SK50412016U1 - Zariadenie na fotovoltický ohrev - Google Patents

Abstract

Zariadenie na fotovoltický ohrev je využívaný najmä pre systémy ohrevu alebo napájanie elektrických spotrebičov pomocou fotovoltických panelov (1). Fotovoltický panel (1) generujúci jednosmerný prúd, kde vedenie jednosmerného prúdu z fotovoltických panelov (1) je pripojené na vstup regulátora (4), ktorý zahŕňa menič (5) jednosmerného prúdu na striedavý prúd, a generátor (6) striedavej pulzne šírkovej modulácie na modifikáciu sínusového priebehu striedavého prúdu na výstupe regulátora (4) pomocou zmeny šírky, frekvencie a synchronizácie pulzov v závislosti na vstupnom okamžitom príkone z fotovoltických panelov (1). Na výstup regulátora (4) je pripojený elektrický spotrebič (2). Regulátor (4) pre toto zariadenie na fotovoltický ohrev alebo napájanie elektrického spotrebiča (2) zahŕňa menič (5) jednosmerného prúdu na striedavý prúd.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka zariadenia na fotovoltický ohrev, určeného najmä na využitie v systéme ohrevu teplej vody v bojleri pomocou fotovoltických panelov.

Doterajší stav techniky

Na elektrický ohrev vody v bojleroch a podobných zásobníkoch vody sa využíva prevažne striedavý prúd z elektrickej siete. Jeho rastúca cena, v spojení s klesajúcou obstarávacou cenou fotovoltických panelov, je príčinou stále širšieho využívania fotovoltických panelov ako zdroja energie na ohrev teplej úžitkovej vody. Využitie jednosmerného prúdu z fotovoltických panelov však naráža na technické problémy spojené so vznikom elektrického oblúka pri odpínaní panelov.

Pri priamom pripojení fotovoltických panelov na ohrievaciu špirálu dochádza k tomu, že len čo sa voda v bojleri ohreje a termostat odpojí fotovoltické panely, jednosmerný prúd pri odpínaní vytvára elektrický prúd, ktorý opáli kontakty stýkača a poškodí ich natoľko, že zariadenie nemôže dlhodobo fungovať.

Je známe zariadenie podľa úžitkového vzoru CZ 22504, ktoré je určené na kombinovaný ohrev vody pomocou striedavého a jednosmerného prúdu, čo ale nerieši uvedený technický problém opaľovania kontaktov stýkača. Obdobné riešenie opisuje úžitkový vzor CZ 22505.

Úžitkový vzor SK 5788 rieši problém pripojenia jednosmerného výstupu fotovoltických panelov na ohrievaciu špirálu pomocou kombinácie stýkačov a termostatov, navrhnutých tak, aby jednosmerný prúd pri vypnutí fotovoltických panelov nepoškodil žiadne prvky systému. Toto riešenie zabezpečuje vyššiu životnosť kontaktov, ale nie je dostatočne efektívne pri horšom slnečnom svite. Pri menšom oslnení než je cca 50 % nominálnej hodnoty rapídne klesá výkon ohrevu. Napätie panelov a dodávaný prúd nie sú v súlade s odporom ohrievacej špirály. Zariadenie je spravidla dodávané ako súčasť bojleru a zvyšuje jeho základnú obstarávaciu cenu. Na zvýšenie účinnosti ohrevu bojleru pri horšom oslnení možno dokúpiť zvlášť konvertor, ktorý využíva pulzne šírkovú moduláciu (PWM) na prenos jednosmerného prúdu z fotovoltických panelov, ale ani s týmto dodatočným zariadením nie je možné pri horších svetelných podmienkach odovzdať ohrievacej špirále maximálny možný výkon z fotovoltických panelov.

Podľa úžitkového vzoru CZ 25157 je známe zariadenie na presmerovanie elektrickej energie z bojleru s regulovaným ohrevom vody, ohrievaného pomocou jednosmerného prúdu získaného z fotovoltických panelov. Úžitkový vzor rieši zapojenie stýkačov a termostatov, ktoré umožňujú využitie kapacity fotovoltických panelov aj v dobe, kedy sú od ohriateho bojlera odpojené, a to pripojením ďalšieho bojlera, alebo pripojením bežného meniča, ktorý mení jednosmerný prúd na striedavý prúd, dodávaný do vnútornej elektroinštalácie domu. Toto riešenie ale nerieši zlepšenie výkonu systému pri nízkom oslnení. Zariadenie zahŕňa ďalšie nákladné komponenty, t.j. vedie ku zvýšeniu obstarávacích nákladov.

