Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Es ist bereits vorgeschlagen worden, Photovoltaikanlagen zur Heizung zu verwenden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer hohen Effizienz und/oder geringen Kosten bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Heizvorrichtung, insbesondere zur Erhitzung von zumindest einem Fluid, mit zumindest einem ersten Heizwiderstand und zumindest einer Versorgungselektronik, die dazu vorgesehen ist, zumindest den ersten Heizwiderstand mit von zumindest einer ersten Photovoltaikanlage bereitgestellten Strom zu versorgen.

Es wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik dazu vorgesehen ist, zumindest den ersten Heizwiderstand zumindest in einem Betriebsmodus getaktet zu betreiben. Unter einem„Fluid" soll insbesondere eine Flüssigkeit, ein Gas und/oder ein,

vorzugsweise zumindest rieselfähiges, Schüttgut, insbesondere mit Partikelgrößen von maximal 5 cm, insbesondere maximal 3 cm, vorteilhaft maximal 1 cm, vorzugsweise maximal 0,5 cm, verstanden werden. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass zumindest der erste Heizwiderstand dazu vorgesehen ist, ein

Latenzwärmespeichermaterial, das insbesondere in zumindest einem Betriebszustand flüssig ist, zu beheizen. Weiterhin ist es denkbar, dass der Heizwiderstand zu einer Erhitzung von zumindest einem Festkörper, insbesondere in Form zumindest eines . -

Gesteins- und/oder Mineralblocks, insbesondere zur Wärmespeicherung vorgesehen ist. Unter einem„Heizwiderstand" soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, elektrische Energie zu mindestens 70 %, insbesondere zu mindestens 90 %, vorteilhaft zu mindestens 95 %, vorzugsweise zu mindestens 99 %, in Wärme umzuwandeln. Insbesondere ist der Heizwiderstand von zumindest einem elektrischen Bauteil, insbesondere von einer Gruppe von, vorzugsweise permanent, parallel und/oder in Reihe geschalteter elektrischer Bauteile, gebildet. Insbesondere ist zumindest eins der elektrischen Bauteile als, vorzugsweise metallischer, ohmscher Widerstand ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass das zumindest eine der elektrischen Bauteile als Halbleiterkomponente, mit insbesondere steuerbarem Widerstand, ausgebildet ist. Insbesondere ist die zumindest eine elektrische Komponente des

Heizwiderstands von einer, insbesondere metallischen, vorzugsweise röhrenförmigen, Hüllkörper umgeben, der vorteilhaft dazu vorgesehen ist, einen thermischen Kontakt, insbesondere mittels Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung, zwischen dem

Heizwiderstand und dem zu heizenden Medium, insbesondere dem Fluid, herzustellen. Insbesondere bildet der Heizwiderstand einen Schlangenheizkörper aus. Insbesondere ist zwischen der elektrischen Komponente und dem Hüllkörper zumindest ein elektrisch isolierendes, vorteilhaft gut wärmeleitendendes, vorzugsweise keramisches, Material angeordnet. Insbesondere ist zumindest eine der elektrischen Komponenten um einen Keramikträger gewickelt, der in einen, gegen das zu heizende Medium abgrenzenden, als Hohlkörper ausgebildeten Hüllkörper eingeschoben ist, wobei zwischen der elektrischen Komponente und dem Hüllkörper ein Luftspalt beibehalten ist, sodass Wärmeübertragung im Wesentlichen mittels Wärmestrahlung stattfindet. Insbesondere weist die

Heizvorrichtung einen Fluidbehälter und/oder ein Fluidleitelement auf, in das der

Heizwiderstand hineinragt bzw. der von dem Heizwiderstand durchsetzt ist. Alternativ ist es denkbar, dass der Heizwiderstand eine Wandung des Fluidbehälters und/oder - leitelements bildet. Insbesondere weist die Versorgungselektronik zumindest eine

Leistungsschnittstelle auf, die dazu vorgesehen ist, mit der Photovoltaikanlage verbunden zu werden. Vorzugsweise weist die Versorgungselektronik zumindest eine Steuereinheit auf, die zumindest dazu vorgesehen ist, einen Betrieb des Heizwiderstands zu steuern und/oder zu regeln. Unter einer„Photovoltaikanlage" soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, Licht, insbesondere Sonnenlicht, direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Insbesondere ist eine Photovoltaikanlage lediglich von Photovoltaikzellen, Schutzmänteln, Trägerelementen und/oder Verbindungskabeln - -

gebildet. Unter einem„getakteten Betrieb" soll insbesondere ein Betriebsmodus verstanden werden, in dem der Heizwiderstand wiederholt, insbesondere mit einer Frequenz von mehr als 100 Hz, insbesondere mehr als 1 kHz, vorteilhaft mehr als 10 kHz, vorzugsweise mehr als 20 kHz, und/oder einer Frequenz von maximal 100 kHz, insbesondere maximal 60 kHz, vorteilhaft maximal 40 kHz, insbesondere periodisch, mit der Photovoltaikanlage verbunden wird. Insbesondere weist die Versorgungselektronik zumindest ein Schaltelement auf, das in einem Reihenschaltkreis mit der

