Die Erfindung betrifft eine Solar-Umwälzpumpe zum Anschluss an eine Photovoltaik-Paneleinrichtung, mit einem Elektromotor, welcher elektronisch kommutiert ist und eine Steuerungseinrichtung aufweist, durch welche ein periodisches Kommutierungssignal bereitstellbar ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Regelung einer Solar-Umwälzpumpe, welche durch eine Photovoltaik-Paneleinrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird und welche einen elektronisch kommutierten Elektromotor aufweist.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anlaufsteuerung einer Solar-Umwälzpumpe, welche durch eine Photovoltaik-Paneleinrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird und welche einen elektronisch kommutierten Elektromotor aufweist.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Leistungseinstellung einer Solar-Umwälzpumpe, welche durch eine Photovoltaik-Paneleinrichtung mit elektrischer Energie versorgt wird und welche einen elektronisch kommutierten Elektromotor aufweist.

Solar-Umwälzpumpen zum Anschluss an eine Photovoltaik-Paneleinrichtung werden im Zusammenhang mit solarthermischen Kollektoreinrichtungen verwendet. Sie dienen zur Förderung von flüssigem Medium, insbesondere Wasser, durch die Solarkollektoreinrichtung zur Erhitzung des Mediums. Die Photovoltaik-Paneleinrichtung stellt die notwendige elektrische Energie zum Betrieb der Solar-Umwälzpumpe bereit.

Da die solaren Einstrahlungsbedingungen variieren, variiert die elektrische Energieversorgung von Solar-Umwälzpumpen, was mit Problemen behaftet sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Solar-Umwälzpumpe der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau verbesserte Betriebseigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Solar-Umwälzpumpe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist, dass das Kommutierungssignal bezüglich des Verhältnisses von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit variiert wird.

Das Kommutierungssignal sorgt dafür, dass eine Rotation eines Rotors des Elektromotors erfolgt. Spulen des Elektromotors werden durch das Kommutierungssignal phasenversetzt angesteuert. Über einen duty cycle erfolgt eine Variation innerhalb des Kommutierungssignals, das heisst das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit wird variiert. Dadurch wird der Prozentsatz der Einschaltzeit bezogen auf eine Periode des Kommutierungssignals variiert.

Die solaren Einstrahlungsbedingungen variieren, so dass die durch die Photovoltaik-Paneleinrichtung bereitgestellte elektrische Leistung zeitlich schwankt. Dadurch kann die Drehzahl der Solar-Umwälzpumpe (als Drehzahl des Rotors des Elektromotors) variieren. Durch die Variation des Verhältnisses von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit im Kommutierungssignal lässt sich eine Maximierung der Drehzahl bei gegebenen Einstrahlungsbedingungen erreichen, da sich das für gegebene Einstrahlungsbedingungen optimierte Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit auffinden lässt.

Insbesondere ist das Kommutierungssignal kontinuierlich variierbar. Dadurch lässt sich eine permanente Variation des Verhältnisses von Einschaltzeit und Ausschaltzeit durchführen, um so kontinuierlich für eine Optimierung der Solar-Umwälzpumpe zu sorgen.

Beispielsweise ist eine Variation des Kommutierungssignals in seiner Form und/oder in seiner Amplitude vorgesehen. Es ist insbesondere bekannt, einen elektronisch kommutierten Motor über Blockkommutierung zu betreiben. Das entsprechende Kommutierungssignal umfasst stufenförmige Pulse. Über die Änderung der Pulslänge innerhalb einer Periode lässt sich das Verhältnis von Ausschaltzeit zu Einschaltzeit verändern. Es ist auch eine Sinuskommutierung bekannt, bei welcher das Kommutierungssignal Sinuskurven bzw. Sinus-Einhüllenden-Kurven umfasst. Beispielsweise wird das entsprechende Signal aus einzelnen Pulsen generiert, die in ihrer Pulshöhe so eingestellt sind, dass sich eine Sinuskurve ergibt. Eine Variation des Verhältnisses von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit lässt sich erreichen, wenn solche Signalpulse mit einem duty cycle multipliziert werden. Dadurch wird die Hüllamplitude der Sinuskurve variiert, wobei die Sinusform an sich erhalten bleibt.

Insbesondere erfolgt die Variation des Kommutierungssignals bezüglich Einschaltzeit und Ausschaltzeit (duty cycle) auf einer Zeitskala, welche sehr viel größer ist als eine Periode des Kommutierungssignals. Diese Zeitskala der Variation ist eine Zeitskala, auf welcher eine Variation der solaren Einstrahlungsbedingungen erwartet wird. Sie liegt insbesondere im Zehntelsekundenbereich oder größer.