Úlohou technického riešenia je vytvoriť také zariadenie na fotovoltický ohrev, najmä ohrev vody alebo napájanie elektrických spotrebičov, ktoré by nielen zabraňovalo opaľovaniu kontaktov stýkačov elektrickým oblúkom, ale zabezpečilo by maximálnu využiteľnosť okamžitého výkonu fotovoltických panelov pre ohrievaciu špirálu bojlera. Zariadenie by malo umožniť jednoduché pripojenie sústavy fotovoltických panelov k akémukoľvek bežnému bojleru, ktorý nie je opatrený žiadnym z vyššie opísaných pomocných zariadení, bez nutnosti veľkých stavebných a elektrických úprav, a s minimálnymi nákladmi na prevádzku a údržbu. Zariadenie by ďalej malo byť univerzálne použiteľné na napájanie radu elektrických spotrebičov, ako sú notebooky, počítače, nabíjačky batérií a pod.

Podstata technického riešenia

Táto úloha je vyriešená vytvorením zariadenia na fotovoltický ohrev podľa predloženého technického riešenia. Zariadenie známym spôsobom zahŕňa aspoň jeden fotovoltický panel alebo sústavu prepojených fotovoltických panelov, generujúcich jednosmerný prúd a aspoň jeden zásobník vody s aspoň jednou elektrickou ohrievacou špirálou, napájanou z fotovoltických panelov.

Zariadenie na fotovoltický ohrev alebo napájanie zahŕňa známym spôsobom aspoň jeden fotovoltický panel alebo sústavu fotovoltických panelov generujúcich jednosmerný prúd a aspoň jeden elektrický spotrebič s odporovou charakteristikou, spínaným zdrojom alebo s usmerňovačom, ktorý je napájaný z fotovoltických panelov. Podstata technického riešenia spočíva v tom, že vedenie jednosmerného prúdu z fotovoltických panelov je pripojené na vstup regulátora, ktorý zahŕňa menič jednosmerného prúdu na striedavý prúd a generátor striedavej pulznej štrkovej modulácie na modifikáciu sínusového priebehu striedavého prúdu na výstupe regulátora pomocou zmeny šírky, frekvencie a synchronizácie pulzov v závislosti na vstupnom okamžitom príkone z fotovoltických panelov, pričom na výstup regulátora je pripojený elektrický spotrebič. Môže ísť o elektrický spotrebič s odporovou charakteristikou ako je napr. elektrický bojler s ohrievacou špirálou, elektrický ohrievač, teplovzdušná piecka, sušiak uterákov a pod., prípadne môže ísť o notebook, počítač, nabíjačku batérií a pod.

Vo výhodnom uskutočnení zariadenia podľa technického riešenia regulátor ďalej obsahuje viacotáčkový trimer na nastavenie pracovného rozsahu regulátora zodpovedajúcemu napätiu výstupu fotovoltických panelov na úrovni 75% a nižšej, než je napätie fotovoltických panelov pri ich maximálnom výkone. Trimer môže byť nahradený iným riadiacim prvkom, pripadne je možné nastavenie základného bodu regulácie riešiť mikroprocesorovo.

V ďalšom výhodnom uskutočnení zariadenia podľa technického riešenia je elektrický spotrebič elektrický bojler opatrený ohrievacou špirálou, čo je najčastejší variant ohrevu teplej úžitkovej vody v praxi.

Predmetom technického riešenia je ďalej i samotný regulátor na napájanie elektrického spotrebiča s odporovou charakteristikou, so spínaným zdrojom alebo s usmerňovačom, ktorý je napájaný jednosmerným prúdom z aspoň jedného fotovoltického panelu, alebo sústavy fotovoltických panelov. Podstata regulátora spočíva v tom, že zahŕňa menič jednosmerného prúdu na striedavý prúd a generátor striedavej pulzne šírkovej modulácie na modifikáciu sínusového priebehu striedavého prúdu na výstupe regulátora pomocou zmeny šírky, frekvencie a synchronizácie pulzov v závislosti na vstupnom okamžitom príkone z fotovoltických panelov.

