DE9410285U1 - Solaranlage zur Brauchwassererwärmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Solaranlage zur Brauchwassererwärmung mit einem photovoltaisch arbeitenden Solargenerator zum Betreiben eines mit mehreren Heizwiderständen ausgestatteten Heißwasserspeichers.

Üblicherweise arbeiten Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung nach dem thermischen Verfahren. Dabei erwärmen die Sonnenstrahlen in einem Kollektor den sog. Absorber und somit die im Absorber zirkulierende Flüssigkeit. Die erwärmte Flüssigkeit, für die meist ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet wird, gibt ihre Wärmeenergie über einen Wärmetauscher an das Brauchwasser im Speicher ab. Die Realisierung einer solchen Anlage erfordert eine aufwendige Rohrleitungstechnik. Zusätzlich muß eine Umwälzpumpe mit einer Regelstation für den Wasser-Glykol-Kreislauf installiert werden. Solche Maßnahmen sind bei Anwendung eines photovoltaischen Verfahrens nicht erforderlich.

Bei der Brauchwassererwärmung nach dem photovoltaischen Verfahren wird ein Solargenerator als Spannungsquelle für einen mit mehreren Heizwiderständen ausgestatteten Heißwasserspeicher verwendet. Durch den Stromfluß erwärmen sich die Heizwiderstände im Heißwasserspeicher und geben ihre Wärmeenergie an das Wasser ab. Das erwärmte Wasser kann entweder sofort als Brauchwasser verwendet werden oder in dem Heißwasserspeicher zwischengespeichert werden. In diesem Falle dient der Heißwasserspeicher als Energiespeicher. Da sich die U/I-Kennlinie des Solargenerators mit der Bestrahlungsstärke ändert, kann die vom Solargenerator gelieferte Energie nur optimal ausgenutzt werden, wenn jeweils ein auf die aktuelle Bestrahlungsstärke abgestimmter Lastwiderstand angeschlossen wird, für den das Produkt aus Spannung und Strom, also die Leistung, maximal wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Solaranlage der in Rede stehenden Art so auszugestalten, daß eine auf die

Bestrahlungsstärke des Solargenerators abgestimmte Leistungsoptimierung durchgeführt werden kann.

Die erfindungsgemäße Solaranlage löst die,voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Schutzanspruches 1. Danach ist die eingangs genannte Solaranlage so ausgestaltet, daß die Heizwiderstände in unterschiedlicher Weise miteinander verschaltbar sind, so daß unterschiedliche Lastwiderstände realisierbar sind, und daß eine Steuerung vorgesehen ist zur Leistungsanpassung durch geeignetes Verschalten der Heizwiderstände in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke des Solargenerators.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß Heizwiderstände zwar in breiten Spannungsbereichen betrieben werden können, daß aber eine Leistungsanpassung dennoch sinnvoll ist, um die vom Solargenerator gelieferte Energie optimal auszunutzen. Es ist ferner erkannt worden, daß sich mit Hilfe von mehreren Widerständen je nach Verschaltung unterschiedliche Gesamtwiderstände realisieren lassen, sich also mit Hilfe von mehreren Heizwiderständen unterschiedliche Lastwiderstände für einen Solargenerator realisieren lassen. Es ist schließlich erkannt worden, daß zur optimalen Leistungsanpassung eine Steuerung erforderlich ist, die für die zeitliche Koordinierung der Verschaltung der Heizwiderstände, d.h. der Schaltvorgänge, in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke des Solargenerators verantwortlich ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spannung des Solargenerators direkt auf die Heizwiderstände des Heißwasserspeichers geschaltet sind, wenn also keine weiteren Verbraucher zwischengeschaltet sind, so daß die vom Solargenerator gelieferte Energie möglichst vollständig zur Brauchwassererwärmung genutzt werden kann.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht der Solargenerator aus mehreren Photovoltaikmodulen, die unabhängig voneinander ihren Beitrag zur Energieversorgung des Heißwasserspeichers leisten. In diesem Falle kann der Solargenerator auf einfache Weise durch weitere Photovoltaikmodule aufgerüstet werden. Auch hat der Ausfall eines Photovoltaikmoduls noch nicht den völligen Ausfall der Energieversorgung für den Heißwasserspeicher zur Folge. Als günstig hat sich die Verwendung von sechs Photovoltaikmodulen mit einer Gesamtleistung von 300 Wpp erwiesen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Solaranlage dient ein handelsüblicher Elektro-Heißwasserspeicher als Heißwasserspeicher. Zur Verwendung im Rahmen der erfindungsgemäßen Solaranlage muß lediglich die werksseitig eingebaute Elektrik demontiert werden, so daß die Anschlüsse der Heizwiderstände zugänglich sind.