Günstig ist es, wenn die Variation des Verhältnisses von Einschaltzeit und Ausschaltzeit am Kommutierungssignal durch Schritte der Vergrößerung oder Verkleinerung des Verhältnisses erfolgt. Es erfolgt insbesondere ein Hin- und Hertakten des duty cycles mit dem Ziel, die Drehzahl des Rotors des Elektromotors zu maximieren.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuerungseinrichtung einen Regelkreis umfasst, bei welchem die Drehzahl eines Rotors des Elektromotors die Regelgröße ist und das Verhältnis von Einschaltzeit und Ausschaltzeit am Kommutierungssignal die Steuergröße ist. Dieser Regelkreis lässt sich insbesondere softwaremäßig in der Steuerungseinrichtung realisieren. Der duty cycle wird so variiert, dass sich die optimierte, nämlich maximale Drehzahl, ergibt. Beispielsweise wird ausgehend von einem bestimmten Verhältnis das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit vergrößert. Wenn sich dadurch eine Erhöhung der Drehzahl ergibt, wird eine weitere Erhöhung durchgeführt. Wenn sich eine Erniedrigung der Drehzahl ergibt, erfolgt eine Taktung in der anderen Richtung.

Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Regelziel für die Regelgröße eine Maximierung der Drehzahl ist, um so eine optimierte Pumpenleistung zu erhalten. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Selbstoptimierung der Solar-Umwälzpumpe erreichen, ohne dass eine externe Regelungseinrichtung notwendig ist. Diese Selbstoptimierung bzw. Selbstregelung der Solar-Umwälzpumpe lässt sich auf einfache Weise durch eine integrierte Steuerungseinrichtung realisieren.

Insbesondere ist eine Messeinrichtung für die Drehzahl oder für eine die Drehzahl charakterisierende Größe vorgesehen. Dadurch lässt sich die Drehzahl bestimmen, um so das Verhältnis von Einschaltzeit und Ausschaltzeit gezielt variieren zu können, um eine maximierte Drehzahl zu erreichen.

Insbesondere ist die Messeinrichtung durch einen integrierten Positionsgeber des Elektromotors gebildet. Dieser integrierter Positionsgeber umfasst beispielsweise einen oder mehrere Hall-Sensoren.

Es ist grundsätzlich auch möglich, dass eine Leistungsmesseinrichtung für den Elektromotor vorgesehen ist. Die Leistung ist direkt abhängig von der Drehzahl. Das Regelziel der Maximierung der Drehzahl entspricht einem Regelziel der Maximierung der Leistung.

Günstigerweise ist der Regelkreis in den Elektromotor integriert. Dadurch lässt sich ein einfacher und kostengünstiger Aufbau erreichen.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch die eingangs genannte Solar-Umwälzpumpe gelöst, dass durch die Steuerungseinrichtung prüfbar ist, ob genügend elektrische Energie für eine Ausrichtung und/oder einen nachfolgenden Anlauf eines Rotors des Elektromotors bereitsteht.

Nach der Initialisierung der Steuerungseinrichtung erfolgt eine Ausrichtung des Rotors des Elektromotors und nach der Ausrichtung erfolgt der Anlauf des Elektromotors. Die dazu notwendige Energie wird von der Photovoltaik-Paneleinrichtung zumindest indirekt bereitgestellt. Es kann nun vorkommen, dass nicht genügend elektrische Energie zur Ausrichtung bzw. zum Anlauf des Elektromotors vorhanden ist. Beispielsweise liefert eine Photovoltaik-Paneleinrichtung morgens wenig Strom bei hoher Spannung. Die Solar-Umwälzpumpe bildet einen Ohmschen Widerstand im Stromkreis. Sie schließt dann bei einem erfolglosen Startversuch kurz. Es kann dann zu einem häufigen erfolglosen Antakten der Solar-Umwälzpumpe kommen, wenn solche Anlauf-Kurzschlüsse vorliegen. Es ist dabei grundsätzlich so, dass die Ausrichtung bzw. der Anlauf des Elektromotors mit einer Geräuschemission verbunden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird geprüft, ob genügend elektrische Energie bereitsteht, ohne dass eine Bewegung des Rotors erfolgt. Dadurch wird eine unnötige Geräuschemission verhindert, wenn nicht genügend elektrische Energie bereitsteht.

Weiterhin lässt sich durch die erfindungsgemäße Lösung sicherstellen, dass ein Pufferspeicher soweit aufgeladen werden kann, dass für eine Ausrichtung und für einen Anlauf des Elektromotors genügend elektrische Energie bereitsteht.

Günstig ist es, wenn dem Elektromotor ein Pufferspeicher für elektrische Energie zugeordnet ist. In diesem Pufferspeicher wird elektrische Energie bereitgestellt, um für eine Ausrichtung des Rotors und einen Anlauf des Elektromotors zu sorgen.

Günstig ist es, wenn der Pufferspeicher in die Solar-Umwälzpumpe bzw. in den Elektromotor integriert ist.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Pufferspeicher zwischen einer Motorelektronikanordnung des Elektromotors und der Photovoltaik-Paneleinrichtung angeordnet ist. Der Pufferspeicher kann durch von der Photovoltaik-Paneleinrichtung bereitgestellte elektrische Energie aufgeladen werden. Diese steht dann bereit, um für eine Ausrichtung des Rotors und für einen Anlauf des Elektromotors zu sorgen.

