DE10063887A1 - Steuerung einer Solaranlage mit integriertem Hybridkollektor - Google Patents

Abstract

Bei einer Solaranlage mit einem Hybridkollektor (1) zur Gewinnung von thermischer und elektrischer Energie aus der solaren Strahlung soll eine optimale thermische und/oder elektrische Nutzung erreicht werden. Diesem Zweck dient eine Steuerung für eine an sich bekannte variable Leistungsregelung der Umwälzpumpe (4) im Solarkreis (5) über den komplett möglichen Modulationsbereich von beispielsweise 50 bis 100% der Pumpenleistung und der elektrischen Nutzung durch eine variable Leistungsregelung der Umwälzpumpe nur im oberen Modulationsbereich von beispielsweise 80 bis 100% der Pumpenleistung. Die stärkere Kühlung durch den größeren Volumenstrom im Falle der elektrischen Nutzung verhindert Temperaturanstiege am Kollektor und steigert dadurch den Wirkungsgrad der Photovoltaikzellen (3).

Description

Die Erfindung betrifft die Steuerung einer Solaranlage nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Hybridkollektoren können aus der solaren Strahlung sowohl thermische als auch elektri­ sche Energie gewinnen. Zu diesem Zweck besitzen sie einen üblichen Absorber, aus dem das Wasser einer Solaranlage Wärme zu einem Solarspeicher transportiert. An der Ober­ fläche ist der Absorber mit bekannten Photovoltaikzellen bestückt, die der Stromerzeugung dienen. Dabei können beide Arten der Energiegewinnung gleichzeitig wirksam sein.

Bei thermischen Kollektoren ist es üblich, durch eine variable Leistungsregelung der Um­ wälzpumpe den umgewälzten Solarwasser-Volumenstrom zu verändern. Das erfolgt in Abhängigkeit von den aktuellen Werten der solaren Strahlung und der Temperatur im So­ larspeicher. Dabei kann ein Modulationsbereich von beispielsweise 50 bis 100% der Pum­ penleistung variabel eingestellt werden. Je nach dem vorhandenen Wärmeangebot am Kollektor stellt sich auf diese Weise ein variabler Volumenstrom zwischen dem Mindest- und dem Höchstwert ein, der zu einer optimalen thermischen Nutzung der einstrahlenden Sonnenenergie führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Steuerung, für eine Solaranlage mit einem Hybridkollektor zu schaffen, welche zu jeder Zeit eine optimale thermische und/oder elek­ trische Nutzung der solaren Strahlung ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Steuerung ist gekennzeichnet durch die im Patentanspruch 1 ge­ nannten Merkmale.

Die Optimierung der thermischen Nutzung erfolgt durch die an sich bekannte variable Leistungsregelung der Umwälzpumpe im Solarkreis über den komplett möglichen Modula­ tionsbereich und die Optimierung der thermischen Nutzung durch eine Leistungsregelung der Umwälzpumpe nur im oberen Modulationsbereich. Dabei empfielt sich für die Optimie­ rung der thermischen Nutzung ein Modulationsbereich von etwa 50 bis 100% der Pum­ penleistung und für die Optimierung der elektrischen Nutzung ein Modulationsbereich von etwa 80 bis 100% der Pumpenleistung.

Die erfindungsgemäße Aufgliederung der Optimierungsbereiche hat das Ergebnis, dass in der thermischen Optimierungsphase eine größtmögliche Wärmenutzung erfolgt, da der Solarwasser-Volumenstrom durch die Modulation der Pumpe an das Wärmeangebot am Kollektor angepasst ist. Bei einem geringen Volumenstrom können aber die Temperaturen am Kollektor infolge der geringeren Wärmeabfuhr ansteigen. Und diese erhöhten Tempe­ raturen am Kollektor haben einen geringeren Wirkungsgrad der Photovoltaikzellen des Hybridkollektors zur Folge. Um nun die elektrische Nutzung zu optimieren, erfolgt in dieser Betriebsphase eine Leistungsregelung der Umwälzpumpe nur im oberen Modulationsbe­ reich, vorzugsweise von etwa 80 bis 100% der Pumpenleistung. Die elektrische Optimie­ rung vermeidet also bewusst sehr niedrige Volumenströme mit der Möglichkeit eines Tem­ peraturanstiegs am Kollektor. Durch die optimale Wärmeabfuhr erfolgt eine genügende Kühlung der Photovoltaikzellen, mit einer höchstmöglichen Stromerzeugung. Eine Ver­ schlechterung des Wirkungsgrades in dieser Phase infolge zu hoher Kollektortemperaturen wird vermieden.

