太阳能热水器的光伏式智能监控方法与流程

本发明涉及一种用于对太阳能热水器的运行状态进行监控的方法，属于太阳能热水器技术领域。

背景技术：

随着太阳能热利用技术的普及以及节能减排的需要，高层建筑的太阳能热利用越来越广泛。但是由于遮阳、安装不当或天气状况等原因导致不少太阳能热水器不热的问题，无法满足消费者的使用要求及使用体验。

由于影响因素众多，许多高层安装的太阳能热水器出现不热的状况后，较难排查导致不热的原因，客户投诉率激增。由于不了解太阳能热水器节能及耗电具体情况，很多消费者不敢保持太阳能热水器长时间通电，导致太阳能热水器自带的加热功能也无法使用，无法满足消费者明白消费、想用即用的消费体验，甚至部分消费者开始拆除太阳能热水器。

随着物联科技快速发展，智能家电纷纷走进人们的生活，而太阳能热水器既不智能还经常不热的问题也带给消费者许多苦恼，亟需一种应用于太阳能热水器的光伏式智能监控装置来提升太阳能热水器智能控制水平，以满足人们对智能、便利、节能生活的需求。

技术实现要素：

本发明针对现有家用太阳能热水器在使用过程中存在不热、不智能、耗电情况不清楚等不便之处，提供了一种应用于太阳能热水器的光伏式智能监控方法。该装置通过物联网客户端与用户互动，能够根据太阳能光照强度、集热水箱温度，判断热水器工作状况，用户可以使用客户端设置个性化用热需求，通过客户端监控装置节能量、耗电量等运行状况。

本发明太阳能热水器的光伏式智能监控方法，所述太阳能热水器包括太阳能集热器、集热水箱和设置于集热水箱内的电加热器；具体过程如下所述：

(1)在太阳能集热器的同一采光面上安装光伏发电装置的光伏电池组件，根据光伏发电装置产生的电流和电压参数计算判断t时刻太阳辐照状况；

(2)用户设定用热需求(用水时间、热水温度等)以及是否辅助电加热；

(3)通过监测集热水箱中的水温向用户报告太阳能热水器运行状况，太阳辐照较好而热水器不热时向用户报告故障信息；

(4)根据太阳能热水器运行状况，如果到了用户设定的用水时刻，集热水箱内的热水温度不能满足用户设定的热水温度，如果用户设定了辅助电加热，则启动电加热器，加热过程中监测耗电量并向用户报告，同时监测加热过程中电流和电压数值有无异常，异常时提醒用户检查电加热器。

所述步骤(1)中太阳辐照状况为t时刻太阳辐照度gt、单位面积累积太阳辐照量ht以及太阳能集热器采光面总辐照量htotal，分别按以下公式计算：

htotal＝scollector·ht，

其中：

gt：t时刻太阳辐照度，w/m²；

ut：t时刻光伏发电装置产生的电压，v；

it：t时刻是光伏发电装置产生的电流，a；

s：光伏发电装置中光伏电池板面积，m²；

scollector：太阳能集热器的采光面积，m²；

η：光伏发电装置的综合发电效率，无量纲；

ht：t时刻单位面积累积的太阳辐照量，j；

htotal：t时刻太阳能集热器采光面的总辐照量htotal。

所述步骤(3)中向用户报告的太阳能热水器运行状况是指从设定时间到t时刻太阳能热水器的得热量qt。

所述得热量qt由从设定时间到t时刻集热水箱保有热量和期间用户n次使用水的热量两部分构成，其中集热水箱保有热量根据集热水箱中的水温tt计算得到，使用水的热量根据进入集热水箱冷水的温度和水量估算可得；由此估算从设定时间到t时刻太阳能热水器得热量qt为：

其中：

qt：从用户设定时间到t时刻集热水箱的得热量，j；

cwater：水的比热容(一般取4185)，j/(kg·℃)；

mtank：集热水箱内的水量，kg；

mi：用户第n次用水的水量，kg；

tt：t时刻集热水箱内的水温，℃；

tsettime：设定的开始时间集热水箱内的水温，℃；

twater：进入集热水箱的冷水温度，℃。

所述步骤(3)中太阳辐照较好而热水器不热时向用户报告故障信息，是指：太阳能热水器的光热转换效率ηsw小于设定的太阳能热水器平均光热转换效率ηset时，则向客户端报告异常，提醒用户注意检查。

太阳能热水器的光热转换效率ηsw根据从用户设定时间到t时刻集热水箱的得热量qt和太阳能集热器采光面总辐照量htotal估算：

太阳能热水器平均光热转换效率ηset一般取0.35～0.45。

所述步骤(4)中，电流和电压数值浮动超过正常值(达到电加热器设定功率所需的电流和电压数值)的20％则视为异常。

如上所述，本发明的监控方法可以通过采集信号和计算，定时向用户客户端提供包含有集热水箱内温度、光热转换效率、供热量等工作状况以及太阳辐照情况、太阳能热水器耗电量等信息的运行报告。可以通过用户客户端获取用户所设定的用热需求、用热习惯个性化用热特性等信息，最大程度提高用户满意度。

