wolken im Tagesablauf oder jahreszeitbedingt. So ergeben sich Spannungsschwankungen und Stromschwankungen. Um diese Schwankungen auszugleichen, wird in der Regel ein Leistungsregler benötigt. Der Leistungsregler schützt die nachgelagerten Einrichtungen, beispielsweise Akkumulatoren vor dem Unter- bzw. Überladen. Nachgeschaltete Geräte, wie beispielsweise Widerstandsheizer, sind in erheblichem Maße spannungsabhängig. Bereits bei Spannungserhöhungen von etwa 10% können solche Widerstandsheizelemente durchbrennen. Dementsprechend werden solche Geräte üblicherweise über einen Laderegler betrieben.
Im Übrigen ist die Nutzung der von dem Photovoltaik-Modul abgegebenen Gleichspannung nicht ohne weiteres möglich. Eine Einspeisung in das Stromnetz bedingt einen Wechselrichter.
Die vorliegende Erfindung will die Nutzung elektrischer Leistung eines Photovoltaik-Moduls vereinfachen und verbessern. Mit der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die an sich bekannte PTC-Heizeinrichtung unmittelbar zur Umwandlung von elektrischer Energie in Form einer Gleichstromspannung zu nutzen. Die Gleichstromspannung ist dabei derjenige elektrische Austrag des Photovoltaik-Moduls, der unmittelbar an dem Modul abgegriffen wird. So ist die PTC-Heizeinrichtung elektrisch unmittelbar mit dem Photovoltaik-Modul verbunden. Es fehlt an Gleichrichtern oder Ladereglern, die die systembedingten Spannungsänderungen des Photovoltaik-Moduls handhaben und abgleichen bzw. die Gleichspannung zu Wechselspannung umwandelt.
Das bzw. die mehreren PTC-Elemente einer PTC-Heizeinrichtung haben den Vorteil, dass sie mit einem relativ breiten Spannungsbereich betrieben werden können. Die PTC-Elemente geben beispielsweise in einem Spannungsbereich von zwischen 220 V bis 500 V in etwa die gleiche thermische Leistung ab. Kurzfristige Spannungsspitzen führen nicht zur Zerstörung des PTC-Elementes. Über- oder unterschreitet die Spannung den oben mit zwischen 220 V und 500 V skizzierten Betriebsspannungsbereich, so kann eine interne Elektronik das PTC-Element bzw. die PTC-Heizeinrichtung insgesamt abschalten.
Die erfindungsgemäße Verwendung bietet die Möglichkeit einer unmittelbaren Nutzung elektrischer Energie von Photovoltaik-Modulen. Ein Gleichrichter entfällt. Auch ein Leistungsregler entfällt. Stattdessen muss gegebenenfalls lediglich eine einfache Abschalteinrichtung vorgesehen sein, die bei Spannungen außerhalb des Betriebsspannungsbereiches das PTC-Element abschaltet.
Aufgrund der unmittelbaren Nutzung der elektrischen Energie des Photovoltaik-Moduls ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad und ein geringer apparativer Aufbau zur Nutzung der Energie eines Photovoltaik-Moduls. Dabei wird mit der PTC-Heizeinrichtung bevorzugt ein flüssiges Medium erwärmt. Das Medium ist üblicherweise ein Wärmeübertragermedium, welches in einem Kreislauf zirkuliert, in dem zumindest ein wärmeabgebender Wärmetauscher vorgesehen ist. Ein solcher Wärmetauscher kann beispielsweise ein Heizkörper oder ein anderer Wärmetauscher zur Beheizung eines Gebäudes, insbesondere Zimmer eines Gebäudes, oder einer Einrichtung des Gebäudes, wie beispielsweise eines Schwimmbades, sein. Auch ein außerhalb des Gebäudes angeordnetes Schwimmbad ist eine Einrichtung des Gebäudes in diesem Sinne.
Darüber hinaus ist es auch möglich, die erzeugte Wärme als Prozesswärme für die Industrie zu nutzen.
