专利名称：储热设备控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电网和所述电网内的负载管理。本发明更具体地涉及在电力网络内提供的储热设备，尤其是所述储热设备的控制器。在现有技术的背景下，术语“储热设备”包括供空间加热用的电存储加热器和使用电力元件加热的水缸。本发明还涉及响应电网内预期负载变化时对所述储热设备的操作控制。
背景技术：
随着绿色技术的发展和诸如风能和波能等可再生资源用于市电供应，越来越多的电力网络设施正在考虑在电力供应中使用这些资源。虽然这些可再生资源具有许多诸如可持续性等的优势，但是它们对网络供应的整体贡献缺乏连续性。例如，只有当风吹起时，风力发电机才能提供能量，而波能转换器需要波浪模式来提供能量。这两种都有天气和气候因素，不一定符合网络的负载要求。由于这些可再生能源资源的供应波动，当确定电力来源的整体组成时，网络服务器通常也提供传统的电力来源。然而，这些“基于碳”的电力来源通常不能立即启动，它们需要时间来上线，以确保电网不会遭受临时限电，或更严重的彻底电力短缺。为了确保在任何时刻向负载提供足够电力，可预测的电力供应通常一直与从被需要的和可获得的再生资源中取得的瞬态电源一起被操作。然而，如果来自这些资源的可用电力超出网络负载，那么网络设施运营商常常通过停用风力涡轮机等方式，而非停止可预测电源来丢弃该能量。这种负载管理困境导致并非所有来自可再生资源的可用电力都能得到利用。为了解决这些问题已经提出了不同的解决方案，包括那些通常被考虑的电网储能器。在电网储能器中，在(来自电厂的)产出超出消耗时存储电能，而在消耗超出产出时利用存储电能。所计划的解决方案考虑了为电动汽车的电池供电、压缩空气，和飞轮的使用。虽然所有这些方案有助于解决负载变化，进而借此提高性能并减少能量损失，但都需要转换成存储市电电网的能量，所以方案的成本非常巨大。因此，为了能优化使用电网内的可再生资源，就出现了该网络负载管理的问题。发明概述
根据本发明的理论，通过储热设备控制器来解决这些和其它问题。所述控制器选择性地激活电力网络中分布的储热设备，以便将它们的操作和可再生资源的可使用电力相关联。因此，根据权利要求1，本发明提供一种储热设备控制器。从属权利要求中提供了优选实施例。本发明的这些和其他特征将参照如下附图更好地理解。
现在将参考相应附图描述本发明，其中: 图1是本发明的局部电网网络逻辑关系图。图2是本发明的控制器框图。图3以图形形式表示热水器中提高温度点对于可用能量吸收的影响。图4以图形形式表示本发明延迟时间计算的示例性形式。图5是根据本发明技术规范的可供选择控制器的方框图。图6是根据本发明的网络配置图。附图详述
下文将描述按照本发明提供的示例性配置，以帮助理解本发明的优势。这种配置将被理解为可供控制器类型的示例，而不旨在将本发明限制于任何特定配置。在不背离本发明范围的情况下，可以对本文所描述的配置进行修改。为了解决网络电网中负载管理相关的问题，本发明人已意识到，在诸如电存储加热器和水缸的网络储热设备中可以选择性地被供电，以匹配电网内的可用电力。存储加热器是众所周知的，它们通常包括绝缘外壳内由储热介质(“砖”)组成的芯。加热元件被设置在砖的中间以加热砖。存储加热器一般被本地控制，从而使得当电力供应比较便宜(“非高峰”时间)时——通常是晚上，加热元件被接通。该操作常在加热器安装时就写入了程序，加热元件的启动时间与网络服务器公布的时间一致。通过一些电力供应商可以在一天内确定一个或多个非高峰时段，例如一天包括两个或两个以上相对较短的高峰时段以及其间的非高峰时段。在非高峰时段期间，砖由加热元件一般加热到约650摄氏度的温度，以使得热量被存储在砖中。通过绝缘设计确保砖的热损失率减少到所需等级。在一天中，当电力比较昂贵时，加热兀件被关闭，且来自储热砖的热量辐射到房间以加热房间。绝缘量影响从芯到房间的热损失率。因为相对简单、安装便宜、使用清洁以及运行相对廉价，所以这种加热方法是有利的。