Photovoltaikanlage und dem Heizwiderstand angeordnet ist, und vorteilhaft zur

Erzeugung des getakteten Betriebs durch die Steuereinheit angesteuert wird und das insbesondere als Halbleiterschaltelement, vorzugsweise als Leistungs-MOSFET und/oder Leistungs-IGBT, alternativ als elektromechanisches Schaltelement, insbesondere als Relais, ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die Versorgungselektronik zusätzlich zumindest einen Betriebsmodus auf, in dem der Heizwiderstand kontinuierlich mit der Photovoltaikanlage verbunden ist. Unter„vorgesehen" soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungsund/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Es können insbesondere eine hohe Effizienz und/oder geringe Kosten, insbesondere aufgrund von Bauteilersparnis, erreicht werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik dazu vorgesehen ist, zumindest den ersten Heizwiderstand in zumindest einem Betriebsmodus mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz, insbesondere mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 70 kHz, vorteilhaft mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 50 kHz, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 30 kHz und 40 kHz, zu betreiben. Es kann insbesondere eine hohe Effizienz erreicht werden. Insbesondere können geringe

Schaltverluste bei einer im Wesentlichen gleichbleibenden Belastung für die

Photovoltaikanlage erreicht werden. Insbesondere kann eine preiswerte und/oder einfache Ausgestaltung mit geringer Bauteilzahl erreicht werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik dazu vorgesehen ist, zur Einstellung einer über den Heizwiderstand abfallenden Leistung ein Tastverhältnis des getakteten Betriebs zumindest des ersten Heizwiderstands anzupassen. Unter einem . .

„Tastverhältnis des getakteten Betriebs" soll insbesondere ein Tastverhältnis eines Steuersignals, insbesondere einer Steuerspannung, verstanden werden, mit der die Steuereinheit das Schaltelement zur Verbindung des Heizwiderstands mit der

Photovoltaikanlage ansteuert. Es kann insbesondere eine einfache Steuerung erreicht werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik dazu vorgesehen ist, ein Tastverhältnis des getakteten Betriebs zumindest des ersten Heizwiderstands zu einer Optimierung der über dem ersten Heizwiderstand abfallenden Leistung zu variieren.

Insbesondere weist die Versorgungselektronik zumindest einen Spannungsregelkreis auf, wobei der Spannungsregelkreis vorteilhaft dazu vorgesehen ist, eine Spannungsdifferenz zwischen einer vorgegebenen Sollspannung und einer gemessenen Istspannung in ein Tastverhältnis des getakteten Betriebs umzusetzen. Insbesondere ist die

Versorgungselektronik dazu vorgesehen, die Sollspannung und/oder das Tastverhältnis des getakteten Betriebs in regelmäßigen und/oder unregelmäßigen Abständen in einem Variationsschritt um einen bestimmten Betrag zu verändern und eine resultierende

Leistungsabgabe über den Heizwiderstand mit einem vor der Veränderung gemessenen Wert zu vergleichen, wobei die Sollspannung und/oder das Tastverhältnis beibehalten wird, das zu einer höheren Leistungsabgabe führt. Insbesondere wird in einem

Variationsschritt die Sollspannung vergrößert und/oder das Tastverhältnis verringert, wenn im vorherigen Variationsschritt durch Erhöhung der Sollspannung und/oder

Verringerung des Tastverhältnisses eine Leistungssteigerung erreicht werden konnte oder durch eine Verringerung der Sollspannung und/oder eine Erhöhung des Tastverhältnisses keine Leistungssteigerung erreicht werden konnte. Insbesondere wird in einem

Variationsschritt die Sollspannung verringert und/oder das Tastverhältnis vergrößert, wenn im vorherigen Variationsschritt durch Verringerung der Sollspannung und/oder Erhöhung des Tastverhältnisses eine Leistungssteigerung erreicht werden konnte oder durch eine Vergrößerung der Sollspannung und/oder Verringerung des Tastverhältnisses keine Leistungssteigerung erreicht werden konnte. Vorteilhaft ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, eine Variation der Sollspannung und/oder des Tastverhältnisses

einzustellen, wenn die Leistungsabgabe eine Nennleistung des Heizwiderstands erreicht, bis die Leistungsabgabe wieder unter die Nennleistung fällt. Es kann insbesondere eine einfache Steuerung erreicht werden. Alternativ sind Ausgestaltungen denkbar, in denen eine ideale Sollspannung und/oder ein ideales Tastverhältnis zumindest anhand von . .

gemessenen Spannungs- und Strommessgrößen des Stroms der Photovoltaikanlage und/oder anderen, einem Fachmann als geeignet erscheinenden Messgrößen berechnet wird oder in denen ein alternatives, einem Fachmann als geeignet erscheinendes Variationsverfahren eingesetzt wird. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik zumindest eine dem ersten Heizwiderstand zugeordnete Pufferkapazität aufweist, die dazu vorgesehen ist, Energie der Photovoltaikanlage zumindest zwischenzuspeichern. Insbesondere ist die

