DE4204437C2 - Plant for heat energy generation using photovoltaics - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen zur Wärmeenergie gewinnung bei Ausnutzung des photovoltaischen Effektes.The invention relates to arrangements for thermal energy Obtained when the photovoltaic effect is used.
Die Nutzung des photovoltischen Effektes ist immer mit dem Problem verbunden, daß die anfallende elektrische Leistung in Abhängigkeit von der Sonneneinstrahlung schwankt und damit nur solche Verbraucher sinnvoll sind, die jederzeit diese Leistungen aufnehmen können. Üblicherweise sind zwischen photovoltaischen Generatoren und Verbrauchern Energiepuffer angeordnet. In kleineren Anlagen werden Batterien als Energie puffer verwendet, bei größeren Anlagen wird über Wechselrichter eine Kopplung mit dem elektrischen Versorgungsnetz hergestellt und dieses zur Pufferung verwendet.The use of the photovoltaic effect is always with that Problem associated with the resulting electrical power fluctuates depending on the solar radiation and thus only those consumers are sensible who have this at all times Can take up services. Usually are between photovoltaic generators and consumers energy buffers arranged. In smaller plants, batteries are used as energy buffer is used, for larger systems is via inverters a coupling with the electrical supply network is established and used this for buffering.
Eine weitere Schwierigkeit bei der Anwendung der Photovoltaik ergibt sich aus der Kennlinie der Si-Solarzellen. Die Ur spannung einer Si-Solarzelle entspricht etwa der Schleusen spannung einer Si-Diode und ist im sinnvollen Arbeitsbereich kaum von der Bestrahlungsintensität abhängig; der Generator strom steigt proportional mit der Bestrahlungsintensität. Der Generator-Innenwiderstand ist also nicht konstant.Another difficulty in using photovoltaics results from the characteristic curve of the Si solar cells. The Ur The voltage of a Si solar cell corresponds approximately to that of the locks voltage of a Si diode and is in a sensible work area hardly dependent on the radiation intensity; the generator current increases proportionally with the radiation intensity. The Internal generator resistance is therefore not constant.
Verbraucher mit konstantem Innenwiderstand können nur für einen Arbeitspunkt, d. h. für eine bestimmte Strahlungsintensität An passung gewähren. Bei den ohnehin geringen Wirkungsgraden photovoltaischer Generatoren verbieten sich solche Verbraucher von selbst.Consumers with constant internal resistance can only use one Operating point, d. H. for a certain radiation intensity grant fit. With the already low efficiencies Such consumers are prohibited by photovoltaic generators by itself.
Um die zur optimalen Energieausnutzung notwendige Anpassung in jedem Arbeitspunkt zu garantieren, sind entsprechende Regel schaltungen bekannt (MPT - maximal-power-tracker).In order to make the necessary adjustment for optimal energy utilization in To guarantee every working point are corresponding rules circuits known (MPT - maximum power tracker).
Diese Regelschaltungen sind üblicherweise in die Wechselrichter bzw. Ladeschaltungen bei Netz- bzw. Akku-Pufferungen inte griert. These control circuits are usually in the inverters or charging circuits with mains or battery backup inte grated.
Für die Mpt und die Kopplung zu einem Energiepuffer sind bei den bekannten Lösungen immer aufwendige aktive elektronische Schaltungen erforderlich. Die Pufferung mit dem Stromversor gungsnetz ist darüber hinaus auch deshalb problematisch, weil die Solarenergie oft in Zeiten geringer Last zur Verfügung steht und damit das Regelungsproblem nur in das Netz verlagert werden kann.For the Mpt and the coupling to an energy buffer are at the known solutions always costly active electronic Circuits required. Buffering with the electricity supplier The supply network is also problematic because the solar energy is often available at times of low load stands and thus the control problem only relocated to the network can be.
Um diesen Kostenaufwand zu rechtfertigen, sind zwangsläufig Photovoltaik-Anlagen ab einer Mindestgröße von 1 kWp erforder lich. Die mit solchen Anlagen gewonnene elektrische Energie ist sehr teuer und damit nur für wenige Anwendungsfälle ökonomisch sinnvoll.To justify this expense are inevitable Photovoltaic systems from a minimum size of 1 kWp required Lich. The electrical energy obtained with such systems is very expensive and therefore only economical for a few applications meaningful.