但是，它也有许多缺点。例如，由于在非高峰(晚上)时段期间将热量储存在砖中，芯在清晨——通常是早上7点左右，达到其最高温度。因此，从存储加热器输出的热量此时达到最大。因为大多数人在清晨(准备出门上班或上学等)都更活跃，从而需要较少的热量，所以这不是理想的效果。在早晨达到其最高温度后，白天热量从芯中损失。热量输出约成指数级衰减，因此到了晚上——芯再次充电存储热量之前，热量输出是相当低的。使用浸入式加热元件在室内热水缸中加热水，这也是一种已知的类似方式。需要将水加热到设定点——通常为约60摄氏度，以解决有关军团菌属细菌潜在的污染问题。室内水缸一般约为150升容量并具备良好的绝缘性能，可以在白天任何时候按预期加热。除非从缸里取出水，在需要之前热量都会一直留在缸中。利用非高峰需求，已知可通过在非高峰时段期间激活电圈而提供热量，所述电圈形成浸入式加热器的一部分。本发明人已经认识到，并非白天在设置的预定时间段对设备供电，而是通过在诸如风力发电机等可再生资源的高电力供应期间选择性地对设备供电，可使得网络内可再生资源电力组成最大化。存储加热器相关的常规热量值是每天18千瓦小时。鉴于英国大约有800万储热器，这表示任何24小时时间段内100兆瓦小时电网的可用负荷。为了实现这种对设备进行选择性供电的功能，本发明提供了一种控制器，其被配置为连接在市电电源和储热设备的加热元件之间，控制器确定对加热元件的电力供应，以及储热设备在一天内任何时间段吸收的负载。通过这种方式，该控制器被作为市电电源和加热元件之间的开关或阀门。该控制器响应从网络服务器接收到的网络内可获得过量电力的信号。一旦接收到信号，它将经配置以激活所述加热元件用于吸收那些过量负载。所述储热设备的负载吸收功能属于该设备的二级功能，这将会得到理解。在示例性上下文中，所述储热设备是存储加热器或水缸，其主要功能在于分别向设备用户进行所需的空间加热或提供热水。虽然根据从网络服务器接收的信号吸收网络中可用能量是有用的，但本发明人已经意识到以下要点的重要性一何时接收电力并实施储热设备加热的命令，不会导致储热设备还没有接收合适能量来满足预期需求。为此，所述控制器被优选地配置为监视所述储热设备的可用容量，以满足未来某个时间段的预期要求，确保容量至少满足需求。当已确定所述容量不符合预期需求时，所述控制器可以经配置选择性地激活对加热元件的供电，而忽略从网络服务器接收到的任何信号，以确保满足储热设备的主要功能。所述忽略功能可以经配置以确定网络中高预期负载的未来时间段，并确保对所述加热元件的供电并不与网络中高负载一致。所述控制器可进一步经配置以选择任何时间周期(例如24小时的持续时间)的预定时间段作为网络内的低负载期间，并对于这些预定时间段中的时间选择性地激活所述加热元件，而不考虑从网络接收的信号。例如，已知常常在O:00至07:00期间对这些储热设备供电，此时网络负载一般较低。在本理论的范围内，控制器也可以经配置以选择该预定时间段中的时间区间以选择性地 激活加热元件，使得在例如24小时的任何时间周期里，加热元件将在最短期间内激活，以确保储热设备不会完全耗尽到低水平。图1表示根据本理论的示例性网络配置100。象征市电电网的网络设施提供商110经配置以根据需要向所述电网内一个或多个用户提供电力。在图1的示意图中，表示了单一用户115。但应被理解的是，该用户代表电网结构内电力的多个用户。在该示例性配置中，用户115包括第一储热设备130和第二储热设备140。在该示例性示意图中，第一储热设备130和第二储热设备140分别作为存储加热器和水缸。但应被理解的是，某些用户可具有多个此类设备，而某些用户可不具有某个特定类型。控制器120被提供在设备130、140之间的电力路径中，以控制对所述两个设备中加热元件的电力的供应情况。虽然本实施例表示出单一控制器用于控制所有这两个设备，但是每个设备可以具有其自己的专用控制器，这是可以理解的。图2更详细表示了控制器120的组成情况。所述控制器具有输入接口 200，用于从网络服务器接收储热设备采用电力可用性的信号。