Pufferkapazität von zumindest einem Kondensator gebildet. Es kann insbesondere eine hohe Effizienz erreicht werden, da in Zuständen, in denen der Heizwiderstand kurzfristig nicht mit der Photvoltaikanlage verbunden ist, von der Photovoltaikanlage bereitgestellte Energie genutzt werden kann. Insbesondere kann eine hohe Energieausbeute erreicht werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik dazu vorgesehen ist, zu einer Bestimmung einer über den Heizwiderstand abgegebenen Leistung, insbesondere lediglich, eine Spannung über der Pufferkapazität zu messen. Insbesondere weist die Versorgungselektronik zumindest einen Spannungssensor auf, der eine über der Pufferkapazität abfallende Spannung misst. Insbesondere ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, in Abhängigkeit von zumindest einem Spannungsmesswert, insbesondere einem Spannungsverlauf über der Pufferkapazität, insbesondere lediglich während der Heizwiderstand mit der Photovoltaikanlage verbunden ist, dem bekannten Tastverhältnis des getakteten Betriebs und einer zumindest im Wesentlichen bekannten Größe des ohmschen Widerstands des Heizwiderstands, eine in dem Heizwiderstand abgegebene Leistung zu berechnen. Es kann insbesondere eine Bauteilersparnis, ein geringer Messaufwand und/oder eine hohe Effizienz erreicht werden. Alternativ ist es denkbar, dass die Versorgungselektronik dazu vorgesehen ist, insbesondere lediglich, einen Strom durch den Heizwiderstand zu messen.

Vorteilhaft ist die Versorgungselektronik dazu vorgesehen, das Tastverhältnis des getakteten Betriebs zumindest in Abhängigkeit von einer mittleren über der

Pufferkapazität anliegenden Spannung, insbesondere in Abhängigkeit einer über diese berechnete Leistungsabgabe des Heizwiderstands, auszuwählen. Unter einer„mittleren Spannung" soll insbesondere eine über einen Zeitraum, in dem der Heizwiderstand mit der Photovoltaikanlage verbunden ist, gemittelte, insbesondere quadratisch gemittelte, . .

Spannung verstanden werden. Es kann insbesondere eine verbesserte Messgenauigkeit erreicht werden. Insbesondere kann eine Bauteilersparnis, insbesondere zumindest eine Ersparnis eines Stromsensors zur Messung eines Stroms durch den Heizwiderstand, erreicht werden. Vorteilhaft ist der Heizwiderstand unmittelbar an eine Pufferkapazität der

Versorgungselektronik angeschlossen. Darunter, dass der Heizwiderstand„unmittelbar" an die Pufferkapazität angeschossen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Heizwiderstand zumindest in einem Zustand, in dem er mit der Photovoltaikanlage verbunden ist, lediglich über zumindest im Wesentlichen rein ohmsche Elemente, insbesondere lediglich elektrische Verbindungsleitungen und/oder Schaltelemente, in

Reihe zu der Pufferkapazität geschaltet ist. Es kann insbesondere eine hohe Effizienz und oder eine hohe Bauteilersparnis erreicht werden, da insbesondere auf zusätzliche Wandlerstufen verzichtet wird.

Vorteilhaft ist die Pufferkapazität dazu vorgesehen, unmittelbar an die Photovoltaikanlage angeschlossen zu werden. Insbesondere sind zwischen der Leistungsschnittstelle zum Anschluss der Photovoltaikanlage und der Pufferkapazität lediglich zumindest im

Wesentlichen rein ohmsche Elemente, insbesondere lediglich elektrische

Verbindungsleitungen und/oder Schaltelemente, in Reihe zu der Pufferkapazität geschaltet. Es kann insbesondere eine hohe Effizienz und/oder eine hohe

Bauteilersparnis erreicht werden, da insbesondere auf zusätzliche Wandlerstufen verzichtet wird.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik dazu vorgesehen ist, eine Frequenz des getakteten Betriebs in zumindest einem Betriebsmodus zu variieren.

Insbesondere ist die Versorgungselektronik dazu vorgesehen, die Frequenz des getakteten Betriebs in Abhängigkeit von einer von der Photovoltaikanlage beziehbaren Leistung zu variieren. Insbesondere ist die Versorgungselektronik dazu vorgesehen, in einem Betriebszustand, in dem eine über den Heizwiderstand abgegebene Leistung maximal 50 %, insbesondere maximal 30 %, vorteilhaft maximal 20 %, vorzugsweise maximal 10 % einer Nennleistung des Heizwiderstands entspricht, eine für Leistungen über 50 % der Nennleistung übliche Frequenz des getakteten Betriebs zu verringern, insbesondere, vorteilhaft gestaffelt, zu halbieren, zu dritteln und/oder zu vierteln. Es kann insbesondere eine hohe Effizienz erreicht werden, da insbesondere Schaltverluste . .

