专利名称：光伏加热器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳能领域，特别涉及一种以最大功率加热来改变入射阳光辐射条件的光伏阵列。
背景技术：
众所周知，在非电气太阳能加热面板中，水以流经吸收太阳辐射能量的加热管的方式被加热，在加热管内的自由流 动对于面板的优良性能是十分必要的。在寒冷的气候下，环境空气温度低于水的冰点以下，很可能会出现加热管中的水会结冰从而冻裂加热管的情况。因此，可以在低温条件下工作的、耐用的太阳能加热系统是很有必要的。美国专利第5，293，447号公开了一种以光伏阵列实施的电气太阳能加热系统，用以调整光伏阵列的电阻性负载或发电参数，以最大限度地提高电力传输效率。负载电阻以开关电路的方式进行调整，使得特定的加热组件或加热组件组合的电阻尽量调整到接近与最大功率点相关的目标电阻值。其缺点是每个负载电阻组件都有一分离电阻，使得它几乎不能实现与最大功率点相关的电阻值。因此，加热器不会在面板能产生的最大功率下工作，从而浪费了宝贵的太阳能。此外，必需的多个加热组件增加了成本和维护费用。因此，能以预定太阳辐射条件下的最大功率为现成的标准加热组件供电的光伏电池阵列是很有必要的。
发明内容
本发明为一种可响应入射阳光辐射变化的光伏加热系统。根据本发明的理论，提供有一种可响应入射阳光福射强度波动的光伏加热器，包括(a) —光伏电池阵列；(b)至少一个主要加热组件；以及(c)最大功率点追踪电路，用以追踪所述光伏电池阵列的一最大功率点，且将所述最大功率集中提供给所述至少一个主要加热组件。根据本发明的进一步特征，该系统还包括一介质，例如水、油或空气，其中所述至少一个加热组件至少部分地浸入到所述介质中以便加热所述介质。根据本发明的进一步特征，该系统还包括一开关机构，用以可逆式连接所述加热组件与电网，及可逆式断开所述加热组件与所述光伏电池阵列。根据本发明的进一步特征，该系统还包括一辅助加热组件以及一电网开关，该电网开关用以可逆式连接所述辅助加热组件和一电能网，以便通过所述至少一个主要加热组件补充热量。根据本发明的进一步特征，该系统还包括一转换开关，与所述电网开关工作连接；所述转换开关用以当所述辅助加热组件与电能网连接时，可逆式断开所述主要加热组件与所述最大功率点追踪电路；从而将所述光伏加热器转换为传统加热器。本发明还提供有一种光伏加热方法，包括(a)追踪一光伏电池阵列的一最大功率点；(b)以所述最大功率充分驱动一加热组件。根据本发明的进一步特征，所述方法还包括将所述加热组件至少一部分浸入到一介质以便加热所述介质。本发明还提供有一种复合加热器系统，包括(a)—介质,用于被加热；(b)—太阳能加热组件，至少部分被浸入在所述介质中；(C) 一光伏动力系统，与所述太阳能加热组件工作连接，该光伏动力系统包括(i) 一光伏电池阵列，和(ii) 一最大功率点追踪电路，用以追踪所述光伏电池阵列的一最大功率点，并将所述功率提供给太阳能加热组件；(d)一电网供电加热组件，至少部分被浸入在介质中；以及(d)—电网开关，用于可逆式连接所述电网供电加热组件与一电能网。根据本发明的进一步特征，还包括(f) 一时间触发温度调节器，所述时间触发温度调节器用以在一可选时间开动所述电网开关，所述可选时间为所述介质的温度低于预设温度时，从而利用所述太阳能加热组件自动增加所述介质热量直到获得一所需温度。
在此，仅以举例的方式，参照附图对本发明做出说明，其中
图I为本发明的光伏加热系统的块状示意 图2-3为太阳辐射分别为1000 ff/m2和600W/m2时，光伏阵列在工作中的电流-电压曲线和功率-电压曲线的组合 图4是用在本发明中的一个MPPT电路的典型拓扑 图5是图I中包含用于与电网连接的转换开关的光伏加热系统的块状示意 图6是光伏加热系统和电网同时工作时的光伏加热系统的块状示意 图7是可转换成传统电网加热系统的光伏加热系统的块状示意 图8是装配有时间温度调节器的、可转换成传统电网加热系统的光伏加热系统的块状示意 图9为用以在室内供能于一热辐射器的光伏加热系统的示意图。
具体实施例方式本发明为一种可响应入射阳光辐射变化的光伏加热系统。具体的说，对于任何给定的入射太阳辐射，该光伏加热系统都动态地将光伏电池组的最大功率交付给电阻加热组件。本发明的工作原理和操作方法参照图纸和