Der Pufferspeicher ist insbesondere in die Solar-Umwälzpumpe integriert. Es ist dann günstig, wenn der Pufferspeicher zwischen der Motorelektronikanordnung und einem elektrischen Anschluss für die Photovoltaik-Paneleinrichtung angeordnet ist.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die Steuerungseinrichtung ein Zeitfenster zwischen Ausrichtung des Rotors und Anlaufen des Elektromotors vorgebbar ist. Beispielsweise liegt die Dauer für ein solches Zeitfenster im Sekundenbereich; beispielsweise liegt es in der Größenordnung von drei Sekunden. Durch die Vorgabe des Zeitfensters lässt sich eine zeitliche Entzerrung zwischen der Ausrichtung des Rotors und dem Anlaufen des Elektromotors (zur permanenten Drehung des Rotors) erreichen. Dadurch lässt sich gewährleisten, dass nach der Ausrichtung des Rotors genügend elektrische Energie zum Anlaufen des Elektromotors bereitsteht.

Es kann vorgesehen sein, dass der Elektromotor eine Mehrzahl von Spulen aufweist und dass durch die Steuerungseinrichtung eine Last an eine Spule anlegbar ist, um zu prüfen, ob für eine Ausrichtung des Rotors und/oder ein Anlauf des Elektromotors ausreichend elektrische Energie bereitsteht. Die Last wird angelegt und es wird dann geprüft, ob sich eine ausreichende Spannung in der Spule aufbauen kann oder ob diese Spannung zusammenbricht. Wenn sich eine genügende Spannung aufbauen kann, dann wird für eine vollständige Spannungsbeaufschlagung des Elektromotors gesorgt, um eine Ausrichtung des Rotors zu erreichen und einen Anlauf durchzuführen.

Günstig ist es, wenn die Last so anlegbar ist, dass keine Bewegung des Rotors des Elektromotors erfolgt. Insbesondere erfolgt eine Lastanlegung nur an eine einzige Spule des Elektromotors, um eine Bewegung des Rotors zu verhindern.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn durch die Steuerungseinrichtung die Lastanlegung an die Spule nach einem Initialisierungsvorgang vor Ausrichtung des Rotors des Elektromotors erfolgt. Dadurch werden Rotorbewegungen mit der entsprechenden Geräuschemission verhindert, wenn nicht ausreichende elektrische Energie zum Anlauf bereitsteht. Dadurch lässt sich auch sicherstellen, dass ein Pufferspeicher genügend aufgeladen wird, um für eine Ausrichtung des Rotors und einen Anlauf des Elektromotors zu sorgen.

Die eingangs genannte Aufgabe wird bei der eingangs genannten Solar-Umwälzpumpe ferner erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Steuerungseinrichtung eine Einstelleinrichtung umfasst, durch welche eine untere Grenze für die Spannungsbeaufschlagung des Elektromotors feststellbar einstellbar ist.

Eine Solar-Umwälzpumpe wird an eine Solarkollektoreinrichtung angeschlossen. Die Solarkollektoreinrichtung kann eine unterschiedliche Anzahl von Solarkollektoren umfassen. Entsprechend muss die Förderleistung der Solar-Umwälzpumpe angepasst sein.

Durch eine erfindungsgemäße Einstelleinrichtung lässt sich eine Solar-Umwälzpumpe an eine weite Bandbreite von Solarkollektoreinrichtungen anpassen. Dadurch lässt sich die Solar-Umwälzpumpe bei der Installation des Systems fest einstellen, um eine optimierte Arbeitsweise zu erhalten.

Es wird dabei eine untere Grenze für die Spannungsbeaufschlagung des Elektromotors fest eingestellt, wobei der tatsächliche Wert der unteren Grenze abhängig ist von der Ausbildung der Solarkollektoreinrichtung.

Dadurch lässt sich eine Leistungsdrosselung der Solar-Umwälzpumpe einstellen, welche so ausgeführt ist, dass bei einer Verminderung der solaren Einstrahlung die Förderleistung der Pumpe mindestens näherungsweise proportional zurückgeht. Dadurch wird eine unnötige Umschichtung in einem Mediumspeicher verhindert und eine Stratifizierung erreicht. Über das Vorsehen einer Einstelleinrichtung lässt sich eine Selbstoptimierung der Solar-Umwälzpumpe angepasst an die entsprechende Solarkollektoreinrichtung erreichen.

Die untere Grenze der Spannungsbeaufschlagung ist insbesondere bezogen auf eine maximale Leerlaufspannung der Photovoltaik-Paneleinrichtung.

Günstig ist es, wenn durch die Einstelleinrichtung eine Leistungsdrosselung der Solar-Umwälzpumpe einstellbar ist. Dadurch lässt sich die Förderleistung und die Verminderung der Förderleistung angepasst an die Solarkollektoreinrichtung, an welche die Solar-Umwälzpumpe angeschlossen wird, optimiert einstellen.