verringert werden können. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik dazu vorgesehen ist, eine Frequenz des getakteten Betriebs in einem Bereich mit einer Breite von zumindest 1 kHz, insbesondere zumindest 3 kHz, vorteilhaft zumindest 8 kHz, und/oder in einem Bereich mit einer Breite von maximal 20 kHz, vorteilhaft maximal 13 kHz, insbesondere periodisch und/oder linear, alternativ sprunghaft und/oder zufällig, zu verändern, um ein, insbesondere abgestrahltes und/oder in die Photovoltaikanlage rückübertragenes, Oberwellenspektrum zu verringern.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik zumindest eine Sensoreinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, eine Frequenz eines der Photovoltaikanlage entnommenen Stroms zu untersuchen, um auf lichtbogentypisches Verhalten zu schließen. Insbesondere ist die Sensoreinheit von dem zur Leistungsermittlung vorgesehenen Spannungssensor gebildet, wobei die Steuerelektronik insbesondere dazu vorgesehen ist, eine aktuelle Frequenz des getakteten Betriebs aus dem gemessenen Signal des Spannungssensors herauszufiltern. Alternativ ist es denkbar, dass die

Versorgungselektronik einen zusätzlichen Sensor, insbesondere einen Stromsensor zur Messung eines Stroms über die Leistungsschnittselle, aufweist, um eine verbesserte Messgenauigkeit zu erreichen. Insbesondere weist eine Frequenz zwischen 10 kHz und 30 kHz, die von einer Frequenz des getakteten Betriebs abweicht, auf ein

lichtbogentypischen Verhalten hin, bei dem an, insbesondere als Steckverbindern ausgebildeten, Verbindungskontakten der Photovoltaikanlage, insbesondere der

Photovoltaikzellen, Lichtbögen auftreten. Insbesondere ist die Versorgungselektronik dazu vorgesehen, bei Detektion lichtbogentypischen Verhaltens zumindest kurzfristig, einen Betrieb des Heizwiderstands zu unterbrechen, um den Lichtbogen zu löschen und/oder zumindest eine Warnmeldung auszugeben. Insbesondere ist die Versorgungselektronik dazu vorgesehen, zumindest bei wiederholtem Auftreten lichtbogentypischen Verhaltens einen Betrieb bis Abschluss von Wartungsmaßnamen einzustellen. Es kann insbesondere eine hohe Sicherheit und/oder eine hohe Lebensdauer der angeschlossenen

Photovoltaikanlage erreicht werden.

Vorteilhaft wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik zumindest einen

Temperatursensor aufweist. Vorzugsweise ist der Temperatursensor zumindest in Nähe des zu erhitzenden Mediums, vorteilhaft von diesem umschlossen, angeordnet.

Insbesondere ist der Temperatursensor in eine Hülle des Heizwiderstands integriert. - -

Alternativ oder zusätzlich ist eine separate Anordnung des Temperatursensors denkbar. Es kann insbesondere eine verbesserte Sicherheit erreicht werden. Insbesondere ist die Versorgungselektronik dazu vorgesehen, bei Überschreiten einer Grenztemperatur durch den Temperatursensor einen Betrieb zumindest des ersten Heizwiderstands zumindest zu reduzieren und/oder einzustellen. Es kann insbesondere eine verbesserte Sicherheit erreicht werden. Insbesondere kann ein hoher Komfort erreicht werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Heizvorrichtung zumindest eine

Fluidtransporteinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, ein zu erhitzendes Fluid an dem Heizwiderstand vorbeizuführen und die durch die Versorgungselektronik, insbesondere in Abhängigkeit von dem Temperatursensor, gesteuert und/oder versorgt ist. Insbesondere ist die Fluidtransporteinheit dazu vorgesehen, ein Fluid dem Heizwiderstand zuzuführen. Insbesondere ist die Fluidtransporteinheit dazu vorgesehen, eine Bewegung eines Fluids zu erzwingen. Insbesondere weist die Fluidtransporteinheit zumindest eine Pumpe, einen Ventilator und/oder eine Förderschnecke auf. Insbesondere ist die Versorgungselektronik dazu vorgesehen, eine Fördermenge der Fluidtransporteinheit derart zu regeln, dass eine von dem Temperatursensor gemessene Temperatur zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird und/oder einem, insbesondere von einem Bediener vorgegebenen, Wert entspricht. Insbesondere weist die Versorgungselektronik zumindest einen

Spannungswandler und/oder Frequenzwandler auf, der dazu vorgesehen ist, von der Photovoltaikanlage bereitgestellte Energie in eine von der Fluidtransporteinheit benötigte Form zu wandeln. Alternativ ist es denkbar, dass die Fluidtransporteinheit über einen separaten Netzanschluss versorgt wird wobei die Fluidtransporteinheit vorzugsweise zumindest eine Regelschnittstelle aufweist, über die die Steuereinheit der

Versorgungselektronik eine Fördermenge und/oder -geschwindigkeit festlegen kann. Es kann insbesondere eine hohe Qualität erreicht werden.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Versorgungselektronik eine Kontrolleinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, zumindest eine Funktionstüchtigkeit einer Steuereinheit, die den getakteten Betrieb zumindest des einen Heizwiderstands steuert, zu überwachen.

