DE19755499A1

DE19755499A1 - Schaltungsanordnung mit elektrischem Zwischenspeicher zur Optimierung der Leistungsübertragung zwischen einem Solarzellenmodul oder Windkraftgenerator und Stromverbrauchern, insbesondere gleichstromgespeisten Pumpen und Ventilatoren

Info

Publication number: DE19755499A1
Application number: DE1997155499
Authority: DE
Inventors: Walter Ing Grad Markert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-12-13
Filing date: 1997-12-13
Publication date: 1999-06-17

Description

Die Erfindung betrifft eine neuartige Methode, um insbesondere Pumpen und Ventilatoren im Bereich kleinerer Leistungen mög lichst wirkungsvoll durch Solarzellenmodule oder Windkraft generatoren zu betreiben.

Da natürliche Energiequellen in ihrer Leistung stark schwan ken können, hat diese Aufgabe naturgemäß ihre Schwierigkeiten. Es gibt aber einen breiten Anwendungsbereich für Pumpen und Ventilatoren, die mit Solar- oder Windstrom versorgt werden. Im kommerziellen Bereich wären Pumpen für Wasserversorgungen oder Bewässerung oder für die Umwälzung in Sonnenkollektoran lagen zu nennen; im Freizeitbereich Pumpen für Gartenteiche, künstliche Bachläufe, Springbrunnen, Gewächshausentlüftung, Fischbeckenbelüftungspumpen etc.

Obwohl sich das im Folgenden Dargelegte auf der Generatorseite sowohl auf Solarzellenmodule als auch auf Windgeneratoren be zieht, soll zur Vereinfachung in der Regel nur das Wort Solar modul benutzt werden. Auf der Verbraucherseite soll hauptsäch lich das Wort Pumpen verwendet werden, obwohl das Dargelegte prinzipiell auf alle gleichstromgespeisten Verbraucher anwend bar ist, z. B. auch auf Motoren, die über Stromrichter, z. B. Wechselrichter angetrieben werden.

Bisher üblich für die genannten Anwendungen sind in erster Linie drei verschiedene Methoden:

1) Direktantrieb, also Zusammenschaltung eines DC-Antriebes direkt mit dem Solarmodul.
2) Zwischenschaltung eines Akkumulators, wobei also der Strom zuerst in einem Akku gespeichert und dann nach Bedarf auf einen Antrieb geschaltet wird.
3) Zwischenschaltung eines Anpaßwandlers.

Hierbei wird die Leistung des Solarmoduls bei einer bestimm ten Spannung in der Nähe des optimalen Arbeitspunktes ent nommen und auf den Verbraucher übertragen. Die Verbraucher- Betriebsspannung ändert sich dabei mit der momentanen Solar modulleistung.

Diese drei genannten Methoden haben alle ihre speziellen Nach teile, im einzelnen
zu 1) Direktantrieb:
Hierbei wird in der Praxis das Solarmodul gewöhnlich überdimen sioniert, damit die Pumpe auch bei schwächerer Einstrahlung schon eine gewisse Leistung bringt. Mit dieser Methode kann die mögliche Solarmodulleistung aber nur in einem bestimmten Bereich der Solar-Strahlungsstärke optimal genutzt werden.

Die Gründe dafür sind: Bei schwächerem Licht stellt sich, bedingt durch Strommangel an der Pumpe gegenüber der MPP-Spannung des So larmoduls (max. power point) eine zu kleine Spannung ein, das be deutet eine elektrische Fehlanpassung. Dadurch kann nur ein Teil der möglichen Solarmodulleistung übertragen werden.

Außerdem benötigt die Pumpe eine Mindestanlaufleistung und es wird noch einmal eine erhöhte Leistung benötigt, wenn die Pumpe zur Erfüllung ihrer Aufgabe bestimmten Druck oder Fördermenge bringen muß.

Solange diese Leistungsschwelle nicht erreicht wird, fließt der Strom nutzlos und ohne Wirkung durch die Pumpe. Darüberhinaus kann auch der durch Überdimensionierung des Solarmoduls bei gu tem Licht erzeugte Überschußstrom nicht genutzt werden, weil die Pumpe bei der sich einstellenden und durch das Solarmodul begrenzten Spannung eben nicht den ganzen Strom aufnehmen kann, den das Solarmodul liefern könnte (Fehlanpassung).