可以更容易理解。转到附图，图I所示为一个非限制光伏加热系统的优选实施例，概括的标识为20，包括光伏(PV)电池阵列2，最大功率点追踪(MPPT)电路3，在任何给定的太阳辐射下，MPPT电路3尽可能地从PV阵列2提取最大功率，转换连接最大功率点的电压为驱动电阻加热器21的驱动电压，电阻加热器21浸入在容器I内的介质Ia中。通常该介质为水，但是该介质也可以为一种不同的流体，例如空气和油，取决于系统20预期的应用。在实施例中有诸多加热组件21，从PV阵列2中获得的电力被分配给各个组件21，以便所有的组件21 —起由阵列2集中供电。图2所示为当入射太阳光辐射为1000W/m2时，一个典型光伏电池阵列工作中的I-V曲线A和P-V曲线B，图中，最大功率点用P-V曲线A上的点Pmax表示。与之相对的、该电池阵列工作中的点用I-V曲线B上的点Omax表示。Vmax为59伏特，Imax为22安培，当太阳辐射强度为1000W/m2时，PV阵列的最大功率可以推算出为Pm=59X22=1298W。当入射光辐射强度改变时，MPPT电路3汇集一组新的工作电压、工作电流与修正后的最大功率，该修正后的最大功率即为如图3所示的当太阳辐射强度变为600W/m2时的最大功率。该修正后的最大功率用P-V曲线A’上的点P’ max表示，该电池阵列的工作点，用I-V曲线B’上的点0’ _表示，Vmax为49伏特，Ifflax约为13. 5安培，进而可以推算出当太阳辐射强度为600W/m2时，PV阵列的最大功率为P， =49X13. 5=661. 5W。图4所示为一个MPPT电路3的典型拓扑，所述典型拓扑用以追踪最大功率点，将最大功率点相应的电压转为驱动电阻加热器21的驱动电压。MPPT电路3包括与处理器30实时连接的开关33，所述处理器30用以测量PV阵列2的输出电压和电流。在一个非限制典型实施例中，处理器30以脉冲宽度调制的方式改变开关33的占空比，使得MPPT电路3聚集一工作电压和工作电流以及PV电池阵列2的最大输出功率。开关33的以某一速度连通或断开，处理器30定义开关33的占空比从而定义驱动电阻加热器21的平均驱动电压。固定电阻的电阻加热器21按照公式PheatCT=U/Rteate定义输出功率。输出功率(Pteate)等于PV电池阵列2提供给加热器21的输入功率(Ppv)，即根据PV的工作电压和工作电流按照公式Ppv= VpvIpv定义的输入功率(Ppv)。MPPT电路3的输入阻抗根据公式Vpv=I pvRpv+>RpV=VpV/IpV定义或由I-V示意图定义，公式Ipv/Vpv =1/RPV分别表示图2和图3上的直线C和C’，可以找到最大功率点。开关33的占空比为各种不同的数值时，测出输出电压Vpv和输出电流Ipv，在以前使用的占空比值下，他们的产品与以前存储的光伏电池阵列IV产品进行测定和比较，直到找到占空比值最高、或者功率为Pmax的产品，由处理器30标识。一旦最大功率P_联同Vmax和Imax被识别出，Vmax通过一变压器31被转换成VteatOT。在一个非限制优选实施例中，50-60伏特的光伏电压以95%的效率被转换成目标为160伏特的电压。利用上述功率方程，因此，在图2的工作点0_，20欧姆的电阻加热器21，输出约1602/20=128 5瓦特的功率。值得赞赏的是，任一电路用以限定最大功率点和传递充分大的功率是被包括在本发明范围内的。图4中表明的MPPT电路3仅仅是适合本发明的MPPT电路3的一个简单示例。很多其他类型的MPPT电路3也会适合，本技术领域技术人员都能清楚知道。典型的PV阵列包括能产生800瓦特功率的4块光伏板或能产生1200瓦特功率的6块光伏板，不管怎样，所有类型的PV阵列和结构都被本发明的范围包括在内。图5所示为提供辅助交流电网热量以便给PV增加热量的实施例。加热组件21在PV热量系统22和电网热量系统5中都能工作，在常规加热中，开关机构4呈现出缺省状态，将PV热量系统22和加热组件21相连接并将加热组件21和电网热量系统5断开。当需要快速加热时，开关机构4断开与PV热量系统22的连接，并与交流电网热量系统5相连接。值得注意的是，所有用于本系统的加热组件都是现成的、功率在800-3000瓦特之间的标准件，以便在PV热量系统22或交流电网热量系统5提供电压的情形下方便地加热。转换开关4执行过程像手工开关一样，或者像时间触发开关一样，或者像时间触发调节器一样。