Insbesondere weist die Kontrolleinheit zumindest einen separaten Temperatursensor auf und ist dazu vorgesehen, eine Verbindung zwischen dem Heizwiderstand und der

Photovoltaikanlage bei Überschreitung einer Grenztemperatur, vorzugsweise redundant, zu unterbrechen. Eine Überhitzung kann insbesondere durch eine Fehlfunktion der - -

Steuereinheit, einer Fehlfunktion eines ersten Sensors und/oder einer Fehlfunktion eines Schaltelements verursacht werden. Insbesondere weist die Kontrolleinheit ein separates Schaltelement auf, das in Reihe zwischen dem Heizwiderstand und der

Leistungsschnittstelle geschaltet ist. Insbesondere weisen die Kontrolleinheit und die Steuereinheit jeweils zumindest einen Kommunikationseingang auf, um zumindest eine Kontrolle einer Funktionstüchtigkeit der Steuereinheit durchzuführen. Vorzugsweise ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, über die Kommunikationseingänge eine

Funktionstüchtigkeit der Kontrolleinheit durchzuführen. Insbesondere sind Steuereinheit und Kontrolleinheit gemeinsam dazu vorgesehen, lediglich dann einen Stromfluss durch den Heizwiderstand zuzulassen, wenn eine Funktionstüchtigkeit beider Einheiten sichergestellt wurde. Es kann insbesondere eine hohe Sicherheit, insbesondere gegenüber einer Überhitzung und/oder Folgeschäden, erreicht werden.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine Steuerelektronik der Versorgungselektronik dazu vorgesehen ist, von der Photovoltaikanlage versorgt zu werden. Insbesondere weist die Versorgungselektronik zumindest einen Spannungs- und/oder Frequenzwandler auf, der dazu vorgesehen ist, von der Photovoltaikanlage bereitgestellte Energie in eine von der Steuerelektronik, insbesondere zumindest der Steuereinheit, der Kontrolleinheit, und/oder des zumindest einen Sensors, benötigte Form zu wandeln. Insbesondere kann ein hoher Grad an Autarkie erreicht werden. Insbesondere kann eine hohe Effizienz erreicht werden, da die Steuerelektronik insbesondere lediglich dann aktiv ist, wenn auch genügend Energie bereitsteht.

Zeichnungen

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung zur Erzeugung eines

Fluidstroms konstanter Temperatur, - -

Fig. 2 einen beispielhaften Ablauf eines getakteten Betriebs und

Fig. 3 eine alternative erfindungsgemäße Heizvorrichtung zum Anschluss an mehrere Photovoltaikanlagen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur 1 zeigt ein System 1 1 mit einer Heizvorrichtung 10 und einer ersten

Photovoltaikanlage 16. Die Heizvorrichtung 10 ist zur Erhitzung und Trocknung eines als Schüttgut ausgebildeten Fluids vorgesehen und weist einen ersten Heizwiderstand 12 und eine Versorgungselektronik 20 auf, die dazu vorgesehen ist, den ersten Heizwiderstand 12 mit von der ersten Photovoltaikanlage 16 bereitgestelltem Strom zu versorgen. Die Versorgungselektronik 20 ist dazu vorgesehen, den ersten Heizwiderstand 12 in unterschiedlichen Betriebsmodi getaktet zu betreiben.

Die Versorgungselektronik 20 weist eine dem ersten Heizwiderstand 12 zugeordnete Pufferkapazität 22 auf, die dazu vorgesehen ist, Energie der Photovoltaikanlage 16 zwischenzuspeichern. Die Versorgungselektronik 20 weist eine erste

Leistungsschnittstelle 36 auf, die mit der Photovoltaikanlage 16 verbunden ist. Die Pufferkapazität 22 ist dazu vorgesehen, unmittelbar an die Photovoltaikanlage 16 angeschlossen zu werden. Die Pufferkapazität 22 ist unmittelbar mit der

Leistungsschnittstelle 36 verbunden. Der Heizwiderstand 12 ist unmittelbar an die Pufferkapazität 22 der Versorgungselektronik 20 angeschlossen. Die Versorgungselektronik 20 weist weiterhin eine Isolationsmesseinheit 25 auf, die dazu vorgesehen ist, zu bestimmen, ob die Photovoltaikanlage 16 in geerdeter oder erdfreier Konfiguration betrieben wird. Die Isolationseinheit 25 ist zwischen die Pole der

Leistungsschnittstelle 36 geschaltet. Die Isolationsmesseinheit 25 weist einen

Spannungsteiler auf, der in einem ersten Zustand spannungshalbierend und in einem zweiten Zustand asymmetrisch teilend arbeitet, wobei eine Spannung am Mittelabgriff des Spannungsteilers über einen hochohmigen Widerstand gegen Erdpotential gemessen wird. Werden durch Messung in beiden Zuständen zu geringe Ableitwiderstände erkannt wird eine Warnmeldung ausgegeben.

Die Versorgungselektronik 20 weist eine Steuereinheit 40 auf, die einen Betrieb des Heizwiderstands 12 steuert und regelt. Die Versorgungselektronik 20 weist ein erstes, als - -

Halbleiterschaltelement ausgebildetes, Schaltelement 42 auf, das in Reihe mit dem Heizwiderstand 12 und der Pufferkapazität 22 bzw. der Photovoltaikanlage 16 angeordnet ist. Die Versorgungselektronik 20 weist eine Freilaufdiode 32 auf, die dazu vorgesehen ist, bei Trennung der Verbindung mit der Photovoltaikanlage 16 auftretende, durch evtl.

vorhandene Eigeninduktivitäten des Heizwiderstands 12 bzw. dessen

Verbindungsleitungen generierte, Spannungen und Ströme abzuleiten. Die

Versorgungselektronik 20 weist einen Spannungssensor 26 auf, der eine Spannung U _P über der Pufferkapazität 22 misst.