可以用许多不同信号类型中的一种来提供该信号。例如，该信号可以采用有线或无线通信协议进行提供。有线信号的示例包括使用干线电源线？ ？发送信号或并入专用的辅助线。无线信号的示例包括那些用于移动电信网络、无线电频率信号，WiMax (RTM)等等。但应被理解的是，可以使用这些信号类型中的一个或多个，它并不意在将本理论限制于信号传输类型的任何特定示例。可以以多种不同方式中的任何一种提供信号。例如，包括多个比特的数字信号可用于从网络服务器向控制器发送命令。控制器可经配置以识别适于该控制器或该控制器类型的特定信号。当多个控制器同时从网络服务器接收信号、而服务器希望选择性地激活各个所述控制器时，采用该配置最为有效。通过初始配置控制器以识别并操作特定信号，然后，多个信号可并发地发送，但每个控制器将根据用于该控制器的信号进行操作。通过这种方式，多个控制器可以分为类似的组或子集，并且每个子集对从网络发送来的信号进行不同响应。以这种方式，通过定时激活储热设备的特定子集可以选择性地控制网络承担的负载。 一旦接收到希望激活储热设备来采用网络可获得电力的信号后，所述控制器经配置以(如适当地并将在下文进一步讨论)激活耦合到所述控制器的一个或多个存储设备。该激活操作理想地通过开关装置210来进行。所述开关装置210选择地将耦合储热设备的加热元件耦合到可获得电力上，用于对其通电。 在第一配置中，一旦从网络服务器接收命令信号，立即实施加热元件的通电操作。然而，第二配置提供了根据所述储热设备的当前状态而选择性地通电的方法。正如上文所讨论的，每个储热设备常常具有限定该设备容量的设定点。加热量超过该设定点可导致由于过热引起的设备损坏。例如在热存储加热器中，它通常需要在任何24小时期间对加热元件激活7个小时，用于在其他时间进行必要的加热操作。如果存储设备不断被加热，则存储砖的温度可能会超过其额定值。在水缸中，一旦水的温度已经达到60度(或某些其它的预置值)，通常不激活加热器以确保水不会加热过度。在水加热的环境中，当水用于室内供水时，确保不会因为供应过热的水而烫伤用户，这也是很重要的。鉴于这些潜在的危险，当从网络服务器接收信号时，所述控制器优选地经配置以监视是否需要任何额外的加热以满足预设的设定点。当不需要加热时(例如:已连续7小时加热或该设备处于其最高温度)，控制器可以选择不激活加热元件，而不考虑接收到的命令。控制器忽略接收到的远程指令的功能确保了设备的操作安全。控制器包括经配置以在预定期间内监视对储热设备供电情况的处理器220。该监控可以是如下一种或两种:记录加热元件在历史时间期间的定时操作；或确定储热设备的当前操作参数以确定为了满足设定点条件是否需要额外加热。当确定是否向加热元件发送电力时，所述后一种配置可需要控制器通过双向信号讯问实际设备。在另一种配置中，与单个储热设备同一位置的传感器可以周期性地向控制器传送设备 状态信息。该状态(例如温度)可在控制器的一个或多个缓冲器225中被本地存储。所述缓 冲器也可以提供查询表等的数据存储功能，其中定义设备充电百分比和温度之间的关系。以这种方式，该控制器可以相对于设备容量或设定点处理实际温度，并确定为了使设备具有满容量时所必须的充电水平。
权利要求
1.储热设备控制器，是一种用于管理储热设备中至少一个加热元件激活操作的控制器，其特征在于，所述控制器包括: a.第一接口，用于从远程网络服务器接收关于电网中可用电力可供所述储热设备使用的信号，； b.一个处理器，经配置用以接收所述信号，以决定是否切换所述加热元件至可用电力，并提供对所述决定的正反馈触发信号； c.一个和所述处理器通信的开关，经配置在接收所述触发信号后对所述加热元件通电， 其中，所述控制器经配置设有调节所述储热设备的预设设定点，从而使得所述储热设备在所述预设设定点的限制之外操作。
2.如权利要求1所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置根据所述储热设备的当前状态选择性地对所述加热元件通电。
