Photovoltaik Heizstab Warmwasser / PV-Heater / Power-to-Heat

[Kay I. (imperator)]

Hi!

Meine Mission
* vorhandener Warmwasser-Kessel mit integriertem 2.2kW Heizstab
* Erwärmen mit PV-Modulen (z.B. günstige gebrauchte) als Unterstützung
* muss netzautark funktionieren - oder zumindest sicher bei Netzausfall 
sein
* keine Kopplung mit Stromnetz (kein EVU-, EEG- oder Steuern Thema)
* Der Kessel soll Temperatur-begrenzt beheizt werden (Sicherheit)
* Für den ersten Test ist die Fläche für PV-Module auf ca. 15m² begrenzt
* Fokus liegt auf sicher & günstig, nicht auf max. Auslastung der 
PV-Module
* Der Heiz-Brenner soll entlastet und nicht ersetzt werden

Frage an Euch
* woran hab ich nicht gedacht? / was hab ich nicht beachtet?
* geht es besser? / anderes Konzept?

Ja es gibt schon Threads dazu:
Beitrag "Solar Heißwasser: PV-Heater Elektronik"
Beitrag "Heizstab an PV.Mudule anschliessen"
Beitrag "Warmwasserspeicher zusätzlich elektrisch beheizen"
hab darin aber nicht die Antwort auf mein Setup gefunden.

zu mir
Ich hab beruflich HW entwickelt - aber bislang < 100W.
Eine Leistungselektronik im 1-3kW-Bereich entwickeln braucht Erfahrung, 
Werkzeuge, Zeit die mir derzeit fehlen - ich versuche daher erstmal 
möglichst weit ohne echte kW-Entwicklung zu kommen.
(Spannend ist wäre es aber dennoch)
Fertige Power-to-Heat-Produkte, die genau auf einen 2.2kW-Heizstab 
passen, kann ich nicht finden.


Idee 1 DC-Kopplung

PV-Panels ------ Schalter ------ 2.2kW-Heizstab
    |               |             |
 230VAC/12VDC -- Steuerung ---- Sensor / STB

Ich verdrahte die Module direkt per DC auf den Heizstab und schalte ab, 
wenn es zu heiß ist.
Der Schalter könnt bestehen aus parallelen N-MOS mit entspr. 
Spannungsfestigkeit.
2.2kW @ 230V AC -> 24R
Ich wähle PV-Module als String so, dass sie im MPP (Max Power Point) 
dicht genug an einen sinnvollen Arbeitpunkt heran kommen aber die 
Leistung am 24R noch gut abgegeben kriegen.
(Sie dürften nicht über I_mpp betrieben werden und nicht zu weiter unter 
U_mpp).
Beispiel mit 255Wp-Modul ...
U_mpp = 30,3 V
I_mpp = 8,42 A
6x in Reihe, ergibt: 212V, bei 24R ergeben sich ca. 8 A.
Der Heizstab wäre mit 1,7kW betrieben - würde mir für den Start reichen.
Die Steuerung wird über ein 230VAC/12VDC Steckernetzteil versorgt 
(funktioniert auch mit DC Input).
Der STB (= Sicherheitstemperaturbegrenzer, in angehängtem Bild: 2: 
Einstellthermostat) im Kessel wird nur mit 230V AC korrekt funktionieren 
... den müsste ich also vom AC-Netz bestromen, oder einen kleinen 
Inverter nur dafür spendieren.



Idee 2 DC-AC-Inselnetz

PV-Panels ---- DC-AC-Inverter ---- Standard 230V Anschluss des Kessels (mit STB)

Nachteile:
* die verfügbare PV-Fläche reicht nicht aus, um 2.2kW hinterm 
Wechselrichter zu bekommen, ich vermute der WR würde auf Fehler 
schalten, wenn die AC-Last größer als die verfügbare PV-Leistung ist und 
damit das Inselnetz abschalten
z.B. so einer:
https://www.ebay.de/itm/5000W-Solar-Wechselrichter-80A-MPPT-48Vdc-Aus-Gitter-Wechselrichter-PF1-0-230Vac/372667931052
ebay Stichworte: (EASUN sinus inverter 230V mppt) in passender 
Leistungsklasse

.
.
bin gespannt auf Eure Ideen / Fragen

[Sol-Tau (Gast)]

Siehe zu, dass du einen kleineren Heizstab bekommst (z. B. 1 kW). Alles 
andere ist nur Quälerei.

[Kay I. (imperator)]

schwierig, in diesen Kessel passt eben genau dieser verbaute Typ.

[Werner H. (werner45)]

Denke dran, daß die Module die Nennleistung nur bei senkrechtem 
Lichteinfall bringen. Bei fester Montage nur für 3-5 Stunden am Tag, 
wenn denn die Sonne scheint.

[Kay I. (imperator)]

Ja, gibt nur ein paar h nennenswert Leistung, im Winter wird's nicht 
besser.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Sol-Tau schrieb:
> Siehe zu, dass du einen kleineren Heizstab bekommst (z. B. 1 kW).
Also, ich kann ein Auto, das maximal 220 fährt auch mit 
Schrittgeschwindigkeit fahren. Und ich kann in einen 5kW Heizstab auch 
nur 500 W einspeisen.

Kay I. schrieb:
> Der Schalter könnt bestehen aus parallelen N-MOS mit entspr.
> Spannungsfestigkeit.
Oder einfach aus einem mechanischen Schütz. Der ist dann auch nicht so 
sensibel auf Blitzschlag u. ä.

> (Sie dürften nicht über
> I_mpp betrieben werden und nicht zu weiter unter U_mpp).
Sie gehen dabei aber auch nicht kaputt. Und das ist der Witz dabei.
Und wenn du da unbedingt den MPP brauchst, dann nimm eine thermische 
Solaranlage. Da steckt die billigste deinen Solarstromwärmewandler 
locker in den Sack.

[Kay I. (imperator)]

Lothar M. schrieb:
> Sie gehen dabei aber auch nicht kaputt. Und das ist der Witz dabei.
Ja, fährt man sie deutlich über I_mpp, bricht die Spannung so arg ein, 
dass man auch kaum noch Leistung am R umsetzen kann.

Was das Schütz angeht, muss ich mir nochmal anschauen, welche sich für 
DC bei dieser Spannung eignen. Das könnte die Sache vereinfachen.

zum Bild:
K1 überbrückt die Verpolschutz-Diode, sobald 12V da sind
K2 schaltet solange durch, wie der STB nicht begrenzt, da es noch zu 
kalt ist
T1 ..Tn = parallele N-FETs

[Kay I. (imperator)]

ich möchte den PV-Eingang noch absichern,

wie würdet Ihr das Geräte-intern machen?

PV(+)---[Fuse]--+---[Diode]---
                |
             [Varistor]
                |
PV(-)-----------+-------------

Fuse = ASO 10.3x38,10A (401 A²s)
Varistor = S20K275 (350V DC mag zu hoch sein)

was meint ihr?

Bei den Transistoren will ich 8..10x einen IPP60R600E6 parallel schalten
(N-Ch 600V 7,3A 63W 0,6R TO220) .. sollte der noch irgendwie geschützt 
werden?

Oder kann jemand ein passendes DC-Schütz empfehlen, das DC 300V 9A 
trennen kann?