Die Versorgungselektronik 20 weist eine Kontrolleinheit 45 auf, die dazu vorgesehen ist, zumindest eine Funktionstüchtigkeit der Steuereinheit 40 zu überwachen. Die

Kontrolleinheit 45 weist einen ersten Temperatursensor 49 auf. Der Temperatursensor 49 ist dazu vorgesehen, eine Temperatur des Fluids in einem Nahbereich des

Heizwiderstands 12 zu messen. Die Kontrolleinheit 45 ist dazu vorgesehen, bei

Überschreiten einer Grenztemperatur durch den ersten Temperatursensor 49, der in einem Nahbereich des ersten Heizwiderstands 12 angeordnet ist, einen Betrieb des ersten Heizwiderstands 12 einzustellen. Die Kontrolleinheit 45 weist ein zweites

Schaltelement 46 auf, das dazu vorgesehen ist, eine Verbindung zwischen dem

Heizwiderstand 12 und der Photovoltaikanlage 16 bzw. der Pufferkapazität 22 zu unterbrechen. Das zweite Schaltelement 46 ist in Reihe mit dem Heizwiderstand 12 und der Pufferkapazität 22 bzw. der Photovoltaikanlage 16 angeordnet. Stellt die

Kontrolleinheit 45 eine Funktionstüchtigkeit der Steuereinheit 40 und mittels des ersten Temperatursensors 49 eine Temperatur unterhalb der Grenztemperatur fest, verursacht die Kontrolleinheit 45 ein Schalten des zweiten Schaltelements 46, so dass dieses einer Verbindung des Heizwiderstands 12 mit der Photovoltaikanlage 16 nicht entgegensteht. Das zweite Schaltelement 46 ist als Relais ausgebildet, könnte alternativ jedoch auch als Halbleiterschaltelement ausgebildet sein. Weiterhin ist es alternativ denkbar, dass das zweite Schaltelement dazu vorgesehen ist, ein Steuersignal U _s des ersten Schaltelements zu unterbrechen.

Die Steuereinheit 40 weist einen zweiten Temperatursensor 41 auf. Weiterhin weist die Heizvorrichtung 10 eine Fluidtransporteinheit 50 auf, die dazu vorgesehen ist, ein zu erhitzendes Fluid an dem Heizwiderstand 12 vorbeizuführen und die durch die

Versorgungselektronik 20 gesteuert und versorgt ist. Eine Fördermenge der - -

Fluidtransporteinheit 50 wird von der Steuereinheit 40 derart geregelt, dass eine von dem zweiten Temperatursensor 41 , der in Transportrichtung gesehen hinter dem

Heizwiderstand 12 angeordnet ist, gemessene Temperatur konstant auf einem

vorgegebenen Wert bleibt. Die Fluidtransporteinheit 50 weist ein als Förderschnecke ausgebildetes Antriebsaggregat 52 zum Transport des Fluids auf. Die

Versorgungselektronik 20 weist einen Spannungswandler 54 auf, der zu einer Versorgung des Antriebsaggregats 52 von der Photovoltaikanlage 16 vorgesehen ist. Die

Steuerelektronik, also die Steuereinheit 40, die Kontrolleinheit 45, die

Temperatursensoren 41 , 49 und der Spannungssensor 26, wird über einen

Spannungswandler 21 der Versorgungselektronik 20 von der Photovoltaikanlage 16 versorgt. In einer alternativen Ausgestaltung ist es denkbar, dass das Antriebsaggregat als Förderband und der Heizwiderstand als beispielsweise über dem Förderband angeordneter Strahlungsheizkörper ausgebildet ist. Aber auch Ausgestaltungen als Durchlauferhitzer für Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, sind denkbar. Stellt die Steuereinheit 40 eine Funktionstüchtigkeit der Kontrolleinheit 45 fest, generiert die Steuereinheit 40 ein Steuersignal U _s zur Ansteuerung des ersten Schaltelements 42. Ein Tastverhältnis t / T des Steuersignals U _s wird hierbei iterativ ermittelt.