3.如权利要求2所述的控制器，其特征在于，所述处理器经配置，在接收来自所述网络服务器的信号之后，监控是否需要触发所述加热元件以满足所述储热设备的预设设定点。
4.如权利要求3所述的控制器，其特征在于，如果确定不需要加热，所述控制器经配置以选择不触发所述加热元件，而不考虑所接收的信号。
5.如权利要求3或4所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以记录所述加热元件在历史时间期间的定时操作，用于确定是否需要进一步加热。
6.如权利要求3或4所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以询问所述储热设备的当前运行参数，用于确定是否需要进一步加热以满足所述设定点。`
7.如权利要求6所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以在确定是否对所述加热元件通电时，采用双向信号交互方式同所述储热设备进行交互。
8.如权利要求6或7所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置，从与所述储热设备同一位置的传感器接收关于所述设备状态的周期信号，所述控制器进一步经配置以通过所述周期信号确定是否对所述加热元件通电。
9.如权利要求7或8所述的控制器包括至少一个数据存储器，用于提供所述储热设备的百分比充电和温度之间的确定关系。
10.如权利要求9所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以相对于所述设备的容量或设定点处理所感测的实际温度，确定使得所述设备具有满负载所必需的充电幅度。
11.如权利要求3所述的控制器，其特征在于，所述储热设备的调整设定点允许所述设备接收超出正常使用所需的进一步加热。
12.如任何之前权利要求所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以监控所述储热设备的当前容量来提供能量，以及所述设备在以后时间期间提供热量的预期需求。
13.如权利要求12所述的控制器，其特征在于，当所述预期需求超出所述容量时，所述控制器经配置触发所述加热元件，而不考虑还未从网络接收到需要触发的信号的事实。
14.如权利要求12或13所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以预测所述网络上的预测负载并根据所述预测影响对所述加热元件的加电操作，用于确保所述储热设备的加热操作不与所述网络中已经高的负载期重叠，从而协助进行网络负载管理。
15.如任一之前权利要求所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置，在决定切换加热元件到可用电源的正反馈时，产生延时触发信号。
16.如任一之前权利要求所述的控制器，其特征在于，从所述网络接收的信号包括所述控制器的指定开始和停止时间，或开始时间和持续加热所述设备直到达到预定存储等级的要求，所述控制器经配置以询问所述信号并确定合适的操作。
17.如任一之前权利要求所述的控制器，其特征在于，所接收的信号包括对于不同控制器的多个信号，所述控制器经配置以判断该控制器的正确信号。
18.如任一之前权利要求所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置，在预定时间内，实施至少一个加热元件的激活操作。
19.如任一之前权利要求所述的控制器，其特征在于，所述控制器连接并控制多个储热设备。
20.如任一之前权利要求所述的控制器，其特征在于，所述处理器接收所述控制信号用于选择多个功率电平之一，并提供和所选功率电平相关联的充电信号。