Unterhalb einer bestimmten Solar-Strahlungsstärke kann der Strom vom Solarmodul also überhaupt nicht und bei voller Sonne auch nur ein Teil davon genutzt werden.

Zu 2) Akkubetrieb:
Akkubetrieb ist immer dann nötig, wenn Strom längerfristig ge speichert werden muß, wenn also zwischen Aufladen und Verbrauch ein gewisser zeitlicher Abstand liegt.

Für viele Fälle ist jedoch erwünscht, daß die Pumpe dem Licht ziemlich unmittelbar folgt. Im Extremfall, z. B. für Umwälzpumpen oder Ventilatoren zum Transport von Wärmeenergie (Sonnenkollek toranlagen) sollte die Förderung sogar proportional der momentanen Strahlungsstärke erfolgen. Diese Forderung ist mit den bisher bekannten Methoden ohne speziellen zusätzlichen Steuerungsaufwand nicht zu erfüllen.

Die bekannten Nachteile der Verwendung von Akkus sind natürlich auch noch gegeben, wie begrenzte Lebensdauer, Lebensdauerver kürzung durch zyklische Belastung, Umwandlungsverluste und Not wendigkeit der Laderegelung mit Überlade- und Tiefentladeschutz.

Zu 3) Zwischenschaltung eines Anpaßwandlers:
Hierbei ist der Vorteil gegeben, daß eine stärkere Fehlanpassung zwischen Generator und Verbraucher vermieden wird, womit beson ders bei schwächerem Licht gegenüber Direktantrieb eine viel bessere Nutzung des Solarmoduls erreicht wird. Weil aber mit einem Kleinerwerden der Strahlungsenergie im gleichem Maße die Pumpenleistung abfällt, wird auch hier mit schwächer werdender Lichtleistung eine Schwelle erreicht, unter der die Pumpe ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen kann und der Strom, der dann noch fließt umsonst ist. Außerdem kann auch bei dieser Methode ohne weitere Maßnahmen Überschußstrom nicht genutzt werden.

Über diese genannten drei Betriebsarten hinaus sind aus Patent- und Offenlegungsschriften Schaltungen für spezielle Antriebsauf gaben bekannt, die auch schon Kondensatoren als elektrische Kurzzeit-Zwischenspeicher verwenden. Die dabei verwendeten Kon densatoren haben jedoch eine relativ kleine Kapazität und dem entsprechend erfolgt die Energieübertragung auch immer nur durch kurze Stromimpulse. Es handelt sich durchwegs um Antriebsschal tungen für ganz spezielle Pumpenausführungen, die deshalb nicht allgemein anwendbar sind bzw. sie beseitigen nicht den Nachteil, daß die Solarmodulleistung unterhalb einer bestimmten Solar-Strah lungsstärke nicht mehr nutzbar ist, weil die Mindestantriebs leistung nicht mehr erreicht wird. Außerdem sind auch Überschuß ströme nicht nutzbar.

Bemerkungen zu einigen Patent- bzw. Offenlegungsschriften, die zu diesem Thema eine gewisse Bedeutung haben:
DE 35 16 876 C2:
Kein Zwischenspeicher, Motorsteuerung direkt durch die momen tane Solarmodulleistung, Mindeststrahlung erforderlich.

DE 38 31 142 A1:
Die Brunnenpumpe wird mit ziemlich hohem elektronischen Auf wand direkt nach der vorhandenen Strahlung gesteuert. Ein Kon densator dient nur als Anlaufhilfe. Mindeststrahlung erforder lich.

DE 40 17 670 A1:
Das ist im Grunde eine Anpaßwandlerschaltung mit den schon ge nannten Nachteilen, daß unterhalb einer Mindeststrahlung die Energie nicht mehr genutzt werden kann, desgleichen keine Über schußnutzung möglich ist.

DE 41 26 569 A1:
Nur anwendbar für spezielle Pumpenbauart mit Magnetimpulsantrieb.