Insbesondere ist durch die Einstelleinrichtung die untere Grenze der Spannungsbeaufschlagung in einem Bruchteilbereich der maximalen Leerlaufspannung der Photovoltaik-Paneleinrichtung einstellbar. Die Leistung einer Photovoltaik-Paneleinrichtung (I x U) nimmt bei steigender Spannung bis zu einem Maximum zu und nimmt dann ab. Zu der maximalen Leerlaufspannung hin nimmt die Leistung ab. Durch die Einstellung einer unteren Spannung wird gewährleistet, dass man eine angepasste Förderleistung auch bei Verringerung der solaren Einstrahlung erhält.

Insbesondere liegt der Bruchteilbereich zwischen mindestens 50 % und höchstens 95 % der maximalen Leerlaufspannung. Der Bereich hängt davon ab, wie die Solarkollektoreinrichtung ausgebildet ist. Wenn diese eine große Anzahl von Solarkollektoren enthält, dann liegt der Bruchteilbereich eher bei 50 %. Wenn diese nur einen Solarkollektor enthält, dann liegt der Bruchteilbereich eher bei 95 %.

Der Elektromotor ist beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor. Er kann einen permanentmagnetischen Stator aufweisen.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung einer Solar-Umwälzpumpe der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches auf einfache Weise ausführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Kommutierungssignal kontinuierlich bezüglich des Verhältnisses von Einschaltzeit und Ausschaltzeit variiert wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Solar-Umwälzpumpe gemäß Anspruch 1 erläutert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen wurden ebenfalls bereits mit weiteren Ausführungsbeispielen der Solar-Umwälzpumpe gemäß Anspruch 1 erläutert.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Anlaufsteuerung einer Solar-Umwälzpumpe bereitzustellen, welches einen effektiven Betrieb einer Solarkollektoranordnung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass vor einer für eine Drehung des Rotors geeigneten Ansteuerung geprüft wird, ob für eine Ausrichtung des Rotors und/oder für einen Anlauf des Elektromotors ausreichend elektrische Energie bereitsteht.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Solar-Umwälzpumpe gemäß Anspruch 13 erläutert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Solar-Umwälzpumpe gemäß Anspruch 13 erläutert.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Leistungseinstellung einer Solar-Umwälzpumpe bereitzustellen, über welches die Solar-Umwälzpumpe an eine vorgegebene Solarkollektoreinrichtung anpassbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine untere Grenze für die Spannungsbeaufschlagung des Elektromotors eingestellt wird.

Die Vorteile dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der Solar-Umwälzpumpe gemäß Anspruch 23 erläutert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der Solar-Umwälzpumpe gemäß Anspruch 23 erläutert.

Die oben genannten Verfahren (Anspruch 29, Anspruch 34 und Anspruch 40) können auch kombiniert an einer Solar-Umwälzpumpe eingesetzt werden, wobei alle drei Verfahren realisiert sein können oder zwei von diesen Verfahren realisiert sein können.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

Figur 1

eine schematische Darstellung einer Solarkollektor-Anordnung mit einer Photovoltaik-Paneleinrichtung und einer Solar-Umwälzpumpe;

Figur 2

eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Elektromotors einer erfindungsgemäßen Solar-Umwälzpumpe;

Figur 3

eine schematische Darstellung eines Teils eines Beispiels eines Kommutierungssignals;

Figur 4

eine schematische Darstellung eines Teils eines weiteren Beispiels eines Kommutierungssignals; und

Figur 5

ein Strom-Spannungs-Diagramm einer Photovoltaik-Panel-einrichtung bei verschiedenen Einstrahlungsbedingungen.

Eine solarthermische Anordnung (Solarkollektor-Anordnung), welche in Figur 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine solarthermische Kollektoreinrichtung 12, an welcher ein flüssiges Medium, insbesondere Wasser, solarthermisch erwärmbar ist. Zur Förderung des Mediums ist eine Solar-Umwälzpumpe 14 vorgesehen. Die Solar-Umwälzpumpe 14 ist zwischen einem Mediumspeicher 16 und der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12 angeordnet. Medium wird von der Solar-Umwälzpumpe 14 aus dem Mediumspeicher 16 zu der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12 gefördert, um dieses dort zu erwärmen. Erwärmtes Medium wird von der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12 in den Mediumspeicher 16 zurückgeführt. Aus dem Mediumspeicher 16 kann (erwärmtes) Medium an einem (oberen) Auslass 17a entnommen werden. Entsprechend ist eine Nachführungseinrichtung vorgesehen, um bei einer Mediumentnahme wieder (zu erwärmendes) Medium über einen (unteren) Einlass 17b zuführen zu können.

Zwischen der Solar-Umwälzpumpe 14 und der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12 ist ein Rückschlagventil 18 angeordnet, das dafür sorgt, dass Medium nicht von der Solarkollektoreinrichtung 12 zur Solar-Umwälzpumpe 14 zurückfließen kann.

Die Solar-Umwälzpumpe 14 ist durch Solarenergie betrieben. Sie ist dazu mit einer Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 verbunden, welche die zum Betrieb der Solar-Umwälzpumpe 14 notwendige elektrische Energie bereitstellt.