Auch die in DE 33 35 520 C2 vorgeschlagene Lösung der Leistungsanpassung zwischen einem Solargenerator und einem Verbraucher - mit einer konstanten Leistung - durch Shunt- Schaltungen ist für eine optimale Energieausnutzung im Sinne der hier gestellten Aufgabe nicht geeignet. Der Verbraucher muß mit einer festen Leistung vorgegeben werden, die Shunt-Schaltun gen setzen dann die Überschuß-Energie in Wärme um.The solution proposed in DE 33 35 520 C2 Power adjustment between a solar generator and one Consumers - with constant performance - through shunt Circuits is for optimal energy utilization in the sense not suitable for the task set here. The consumer must with a fixed power, the shunt circuit then convert the excess energy into heat.
Im Leistungsbereich unterhalb der vorgegebenen Verbraucher- Leistung treten dann zwangsläufig Energieverluste auf.In the performance range below the specified consumer Power then inevitably results in energy losses.
Energetisch günstiger sind die bekannten Sonnenkollektoran lagen, in denen meist eine Flüssigkeit als Wärmeträger fun giert. Diese Anlagen benötigen zumindest eine Umwälzeinrichtung und eine Regeleinrichtung, deren Kosten und Eigenenergiebedarf wiederum nur für größere Leistungsbereiche gerechtfertigt sind. Außerdem tritt durch bewegte Teile (Pumpen u. ä.) Verschleiß auf und die Anlagen sind nicht wartungsfrei.The well-known solar panels are more energy efficient were in which mostly a liquid as a heat transfer fun yaws. These systems require at least one circulation device and a control device, its cost and energy requirements are in turn justified only for larger performance areas. In addition, wear occurs due to moving parts (pumps, etc.) and the systems are not maintenance-free.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Belastung des photovoltaischen Generators mit einem preisgünstigen passiven Verbraucher, gekoppelt mit einem geeigneten Energiespeicher den technischen Aufwand zur Wärmeenergiegewinnung soweit zu senken, daß schon bei kleineren Anlagen ein sinnvoller Betrieb möglich wird.The invention has for its object by loading the photovoltaic generator with an inexpensive passive Consumer, coupled with a suitable energy storage so far the technical effort for heat energy generation lower that a sensible operation even with smaller plants becomes possible.
Erfindungsgemäß stellt der elektrische Verbraucher eine Reihen schaltung von Halbleiterdioden dar. Die Anzahl der Dioden wird so gewählt, daß die Summen-Schleusenspannung bzw. Summen-Z- Spannung dem Klemmenspannungswert des photovoltaischen Generators bei mittlerer Strahlungsintensität entspricht. Spannungs verluste über längere Verbindungskabel bzw. evt. Seriendioden in photovoltaischen Modulen können ebenfalls berücksichtigt werden.According to the invention, the electrical consumer provides a series circuit of semiconductor diodes. The number of diodes is so chosen that the sum lock voltage or sum Z- Voltage is the terminal voltage value of the photovoltaic Generator with medium radiation intensity. voltage losses over longer connection cables or possibly series diodes in photovoltaic modules can also be considered become.
Der Temperaturabhängigkeit der Klemmenspannung photovoltaischer Module wird dadurch Rechnung getragen, daß die Summenschleusen spannung (bzw. Z-Spannung) nach dem ungünstigsten Wert dimen sioniert oder durch geeignete Maßnahmen angepaßt wird.The temperature dependence of the terminal voltage photovoltaic Modules are taken into account by the fact that the sum locks Dim voltage (or Z-voltage) according to the most unfavorable value sioned or adapted by appropriate measures.
Die Halbleiterdioden sind auf gut wärmeleitenden Trägern ange ordnet, die wiederum einen guten Wärmekontakt zur Oberfläche der in Form üblicher Heizpatronen ausgeführten Bauteile haben. Bei größeren Leistungen kann durch die Verwendung von Wärme trägerflüssigkeiten oder -pasten eine ausreichende Konvektion gesichert werden.The semiconductor diodes are attached to heat-conducting supports arranges, which in turn has good thermal contact with the surface of the components in the form of conventional heating cartridges. For larger capacities, the use of heat carrier liquids or pastes sufficient convection be secured.