Vorteilhaft ist die Verwendung von Heißwasserspeichern mit drei Heizwiderständen Rl, R2, R3, die in der Regel gleich dimensioniert sind. Damit können in sieben Stufen sieben verschiedene Lastwiderstände realisiert werden. In einer ersten Stufe sind alle drei Widerstände parallel geschaltet. In der zweiten Stufe sind lediglich zwei Widerstände parallel geschaltet. In der dritten Stufe sind die Widerstände Rl und R2 in Reihe geschaltet, während der Widerstand R3 parallel zu Rl und R2 geschaltet ist. Die vierte Stufe wird lediglich durch einen Widerstand Rl gebildet. In der fünften Stufe sind die Widerstände Rl und R2 parallel geschaltet, während der Widerstand R3 in Reihe zu den beiden parallel geschalteten Widerständen Rl und R2 geschaltet ist. Die sechste Stufe bildet die Reihenschaltung der Widerstände Rl und R2, und die siebte Stufe ist durch die Reihenschaltung aller drei Widerstände Rl, R2 und R3 gebildet. Die Leistungsoptimierung des Solargenerators kann somit auf relativ einfache Weise mit sieben verschiedenen Widerständen stufig re-

alisiert werden. Da die Heizwiderstände mit beliebig variablen und unterschiedlichen Spannungen betrieben werden können, ist für den Betrieb des Heißwasserspeichers eine kontinuierliche optimale Leistungsanpassung an den Solargenerator nicht erforderlich. Die einwandfreie Funktion der Heizwiderstände wird durch eine stufenweise Anpassung nicht beeinträchtigt.

Eine sinnvolle Abstufung des Lastwiderstandes läßt sich erreichen, wenn alle Heizwiderstände des Heißwasserspeichers gleich groß sind. Bei drei Heizwiderständen von 21,5 Ohm betragen die Lastwiderstände dann in Stufe 1 7,2 Ohm, in Stufe 2 10,75 Ohm, in Stufe 3 14,3 Ohm, in Stufe 4 21,5 Ohm, in Stufe 5 32,25 Ohm, in Stufe 6 43 Ohm und in Stufe 7 64,5 Ohm.

Wann welcher Lastwiderstand, d.h. welche Stufe, an den Solargenerator geschaltet wird, bestimmt die Steuerung, die in vorteilhafter Weise zumindest teilweise durch einen Prozeßrechner realisiert ist. Der Prozeßrechner kann bspw, Bestandteil eines Elektrosteuerschranks sein.

Die Steuerung umfaßt Mittel zur Bestimmung der aktuell vom Solargenerator gelieferten Leistung. Sinnvollerweise werden also der Strom und die am Solargenerator anliegende Spannung gemessen. Der Prozeßrechner bestimmt dann die Leistung als das Produkt von Spannung und Strom (P = Ux I). Je nach der aktuell bestimmten, vom Solargenerator gelieferten Leistung - also je nach der aktuellen Sonneneinstrahlung - wählt der Prozeßrechner diejenige Schaltstufe bzw. den Lastwiderstand aus, mit dem sich der Maximum-Power-Point (MMP) am besten annähern läßt, d.h. den Lastwiderstand, für den die Leistung maximal wird.

Das Verschalten der Heizwiderstände kann mit Hilfe von Relais oder Leistungsschützen erfolgen, die über die Steuerung ansteu-

-D-

erbar sind. Das Verschalten der Heizwiderstände erfolgt in diesem Falle jedenfalls verlustfrei.