DE 33 24 404 A1:
Wie DE 41 26 569 A1: nur geeignet für eine spezielle Membranpumpe mit Magnetimpulsantrieb.

Die nun folgende Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltungs anordnung basiert auf der älteren Offenlegungsschrift DE 196 18 039 A1 vom gleichen Erfinder, betont jedoch stärker den Charakter der optimierten Energieübertragung und verbreitert die Skala der Nutzungsmöglichkeiten.

Beschreibung

Die Optimierung der Leistungsübertragung zwischen dem Generator G 1 ein Solarmodul oder Windkraftgenerator und dem Verbraucher, vorzugsweise Pumpen und Ventilatoren, dargestellt durch Motor symbole M 5.1 bis 5.n, wird nun erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen dem Generator 1 und Verbrauchern 5.1-5.n parallel zum Generator ein elektrischer Zwischenspeicher 2 an geordnet wird, und zwar ein Elektrolytkondensator sehr hoher Kapazität, vorzugsweise ein Doppelschicht-Kondensator (DS-Konden sator, Goldcap), Kapazitätsbereich: Farad, oder auch ein Blei- Säure-Akku.

Damit wird erreicht, daß Verbraucher-Lastumschaltungen vorge nommen werden können, ohne daß dabei sprunghafte Spannungsän derungen auftreten, die eine stabile Regelung verhindern. Die Voraussetzung für eine optimale Leistungsübertragung wird nun dadurch erfüllt, daß die Spannung am elektrischen Zwischen speicher 2 und damit die Arbeitsspannung des Generators 1 in einem Bereich in der Nähe und etwas unterhalb des optimalen Generator-Arbeitspunktes (MPP, maximum power point) gehalten wird. Erreicht wird das, indem abhängig von der Spannung an Zwi schenspeicher 2 und Generator 1 Verbraucherlasten zu- oder abgeschaltet werden. Es erfolgt also eine Regelung der Arbeits spannung durch Anpassen der Verbraucherlast und zwar derart, daß bei ansteigender Spannung bei einem oberen Grenzwert Verbraucher last zugeschaltet und bei fallender Spannung bei einem unteren Grenzwert wieder abgeschaltet wird. Zur praktischen Realisierung ist als weiteres Schaltungselement eine Spannungsvergleichs-Elek tronik 3 nötig. Diese hat einen oder mehrere Spannungsmeß kreise mit jeweils einem oberen und einem unteren Grenzwert, dessen Ausgangssignale auf die Stellglieder 4.1-4.n hier dargestellt als MOSFETs wirken und zwar so, daß jeweils beim oberen Grenzwert auf Durchgang und beim unteren Grenzwert auf Sperrung geschaltet und damit eine Last zu- oder abgeschaltet wird. Die Verbraucherlast ist dargestellt durch die Motorsymbole 5.1-5.n

Zu beachten ist bei dieser Darstellung, daß sie nur das Arbeits prinzip zeigt. Eine konkrete Ausführung kann insofern davon ab weichen, daß

1) mehr als drei Stellglieder vorhanden sein können,
2) auch andere Verbraucher als Motorantriebe M geschaltet wer den können und
3) ein Stellglied nicht immer nur eine Last ganz zu- oder ab schaltet, sondern auch eine stufenweise Lastumschaltung ein und desselben Verbrauchers bewirken kann.

In der Praxis kann sich das nun so gestalten, daß bei Anlagen mit nur einer Pumpe, diese entweder nur ein- oder ausgeschaltet wird. Solange die Modulleistung für Dauerbetrieb noch nicht aus reicht, läuft diese Pumpe im Intervall. Es ist jedoch auch mög lich, die Leistung eines einzelnen Verbrauchers in Stufen umzu schalten, z. B. durch Ändern der Spannung durch einen nachgeschal teten DC/DC-Wandler oder durch Ändern einer Pulsweitenmodulation (PWM) oder durch Ändern der Frequenz bei einem Stromrichteran trieb. Außer einer stufenweisen Lastumschaltung ist natürlich auch eine stetige Lastanpassung realisierbar. Zweckmäßig sind auch Anlagen mit mehreren Pumpen, die dann abhängig von der Span nung am Zwischenspeicher und damit von der momentanen Generator leistung nacheinander zu- oder abgeschaltet werden. Bei Anlagen mit 2 elektrisch parallelgeschalteten Solarmodulen kann bei Er reichen einer bestimmten Spannung eine automatische Umschaltung auf elektrische Reihenschaltung vorgenommen und damit die Pumpen leistung erhöht werden. Schließlich kann auch Überschußstrom noch zum Laden eines externen Akkus genutzt werden oder ein gleichstromgespeistes Ladegerät für Kleinakkus kann mit Strom einer definierten Spannung versorgt werden.