Vo výhodnom uskutočnení regulátor ďalej obsahuje viacotáčkový trimer na nastavenie pracovného rozsahu regulátora zodpovedajúceho napätiu výstupu fotovoltických panelov na úrovni 75% a nižšej, než je napätie na výstupe fotovoltických panelov pri ich maximálnom výkone. V ďalšom výhodnom uskutočnení je menič vytvorený ako polovodičový striedač zahŕňajúci tranzistory, cievku a hlavný kondenzátor. Nakoniec je výhodné, že regulátor ďalej zahŕňa poistku tepelnej a nadprúdovej ochrany.

Výhody regulátora a zariadenia na fotovoltický ohrev alebo napájania podľa technického riešenia spočívajú v niekoľkých oblastiach. Jednak vďaka konverzii jednosmerného prúdu na striedavý prúd nedochádza k opaľovaniu kontaktov stýkačov, a to ani pri pripojení väčšieho počtu fotovoltických panelov. Ďalej regulátor umožňuje pripojiť fotovoltické panely k jestvujúcim neupraveným bežným bojlerom s elektrickou ohrievacou špirálou o výkone 2 až 3,5 kW, bez toho, aby bolo nutné do týchto bojlerov akokoľvek zasahovať. Zásadná výhoda spočíva v tom, že regulátor zabezpečuje udržanie nastaveného bodu maximálneho výkonu panelov tak, že i pri zlom oslnení, menším než 50% nominálnej hodnoty, odovzdáva ohrievacej špirále výkon blízky maximálnemu výkonu panelov. Toto riešenie umožňuje pri nižšom osvetlení získať až o 30% teplej vody navyše. Doplnková výhoda regulátora spočíva vtom, že je možné k nemu pripojiť akékoľvek elektrické spotrebiče, ktoré nie sú závislé na úrovni napätia ako napr. žiarovky, vŕtačky, nabíjačky a pod. Zariadenie a regulátor podľa technického riešenia môžu byť využité univerzálne na napájanie rôznych elektrických spotrebičov, sú jednoduché, nenáročné na inštalačné podmienky, a nepotrebujú na svoju funkciu iný zdroj energie než fotovoltické panely.

Objasnenie výkresov

Technické riešenie bude objasnené pomocou výkresov, na ktorých znázorňujú: obr. 1 schému zariadenia na fotovoltický ohrev vody v elektrickom bojleri s ohrievaciu špirálou obr. 2 schéma zariadenia na napájanie elektrického spotrebiča s odporovou charakteristikou obr. 3 schéma zariadenia na napájanie elektrického spotrebiča so spínaným zdrojom alebo s usmerňovačom na vstupe obr. 4 bloková schéma elektrického zapojenia regulátora obr. 5 modifikovaný sínusový priebeh striedavého prúdu na výstupe regulátora

Príklady uskutočnenia technického riešenia

Rozumie sa, že ďalej opísané a zobrazené konkrétne prípady uskutočnenia technického riešenia sú predstavované na ilustráciu, nie ako obmedzenie technického riešenia na uvedené príklady. Odborníci znalí stavu techniky nájdu alebo budú schopní zabezpečiť pri použití rutinného experimentovania väčší či menší počet ekvivalentov ku špecifickým uskutočneniam technického riešenia, ktoré sú tu opísané. Aj tieto ekvivalenty budú zahrnuté v rozsahu nasledujúcich nárokov na ochranu.

Zariadenie na fotovoltický ohrev vody podľa obr. 1 zahŕňa elektrický spotrebič 2, ktorý tvorí jestvujúci neupravený bojler opatrený dvoma elektrickými ohrievacími špirálami 3 o výkone 2 až 3,5 kW. Jedna špirála 3 je pripojená k bežnému elektrickému rozvodu 13. Druhá špirála 3 je cez regulátor 4 pripojená k fotovoltickým panelom 1. Hoci je na obr. 1 zobrazený iba jeden fotovoltický panel 1, je možné cez regulátor 4 pripojiť sústavu dvoch až jedenástich monokryštalických alebo polykryštalických fotovoltických panelov 1 o výkone 200 až 250 Wp alebo ich ekvivalenty.