Bei Verschaltung der Heizwiderstände mit Relais oder Leistungsschützen sind die Schaltvorgänge, nämlich der Anzug und Abfall der Schützkontakte, hörbar. Zusätzlich unterliegen die Schützkontakte einem mechanischen Verschleiß. Insbesondere bei wechselhafter Wetterlage und also stark variierender Bestrahlungsstärke des Solargenerators ist es vorteilhaft, wenn die Heizwiderstände geräuschlos und verschleißfrei verschaltet werden können. Es wird daher vorgeschlagen, die Heizwiderstände mittels ansteuerbarer Leistungstransistoren zu verschalten. Die Ansteuerung der Leistungstransistoren kann ebenfalls mit dem Prozeßrechner über einen zusätzlichen Codewandler erfolgen. Der Codewandler kann bspw. als maskenprogrammierbares ROM realisiert sein.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Schutzanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Solaranlage,

Fig. 2 sieben Verschaltungsstufen für drei gleiche Heizwiderstände,

Fig. 3 einen Stromlaufplan eines Prozeßrechners mit dazugehörigen Schützen für die Schaltstufen,

Fig. 4 die dem in Fig. 3 dargestellten Stromlaufplan zugeordneten Widerstandsmatrix, mit den entsprechenden Schutzkontakten,

Fig. 5 eine Widerstandsmatrix mit Leistungstransistoren,

Fig. 6 ein Bitmuster zum Ansteuern der in Fig. 5 dargestellten Leistungstransistoren in Verbindung mit einem entsprechenden Schaltplan des Codewandlers (ROM),

Fig. 7 drei U/I-Kennlinien eines Solargenerators für verschiedene Bestrahlungsstärken und

Fig. 8 zwei Leistungskennlinien eines Solargenerators für verschiedene Bestrahlungsstärken.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Solaranlage zur Brauchwassererwärmung, die im photovoltaischen Direktverfahren nach dem Widerstandsprinzip arbeitet. Die Solaranlage umfaßt einen photovoltaisch arbeitenden Solargenerator 1, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus sechs Photovoltaikmodulen 2 bis 7 besteht. Der Solargenerator 1 dient zum Betreiben eines Heißwasserspeichers 8, der mit mehreren, im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei, Heizwiderständen Rl, R2 und R3 ausgestattet ist. Durch die beiden Pfeile K und W ist angedeutet, daß dem Heißwasserspeicher erwärmtes Brauchwasser entnommen werden kann, und kaltes, zu erwärmendes Wasser eingespeist werden kann.

Erfindungsgemäß lassen sich die Heizwiderstände Rl, R2 und R3 auf unterschiedliche Weise miteinander verschalten, so daß unterschiedliche Gesamtwiderstände als Lastwiderstände realisierbar sind. Die verschiedenen Verschaltungsstufen werden in Verbindung mit Fig. 2 näher erläutert. Ferner ist eine Steuerung zur Leistungsanpassung des Heißwasserspeichers an den Solargenerator vorgesehen. Diese Steuerung 9 bestimmt den Zeitpunkt und die Art der Verschaltung der Heizwiderstände Rl, R2 und R3 in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke des Solargenerators.

Fig. 1 zeigt schließlich noch einen Klemmkasten 10, über den die einzelnen Photovoltaikmodule 2 bis 7 des Solargenerators 1 an die Steuerung 9 angeschlossen sind.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Spannung des Solargenerators 1 insofern direkt auf die Heizwiderstände Rl, R2 und R3 des Heißwasserspeichers 8 geschaltet, als keine Verbraucherelemente zwischengeschaltet sind, sondern lediglich die Steuerung 9, die üblicherweise eine eigene Energieversorgung aufweist.

Als Photovoltaikmodule 2 bis 7 können bspw. Solarmodule mit den Betriebsdaten 55 W, IK = 3,4 A und UL = 21,7 V verwendet werden. Die Gesamtleistung der Photovoltaikmodule beträgt dann Wpp. Als Heißwasserspeicher 8 dient hier ein handelsüblicher Elektro-Heißwasserspeicher, dessen werksseitig eingebaute Elektrik komplett demontiert ist, so daß die Anschlüsse der Heizwiderstände zugänglich sind. Bei dem verwendeten Elektro-Heißwasserspeicher 8 sind drei Heizwiderstände Rl, R2 und R3 mit je 21,5 Ohm eingebaut. Bei entsprechender, in Fig. 2 als Stufen 1 bis 7 dargestellter Verschaltung der drei Widerstände Rl, R2 und R3 können sieben verschiedene Lastwiderstände realisiert werden.

