DE19618039A1 - Schaltungsanordnung mit elektrischem Kurzzeitspeicher zum Antrieb von Pumpen und Ventilatoren mittels elektrischem Strom aus Solar- und/oder Windgeneratoren - Google Patents

Description

Natürliche Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasserkraft werden in zunehmenden Maße genutzt.

Eine sinnvolle Anwendung der Photovoltaik ist ins besonders auch der Betrieb von Wasserpumpen, weil in der Regel eine hohe Über­ einstimmung besteht zwischen Wasserbedarf und Sonnenstrahlungsan­ gebot. Die Bedeutung liegt sowohl in der kommerziellen Nutzung, z. B. Trinkwasserversorgung, Bewässerungsaufgaben, Fischteichbe­ lüftung als auch im Freizeitbereich, z. B. für den Betrieb von Gartenteich- und Springbrunnenpumpen.

Außer Wasserpumpen können auch Verdichter allgemein und Ventila­ toren sinnvoll im netzfernen Betrieb mit Strom aus natürlichen Energiequellen versorgt werden.

Stand der Technik ist es, die genannten Geräte durch Akkumula­ toren zu betreiben, die durch Strom aus Sonne und Wind - bei Wasserpumpenantrieben für den Sommerbetrieb in erster Linie durch Solarstrom aufgeladen werden.

Desgleichen wird für bestimmte Anwendungen auch der Direktantrieb, also ohne Zwischenschaltung eines Stromspeichers praktiziert.

Beide Methoden haben jedoch, je nach Anwendungsfall ihre Nachteile. Nachteile des Akkubetriebes sind der relativ hohe Aufwand; Akkus benötigen eine Ladeüberwachungsschaltung, verursachen ge­ wisse Verluste, sind relativ teuer und haben nur eine begrenzte Gebrauchsdauer. Der Pumpenantrieb erfolgt außerdem nicht auto­ matisch entsprechend dem vorhandenen Licht, wie es für viele An­ wendungsfälle erwünscht ist, sondern muß durch eine zusätzliche Einrichtung z. B. abhängig von der Zeit, der Helligkeit oder der Höhe der Akku-Ladespannung eingeschaltet werden.

Die Nachteile des Direktantriebs sind, daß der Antriebsmotor nur dann in einem bestimmten, optimalen Leistungsbereich arbeiten kann, wenn auch der Stromgenerator eine bestimmte Leistung abgibt.

Für manche Anwendungen, z. B. für Springbrunnen- und Gartenteich­ pumpen, die nicht unbedingt eine bestimmte Förderhöhe erreichen müssen, kann das hingenommen werden, bzw. ist das sogar ein in­ teressanter Effekt.

Für viele Fälle jedoch ist die stark schwankende Antriebsenergie von Nachteil.

Viele Pumpen erfüllen ihre Aufgabe nur, wenn sie ein bestimmtes Leistungsniveau erreichen. Eine Brunnenpumpe z. B. oder auch eine Gartenteichpumpe für einen künstlichen Wasserfall oder eine Pumpe für einen Zierbrunnen müssen eine Mindestförderhöhe erreichen oder Pumpen für Beregnungsgeräte müssen bestimmte Werte für Durch­ satzmenge und Druck erbringen.

Manche Antriebe sollen auch proportional der vorhandenen Strah­ lungsenergie arbeiten, z. B. Bewässerungspumpen oder Umwälzpumpen für Sonnenkollektoren oder Entlüftungsventilatoren für Gewächs­ häuser und Wintergärten. Das ist im Direktantrieb praktisch nicht gut zu erreichen, zumal die Antriebsmotoren erst ab einer be­ stimmten Energieschwelle anfangen zu laufen und der elektrische Strom, der unterhalb dieser Schwelle fließt, verloren geht und andererseits der Strom aus einem überdimensionierten Generator durch den Antriebsmotor auch nicht mehr genutzt werden kann. Hinzu kommt die Tatsache, daß bei abnehmender Generatorleistung, entsprechend z. B. abnehmender Lichtintensität auf ein Solarmodul die elektrische Fehlanpassung zwischen Generator und Motor immer größer wird, d. h. die vorhandene Energie wird immer schlechter genutzt. Kreiselpumpen andererseits verlieren rasch an Wirkungs­ grad, wenn die Antriebsspannung und damit die Drehzahl sinkt.

Die der Erfindung zu Grunde liegende neue Methode geht von dem Umstand aus, daß Solarmodule auch bei schwachem Licht schon fast ihre volle Spannung erzeugen und jetzt neuartige Kondensatoren sehr hoher Kapazität zur Verfügung stehen (DS-Kondensator, Gold­ kondensator). Ähnlich wie beim Direktantrieb, wird der Gleich­ stromantriebsmotor (5) mit dem Gleichstromgenerator (1), z. B. Solarmodul oder Windgenerator hintereinandergeschaltet. Ein elektrischer Kurzzeitspeicher (2), ein Elektrolytkondensator hoher Kapazität oder ein DS-Kondensator wird parallel zum Motor (5) und Generator (1) angeordnet, während der Strompfad Generator­ motor durch ein Stellglied (4) einen Relaiskontakt oder Transi­ stor unterbrochen ist.

