太阳能光伏热水器及控制方法与流程

1.本发明涉及太阳能光伏技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏热水器及控制方法。


背景技术：

2.随着太阳能光伏发电效率的提高，太阳能光伏热水器应运而生。太阳能光伏热水器是将太阳能转化为电能后再利用电能来加热水的热水器。太阳能光伏热水器和传统太阳能光热系统相比，至少具有以下优势：第一、由于太阳能光伏热水器是利用电能来加热水，不依靠介质即水和防冻液传热，因此避免了跑冒滴漏冻等现象发生。第二、用电加热代替介质传热，不但节省空间而且大大减少了能量损耗。第三、每户使用的光伏电能可以实现计量，克服了传统太阳能光热系统无法计量的老大难问题。
3.现有的太阳能光伏热水器通常包括光伏板、储热水箱和加热器，光伏板将太阳能转化为电能后供给加热器，加热器对储热水箱内的水进行加热。而光伏板的输出功率是受天气、环境温度和加热器电阻值的影响的动态变化量，但是现有的太阳能光伏热水器并未考虑上述因素，导致太阳能光伏热水器无法进行最大功率点跟踪(maximum power point tracking，简称mppt)运行，进而影响其效率。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种太阳能光伏热水器，以实现光伏板组件的最大功率点跟踪、提高热水器的效率。
5.根据本发明第一方面实施例的太阳能光伏热水器，包括光伏板组件、储热水箱、电加热组件、控制器以及与所述光伏板组件电连接的电压检测件和电流检测件；所述电压检测件用于检测所述光伏板组件的输出电压，所述电流检测件用于检测所述光伏板组件的输出电流；所述电加热组件设于所述储热水箱内，用于加热所述储热水箱内的水；所述光伏板组件和所述电加热组件均与所述控制器电连接，所述电加热组件的电阻值可调，所述控制器用于根据所述输出电压和所述输出电流调节所述电加热组件的电阻值。
6.根据本发明实施例的太阳能光伏热水器，充分考虑了天气、环境温度和电加热组件电阻值对光伏板组件的输出功率的影响，实现了光伏板组件的最大功率点跟踪，提高了热水器的效率。
7.另外，根据本发明实施例的太阳能光伏热水器，还可以具有如下附加技术特征：
8.根据本发明的一个实施例，所述电加热组件包括多个加热负载以及与所述加热负载一一对应的负载继电器，所述加热负载与对应的所述负载继电器串联构成负载支路，所述负载支路并联在所述控制器的两端。
9.根据本发明的一个实施例，所述电加热组件还包括第一中间继电器以及与至少一个所述负载支路对应的第二中间继电器；所有所述负载支路的一端均连接至所述控制器的第一端，所有所述负载支路的另一端均通过所述第一中间继电器连接至所述控制器的第二端；所述第二中间继电器的一端连接至对应所述负载支路的所述加热负载和所述负载继电
器之间，所述第二中间继电器的另一端连接至所述控制器的第二端。
10.根据本发明的一个实施例，所述控制器包括计时模块、计算模块和控制模块；所述计算模块分别与所述电压检测件和所述电流检测件电连接，用于根据所述输出电压和所述输出电流计算所述光伏板组件的输出功率；所述计时模块用于统计所述电加热组件以固定电阻值连续工作的时长；所述控制模块分别与所述计时模块和所述计算模块电连接，用于调节所述电加热组件的电阻值。
11.根据本发明的一个实施例，所述控制器通过辅助继电器外接至交流电。
12.根据本发明的一个实施例，所述储热水箱内还设有辅助加热件，所述辅助加热件通过所述辅助继电器连接至交流电。
13.根据本发明的一个实施例，还包括插设于所述储热水箱中的水箱温度传感器，所述水箱温度传感器与所述控制器电连接。
14.根据本发明第二方面实施例的所述太阳能光伏热水器的控制方法，包括以下步骤：
15.s1、调节所述电加热组件的电阻值，并跳转执行步骤s2；
16.s2、获取所述光伏板组件的输出电压和输出电流，并跳转执行步骤s3；
17.s3、根据所述输出电压和所述输出电流计算所述光伏板组件的输出功率，并跳转执行步骤s4；
18.s4、判断调节过程是否遍历所述电加热组件的所有电阻值，若是则跳转执行步骤s5，若否则跳转执行步骤s1；