Die Versorgungselektronik 20 bestimmt aus den während einer Verbindungsphase t eines Gesamtintervalls T durch den Spannungssensor 26 über der Pufferkapazität 22 gemessenen Spannung U _P eine mittlere Spannung U _M (Figur 2). Eine über dem

Heizwiderstand 12 abfallende Leistung P wird durch die Steuereinheit 40 dann berechnet nach

P = (U _M ² / R) * (t / T) wobei R dem ohmschen Widerstand des Heizwiderstands 12 entspricht. Die

Versorgungselektronik 20 ist dazu vorgesehen, zur Einstellung einer über den

Heizwiderstand 12 abfallenden Leistung P ein Tastverhältnis t / T des getakteten Betriebs des ersten Heizwiderstands 12 anzupassen. Das Tastverhältnis t / T des getakteten Betriebs wird hierbei indirekt durch Variation einer Sollspannung eines Spannungsreglers, der dazu vorgesehen ist, eine an der Pufferkapazität 22 und/oder der

Leistungsschnittstelle 36 anliegende Spannung auf eine Sollspannung zu regeln, variiert, um die abfallende Leistung P zu maximieren. Sollte eine verfügbare Leistung die - -

Nennleistung übersteigen, wird das Tastverhältnis t / T soweit reduziert, so dass bei maximal möglichem Tastverhältnis die Nennleistung erreicht wird. Das Tastverhältnis t / T wird somit in Abhängigkeit von einer mittleren über der Pufferkapazität 22 anliegenden Spannung U _M ausgewählt. Die Versorgungselektronik 20 ist dazu vorgesehen, den Heizwiderstand 12 in einem Betriebsmodus, in dem eine von der Photovoltaikanlage 16 beziehbare Leistung zumindest 10 % einer Nennleistung des Heizwiderstands 12 beträgt, mit einer zwischen 30 kHz und 50 kHz variierenden Frequenz getaktet zu betreiben. In Betriebsmodi, in denen die beziehbare Leistung unter 10 % der Nennleistung fällt, ist die

Versorgungselektronik 20 dazu vorgesehen, den Heizwiderstand 12 mit einer zwischen 15 kHz und 25 kHz variierenden Frequenz getaktet zu betreiben. In einem

Betriebsmodus, in dem eine beziehbare Leistung ca. 100 % der Nennleistung beträgt, ist die Versorgungselektronik 20 dazu vorgesehen, den Heizwiderstand 12 kontinuierlich zu betreiben. Der Spannungssensor 26 wird durch die Versorgungselektronik 20 genutzt, um eine

Frequenz des der Photovoltaikanlage 16 entnommenen Stroms zu untersuchen. Hierbei wird das Signal des Spannungssensors 26 durch Filtern der aktuellen Frequenz des getakteten Betriebs bereinigt. Sollten nun noch dominante Frequenzen im Bereich zwischen 10 kHz und 30 kHz zu finden sein, wird auf ein lichtbogentypisches Verhalten der Photovoltaikanlage 16 geschlossen und ein Betrieb des Heizwiderstands 12 für einige Sekunden unterbrochen.

In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnung beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der Figuren 1 bis 2, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a an die Bezugszeichen des Ausführungsbeispiel in Figur 3 angefügt. Figur 3 zeigt ein System 1 1 a mit einer Heizvorrichtung 10a und einer ersten, einer zweiten und einer dritten Photovoltaikanlage 16a, 17a, 18a. Die Heizvorrichtung 10a ist als - -

Warmwasserboiler ausgebildet und weist zur Erhitzung von Wasser einen ersten

Heizwiderstand 12a, einen zweiten Heizwiderstand 13a und einen dritten Heizwiderstand 14a auf. Die Heizvorrichtung 10a weist eine Versorgungselektronik 20a auf, die dazu vorgesehen ist, die Heizwiderstände 12a, 13a, 14a jeweils mit bereitgestelltem Strom und Spannung von genau einer der Photovoltaikanlagen 16a, 17a, 18a zu versorgen. Die Versorgungselektronik 20a ist dazu vorgesehen, die Heizwiderstände 12a, 13a, 14a in mehreren Betriebsmodi getaktet zu betreiben.

Für jeden der Heizwiderstände 12a, 13a, 14a weist die Versorgungselektronik 20a eine separate Pufferkapazität 22a, 23a, 24a auf, mit der dieser unmittelbar verbunden ist. Weiterhin weist die Versorgungselektronik 20a drei Leistungsschnittstellen 36a, 37a, 38a auf, die jeweils dazu vorgesehen sind, mit einer der Photovoltaikanlagen 16a, 17a, 18a verbunden zu werden und die jeweils unmittelbar mit einer zugeordneten der

Pufferkapazitäten 22a, 23a, 24a verbunden sind, so dass die Pufferkapazitäten 22a, 23a, 24a Energie der jeweils zugeordneten Photovoltaikanlage 16a, 17a, 18a

Zwischenspeichern. Die Leistungsschnittstellen 36a, 37a, 38a weisen einen gemeinsamen Kontakt auf. Die Versorgungselektronik 20a weist den jeweiligen Pufferkapazitäten 22a, 23a, 24a zugeordnete Spannungssensoren 26a, 27a, 28a auf.

Um Geräuschentwicklungen zu vermeiden werden die Heizwiderstände 12a, 13a, 14a mit einer gleichen Frequenz betrieben. Zur Einstellung von über den Heizwiderständen 12a, 13a, 14a abfallenden Leistungen werden Tastverhältnisse der getakteten Betriebe der Heizwiderstände 12a, 13a, 14a separat variiert, um eine Maximierung der über den jeweiligen Heizwiderständen 12a, 13a, 14a abfallenden Leistungen zu erreichen. Die Heizwiderstände 12a, 13a, 14a dienen der Erhitzung von Fluid oder Feststoff in einem einzelnen Behälter. Die Versorgungselektronik 20a weist eine Kontrolleinheit 45a auf, die dazu vorgesehen ist, zumindest eine Funktionstüchtigkeit einer Steuereinheit 40a, die den getakteten Betrieb der Heizwiderstände 12a, 13a, 14a steuert, zu überwachen.