Die Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 steht in räumlicher Beziehung mit der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12; diese Beziehung ist vorzugsweise derart, dass für die Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 und für die solarthermische Kollektoreinrichtung 12 mindestens näherungsweise die gleichen solaren Einstrahlungsbedingungen vorliegen.

Die Solar-Umwälzpumpe 14 umfasst einen Elektromotor 22 (Figur 2) mit einem um eine Drehachse 24 rotierbaren Rotor 26. Ferner weist der Elektromotor 22 einen Stator 28 auf.

Bei dem Elektromotor 22 handelt es sich um einen elektronisch kommutierten Elektromotor wie beispielsweise einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 26 permanentmagnetisch ausgebildet und an dem Stator 28 sind eine Mehrzahl von Spulen 30a, 30b, 30c angeordnet, wobei an die Spulen 30a, 30b, 30c ein periodisches Kommutierungssignal angelegt wird. Die Teilkommutierungssignale für die jeweiligen Spulen 30a, 30b, 30c sind phasenversetzt zueinander. Bei drei Spulen beträgt der Phasenversatz 120°.

Es ist grundsätzlich auch möglich, dass der Stator permanentmagnetisch ausgebildet wird und der Rotor eine Mehrzahl von Spulen aufweist, welche mit einem Kommutierungssignal beaufschlagt werden.

Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Stator 28 innenliegend und der Rotor 26 außenliegend (Außenläufer). Es ist auch möglich, dass der Rotor 26 innenliegend (Innenläufer) ist und der Stator 28 außenliegend.

Ein Laufrad der Solar-Umwälzpumpe 14 ist drehfest mit dem Rotor 26 verbunden.

Der Rotor 26 kann über eine Rotorwelle drehbar um die Drehachse 24 gelagert sein. Es ist beispielsweise auch möglich, dass der Rotor 26 über ein sphärisches Lager bezüglich des Stators 28 drehbar gelagert ist.

Der Elektromotor 22 weist eine Steuerungseinrichtung 32 auf, welche an die Spulen 30a, 30b, 30c gekoppelt ist, um diesen das Kommutierungssignal bereitzustellen. Die Steuerungseinrichtung 32 kann ganz oder teilweise als integrierte Schaltung realisiert sein. Insbesondere weist sie einen oder mehrere Prozessoren auf. Sie bildet insbesondere eine Motorelektronikanordnung 33 oder ist zumindest Teil dieser.

Dem Rotor 26 ist eine Messeinrichtung 34 zugeordnet, durch welche die Drehzahl des Rotors 26 messbar ist. Diese Messeinrichtung 34 ist mit der Steuerungseinrichtung 32 verbunden.

Beispielsweise ist die Messeinrichtung 34 als Positionsgeber und insbesondere integrierter Positionsgeber ausgebildet, welcher beispielsweise ein oder drei Hall-ICs umfasst.

Der Elektromotor 22 erhält seine elektrische Energie von der Photovoltaik-Paneleinrichtung 20. Er weist eine entsprechende Anschlusseinrichtung 36 zum Anschluss an die Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 auf.

Dem Elektromotor 22 ist ein Pufferspeicher 38 für elektrische Energie zugeordnet. Dieser Pufferspeicher 38 ist zwischen der Motorelektronikanordnung 33 und der Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 angeordnet. Der Pufferspeicher 38 ist durch elektrische Energie, welche von der Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 geliefert wird, aufladbar. Durch ihn ist elektrische Energie zum Ausrichten/Anlaufen des Rotors 26 bereitstellbar.

Der Pufferspeicher 38 ist insbesondere an die Steuerungseinrichtung 32 gekoppelt.

Der Pufferspeicher 38 umfasst einen oder mehrere Kondensatoren 40 zur Pufferspeicherung von elektrischer Energie.

Der Pufferspeicher 38 ist insbesondere in die Solar-Umwälzpumpe 14 bzw. den Elektromotor 22 integriert.

Der Steuerungseinrichtung 32 ist eine Einstelleinrichtung 42 zugeordnet, über welche die minimale Spannung, mit welcher der Elektromotor 22 beaufschlagt wird, einstellbar ist. Durch die Einstelleinrichtung 42 ist diese minimale Spannung festgelegt einstellbar. Dadurch lässt sich, wie unten noch näher beschrieben, eine Leistungsdrosselung der Solar-Umwälzpumpe 14 fest einstellen, um eine Anpassung an die Anzahl von Kollektoren der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12 zu realisieren.

Die feste Einstellung der minimalen Spannungsbeaufschlagung des Elektromotors 22 über die Einstelleinrichtung 42 erfolgt insbesondere bei der Installation der solarthermischen Anordnung 10.

Die erfindungsgemäße Solar-Umwälzpumpe 14 funktioniert wie folgt:

Bei Sonnenbestrahlung der solarthermischen Anordnung 10 wird durch die Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 die Solar-Umwälzpumpe 14 mit elektrischer Energie versorgt. Bei ausreichender Energieversorgung wird der Rotor 26 in Rotation versetzt und treibt das Laufrad der Solar-Umwälzpumpe 14 an. Dadurch wird flüssiges Medium gefördert und durch die solarthermische Kollektoreinrichtung 12 hindurch transportiert. Das flüssige Medium erwärmt sich dort. Erwärmtes Medium wird in den Mediumspeicher 16 zurückgeführt, von wo es bei Bedarf entnommen werden kann.