Was als Zwischenspeicher 1 verwendet wird, hängt von der Höhe der Strombelastung, also vom Lade- und Entladestrom ab. Im all gemeinen wird es ein DS-Kondensator sein. Bei Strombelastungen, die eine gewisse Höhe überschreiten, ist es jedoch notwendig, trotz der bekannten Nachteile von Akkus, einen Bleisäureakku zu verwenden. Für den Fall, daß gleichzeitig Energie längerfri stig gespeichert werden soll, ist das so wie so notwendig. Wenn eine längerfristige Energiespeicherung dagegen nicht vorgesehen ist, kann der Akku für diesen Zweck, da er hier nur zur Abstützung der Spannung bei Lastumschaltungen dient, ziemlich klein in der Kapazität und damit kostengünstig ausgeführt werden.

Der Akku wird dabei nun erfindungsgemäß im Normalfall immer nur im vollgeladenem Zustand betrieben und zwar kommt das erfindungs gemäß dadurch zustande, daß das Spannungsfenster, in dem der Akku betrieben wird und damit die Arbeitsspannung des stromliefernden Generators zwischen die Ruhespannung des vollgeladenen Akkus und seine max. Ladeendspannung, bei einem 12 V-System, also etwa zwischen 13 V und 14,5 V gelegt wird. Denn nur in diesem Bereich tritt eine relativ starke Reaktion der Akkuspannung im Abhängig keit von Lade- oder Entladeströmen auf.

Diese Betriebsweise hat zudem den Vorteil, daß der Akku kaum einer zyklischen Belastung ausgesetzt ist und damit eine opti male Gebrauchsdauer erwartet werden kann.

Mit der hier nun beschriebenen neuen Schaltungsanordnung zum Betrieb von gleichstromgespeisten Verbrauchern an Solarmodulen oder Windgeneratoren, ist es mit relativ einfachen Mitteln mög lich, die aufgezeigten Nachteile der bisher allein angewandten Methoden zu vermeiden und einen guten Gesamt-Ausnutzungsgrad einer Anlage zu erreichen.

Die Vorteile, die sich dabei beim Antrieb von Pumpen und Ventila toren durch ein Solarmodul mit der beschriebenen Schaltungsan ordnung ergeben sich folgende:

1) Es wird jeder Strom genutzt, jedenfalls bis herab auf einen Globalstrahlungswert von unter 50 W/m².
2) Weil der Strom vom Solarmodul immer in der Nähe des MPP ab genommen wird, kann eine stärkere Fehlanpassung nicht auf treten, womit ein guter Ausnutzungsgrad des Solarmoduls ge währleistet ist.
3) Angetriebene Pumpen laufen immer in einem definierten, aus reichend hohen Spannungs- und damit Leistungsbereich, so daß sie ihre Aufgabe immer sicher erfüllen können.
4) Durch automatische Zuschaltung von Verbraucherleistung, durch Umschalten auf eine höhere Leistungsstufe oder Zu schaltung mehrerer Pumpen kann ein Solarmodul optimal ausgenutzt werden.
5) Dadurch, daß man ein Solarmodul für eine bestimmte Pumpe nicht überdimensioniert, sondern nur so stark auslegt, daß es bei vollem Licht (ca 1000 W/m²) die Pumpe gerade voll im Dauerlauf betreiben kann, wird eine strahlungsproportio nale Förderung erreicht. Bei schwächerem Licht läuft die Pumpe dann entsprechend im Intervall (z. B. Sonnenkollektor umlauf u.ä.).
6) Es ist auch möglich, eine Pumpe (z. B. Brunnenpumpe) mit einem Solarmodul zu betreiben, das von der Stromlieferung her gesehen dafür eigentlich viel zu schwach ist. Das So larmodul kann dafür dann nur so dimensioniert werden, daß die damit dann im Intervall laufende Pumpe in einem bestimm ten Zeitraum gerade die benötigte Wassermenge fördern kann.
7) Derartige Anlagen arbeiten natürlich genau so, wenn als Stromlieferant kein Solarmodul sondern ein Windkraftgenera tor oder beides zusammen verwendet wird.