19.s5、比较每调节一次所述电加热组件的电阻值时所述光伏板组件的输出功率的大小，并将对应最大所述输出功率的所述电阻值作为目标电阻值，跳转执行步骤s6；
20.s6、控制所述电加热组件按照所述目标电阻值工作，并跳转执行步骤s7；
21.s7、判断是否满足预设条件，若是则跳转执行步骤s8，若否则跳转执行步骤s6；
22.s8、控制所述电加热组件停止加热，并跳转执行步骤s1。
23.根据本发明的一个实施例，在执行所述步骤s6之后且在执行所述步骤s7之前还包括以下步骤：获取所述电加热组件以固定电阻值连续工作的时长，并跳转执行步骤s7；所述预设条件为所述连续工作的时长是否不小于预设时长。
24.根据本发明的一个实施例，在执行所述步骤s6之后且在执行所述步骤s7之前还包括以下步骤：获取所述储热水箱的水温，并跳转执行步骤s7；所述预设条件为所述水温是否不小于预设温度。
25.本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
26.本发明通过在储热水箱内设置电阻值可调的电加热组件，并使电压检测件和电流检测件分别与光伏板组件电连接，在该热水器运行时控制器便可进行光伏板组件的最大功率点跟踪，也即先调节电加热组件的电阻值使其遍历所有电阻值，在每调节一次电阻值时控制器根据电压检测件检测的的输出电压和电流检测件检测的的输出电流计算光伏板组件的输出功率，然后控制电加热组件以对应光伏板组件最大输出功率的电阻值对储热水箱进行加热。在此过程中，若达到预设条件则控制电加热组件停止加热并重新进行光伏板组件的最大功率点跟踪。可见，本发明充分考虑了天气、环境温度和电加热组件电阻值对光伏板组件的输出功率的影响，实现了光伏板组件的最大功率点跟踪，提高了热水器的效率。
27.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明实施例中一种太阳能光伏热水器的结构示意图；
30.图2是本发明实施例中电加热组件的控制电路原理图之一；
31.图3是本发明实施例中电加热组件的控制电路原理图之二；
32.图4是本发明实施例中电加热组件的控制电路原理图之三；
33.图5是本发明实施例中电加热组件的控制电路原理图之四；
34.图6是本发明实施例中电加热组件的控制电路原理图之五；
35.图7是本发明实施例中电加热组件的控制电路原理图之六；
36.图8是本发明实施例中一种太阳能光伏热水器的控制方法的流程图之一；
37.图9是本发明实施例中一种太阳能光伏热水器的控制方法的流程图之二；
38.图10是本发明实施例中一种太阳能光伏热水器的控制方法的流程图之三；
39.图11是本发明实施例中一种太阳能光伏热水器的控制方法的流程图之四。
40.附图标记：
41.1、光伏板组件；2、储热水箱；3、电加热组件；4、控制器；
42.4.1、计时模块；4.2、计算模块；4.3、控制模块；5、显示屏；
43.6、辅助加热件。
具体实施方式
44.为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
45.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。
46.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
47.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
48.如图1所示，本发明实施例提供了一种太阳能光伏热水器，该热水器包括光伏板组件1、储热水箱2、电加热组件3、控制器4以及与光伏板组件1电连接的电压检测件和电流检测件；电压检测件用于检测光伏板组件1的输出电压，电流检测件用于检测光伏板组件1的输出电流；电加热组件3设于储热水箱2内，用于加热储热水箱2内的水；光伏板组件1和电加热组件3均与控制器4电连接，电加热组件3的电阻值可调，控制器4用于根据输出电压和输出电流调节电加热组件3的电阻值。其中，光伏板组件1既可以包括一个光伏板，也可以包括多个相互并联的光伏板支路，每个光伏板支路包括多个依次串联的光伏板。