21.如权利要求20所述的控制器，其特征在于，所述控制器进一步包括一个和所述处理器通信的充电单元，经配置在接收到所述充电信号时，用市电对至少一个加热元件以所选功率电平供电，借此确保所述储热设备维持至少部分充电状态。
22.如权利要求21所述的控制器，其特征在于，所述充电单元经配置提供一个负载，所述负载匹配所述储热设备的静态热损失。
23.根据权利要求21或22所述的控制器，其特征在于，所述充电单元经配置以在某电平对所述储热设备提供电力，使得所述设备使用热量充电的速率接近于自身排出的热耗率。
24.如权利要求21至23任何之一所述的控制器，其特征在于，所述充电单元经配置以避免所述储热设备过热超出预设点。
25.如权利要求21至24任何之一所述的控制器，其特征在于，所述充电单元经配置以感测所述储热设备的温度。
26.如权利要求21至25任何之一所述的控制器，其特征在于，所述充电单元经配置以感测周围空气温度。
27.如权利要求25所述的控制器，其特征在于，当所述储热设备处于或超过预定温度时，所述充电单元经配置暂时停止对所述储热设备的供电。
28.根据权利要求27所述的控制器，其特征在于，当所述储热设备处于或低于预定温度时，所述充电单元经配置以恢复对所述储热设备的供电。
29.如权利要求26所述的控制器，其特征在于，当周围空气温度处于或超过预定温度时，所述充电单元经配置用于暂时停止对所述储热设备供电。
30.如权利要求29所述的控制器，其特征在于，当周围空气温度处于或低于预定温度时，所述充电单元经配置以恢复对所述储热设备供电。
31.如权利要求20至30任何之一所述的控制器，其特征在于，所述控制器包括温度调节装置。
32.如权利要求20至31任何之一所述的控制器，其特征在于，所述充电单元包括至少一个开关。
33.如权利要求20至32任何之一所述的控制器，其特征在于，所述控制器进一步包括用于存储多个功率电平的数据库。
34.如权利要求20至33任何之一所述的控制器，其特征在于，所述功率电平和所预测的天气情况相关。
35.如权利要求34所述的控制器，其特征在于，所述所预测的天气情况包括风力。
36.如权利要求34或35所述的控制器，其特征在于，所述所预测的天气情况包括湿度。
37.如权利要求34至36任何之一所述的控制器，其特征在于，所述所预测的天气情况包括降雨量。
38.如权利要求34至37任何之一所述的控制器，其特征在于，所述所预测的天气情况包括大气压力。
39.如权利要求34至38任何之一所述的控制器，其特征在于，所述所预测的天气情况包括大气颗粒量。
40.如权利要求20至33任何之一所述的控制器，其特征在于，所述功率电平和实时天气情况相关。
41.如权利要求40所述的控制器，其特征在于，所述实时天气情况包括如下的至少一个:温度、风力、降雨量、湿度、大气压力、以及大气微粒数。
42.如权利要求20至33任何之一所述的控制器，其特征在于，所述功率电平和历史天气情况相关。
43.如权利要求 42所述的控制器，其特征在于，所述历史天气情况包括如下的至少一个:温度、风力、降雨量、湿度、大气压力、以及大气微粒数。
44.如权利要求20至33任何之一所述的控制器，其特征在于，所述功率电平和一年中的月份相关。
45.如权利要求20至33任何之一所述的控制器，其特征在于，所述功率电平和一年中的季节相关。
46.如权利要求20至45任何之一所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以读取所感测的情况。
47.如权利要求20至46任何之一所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以读取所感测的所述储热设备的温度情况。
48.如权利要求20至46任何之一所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以读取所感测的周围温度情况。
49.如权利要求47所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以将所感测的所述储热设备的温度情况传输到所述网络服务器。