Gerade auch für einen Windkraftantrieb, der in seiner Lei stung, besonders bei kleinen Anlagen noch viel ungleichmä ßiger sein kann als ein Solarantrieb, zeigen sich die großen Vorteile der beschriebenen neuartigen Schalterungsanordnung.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Optimierung der Leistungsübertra gung zwischen einem Generator G (1), der eine natürliche, ungleichmäßige Energiequelle nutzt, vorzugsweise ein Solar zellenmodul oder ein gleichstromliefernder Windkraftgenera tor und gleichstromgespeisten Verbrauchern M (5.1 bis 5.n), vorzugsweise Pumpen und Ventilatoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) seinen Strom ständig auf einen elektri schen Zwischenspeicher (2) liefert, das ist ein Elektrolyt-Kon densator sehr hoher Kapazität im Kapazitätsbereich Farad, vorzugsweise ein Doppelschicht-Kondensator (Goldcap) oder auch ein Bleisäureakku und die Arbeitsspannung des Systeme Generator/Zwischenspeicher (2, 3) in einem schmalen Spannungs fenster in der Nähe und etwas unterhalb des optimalen Genera tor-Arbeitspunktes (MPP, maximum power point) geregelt wird, und zwar dadurch, daß bei steigender Spannung bei oberen Grenzwerten jeweils Verbraucherlasten (5.1-5.n) zugeschal tet und beifallender Spannung bei unteren Grenzwerten wieder abgeschaltet werden.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß der Zwischenspeicher (2) ein Bleisäure akku ist, das Spannungsfenster, in dem die Akkuspannung ge halten wird, zwischen der Ruhespannung des vollgeladenen Akkus und der max. Ladeendspannung, bei einem 12 V-System also zwischen ca 13 V und 14,5 V liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbraucherlast entweder nur ein einzelner Verbraucher ist, der dann nur jeweils ein- und ausgeschaltet wird (Inter vallbetrieb) oder ein und derselbe Verbraucher durch eine dem Verbraucher vorgeschaltete Elektronik auf verschiedene Leistungs stufen umgeschaltet werden kann oder in einer Anlage mehrere Verbraucher vorhanden sind, die zur Anpassung der Gesamt-Ver braucherlast nacheinander zu- oder abgeschaltet werden oder ein extern angeschlossener Akkumulator mit Überschußstrom geladen wird oder ein gleichstromgespeistes Ladegerät für Kleinakkus mit einer Spannung definierter Höhe versorgt wird.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum System Generator/Zwischenspeicher eine Spannungsvergleichselektronik (3) angeordnet ist und für jeden einzelnen Verbraucher bzw. Verbraucherleistungsstufe ein Spannungsmeßkreis, jeweils mit einem oberen und einem unteren Grenzwert und einem zugehörigen Stellglied (4.1 bis 4.n) vorhanden ist, wobei das Ausgangssignal am oberen Grenzwert jeweils das zugehörige Stellglied auf Durchgang schaltet (Last ein) und beim unteren Grenzwert wieder sperrt (Last aus).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltpunkt der Spannungsvergleichselektronik (3) dazu benutzt wird, in Anlagen mit elektrisch parallelge schalteten Solarzellenmodulen eine automatische Umschaltung auf Reihenschaltung vorzunehmen.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt des Systems Generator/Zwischenspeicher (2, 3) nur ein Akkumulator angeordnet ist, der von einer beliebigen fremden Energiequelle geladen wird.