更应该赞赏的是，设有多个浸泡式加热组件的加热容器也被包括在本发明的范围。图6所示为一个非线性优选实施例中的系统，本质上等同于图5所示系统附加上与交流电网热量系统5相连接的辅助加热器7。辅助加热器7通过上述各种转换方法中的电网开关10与交流电网热量系统连接或断开连接。应该赞赏的是，作为一种选择，辅助加热装置与PV加热装置共存也是被包括在本发明的范围内。进一步地，本发明的范围包括一转换开关4a，用以将主要加热组件21和PV热量系统22完全断开从而将水加热器I转变成图7所示的传统交流电网加热器。应该赞赏的是，直流电网也被包括在本发明范围内。应该注意的是，出于本文件原因，任何同时地或择一地利用PV和电网的实施例都被认为是复合加热器。图8所示为一复合加热器，其中，电网开关10以一时间触发调节器IOa来驱动，用以在用户选定的时间被激活。在激活时，时间触发调节器IOa测量出介质Ia的温度，如果其温度低于当前温度，驱动电网开关10将附属加热组件7和上述的电网5相连接。值得赞赏的是，任何上述特征的组合都被包括在本发明的范围内。图9所示为本发明的一个附加系统，用以为室内处理的热辐射器23供热。值得赞赏的是，本发明有能力为任何电阻加热设备供热。值得注意的是，本发明效率高、质量轻，易于安装和管理，而且成本低廉。值得赞赏的是，上述说明仅仅作为示例，在本发明的范围内，例如在从属权利要求 中，还可以有很多其他实施例。
权利要求
1.一种响应入射阳光福射强度波动的光伏加热器,其特征在于,包括 (a)一光伏电池阵列； (b)至少一个主要加热组件；以及 (c)最大功率点追踪电路，用以追踪所述光伏电池阵列的一最大功率点，且将所述最大功率集中提供给所述至少一个主要加热组件。
2.如权利要求I所述的光伏加热器，其特征在于，还包括 (d)—介质，所述至少一个加热组件至少部分地浸入到所述介质中以便加热所述介质。
3.如权利要求2所述的光伏加热器，其特征在于，所述介质选自由油、水及空气组成的族群。
4.如权利要求I所述的光伏加热器，其特征在于，还包括 (d) 一开关机构，用以可逆式连接所述加热组件与一电能网，及可逆式断开所述加热组件与所述光伏电池阵列。
5.如权利要求I所述的光伏加热器，其特征在于，还包括 (d)一辅助加热组件；以及 (e)一电网开关，所述电网开关用以可逆式连接所述辅助加热组件和一电能网，以便通过所述至少一个主要加热组件补充热量。
6.如权利要求5所述的光伏加热器，其特征在于，还包括 Cf) 一转换开关，与所述电网开关工作连接； 所述转换开关用以当所述辅助加热组件与电能网连接时，可逆式断开所述主要加热组件与所述最大功率点追踪电路；从而将所述光伏加热器转变为传统加热器。
7.一种光伏加热方法，其特征在于，包括 (a)追踪一光伏电池阵列的一最大功率点； (b)以所述最大功率充分驱动一加热组件。
8.如权利要求7所述的光伏加热方法，其特征在于，还包括如下步骤 (c)将所述加热组件至少一部分浸入到一介质中以便加热所述介质。
9.如权利要求8所述的光伏加热方法，其特征在于，所述介质选自由油、水及空气组成的族群。
10.一种复合加热器系统，其特征在于，包括 (a)—介质,用于被加热； (b)一太阳能加热组件，至少部分被浸入在所述介质中； (c)一光伏动力系统，与所述太阳能加热组件工作连接，并包括 (i)一光伏电池阵列，和 (ii)一最大功率点追踪电路，用以追踪所述光伏电池阵列的一最大功率点，并将所述功率提供给太阳能加热组件； (d)—电网供电加热组件，至少部分被浸入在介质中；以及 (e)—电网开关，用于可逆式连接所述电网加热组件与一电能网。
11.如权利要求10所述的光伏加热方法，其特征在于，还包括 (f)一时间触发温度调节器，用以在一可选时间启动所述电网开关，所述可选时间即为所述介质的温度低于预设温度时，从而利用所述太阳能加热组件自动增加所述介质热量直到获得一所需温 度。
全文摘要
一光伏电池阵列、一个或以上的加热组件以及一最大功率点追踪电路，用以追踪所述光伏电池阵列的最大功率点，且将所述最大功率集中提供给所述加热组件。
文档编号G05F1/00GK102652294SQ201080057200
公开日2012年8月29日 申请日期2010年12月16日 优先权日2009年12月16日
发明者哈纳·阿什肯纳齐 申请人:美国Eds公司