Die solaren Einstrahlungsbedingungen variieren zeitlich. Beispielsweise steht bei Wolkenbedeckung weniger elektrische Energie zum Betrieb des Elektromotors 22 bereit.

Beim Anlaufen der Solar-Umwälzpumpe 14 wird zunächst die Steuerungseinrichtung 32 und insbesondere ein von dieser umfasster Prozessor initialisiert. Anschließend muss der Rotor 26 bezüglich des Stators 28 ausgerichtet werden, um eine Rotationsbewegung initiieren zu können. Die entsprechende Energie zur Ausrichtung des Rotors 26 stammt von dem Pufferspeicher 38.

Nach der Ausrichtung des Rotors 26 kann dieser, wenn genügend elektrische Energie bereitsteht, anlaufen. Die elektrische Energie zum Anlaufen stammt wiederum aus dem Pufferspeicher 38.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass nach Initialisierung der Steuerungseinrichtung 32 geprüft wird, ob ausreichend elektrische Energie für eine Ausrichtung des Rotors 26 bzw. ein Anlauf des Rotors 26 bereitsteht. Beispielsweise wird eine Last an eine der Spulen 30a, 30b, 30c angelegt. Es wird dann geprüft, ob sich bei Lastanlegung eine genügend große Spannung aufbauen kann oder ob die Spannung zusammenbricht. Die Lastanlegung erfolgt derart, dass der Rotor 26 sich nicht dreht.

Durch diese Vorgehensweise wird verhindert, dass eine Rotorausrichtung 26 bzw. ein Anlaufen erfolgt, wenn nicht ausreichend elektrische Energie bereitsteht. Das Ausrichten des Rotors 26 bzw. das Anlaufen ist mit Geräuschemission verbunden. Durch das erfindungsgemäße Prüfungsverfahren wird eine unnötige Geräuschemission verhindert.

Ferner wird dafür gesorgt, dass sich der Pufferspeicher 38 aufladen kann. Es erfolgt eine zeitliche Entzerrung zwischen dem Ausrichten bzw. Anlaufen des Rotors 26 und dem Aufladen des Pufferspeichers 38. Es wird verhindert, dass die Solar-Umwälzpumpe 14 nach der Initialisierung der Steuerungseinrichtung 32 sofort startet; es wird zunächst geprüft, ob genügend elektrische Energie bereitsteht. Weiterhin wird durch die Steuerungseinrichtung 32 ein Zeitfenster zwischen dem Ausrichten des Rotors 26 und dem Anlaufen des Elektromotors 22 gelegt. Die Länge dieses Zeitfensters liegt beispielsweise in der Größenordnung von drei Sekunden. Dadurch wird sichergestellt, dass nach der Ausrichtung des Rotors 26 mit dem entsprechenden Energieverbrauch der Pufferspeicher 38 wieder soweit gefüllt ist, dass genügend Energie für den Anlauf des Elektromotors 22 bereitsteht.

Durch diese erfindungsgemäße Vorgehensweise lässt sich die Solar-Umwälzpumpe 14 auf effektive Weise betreiben.

Die Spulen 30a, 30b, 30c des Elektromotors 22 werden beim Betrieb des Elektromotors 22 über die Steuerungseinrichtung 32 durch das Kommutierungssignal beaufschlagt. In Figur 3 ist schematisch ein Teil eines Beispiels eines Kommutierungssignals als Strom i₁ für die Spule 30a gezeigt. Das in Figur 3 gezeigte Teil-Kommutierungssignal ist stufenförmig. Entsprechende Kommutierungssignale werden bei der Block-Kommutierung verwendet. Das Kommutierungssignal ist periodisch.

Das Kommutierungssignal setzt sich aus den Teilkommutierungssignalen für die Spulen 30a, 30b, 30c zusammen, wobei die Teilkommutierungssignale um 120° phasenversetzt zueinander sind.

Erfindungsgemäß ist es beim Betrieb der Solar-Umwälzpumpe 14 vorgesehen, dass durch die Steuerungseinrichtung 32 das Verhältnis von Einschaltzeit zu Ausschaltzeit (duty cycle) variiert. In Figur 3 ist für einen Teil des Kommutierungssignal für eine Periode mit der Zeitdauer T₁ die Einschaltzeit mit dem Bezugszeichen 44 angedeutet. Die Ausschaltzeit ist mit dem Bezugszeichen 46 angedeutet. Durch Variation des Verhältnisses von Einschaltzeit 44 zu Ausschaltzeit 46 stellt die Steuerungseinrichtung 32 die Einschaltquote im Kommutierungssignal ein.

In Figur 3 sind gestrichelt und gepunktet andere Verhältnisse von Einschaltzeit 44 zu Ausschaltzeit 46 angedeutet.