Regulátor 4 pracuje na princípe prevodu jednosmerného prúdu z fotovoltických panelov 1 na striedavý prúd v meniči 5, s modifikovaným sínusovým priebehom. Modifikácia sa uskutočňuje pri odľahčení záťaže striedavou PWM (pulzovo štrkovou moduláciou), pomocou generátora 6 pulzne štrkovej modulácie, ktorý umožňuje modifikovať stredový výstup regulátora 4 na základe zmeny šírky, frekvencie a synchronizácie pulzov. Regulácia je závislá na vstupnom okamžitom príkone z fotovoltických panelov 1, teda na intenzite oslnenia. Cieľom je optimálne využitie vlastností ohrievacej špirály 3 i v nižšej výkonovej oblasti panelov 1, to znamená aj pri nižšom oslnení. Regulátor 4 pracuje tak, že pri veľmi nízkom výkone panelov 1 sa generujú pulzy s konštantnou frekvenciou 50 H_z a skracuje sa doba trvania resp. šírka pulzu tak, aby sa zachovala výška pulzu a tým aj minimálne napájacie napätie pre ohrievaciu špirálu 3. Je tu využívaný efekt tzv. rámp generátora t.j. nastavenie napätia na stanovenú hodnotu. Pri udržaní napätia na vstupe regulátora 4 z fotovoltických panelov 1 i na výstupe meniča 5 na určitej minimálnej hodnote sa docieli toho, aby sa ohrievacej špirále 3 odovzdal vždy maximálny možný prúd. Pritom musí byť zachovaný predpoklad pre funkciu Ohmovho zákona, a napätie z meniča 5 musí byť dostatočné, aby do konštantného odporu ohrievacej špirály 3 tiekol najvyšší možný prúd. Pri menšom napätí by sa už prúd z fotovoltických panelov 1 do ohrievacej špirály 3 nedostal, jeho hodnota podľa Ohmovho zákona by bola menšia než dostupný prúd z fotovoltických panelov 1. Zariadenie tak využíva výrazné prúdové zdrojové charakteristiky fotovoltických panelov 1, ktoré sú schopné dodávať prúd 8 A aj pri skrate, teda aj pri napätí napr. 1 V.

Pri vyššom výkone panelov 1 sa pulzy modifikovanej sínusoidy postupne rozširujú a napätie na výstupe regulátora 4 rastie až na maximálnu hodnotu sústavy. Hlavný účinok regulátora 4 sa prejavuje v oblasti pod 50% maximálneho výkonu fotovoltických panelov i, teda pri nízkom oslnení, kde regulátor 4 dokáže zefektívniť príkon až o 30% a zariadenie tak ohreje až o 30% viac vody.

Regulátor 4 je usporiadaný v samostatnej skrini, a je možné ho zapojiť v podstate kamkoľvek medzi fotovoltické panely 1 a elektrický spotrebič 2. Frekvenciu a synchronizáciu pulzov generátora 6 môže nastavovať výrobca resp. servisná organizácia. Užívateľ má možnosť pomocou viacotáčkového trimra 7 nastaviť pracovný rozsah regulátora 4, teda úroveň napätia, pri ktorej začína regulátor 4 pracovať. Táto úroveň je s výhodou nastavená na menej než 75% napätia na výstupe fotovoltických panelov i pri ich maximálnom výkone, teda pri maximálnom oslnení. Len čo sa oslnenie zníži a napätie fotovoltických panelov poklesne pod nastavenú úroveň, regulátor 4 pomocou pulzne šírkovej modulácie optimalizuje modifikáciu striedavého výstupu vyššie opísaným spôsobom. Regulátor 4 je ďalej opatrený modulom doladenia 8, ktorý zlepšuje efektivitu zariadenia.

Menič 5 je polovodičový striedač obsahujúci výkonové tranzistory 9, cievku 10 a hlavný kondenzátor 11. Regulátor 4 je opatrený poistkou 12 pre tepelnú a nadprúdovú ochranu. Nadprúdovú ochranu môže nastaviť výrobca alebo servisná organizácia. Pokiaľ príde k prehriatiu alebo k anomálii pri prepínaní záťaže, regulátor 4 sa zablokuje. Tento stav trvá až do úplného vybitia hlavného kondenzátora 11. Bez servisného zásahu regulátor 4 nabehne do normálneho prevádzkového stavu ďalší deň.

Regulátor 4 je napájaný výhradne z fotovoltických panelov 1. Striedavý výstup meniča 5 nie je stabilizovaný a pohybuje sa podľa okamžitého napätia na výstupe fotovoltických panelov 1 od 0 do 350 V AC. K regulátoru 4 je tak možné okrem zásobníka 2 pripojiť aj niektoré ďalšie spotrebiče, ktoré nie sú závislé na presnej úrovni napájacieho napätia, ako napr. žiarovky, vŕtačky, nabíjačky batérií, spínané zdroje na napájanie notebookov a pod.