Dabei kann die PTC-Heizeinrichtung innerhalb des Kreislaufes lediglich eine von mehreren die Wärme einbringenden Einrichtungen sein. So kann die PTC-Heizvorrichtung in Reihe mit einem wärmeeinbringenden Wärmetauscher in den Kreislauf integriert sein. Die PTC-Heizeinrichtung kann als zusätzliche Wärmequelle in dem entsprechenden Kreislauf fungieren und beispielsweise einen primären wärmeeinbringenden Wärmetauscher, wie beispielsweise den Wärmetauscher einer Therme, eines Brenners oder einer Wärmepumpe, mit welcher Heizwasser und/oder warmes Brauchwasser aufbereitet wird, ganz oder teilweise ersetzen. So kann beispielsweise die PTC-Heizvorrichtung in einen Warmwasserkreislauf einer bestehenden Heizungsanlage, die mit fossilen Brennstoffen gefeuert wird und ein Ein- oder Mehrfamilienhaus mit warmem Trink- oder Heizungswasser versorgt, eingebunden sein. Die PTC-Heizeinrichtung kann zur Unterstützung der Heizungsanlage benutzt werden. Abhängig von der Gesamtleistung der vorgesehenen Photovoltaik-Module kann eine entsprechende PTC-Heizvorrichtung den Wärmebedarf eines Ein- oder Mehrfamilienhauses auch gegebenenfalls vollständig substituieren.
Wie gezeigt, bietet die erfindungsgemäße Lösung erhebliche Vorteile.
Sofern vorliegend auf eine unmittelbare elektrische Verbindung zwischen dem Photovoltaik-Modul und der PTC-Heizvorrichtung abgestellt wird, bedeutet dies, dass der Gleichstrom des Photovoltaik-Moduls ohne Zwischenschaltung von anderen Aggregaten (abgesehen von der Abschalteinrichtung) unmittelbar in die PTC-Heizvorrichtung eingespeist wird, um das zumindest eine PTC-Element dieser PTC-Heizvorrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 334242 A1 [0002]
EP 1872986 A1 [0003]
EP 1916873 A1 [0003]
EP 1931176 A1 [0003]
EP 2440004 A1 [0004]

Claims

Verwendung einer an sich bekannten PTC-Heizvorrichtung zur unmittelbaren Umwandlung von elektrischer Energie in Form einer Gleichstromspannung eines Photovoltaik-Modul in Wärme.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PTC-Heizvorrichtung eine wärmeleitend mit einem PTC-Element verbundene Heizkammer aufweist, die in einen Heizkreislauf eines Gebäudes zur Erwärmung eines Raumes oder einer Einrichtung des Gebäudes eingebunden ist.
Einrichtung zur Nutzung von Strahlungsenergie der Sonne mit einem Photovoltaik-Modul, der der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist und diese in elektrische Energie umwandelt, und einer PTC-Heizvorrichtung mit einem PTC-Element, das elektrisch unmittelbar mit dem Photovoltaik-Modul verbunden ist und das wärmeleitend mit einer Heizkammer verbunden ist, die in einen Kreislauf eines Wärmeträgermediums eingebunden ist, der über zumindest einen wärmeabgebenden Wärmetauscher geführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf über zumindest einen wärmeeinbringenden Wärmetäuscher geführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Abschalteinrichtung, die bei Spannungen außerhalb eines bestimmbaren Betriebsspannungsbereiches das PTC-Element abschaltet.
Verfahren zum Heizen, bei dem Gleichstromspannung eines Photovoltaik-Moduls in eine PTC-Heizvorrichtung mit einem PTC-Element, das wärmeleitend mit einer Heizkammer verbunden ist, eingespeist wird, und ein in einem Kreislauf zirkulierendes Wärmeträgermedium durch die Heizkammer und zumindest einen wärmeabgebenden Wärmetäuscher geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf ein Heizkreislauf eines Gebäudes und der wärmeabgebenden Wärmetäuscher ein Heizkörper wird.