Es kann beispielsweise auch eine Sinuskommutierung vorgesehen sein. In Figur 4 ist ein entsprechendes Teil-Kommutierungssignal für die Spule 30a gezeigt. Dieses (periodische) Kommutierungssignal wird zusammengesetzt aus einzelnen Stufen, welche eine solche Höhe aufweisen, dass sich durch ihre Zusammensetzung nach Glättung eine Sinuskurve ergibt. Die einzelnen Stufen 60 werden durch entsprechende Halbleiterbauelemente der Motorelektronikanordnung 33 hergestellt. Die Periode für die Erzeugung der Stufen 60 liegt beispielsweise in der Größenordnung von 20 kHz.

Die Höhe der Stufen 60 ist variierbar. Ein duty cycle wird dann der Stufenbildung durch die Motorelektronikanordnung 33 überlagert. Dadurch lässt sich das Verhältnis von Ausschaltzeit zu Einschaltzeit variieren.

Diese Überlagerung eines (langsamen) duty cycle entspricht einer Variation der Amplitude bzw. Hüllamplitude der Sinuskurve des Kommutierungssignals. Die Form des Kommutierungssignals als Sinussignal bleibt dabei unverändert, nur die Amplitude bzw. Hüllamplitude ändert sich.

Bei einem Sinus-Kommutierungssignal wird das Verhältnis von Einschaltzeit und Ausschaltzeit durch Amplituden- bzw. Hüllamplituden-Variation erreicht.

Die Steuerungseinrichtung 32 umfasst einen Regelkreis, welcher insbesondere softwaremäßig realisiert ist. Die Regelgröße dieses Regelkreises ist die Drehzahl des Rotors 26 des Elektromotors 22. Das Regelziel für diese Regelgröße ist eine Maximierung der Drehzahl, um eine maximale Leistung der Solar-Umwälzpumpe 14 zu erhalten. Die Steuergröße ist das Verhältnis der Einschaltzeit 44 zur Ausschaltzeit 46 (duty cycle).

Es wird so vorgegangen, dass eine ständige Variation des duty cycles erfolgt und zwar in der Richtung, dass das Regelziel maximale Drehzahl erreicht wird. Es erfolgt dabei eine Variation des Verhältnisses von Einschaltzeit 44 zu Ausschaltzeit 46, wobei diese Variation vorzugsweise in Schritten erfolgt. Die Zeitskala dieser Variation ist angepasst an eine typische Zeitskala für Änderungen in den solarthermischen Einstrahlungbedingungen. Beispielsweise liegt diese Zeitskala in der Größenordnung einer Sekunde. Diese Zeitskala ist langsam gegenüber der Zeitskala des Kommutierungssignals.

Wenn das Kommutierungssignal eine Frequenz von 20 kHz aufweist, dann liegt die Periodendauer T₁ bei 50 µs. Die Zeitskala der Variation ist um einen Faktor 20.000 langsamer.

Die Regelung erfolgt derart, dass ausgehend von einem bestimmten Verhältnis von Einschaltzeit 44 zu Ausschaltzeit 46 das Verhältnis beispielsweise vergrößert wird. Es wird dann überprüft, ob sich die Drehzahl vergrößert oder verkleinert. Bei einer Verkleinerung der Drehzahl erfolgt eine Veränderung des Verhältnisses in der anderen Richtung. Bei einer Vergrößerung der Drehzahl wird in der gleichen Richtung fortgefahren.

Erfindungsgemäß erfolgt ein Hin- und Hertakten des Verhältnisses der Einschaltzeit 44 zu der Ausschaltzeit 46, um eine maximale Drehzahl zu erreichen. Die Überprüfung der Drehzahl erfolgt dabei über die Messeinrichtung 34.

Es kann auch vorgesehen sein, dass dem Elektromotor 22 eine Messeinrichtung zugeordnet ist, welche dessen Leistung misst. Die Leistung des Elektromotors 22 ist eine die Drehzahl charakterisierende Größe.

Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich eine Drehzahlregelung in den Elektromotor 22 integrieren, welche über die integrierte Steuerungseinrichtung 32 erfolgt. Dadurch lässt sich auf einfache Weise während des Betriebs der Solar-Umwälzpumpe 14 eine Leistungsoptimierung erreichen, auch bei variierenden Solarstrahlungsbedingungen.

Diese Regelung lässt sich auf einfache Weise realisieren.

Die Einstelleinrichtung 42 dient zur Optimierung der Solar-Umwälzpumpe 14 im Zusammenhang mit der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12. Es lässt sich über die Einstelleinrichtung 42 eine Optimierung bei der Installation erreichen.

Die solarthermische Kollektoreinrichtung 12 kann eine unterschiedliche Anzahl von Solarkollektoren aufweisen, je nach den vorliegenden Verhältnissen. Über die Einstelleinrichtung 42 lässt sich die Solar-Umwälzpumpe 14 anpassen.