Bei zunächst gesperrtem Stellglied (4) lädt sich der Kurzzeit­ speicher (2) entsprechend der vorhandenen Generatorleistung auf. Eine Spannungsvergleicherschaltung (3) schaltet nun über das Stellglied (4) den Antriebsmotor (5) spannungsabhängig bei einem oberen Spannungswert ein und bei einem unteren wieder aus. Damit arbeitet der Antriebsmotor - außer eine bestimmte Generator­ leistung wird überschritten - im Intervallbetrieb und zwar, ent­ sprechend der jeweiligen Auslegung immer in einem definierten Spannungs- bzw. Leistungsbereich. Das Intervallverhältnis, Lauf­ zeit zu Stellstandszeit verändert sich dabei entsprechend dem vorhandenen Energieangebot.

Wenn der Generator (1) mehr Leistung liefern kann, als der An­ triebsmotor (5) benötigt, wird der Ausschaltpunkt, also der untere Spannungswert nicht mehr erreicht und der Antriebsmotor läuft im Dauerbetrieb, also normal so wie bei Direktantrieb. Ist die Anlage jedoch so ausgelegt, daß der Generator (1) im günstigsten Fall den Leistungsbedarf des Antriebsmotors (5) gerade decken kann, dieser also in der Regel im Intervallbetrieb läuft, ist die Gesamtlaufzeit und damit die Fördermenge z. B. einer Solarpumpe in einem bestimmten Zeitabschnitt proportional der in diesem Zeitraum auf das Solarmodul wirkenden Strahlungs­ menge, und zwar unabhängig von der Lichtintensität, weil ja die Solarstromerzeugung auch bei schwächerem Licht der Lichtinten­ sität proportional ist.

Weitere Vorteile dieser Schaltungsmethode für Solarpumpen sind: Auch schwaches Licht wird noch für die Förderung genutzt, wo direktbetriebene Pumpen schon lange stillstehen.

Es ist auch möglich, stärkere Pumpen mit schwachen Solarmodulen zu betreiben. Man kann das Solarmodul nur danach auswählen, wel­ che tägliche durchschnittliche Fördermenge erreicht werden soll; es muß gar nicht so stark sein, um Direktantrieb zu ermöglichen. Pumpen, die im Intervall, also mit Pausen dazwischen betrieben werden, können auch stärker belastet werden als Pumpen im Dauerlauf.

Ein großer Vorteil ist außerdem noch, man kann den Antriebs­ spannungsbereich der Anlage (Ein- u. Ausschaltpunkt) des Motors in die Nähe des optimalen Arbeitspunktes eines Solar­ moduls MPP (Maximum Power Point) legen. Damit hat die Schal­ tung auch gleichzeitig Eigenschaften eines MPP Trackers.

Claims (5)

1. Antriebsschaltung für einen Gleichstrommotor (5) zum Betrieb von Pumpen, Kompressoren, Ventilatoren etc. der mit einem Gleichstromgenerator (1) an einer natürlichen, ungleichmäßigen Energiequelle (Sonne, Wind, Wasserkraft) betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der erzeugte elektrische Strom in einem Kurzzeitspeicher (2) einem Kondensator hoher Kapazität akkumuliert wird und der Gleichstrommotor (5) über das Stellglied (4) abhängig von der Spannung am Kurzzeitspeicher (2) bei einem oberen Spannungswert eingeschaltet und nach Absinken der Spannung durch Entladung bei einem unteren Spannungswert wieder aus ge­ schaltet wird.

2. Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines Gleichstrommotors ein Wechselrichter zum Betrieb von Wechselstromverbrauchern betrieben wird.

3. Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur mit einem kurzem Stromimpuls statt eines Gleichstrommotors ein Elektromagnet als Pumpenantrieb betätigt wird.

4. Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Auslegung nur ein schwacher Stromimpuls der lediglich als Anlaufhilfe für den Antriebsmotor dient, er­ zeugt wird.

5. Antriebsschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein kurzer schwacher Stromimpuls erzeugt und einem Impuls­ zähler zugeführt wird. Dadurch wird es möglich, einfache Energie­ mengen-Meßgeräte zu bauen, die während eines bestimmten Zeit­ raumes (Tag, Woche, Monat) die vorhandene Energiemenge integrieren, also z. B. Sonnenstrahlungsenergie in KWh/m² bzw. Vollsonnen­ stunden oder eine Windenergiemenge.