本发明实现了对太阳能热水器性能的实时监测，不仅有利于对区域范围内太阳能热水器使用情况汇总分析，同时有利于提高太阳能热水器厂家对在役热水器的售后服务及时率。

附图说明

图1是本发明太阳能热水器的光伏式智能监控方法的实现原理示意图。

图2是本发明的控制过程示意图。

图中：1.光伏发电装置；2.智能控制装置；3.运行监控装置；4.客户端；5.太阳能集热器；6.集热水箱；7.电加热控制器。

具体实施方式

本发明的光伏式智能监控方法，如图1所示，主要通过光伏发电装置1、智能控制装置2、运行监控装置3和客户端4四个部分实现。

光伏发电装置1可采用现有各种微型光伏发电装置，与太阳能集热器5安装于同一采光面上，向智能控制装置2提供电压、电流信息及运行所需部分电能。

智能控制装置2可在现有的单片机基础上增加物联网模块，通过信号线与运行监控装置3相连，通过物联网模块与客户端4双向互联。智能控制装置2与运行监控装置3可以安装于集热水箱6上。

运行监控装置3包括电流电压采集模块、温度传感器和流量传感器。电流电压采集模块串联在光伏发电装置1的供电线路上，并与智能控制装置2连接，用于采集的光伏发电的电流和电压。在太阳能热水器辅助电加热器的供电线路上也可串联电流电压采集模块，以监测电加热器的耗电量。温度传感器通过温度采集器与智能控制装置2连接。流量传感器通过流量采集器与智能控制装置2连接。温度传感器分别设置于集热水箱6内和集热水箱6的冷水进口处，分别采集集热水箱6内的热水温度和集热水箱6冷水进口处的进水温度(也就是进入水箱6的自来水温度)。流量传感器设置于集热水箱6的冷水进口处，采集集热水箱6的进水量。电流电压采集模块、温度传感器、流量传感器、温度采集器和流量采集器均为现有技术。在太阳能热水器辅助电加热器的供电线路上也可串联电流电压采集模块，以监测电加热器的耗电量。

客户端4为app，安装于手机等用户终端设备中，用于与用户互动。

太阳能集热器5、集热水箱6和电加热控制器7属于太阳能热水器的固有部件，参见图2。电加热控制器7用于控制集热水箱6内电加热器的启停。

本发明的光伏式智能监控方法，具体过程如下所述。

智能控制装置2根据光伏发电装置1提供的电流和电压参数计算判断太阳辐照状况，通过监测集热水箱6中的水温等信息向用户报告太阳能热水器节能运行状况，并在太阳辐照较好而热水器不热时(即太阳能热水器光热转换效率低于设定值)向用户报告故障信息；

通过运行监控装置3获取太阳能热水器耗电情况(是通过电流电压采集模块获取的电流和电压值监测)、监测水温(通过温度传感器监测)与水箱进水量(通过流量传感器监测)监控系统运行状况并向用户报告；

用户通过客户端4设定个性化的用热需求以及是否对太阳能热水器进行辅助电加热并发送至智能控制装置2，智能控制装置2根据用户设定控制对电加热控制器7的启停(电加热器由市电供电)，并监控耗电量状况向用户报告，最大化满足用户需求。

智能控制装置2根据光伏发电装置1提供的电流和电压参数计算判断t时刻太阳辐照度gt、单位面积累积太阳辐照量ht以及太阳能集热器采光面总辐照量htotal：

htotal＝scollector·ht(3)

其中：

gt：t时刻太阳辐照度，w/m²；

ut：t时刻智能控制装置2读取到的光伏发电装置1产生的电压(由电流电压采集模块监测)，v；

it：t时刻智能控制装置2读取到的光伏发电装置1产生的电流(由电流电压采集模块监测)，a；

s：光伏发电装置1的光伏电池板面积，m²；

scollector：太阳能热水器中集热器5的采光面积(通过智能控制装置2输入)，m²；

η：光伏发电装置1的综合发电效率，无量纲；

ht：t时刻单位面积累积太阳辐照量，j；

htotal：t时刻太阳能集热器采光面的总辐照量htotal。

智能控制装置2根据内置于集热水箱6中的温度传感器提供的温度信号tt计算从设定时间到t时刻集热水箱6的保有热量。根据安装于集热水箱6冷水进口处的温度传感器和流量传感器提供的水温twater(进入水箱的自来水温度)及流量信号m估算从设定时间到t时刻期间用户n次使用水的热量。根据前述两者估算从设定时间到t时刻太阳能热水器的得热量qt：

其中：

qt：从设定时间到t时刻集热水箱6的得热量，j；

cwater：水的比热容，一般取4185，j/(kg·℃)；

mtank：集热水箱内的水量，kg；

mi：用户第n次用水的水量，kg；

tt：t时刻水箱温度，℃；

tsettime：设定的开始时间水箱温度，℃；

twater：进入水箱的自来水温度，℃。

根据qt和htotal估算太阳能热水器的光热转换效率：

ηsw小于设定的太阳能热水器平均光热转换效率ηset(一般取0.35～0.45)时，智能控制装置2向客户端4报告异常，提醒用户注意检查。

当天气不好，太阳辐照度gt不足时，根据当前所处时刻及太阳辐照度进行估算，如果到了用户设定的用水时刻，产生的热水温度也不满足用户设定的热水温度，智能控制装置2提前控制电加热控制器7启动，进行辅助电加热(由市电供电)。加热过程中监测消耗的电流i和电压u(可通过电流电压采集模块监测)，智能控制装置2计算得到耗电量并向用户报告，同时监测加热过程中电流和电压数值有无异常，电流和电压数值浮动超过正常值(达到电加热器设定功率所需的电流和电压数值)的20％则视为异常，异常时提醒用户检查电加热器。