In Stufe 1 sind alle drei Widerstände Rl, R2 und R3 parallel geschaltet, so daß sich ein Gesamtwiderstand von 7,2 Ohm ergibt. Stufe 2 besteht lediglich aus der Parallelschaltung von zwei Widerständen Rl und R2, was zu einem Gesamtwiderstand von 10,75 Ohm führt. In der Stufe 3 sind die Widerstände Rl und R2 in Reihe geschaltet, während der Widerstand R3 parallel dazu geschaltet ist. Dies führt zu einem Gesamtwiderstand von 14,3 Ohm. Die vierte Stufe wird lediglich durch einen Widerstand Rl gebildet, der 21,5 Ohm beträgt. In der fünften Stufe sind die Widerstände Rl und R2 parallel geschaltet. Der Widerstand R3 ist dann in Reihe dazugeschaltet, so daß sich ein Gesamtwiderstand von 32,25 Ohm ergibt. Der Gesamtwiderstand von 43 Ohm in Stufe 6 wird durch die in Reiheschaltung von zwei Widerständen Rl und R2 erreicht. In Stufe 7 schließlich sind alle drei Widerstände Rl, R2 und R3 in Reihe geschaltet, was einen Gesamtwiderstand von 64,5 Ohm ergibt.

Grundsätzlich läßt sich eine stufige Leistungsoptimierung des Solargenerators aber auch mit einer anderen Anzahl von Widerständen und/oder mit verschieden dimensionierten Widerständen erreichen. Wesentlich ist jedoch, daß durch unterschiedliche Verschaltung einer gegebenen Anzahl von Widerständen verschiedene Gesamtwiderstände zur möglichst optimalen Ausnutzung der aktuell von einem Solargenerator gelieferten Energie realisiert werden.

In vorteilhafter Weise ist die Steuerung 9 des in Fig. 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Solaranlage zumindest teilweise durch einen Prozeßrechner realisiert. Ferner umfaßt die Steuerung 9 Mittel zur Strom- und Spannungsmessung an dem Solargenerator 1. Mit Hilfe einer Strom- und einer Spannungsmessung ermittelt der Prozeßrechner die Leistung P=UxI entsprechend der Sonneneinstrahlung. Vom Prozeßrechner wird dann die Schaltstufe für den Maximum-Power-

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Point gewählt, d.h. derjenige Lastwiderstand, für den die Leistung bei gegebener Bestrahlungsstärke des Solargenerators maximal wird.

Eine Möglichkeit der Verschaltung der Lastwiderstände besteht in der Verwendung von ansteuerbaren Relais oder Leistungsschützen. Fig. 3 zeigt beispielhaft einen Stromlaufplan des Prozeßrechners mit den dazugehörigen Leistungsschützen für die Schaltstufen. Fig. 4 zeigt die Widerstandsmatrix mit den entsprechenden Schützkontakten. Das Verschalten der Heizwiderstände mit Schutzkontakten erfolgt verlustfrei.

Um nun die Heizwiderstände geräuschlos und verschleißfrei verschalten zu können, kann anstelle der ansteuerbaren Relais oder Leistungsschützen auch eine Schaltung mit Leistungstransistoren verwendet werden. Beispielhaft ist in Fig. 5 die Widerstandsmatrix einer solchen Schaltung mit den Leistungstransistoren Tl bis T6 angegeben. Das Ansteuern der Leistungstransistoren erfolgt ebenfalls mit dem Prozeßrechner, jedoch über einen zusätzlichen Codewandler. Der Codewandler kann als maskenprogrammierbares ROM realisiert sein. In Fig. 7 ist zunächst ein Bitmuster zum Ansteuern der Leistungstransistoren angegeben, welches in dem außerdem dargestellten Schaltplan des Codewandlers mit Hilfe von Dioden realisiert ist.