Na obr. 2 je znázornená schéma zariadenia, kde sa pomocou jednosmerného prúdu z fotovoltických panelov 1 a s pomocou regulátora 4 napája obecne elektrický spotrebič 2 s odporovou charakteristikou a s menovitým výkonom od 2 do 3,5 kW. Môže ísť napr. o elektrický ohrievač, teplovzdušnú piecku, elektrický sušiak uterákov a pod.

Na obr. 3 je znázornená schéma zariadenia, kde sa pomocou jednosmerného prúdu z fotovoltických panelov 1 a s pomocou regulátora 4 napája obecne elektrický spotrebič 2 so spínaným zdrojom alebo s usmerňovačom na vstupe. Môže ísť napr. o notebook, počítač alebo mikroprocesorovo riadenú nabíjačku batérií so spínaným zdrojom alebo s usmerňovačom na vstupe.

Priemyselná využiteľnosť

Regulátor a zariadenie podľa technického riešenia je možné využiť na fotovoltický ohrev alebo napájanie elektrických spotrebičov v systémoch, ktoré zahrňujú fotovoltické panely.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zariadenie na fotovoltický ohrev alebo napájanie, zahŕňajúce aspoň jeden fotovoltický panel (1) alebo sústavu fotovoltických panelov (1) generujúcich jednosmerný prúd, a aspoň jeden elektrický spotrebič (2) s odporovou charakteristikou, alebo so spínaným zdrojom, alebo s usmerňovačom, ktorý je napájaný z fotovoltických panelov (1), vyznačujúce sa tým, že vedenie jednosmerného prúdu z fotovoltických panelov (1) je pripojené na vstup regulátora (4), ktorý zahŕňa menič (5) jednosmerného prúdu na striedavý prúd a generátor (6) striedavej pulzne šírkovej modulácie na modifikáciu sínusového priebehu striedavého prúdu na výstupe regulátora (4) pomocou zmeny šírky, frekvencie a synchronizácie pulzov v závislosti na vstupnom okamžitom príkone z fotovoltických panelov (1), pričom na výstup regulátora (4) je pripojený elektrický spotrebič (2).
2. 2. Zariadenie podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že, regulátor (4) ďalej obsahuje viacotáčkový trimer (7) na nastavenie pracovného rozsahu regulátora (4) tak, aby zodpovedal napätiu výstupu fotovoltických panelov (1) na úrovni 75% a nižšej, než je napätie fotovoltických panelov (1) pri ich maximálnom výkone.
3. 3. Zariadenie podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúce sa tým, že, elektrický spotrebič (2) je elektrický bojler opatrený ohrievacou špirálou (3).
4. 4. Regulátor (4) pre zariadenie na fotovoltický ohrev alebo napájanie podľa nároku 1, ktorý je napájaný jednosmerným prúdom z aspoň jedného fotovoltického panelu (1), alebo sústavy fotovoltických panelov (1), vyznačujúci sa tým, že zahŕňa menič (5) jednosmerného prúdu na striedavý prúd a generátor (6) striedavej pulzne šírkovej modulácie na modifikáciu sínusového priebehu striedavého prúdu na výstupe regulátora (4) pomocou zmeny šírky, frekvencie a synchronizácie pulzov v závislosti na vstupnom okamžitom príkone z fotovoltických panelov (1).
5. 5. Regulátor podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že ďalej obsahuje viacotáčkový trimer (7) na nastavenie pracovného rozsahu regulátora (4) tak, aby zodpovedal napätiu výstupu fotovoltických panelov (1) na úrovni 75% a nižšej, než je napätie na výstupe fotovoltických panelov (1) pri ich maximálnom výkone.
6. 6. Regulátor podľa niektorého z nárokov 4 až 5, vyznačujúci sa tým, že menič (5) je polovodičový striedač zahŕňajúci tranzistory (9), cievku (10) a hlavný kondenzátor (11).
7. 7. Regulátor podľa niektorého z nárokov 4 až 6, vyznačujúci sa tým, že ďalej zahŕňa poistku (12) tepelnej a nadprúdovej ochrany.