49.下面对本实施例中太阳能光伏热水器的控制方法的具体步骤进行说明，如图8所示，该控制方法包括以下步骤：
50.s1、调节电加热组件3的电阻值，并跳转执行步骤s2；
51.s2、获取光伏板组件1的输出电压和输出电流，并跳转执行步骤s3；
52.s3、根据输出电压和输出电流计算光伏板组件1的输出功率，并跳转执行步骤s4；
53.s4、判断调节过程是否遍历电加热组件3的所有电阻值，若是则跳转执行步骤s5，若否则跳转执行步骤s1；
54.s5、比较每调节一次电加热组件3的电阻值时光伏板组件1的输出功率的大小，并将对应最大输出功率的电阻值作为目标电阻值，跳转执行步骤s6；
55.s6、控制电加热组件3按照目标电阻值工作，并跳转执行步骤s7；
56.s7、判断是否满足预设条件，若是则跳转执行步骤s8，若否则跳转执行步骤s6；
57.s8、控制电加热组件3停止加热，并跳转执行步骤s1。
58.需要说明的是，步骤s7中的预设条件既可以基于电加热组件3的工作时长，也可以基于储热水箱2的水温。当然，也可以同时基于电加热组件3的工作时长和储热水箱2的水温。具体地：
59.例如，如图9所示，当预设条件基于电加热组件3的工作时长时，在执行步骤s6之后且在执行步骤s7之前还包括步骤s6’：获取电加热组件3以固定电阻值连续工作的时长，也就是说，将电加热组件3的电阻值调节至某一值以后，获取电加热组件3以该电阻值对储热水箱2内的水进行加热的时长，并跳转执行步骤s7；s7、判断电加热组件3连续工作的时长是否不小于预设时长例如10分钟，若是则说明电加热组件3对储热水箱2的加热时长等于或大于10分钟，此时则控制电加热组件3停止加热即跳转执行步骤s8，之后再重新进行光伏板组件1的最大功率点跟踪也即跳转执行步骤s1；若否则说明电加热组件3对储热水箱2的加热时长小于10分钟，电加热组件3需对储热水箱2继续加热，此时则跳转执行步骤s6。需要说明的是，步骤s8中控制电加热组件3停止加热的方式有多种，例如，既可以通过切断光伏板组件1对电加热组件3的供电来实现，也可以通过控制电加热组件3关闭来实现。
60.又如，如图10所示，当预设条件基于储热水箱2的水温时，储热水箱2中插设有水箱温度传感器，水箱温度传感器与控制器4电连接。由此，在执行步骤s6之后且在执行步骤s7之前还包括步骤s6’：获取储热水箱2的水温，并跳转执行步骤s7；s7、判断储热水箱2的水温是否不小于预设温度例如65℃，若是则说明储热水箱2的水温等于或大于65℃，此时则控制电加热组件3停止加热即跳转执行步骤s8，之后再重新进行光伏板组件1的最大功率点跟踪也即跳转执行步骤s1；若否则说明储热水箱2的水温尚未达到65℃，电加热组件3需对储热水箱2继续加热，此时则跳转执行步骤s6。
61.又如，如图11所示，当预设条件同时基于电加热组件3的工作时长和储热水箱2的水温时，在执行步骤s6之后且在执行步骤s7之前还包括步骤s6’：获取电加热组件3以固定电阻值连续工作的时长以及储热水箱2的水温，并跳转执行步骤s7；步骤s7具体包括以下步骤：s7’、判断储热水箱2的水温是否不小于预设温度，若是则控制电加热组件3停止加热即跳转执行步骤s8，之后再重新进行光伏板组件1的最大功率点跟踪也即跳转执行步骤s1，若否则跳转执行步骤s7”；s7”、判断电加热组件3的连续工作的时长是否不小于预设时长，若是则控制电加热组件3停止加热即跳转执行步骤s8，之后再重新进行光伏板组件1的最大功率点跟踪也即跳转执行步骤s1，若否则跳转执行步骤s6。
62.由上可知，本实施例中的太阳能光伏热水器通过在储热水箱2内设置电阻值可调的电加热组件3，并使电压检测件和电流检测件分别与光伏板组件1电连接，在该热水器运行时控制器4便可进行光伏板组件1的最大功率点跟踪，也即先调节电加热组件3的电阻值使其遍历所有电阻值，在每调节一次电阻值时控制器4根据电压检测件检测的的输出电压和电流检测件检测的的输出电流计算光伏板组件1的输出功率，然后控制电加热组件3以对应光伏板组件1最大输出功率的电阻值对储热水箱2进行加热。在此过程中，若达到预设条件则控制电加热组件3停止加热并重新进行光伏板组件1的最大功率点跟踪。可见，本发明充分考虑了天气、环境温度和电加热组件3电阻值对光伏板组件1的输出功率的影响，实现了光伏板组件1的最大功率点跟踪，提高了热水器的效率。