Statt eines permanenten Parallelbetriebs, wie er bisherigen Hybridkollektoren vorgesehen ist, ergeben sich somit zwei mögliche Betriebsarten, und zwar auf der einen Seite eine be­ vorzugte Wärmenutzung bei vollem Modulationsgrad der Umwälzpumpe und auf der ande­ ren Seite eine bevorzugte Stromerzeugung bei einer Leistungsregelung der Umwälzpumpe im oberen Leistungsbereich. Als Kriterium für diese oder jene Optimierung gilt dabei das Wärmeangebot infolge der solaren Strahlung. Ist dieses gering, etwa während des Winter­ halbjahres, dann empfiehlt sich eine Optimierung der thermischen Nutzung. Ist dieses je­ doch höher, etwa während des Sommerhalbjahres, dann empfiehlt sich hingegen eine Op­ timierung der elektrischen Nutzung. Somit wird man geringeren Außentemperaturen die thermische Optimierung mit einer Anwendung des kompletten Modulationsbereichs und bei höheren Außentemperaturen die elektrische Optimierung mit einer Anwendung nur des oberen Modulationsbereichs vorsehen.

Die Umschaltung von dem einen auf den anderen Optimierungsbereich kann in Abhängig­ keit von gemessenen Werten des Energieangebotes anhand der Außentemperatur und gegebenenfalls auch der solaren Strahlung erfolgen. Es ist auch eine Umschaltung in Ab­ hängigkeit von der jeweiligen Jahreszeit an je einem Stichtag im Frühjahr und im Herbst möglich.

Die Umschaltung sowie die Steuerung selbst kann in ein Energiemanagement für die Anla­ ge mit dem Hybridkollektor integriert werden. Die Sensorik für die Steuerung steht dabei mit dem Photovoltaik-Sensor bereits zur Verfügung, so dass keine Erweiterungen der bis­ herigen Vorrichtung nötig ist. Durch die erfindungsgemäße Programmierung wird das vor­ handene Energiepotential optimal genutzt.

Die Zeichnung stellt in einer einzigen Figur das Schema einer Solaranlage als Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung dar.

Ein Hybridkollektor 1 besitzt einen von Wasser durchströmten Absorber 2 für die Nutzung der elektrischen Energie. Durch eine Umwälzpumpe 4 im Solarkreis 5 wird das Wasser einem Wärmetauscher 6 im Solarspeicher 7 zugeführt. Die Umwälzpumpe 4 wird über ein Steuergerät 8 in Abhängigkeit von Messwerten an einem Außentemperaturfühler 9 und einem Speichertemperaturfühler 10 oder von sonstigen geeigneten Größen gesteuert.

Für die Optimierung der thermischen Nutzung wird die Umwälzpumpe 4 in einem Modulati­ onsbereich von beispielsweise 50 bis 100% variabel in ihrer Leistung geregelt. Dadurch passt sich der geförderte Volumenstrom des Solarwassers dem Wärmeangebot am Kol­ lektor an. Es wird ein Maximum an thermischer Energie dem Solarspeicher 7 zugeführt. Das ist speziell bei niedrigen Außentemperaturen, etwa im Winterhalbjahr, sinnvoll.

Bei höheren Außentemperaturen, etwa im Sommerhalbjahr, empfiehlt es sich hingegen, die Umwälzpumpe 4 nur im oberen Modulationsbereich zu regeln. Niedrige Volumenströme mit einem Temperaturanstieg am Kollektor werden vermieden. Die gute Kühlung fördert den Wirkungsgrad der Photovoltaikzellen 3 und optimiert dadurch die elektrische Nutzung.

In beiden Phasen sind beide Nutzungsarten wirksam. Jede Nutzungsart ist zu ihrer Zeit jedoch optimiert, so dass ein Höchstmaß an thermischer und elektrischer Energie gewon­ nen werden kann.

Claims (5)

1. Steuerung einer Solaranlage mit integriertem Hybridkollektor (1) zur Optimierung der dem Kollektor zu entnehmenden thermischen und/oder elektrischen Energie durch eine variable Leistungsregelung der Unwälzpumpe im Solarkreis über einen vorgegebenen Mo­ dulationsbereich, gekennzeichnet durch eine Optimierung der thermischen Nutzung durch eine an sich be­ kannte Ausnutzung des vollen Modulationsbereichs von beispielsweise 50 bis 100% und der elektrischen Nutzung durch Ausnutzung nur des oberen Modulationsbereichs von bei­ spielsweise 80 bis 100% der Pumpenleistung.

2. Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine bevorzugte Optimierung der thermischen Nutzung bei einem geringeren und der elektrischen Nutzung bei einem höheren Energieangebot am Kollektor.

3. Steuerung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine bevorzugte Optimierung der thermischen Nutzung während des Winterhalbjahres und der elektrischen Nutzung während des Sommerhalbjahres.

4. Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Umschaltung von dem einen auf den anderen Optimierungsbe­ reich in Abhängigkeit von gemessenen Werten des Energieangebots, wie der Außentem­ peratur und der solaren Strahlung.

5. Steuerung nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Umschaltung von dem einen auf den anderen Optimierungsbe­ reich an festgelegten Stichtagen zu Beginn des Winter- bzw. Sommerhalbjahres.