Die Heizpatronen dienen zum Aufheizen eines festen, flüssigen oder gasförmigen Speichermediums. Besonders geeignet, ist die Anordnung zur Aufheizung von Warmwasserspeichern. Bei gleichen geometrischen Abmessungen können die elektrischen Heizpatronen im vorhandenen Warmwasserspeicher einfach gegen die Solar- Heizpatronen ausgetauscht werden. Von Vorteil ist dabei, daß zunächst nur eine Festlegung auf einen betimmten Klemmenspan nungswert der photovoltaischen Generatoren (Solarmodule) er folgen muß. Durch Parallelschaltung weiterer Module kann nach träglich eine Leistungssteigerung der Anlage - bei Beachtungen evtl. Grenzparameter - erfolgen.The heating cartridges are used to heat a solid, liquid or gaseous storage medium. The is particularly suitable Arrangement for heating hot water tanks. At same The electrical heating cartridges can have geometric dimensions in the existing hot water tank simply against the solar Cartridges are exchanged. The advantage here is that initially only a definition of a specific terminal chip value of the photovoltaic generators (solar modules) must follow. By connecting additional modules in parallel, sluggishly an increase in performance of the system - with observations possibly limit parameters - take place.
Diese Anordnung benötigt keine weiteren Anlagenteile außer evtl. Regeleinrichtungen sowie keine zusätzliche Hilfsenergie und ist wartungsfrei.This arrangement does not require any other system components except possibly control devices and no additional auxiliary energy and is maintenance free.
Die leistungsmäßige Auslegung einer Anlage wird aus Kosten gründen wohl zur Unterdimensionierung tendieren. In Kombination mit einer herkömmlichen Netzheizung ist das jedoch unproblema tisch.The performance of a system is based on costs probably tend to under-dimension. In combination with a conventional network heating, however, this is not a problem table.
Positiv wirkt sich in den meisten Anwendungsfällen aus, daß die Wärmespeicher im Winterhalbjahr üblicherweise in Kopplung mit der Gebäudeheizung (Öl, Gas oder sonstige Brennstoffe) be trieben werden und nur im Sommerhalbjahr der Einsatz der elek trischen Heizung erfolgt.That has a positive effect in most applications the heat storage in the winter half-year usually in coupling with building heating (oil, gas or other fuels) be driven and only in the summer half year the use of the elek trical heating.
Der Leistungsanfall der photovoltaischen Anlage kommt diesem Bedarf in günstiger Weise nahe.The performance of the photovoltaic system comes to this Needs conveniently close.
Eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades für einen größeren Schwankungsbereich der Eigentemperatur der photovoltaischen Solarmodule kann gem. Fig. 1 dadurch erzielt werden, daß ein Thermoschalter 3 in Wärmekopplung mit dem Modul 1 etwa ab der Mitte des Temperaturbereiches einige Dioden der Solarheiz patrone 2 überbrückt. Denkbar sind auch mehrere gestaffelte Thermoschalter, doch wird der Nutzeffekt schnell durch den Auf wand geschmälert.An increase in the overall efficiency for a larger fluctuation range in the inherent temperature of the photovoltaic solar modules can acc. Fig. 1 can be achieved in that a thermal switch 3 in thermal coupling with the module 1 bridges some diodes of the solar heating cartridge 2 from about the middle of the temperature range. Several staggered thermal switches are also conceivable, but the efficiency is quickly reduced by the expense.
Eine einfach Übertemperatursicherung ist dadurch möglich, daß ein weiterer Thermoschalter 4 in Wärmekopplung mit der Solar heizpatrone ab der gewählten kritischen Temparatur (z. B. 85°C) alle Dioden der Solarheizpatrone überbrückt.A simple overtemperature protection is possible in that a further thermal switch 4 in thermal coupling with the solar heating cartridge bridges all diodes of the solar heating cartridge from the selected critical temperature (e.g. 85 ° C).