Die Steuereinheit 40a weist einen ersten Temperatursensor 41 a auf. Der erste

Temperatursensor 41 a dient einer Überwachung einer Temperatur des Fluids und/oder des Feststoffs in dem Behälter. Die Steuereinheit 40a ist dazu vorgesehen, bei

Überschreiten einer ersten Grenztemperatur durch den ersten Temperatursensor 41 a - -

einen Betrieb der Heizwiderstände 12a, 13a, 14a einzustellen oder zumindest zu reduzieren. Die Kontrolleinheit 45a weist einen zweiten Temperatursensor 49a auf. Der zweite Temperatursensor 49a dient ebenfalls einer Überwachung einer Temperatur des Fluids und/oder des Feststoffs in dem Behälter. Die Kontrolleinheit 45a ist dazu vorgesehen, bei Überschreiten einer zweiten Grenztemperatur, die leicht höher ist als die erste Grenztemperatur, durch den zweiten Temperatursensor 49a einen Betrieb der Heizwiderstände 12a, 13a, 14a einzustellen.

Die Versorgungselektronik 20a weist ein erstes, ein drittes und ein fünftes Schaltelement 42a, 43a, 44a auf, die jeweils mit genau einem der Heizwiderstände 12a, 13a, 14a und genau einer der Pufferkapazitäten 22a, 23a, 24a bzw. genau einer der

Photovoltaikanlagen 16a, 17a, 18a in Reihe angeordnet sind. Das erste, dritte und fünfte Schaltelement 42a, 43a, 44a ist jeweils als MOSFET oder IGBT ausgebildet. Das erste, dritte und fünfte Schaltelement 42a, 43a, 44a werden durch die Steuereinheit 40a mit getakteten Steuersignalen mit Frequenzen zwischen 15 kHz und 50 kHz angesteuert, um die Heizwiderstände 12a, 13a, 14a getaktet zu betreiben. Jedem der Heizwiderstände 12a, 13a, 14a ist eine Freilaufdiode 32a, 33a, 34a parallel geschaltet.

Die Kontrolleinheit 45a weist weiterhin drei Schaltelemente 46a, 47a, 48a auf, die jeweils dazu vorgesehen sind, bei Überhitzung, detektiert durch den zweiten Temperatursensor 49a oder Feststellung einer Fehlfunktion der Steuereinheit 40a einen Betrieb der Heizwiderstände 12a, 13a, 14a zu vermeiden. Die zweiten, vierten und sechsten

Schaltelemente 46a, 47a, 48a sind jeweils mit genau einem der Heizwiderstände 12a, 13a, 14a und genau einer der Pufferkapazitäten 22a, 23a, 24a bzw. genau einer der Photovoltaikanlagen 16a, 17a, 18a in Reihe angeordnet.

Alternativ sind Ausgestaltungen mit abweichenden Anzahlen an Heizwiderständen und/oder Photovoltaikanlagen denkbar. Weiterhin ist es denkbar, dass die Kontrolleinheit lediglich ein einzelnes Schaltelement aufweist, das in Reihe zu allen Heizwiderständen und jedem der ersten, dritten und fünften Schaltelemente angeordnet ist.

Weiterhin sind Ausgestaltungen denkbar, in denen mehrere Heizwiderstände wahlweise, angepasst an eine verfügbare Leistung miteinander in Reihe geschaltet werden können, und diese Auswahl in Reihe geschalteter Heizwiderstände an eine oder mehrere parallel - -

geschaltete Photovoltaikanlagen angeschlossen werden, wodurch, insbesondere aufgrund geringerer Schaltverluste, eine erhöhte Effizienz erreicht werden kann.

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Bezugszeichen

10 Heizvorrichtung

1 1 System

12 Heizwiderstand

13 Heizwiderstand

14 Heizwiderstand

16 Photovoltaikanlage

17 Photovoltaikanlage

18 Photovoltaikanlage

20 Versorgungselektronik

21 Spannungswandler

22 Pufferkapazität

23 Pufferkapazität

24 Pufferkapazität

25 Isolationsmesseinheit

26 Spannungssensor

27 Spannungssensor

28 Spannungssensor

32 Freilaufdiode

33 Freilaufdiode

34 Freilaufdiode

36 Leistungsschnittstelle

37 Leistungsschnittstelle

38 Leistungsschnittstelle

40 Steuereinheit

41 Temperatursensor

42 Schaltelement

43 Schaltelement

44 Schaltelement

45 Kontrolleinheit - -

46 Schaltelement

47 Schaltelement

48 Schaltelement

49 Temperatursensor

50 Fluidtransporteinheit

52 Antriebsaggregat

54 Spannungswandler

T Gesamtintervall

U _M mittlere Spannung

Up Spannung

U _s Steuersignal

t Verbindungsphase