In Figur 5 ist ein I-U-Diagramm einer Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 für verschiedene Solareinstrahlungsbedingungen gezeigt. Die von der Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 gelieferte elektrische Leistung I x U nimmt mit zunehmender Spannung zu, bis sie ein Maximum erreicht, und fällt dann ab. In dem Diagramm in Figur 5 ist die maximale Leistung durch einen Kreis angezeigt. Für die Solarbestrahlungsstärke von 1000 W/m² ist der Punkt der maximalen Leistung durch das Bezugszeichen 48 angedeutet.

Durch die Einstelleinrichtung 42 wird die minimale Spannung eingestellt, mit welcher der Elektromotor 22 und damit die Solar-Umwälzpumpe 14 durch die Steuerungseinrichtung 32 beaufschlagt wird, wobei diese minimale Spannung fest eingestellt wird. Wie aus dem Diagramm gemäß Figur 5 ersichtlich ist, nimmt oberhalb des Maximums bei einer Vergrößerung der Spannung über den Punkt der maximalen Leistung hinaus die Leistung ab. Durch die Einstelleinrichtung 42 lässt sich deshalb, angepasst an die Anzahl der Solarkollektoren der solarthermischen Einrichtung 12, die Maximalleistung der Solar-Umwälzpumpe 14 einstellen.

Die Einstellung erfolgt bei der Installation in Abhängigkeit von der Anzahl der solarthermischen Kollektoren der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12. Die Einstellung erfolgt in Relation zu der Leerlaufspannung der Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 insbesondere als bestimmter Prozentsatz. Die Leerlaufspannung der Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 (beim Strom Null) lässt sich messen.

Wenn eine große Anzahl von solarthermischen Kollektoren der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12 vorliegt, dann kann eine kleine Mindestspannung eingestellt werden. Dies ist in Figur 5 durch das Bezugszeichen 50 angedeutet. Bei dieser Mindestspannung liegt man in der Nähe des Maximums. Es ergibt sich dann auch bei Verringerung der solaren Einstrahlungsleistung eine mindestens näherungsweise proportionale Verringerung der Leistung und damit eine entsprechende Verringerung der Förderleistung der Solar-Umwälzpumpe 14. Dadurch wird sichergestellt, dass die Leistung der Solar-Umwälzpumpe bei Verringerung der solaren Einstrahlung entsprechend zurückgeführt wird, um zu verhindern, dass eine zu starke Umwälzung von Medium in dem Mediumspeicher 16 erfolgt. (Wenn keinen ausreichende Erwärmung des Mediums an der solarthermischen Kollektoreinrichtung 12 erfolgt, dann ist auch keine vollständige Umwälzung des Mediums im Mediumspeicher 16 erwünscht.)

Wenn die solarthermische Kollektoreinrichtung 12 eine geringere Anzahl von Solarkollektoren enthält, dann ist es vorteilhaft, wenn die Mindestspannung größer gewählt ist. Dies ist in Figur 5 durch das Bezugszeichen 52 angedeutet. Wenn eine geringe Anzahl von Solarkollektoren vorliegt, dann ist auch eine geringere Förderleistung notwendig. Eine fest eingestellte Leistungsdrosselung wird dadurch erreicht, dass die Mindestspannung größer gewählt wird, das heisst die Mindestspannung 52 ist größer als die Mindestspannung 50. Dadurch wiederum wird, wie aus dem Diagramm gemäß Figur 5 ersichtlich ist, eine mindestens näherungsweise proportionale Förderrückführung erreicht, wenn die solare Einstrahlungsleistung sinkt. Dadurch wiederum wird verhindert, dass eine zu große Menge an Medium umgewälzt wird.

Bei einer noch geringeren Anzahl an Solarkollektoren für die solarthermische Kollektoreinrichtung 12 ist es vorteilhaft, wenn eine noch größere Mindestspannung gewählt wird. Dies ist in Figur 5 durch das Bezugszeichen 54 angedeutet. (Beispielsweise entspricht die Mindestspannung 50 einer Einstellung für zehn Solarkollektoren, die Mindestspannung 52 einer Einstellung für drei Solarkollektoren und die Mindestspannung 54 einer Einstellung für einen Solarkollektor.) Bei dieser Einstellung lässt sich wiederum eine mindestens näherungsweise proportionale Rückführung der Förderleistung bei Verringerung der solarthermischen Einstrahlungsbedingungen erreichen.

Vorzugsweise wird durch die Einstelleinrichtung 42 eine Mindestspannung 50, 52, 54 eingestellt, welche im Bereich zwischen mindestens 50 % und höchstens 95 % der maximalen Leerlaufspannung der Photovoltaik-Paneleinrichtung 20 liegt.

Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich für unterschiedliche solarthermische Kollektoreinrichtungen 12 (mit unterschiedlicher Anzahl von Solarkollektoren) eine mindestens näherungsweise Linearsierung erreichen mit einer selbstoptimierenden Pumpe, die angepasst ist an die Zirkulationsanforderungen der entsprechenden solarthermischen Anordnung 10. Bei der Installation wird über die Einstelleinrichtung 42 die Mindestspannung 50, 52, 54 fest eingestellt, um das gegebene System zu optimieren.

Diese Einstellung lässt sich auf einfache Weise durchführen.