63.需要说明的是，实现电加热组件3电阻值可调的方式有多种，例如：
64.方式一、如图2和图3所示，电加热组件3包括多个加热负载以及与加热负载一一对应的负载继电器，加热负载与对应的负载继电器串联构成负载支路，负载支路并联在控制器4的两端。
65.如图3所示，下面以三个加热负载为例，对本实施例中太阳能光伏热水器的控制方法进行说明，为了便于描述，现将这三个加热负载对应的负载继电器分别称为g1、g2、g3，这三个加热负载的电阻值分别为r1、r2、r3：
66.控制器4通过控制负载继电器g1、负载继电器g2和负载继电器g3闭合或断开就可改变电加热组件3的电阻值，具体地：当控制器4控制负载继电器g1闭合、负载继电器g2和负载继电器g3断开时，电加热组件3的电阻值则为r1；当控制器4控制负载继电器g2闭合、负载继电器g1和负载继电器g3断开时，电加热组件3的电阻值则为r2；当控制器4控制负载继电器g3闭合、负载继电器g1和负载继电器g2断开时，电加热组件3的电阻值则为r3；当控制器4控制负载继电器g1和负载继电器g2闭合、负载继电器g3断开时，电加热组件3的电阻值则为r1*r2/(r1+r2)；当控制器4控制负载继电器g1和负载继电器g3闭合、负载继电器g2断开时，电加热组件3的电阻值则为r1*r3/(r1+r3)；当控制器4控制负载继电器g2和负载继电器g3
闭合、负载继电器g1断开时，电加热组件3的电阻值则为r2*r3/(r2+r3)；当控制器4控制负载继电器g1、负载继电器g2和负载继电器g3均闭合时，电加热组件3的电阻值则为r1*r2*r3/(r1*r2+r1*r3+r2*r3)。
67.可见，本实施例中电加热组件3一共具有7种电阻值。在控制该热水器运行时，控制器4通过控制负载继电器g1、负载继电器g2和负载继电器g3闭合或断开便可使电加热组件3的电阻值遍历这7种电阻值。在电加热组件3每更换一次电阻值时，控制器4根据电压检测件检测的输出电压和电流检测件检测的输出电流计算光伏板组件1的输出功率，由此便可获得7个输出功率。最后，控制器4将电加热组件3的电阻值调节至与这7个输出功率中的最大输出功率对应的电阻值。电加热组件3以该电阻值对储热水箱2进行加热，在满足预设条件后控制器4则控制电加热组件3停止加热并重复上述过程，也即重新进行光伏板组件1的最大功率点跟踪。
68.方式二、如图4至图6所示，电加热组件3还包括第一中间继电器以及与至少一个负载支路对应的第二中间继电器；所有负载支路的一端均连接至控制器4的第一端，所有负载支路的另一端均通过第一中间继电器连接至控制器4的第二端；第二中间继电器的一端连接至对应负载支路的加热负载和负载继电器之间，第二中间继电器的另一端连接至控制器4的第二端。
69.如图6所示，下面以三个加热负载、两个第二中间继电器为例，对本实施例中太阳能光伏热水器的控制方法进行说明，为了便于描述，现将三个加热负载对应的负载继电器分别称为g1、g2、g3，将第一中间继电器称为g4，将两个第二中间继电器分别称为g5和g6，三个加热负载的电阻值分别为r1、r2、r3：
70.控制器4通过控制负载继电器g1、负载继电器g2、负载继电器g3、第一中间继电器g4、第二中间继电器g5和第二中间电器g6闭合或断开就可改变电加热组件3的电阻值，具体地：当控制器4控制负载继电器g1和第二中间继电器g5闭合、负载继电器g2、负载继电器g3、第一中间继电器g4和第二中间继电器g6断开时，电加热组件3的电阻值则为r1+r3；当控制器4控制负载继电器g2和第二中间继电器g5闭合、负载继电器g1、负载继电器g3、第一中间继电器g4和第二中间继电器g6断开时，电加热组件3的电阻值则为r2+r3；当控制器4控制负载继电器g1和第二中间继电器g6闭合、负载继电器