Zur Erläuterung der Optimierungskritierien der Steuerung sei schließlich noch auf die Fig. 8 und 9 hingewiesen. Fig. 8 zeigt mehrere U/I-Kennlinien eines Solargenerators bei unterschiedlicher Leistung pro Quadratmeter und 25° C, d.h. bei unterschiedlicher Bestrahlungsstärke. Es zeigt sich, daß der Strom bei wachsender Spannung nahezu konstant bleibt, bis sowohl Strom als auch Spannung zusammenbrechen. In Fig. 9 ist die Leistung, also das Produkt von Strom und Spannung in Abhängigkeit von der Spannung für verschiedene Bestrahlungsstärken aufgetra-

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gen. Es zeigt sich, daß je nach Bestrahlungsstärke die maximale Leistung bei unterschiedlichen Spannungen erreicht wird. Da der Strom in einem weiten Spannungsbereich nahezu konstant ist, kann die optimale Leistung durch entsprechende Wahl des Lastwiderstandes erreicht werden. Die Steuerung der erfindungsgemäßen Solaranlage wählt daher aus den sieben realisierbaren Lastwiderständen denjenigen aus, der bei gegebener Bestrahlungsstärke des Solargenerators dem optimalen Lastwiderstand am nächsten kommt.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Lehre keinesfalls auf die mit dem voranstehenden Ausführungsbeispiel angegebenen Verschaltungsmöglichkeiten der Heizwiderstände beschränkt ist. Vielmehr läßt sich die erfindungsgemäße Lehre auch durch andere Widerstandskombinationen und Verschaltungsarten realisieren.

Claims (14)

- 12 - Schutzansprüche

1. Solaranlage zur Brauchwassererwärmung mit einem photovoltaisch arbeitenden Solargenerator (1) zum Betreiben eines mit mehreren Heizwiderständen (Rl, R2, R3) ausgestatteten Heißwasserspeichers (8),

dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwiderstände (Rl, R2, R3) in unterschiedlicher Weise miteinander verschaltbar sind, so daß unterschiedliche Lastwiderstände realisierbar sind, und daß eine Steuerung (9) vorgesehen ist zur Leistungsanpassung durch geeignetes Verschalten der Heizwiderstände (Rl, R2, R3) in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke des Solargenerators (1)·

2. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Solargenerators (1) direkt auf die Heizwiderstände (Rl, R2, R3) des Heißwasserspeichers (8) geschaltet ist.

3. Solaranlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (1) aus mehreren Photovoltaikmodulen (2 bis 7) besteht.

4. Solaranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (1) aus sechs Photovoltaikmodulen (2 bis 7) mit einer Gesamtleistung von 300 Wpp besteht.

5. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß,als Heißwasserspeicher (8) ein handelsüblicher Elektro-Heißwasserspeicher dient, dessen Elektrik soweit demontiert ist, daß die Anschlüsse der Heizwiderstände (Rl, R2, R3) zugänglich sind.

6. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Heizwiderstände (Rl, R2, R3) des Heißwasserspeichers gleich dimensioniert sind.

7. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heißwasserspeicher (8) mit drei Heizwiderständen Rl, R2, R3 ausgestattet ist und daß als Lastwiderstände realisierbar sind Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Stufe 4 Stufe 5 Stufe 6 Stufe 7

R1//R2//R3, Rl//R2, (Rl+R2)//R3,

Rl/ (Rl//R2)+R3,

R1+R2, R1+R2+R3.

8. Solaranlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwiderstände Rl, R2, R3 jeweils 21,5 Ohm aufweisen und daß dementsprechend die Lastwiderstände der Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Stufe 4 Stufe 5 Stufe 6 Stufe 7 betragen.

7,2 Ohm, 10,75 Ohm, 14,3 Ohm, 21,5 Ohm, 32,25 Ohm, 43 Ohm, 64,5 Ohm

9. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (9) zumindest teilweise durch einen Prozeßrechner realisiert ist.

10. Solaranlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (9) Mittel zur Strom- und Spannungsmessung an dem Solargenerator (1) umfaßt.

11. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwiderstände (Rl, R2, R3) mittels durch die Steuerung (9) ansteuerbare Relais oder Leistungsschütze verschaltbar sind.

12. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwiderstände(Rl, R2, R3) mittels durch die Steuerung (9) ansteuerbare Leistungstransistoren (Tl bis T6) verschaltbar sind.

13. Solaranlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung der Leistungstransistoren (Tl bis T6) durch den Prozeßrechner ein Codewandler vorgesehen ist.

14. Solaranlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Codewandler als maskenprogrammierbares ROM realisiert ist.