50.如权利要求49所述的控制器，其特征在于，来自所述网络服务器的所述控制信号至少部分基于所感测的所述储热设备的温度。
51.如权利要求48所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以将所感测的周围温度情况传输到所述网络服务器。
52.如权利要求51所述的控制器，其特征在于，来自所述网络服务器的所述控制信号至少部分基于所述所感测的周围温度情况。
53.如权利要求46所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以将所述感测情况传输到所述网络服务器。
54.如权利要求53所述的控制器，其特征在于，来自所述网络服务器的所述控制信号至少部分基于所感测情况。
55.如权利要求20至54的任何之一所述的控制器，其特征在于，所述控制器经配置以询问所述网络服务器用于请求所述控制信号。
56.如权利要求20至33的任何之一所述的控制器，其特征在于，从所述网络服务器到所述控制器的所述控制信号和电力费率信息相关。
57.如任何之前权利要求所述的控制器，其特征在于，所述储热设备具有多个运行模式，各个运行模式具有相关默认芯温度。
58.如权利要求57所述的控制器，其特征在于，所述控制器进一步包括一个开关元件，用于选择性地在所述运行模式之间切换。
59.如权利要求57或58所述的控制器，其特征在于，所述开关元件经配置以响应来自所述远程网络服务器的控制信号，用于将所述储热设备选择性地切换到所述运行模式之O
60.如权利要求57或58所述的控制器，其特征在于，所述开关元件经配置可手动操作用于将所述储热设备切换到所述运行模式之一。
61.如权利要求58至60的任何之一所述的控制器，其特征在于，所述储热设备具有第一运行模式和第二运行模式。
62.如权利要求61所述的控制器，其特征在于，所述储热设备具有备用模式。
63.如权利要求62所述的控制器，其特征在于，所述开关元件可用于将所述储热设备选择性地切换到所述第一运行 模式、所述第二运行模式和所述备用运行模式之一。
64.如权利要求63所述的控制器，其特征在于，当所述储热设备处于所述第一运行模式时，其默认核心温度被设置在550摄氏度。
65.如权利要求63或64所述的控制器，其特征在于，当所述储热设备处于所述第二运行模式时，其默认核心温度被设置在400摄氏度。
66.—种电网负载管理工具,其特征在于,包括多个之前任一权利要求所述的控制器，所述控制器可选择性地对储热设备的网络供电来保存热量。
67.如权利要求1至65的任意之一，其特征在于，所述的控制器与其控制的储热设备处于同一位置。
68.—种电网负载管理工具,其特征在于，包括多个之前任一权利要求所述的控制器，所述控制器可选择性激活储热设备的网络，以吸收所述电网内的多余容量。
69.如权利要求68所述的工具，其特征在于，所述控制器被组合为集合，所述工具经配置以选择性地激活储热设备的单个集合。
70.一种控制器，其特征在于，所述控制器用于控制储热设备内至少一个加热元件的功率，以至于所述设备维持在至少部分充电的状态，所述控制器包括: 第一接口，用于从远程网络服务器接收控制信号； 一个处理器，经配置以接收所述控制信号，用于选择多个功率电平之一并提供和所选功率电平相关的充电信号； 和所述处理器通信的一个充电单元，经配置在接收到所述充电信号时，从市电来对至少一个加热元件在选择的功率水平进行充电，借此确保所述储热设备维持至少部分充电状态。
全文摘要
一种可选择性地激活网络中储热设备的控制器，所述控制器通过网络平衡用户管理其加热操作的需求以及网络服务器用网络负载平衡可用负载的需求。
文档编号H02J3/14GK103190049SQ201180037404
公开日2013年7月3日 申请日期2011年6月10日 优先权日2010年6月10日
发明者麦克唐纳·艾伦 申请人:基础持股公司