g2、负载继电器g3、第一中间继电器g4和第二中间继电器g5断开时，电加热组件3的电阻值则为r1+r2；当控制器4控制负载继电器g1、负载继电器g2和第二中间继电器g5闭合、负载继电器g3、第一中间继电器g4和第二中间继电器g6断开时，电加热组件3的电阻值则为r3+r1*r2/(r1+r2)；当控制器4控制负载继电器g1、第二中间继电器g5和第二中间继电器g6闭合、负载继电器g2、负载继电器g3和第一中间继电器g4断开时，电加热组件3的电阻值则为r1+r2*r3/(r2+r3)；当控制器4控制负载继电器g1、负载继电器g3和第二中间继电器g6闭合、负载继电器g2、第一中间继电器g4和第二中间继电器g5断开时，电加热组件3的电阻值则为r2+r1*r3/(r1+r3)。此外，在第一中间继电器g4闭合、第二中间继电器g5和第二中间电器g6断开的情况下，控制器4通过负载继电器g1、负载继电器g2和负载继电器g3闭合或断开就可得到与方式一相同的7种电阻值，具体方式此处不再赘述。
71.可见，本实施例中电加热组件3一共具有13种电阻值。在控制该热水器运行时，控制器4通过控制负载继电器g1、负载继电器g2、负载继电器g3、第一中间继电器g4、第二中间
继电器g5和第二中间电器g6闭合或断开便可使电加热组件3的电阻值遍历这13种电阻值。在电加热组件3每更换一次电阻值时，控制器4根据电压检测件检测的输出电压和电流检测件检测的输出电流计算光伏板组件1的输出功率，由此便可获得13个输出功率。最后，控制器4将电加热组件3的电阻值调节至与这13个输出功率中的最大输出功率对应的电阻值。电加热组件3以该电阻值对储热水箱2进行加热，在满足预设条件后控制器4则控制电加热组件3停止加热并重复上述过程，也即重新进行光伏板组件1的最大功率点跟踪。
72.需要说明的是，如图5所示，当电加热组件3包括三个加热负载时，也可以仅设置一个第二中间继电器。在此情况下，控制器4通过控制负载继电器g1、负载继电器g2、负载继电器g3、第一中间继电器g4和第二中间继电器g5闭合或断开可获得9种电阻值，具体控制方式与上文类似，此处不再赘述。此外，上述各个方式中负载继电器、第一中间继电器和第二中间继电器优选为固态继电器。所有加热负载的电阻值既可以相同，也可以不同。其中，每个加热负载的电阻值范围优选为1ω～2000ω。
73.方式三、电加热组件3包括无级可调电阻，该无级可调电阻的电阻值范围可为1ω～2000ω。
74.如图2至图7所示，控制器4包括计时模块4.1、计算模块4.2和控制模块4.3；计时模块4.1用于统计电加热组件3以固定电阻值连续工作的时长；计算模块4.2分别与电压检测件和电流检测件电连接，用于根据电压检测件检测的输出电压和电流检测件检测的输出电流计算光伏板组件1的输出功率；控制模块4.3分别与计时模块4.1和计算模块4.2电连接，用于调节电加热组件3的电阻值。其中，控制器4可以但不限于是单片机或plc。
75.进一步地，该太阳能光伏热水器还包括辅助继电器k1，控制器4通过辅助继电器k1外接至交流电。其中，辅助继电器k1可为普通继电器。当控制器4控制辅助继电器k1闭合时，电加热组件3就可利用外部交流电对储热水箱2内的水进行辅助加热。
76.进一步地，如图7所示，储热水箱2内还设有辅助加热件6，辅助加热件6通过辅助继电器k1连接至交流电。若储热水箱3在电加热组件3的加热下水温仍达不到预设水温，控制器4则可控制外部交流电通过辅助继电器k1向辅助加热件6供电，以借助辅助加热件6对储热水箱2的水进行辅助加热。
77.此外，该太阳能光伏热水器还可以包括与控制器4电连接的显示屏5。该显示屏5可以但不限于是触摸显示屏，用户通过该触摸显示屏可进行水温的设定以及实时查看该热水器的运行状态和储热水箱2内的水温。为了便于用户控制，控制器4还可以与随身移动通讯设备例如手机或平板电脑无线连接。由此，用户通过随身移动通讯设备上安装的app或小程序就可进行储热水箱2水温的设定。
78.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。