Es werden je nach gewählter Klemmenspannung der Solarmodule n Si-Dioden in runde Aluminiumbleche eingepreßt. Der Durchmesser dieser Bleche ist kleiner als der Innendurchmesser der verwen deten druckfesten Heizpatronenhülse. Mittels entsprechender Bohrungen in diesen Blechen und isolierender Abstandshülsen werden sie auf isolierten metallischen Trägerbolzen aneinander gereiht befestigt. Über Drahtbrücken zwischen Trägerblech und dem freien Anschluß der jeweils nachfolgenden Dioden wird die elektrische Reihenschaltung realisiert.Depending on the selected terminal voltage of the solar modules, n Si diodes pressed into round aluminum sheets. The diameter this sheet is smaller than the inner diameter of the used pressure-resistant cartridge case. By means of appropriate Bores in these sheets and insulating spacers they are attached to each other on insulated metal carrier bolts attached in a row. Via wire bridges between the carrier plate and the free connection of the subsequent diodes electrical series connection realized.
Der eine Trägerbolzen wird leitend mit der - von der Anschluß seite her - letzten Diode verbunden. Der zweite Trägerbolzen wird leitend mit der Diode der Reihenschaltung verbunden, die für die mögliche Temperaturkompensation den entsprechenden Ab griff darstellt.One of the carrier bolts becomes conductive with the - from the connection side - last diode connected. The second support bolt is connected to the diode of the series circuit, which for the possible temperature compensation the corresponding Ab handle represents.
Mittels isolierender Distanzstücke wird diese aus aufgereihten Blechen bestehende Säule in der Patrone zentriert gelagert. Der verbleibende Hohlraum ist mit Wärmeträgeröl gefüllt und die Patrone zum äußeren Ende hin mit einer elastischen Dichtung aus Silikonkautschuk abgetrennt. Vor dieser Kautschukdichtung ist eine feste Trägerplatte angeordnet, die einerseits die Kau tschukdichtung schützt und an der andererseits die Anschluß klemmen und der evtl. installierte Thermoschalter befestigt sind.Using insulating spacers, this is lined up Sheet metal existing column is centered in the cartridge. The remaining cavity is filled with thermal oil and the Cartridge towards the outer end with an elastic seal Separated silicone rubber. Before this rubber seal is a fixed carrier plate arranged, the one hand the chew Chuk seal protects and on the other hand the connection clamp and the possibly installed thermal switch attached are.
In einem Haushalt mit einem 200 l-Warmwasserspeicher werden photovoltaische Solarmodule mit 600 Wp installiert. (Module mit 22 V; 2,5 A - jeweils 2 Module in Reihe und 6-fach parallel, damit Anschlußwerte 44 V, 30 A.) Zusätzlich zur vor handenen Heizpatrone wird eine Solarheizpatrone entsprechend Beispiel 1 installiert. Im Sommerhalbjahr kann mit einer mittleren Ausbeute von 5 KWh/Tag gerechnet werden. Damit wird eine Temperaturerhöhung von etwa 20°C für den 200 l-Inhalt des Speichers erzielt.In a household with a 200 l hot water tank, photovoltaic solar modules with 600 Wp are installed. (Modules with 22 V; 2.5 A - 2 modules in a row and 6 in parallel, so that the connection values are 44 V, 30 A.) In addition to the existing heating cartridge, a solar heating cartridge according to Example 1 is installed. In the summer half year, an average yield of 5 KWh / day can be expected. A temperature increase of about 20 ° C for the 200 l content of the storage is achieved.
Bei der üblichen Warmwassertemperatur von etwa 40°C kann somit eine Menge von über 100 l täglich entnommen werden.At the usual hot water temperature of around 40 ° C it can a quantity of over 100 l can be withdrawn daily.
Die elektrische Heizpatrone kann dazu selbstverständlich par allel betrieben werden. Für die parallele Betriebsweise sind viele Regelmöglichkeiten gegeben. Besonders günstig ist der Betrieb der Normalheizpatrone über Nachtstrom, abgesehen vom günstigeren Tarif wird so eine Rufheizung über den gesamten Tagesverlauf erzielt.The electric heating cartridge can of course par be operated allel. For parallel operation given many control options. It is particularly cheap Operation of the normal heating cartridge via night current, apart from cheaper tariff is a call heating over the entire Achieved during the day.
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