一种新型太阳能热水系统及能量管理方法

技术领域

本发明涉及新能源综合利用技术领域，尤其涉及一种新型太阳能热水系统及能量管理方法。

背景技术

太阳能热水器价格低廉，使用方便，早已被我国大多数地区的家庭广泛使用。它能够利用太阳能为人民提供生活、淋浴所需的热水，为人民节约了大量的电能和化石能源。

现有的太阳能热水器包括真空管集热器，或/和，平板型集热器、蓄热水箱和连接管道等部件。但是现有的太阳能热水器由于蓄热水箱内水温不可控，在热量富裕时，会出现蓄热水箱内热水沸腾溢出的问题；热量不足时，会出现室外水管被冻堵，甚至爆裂而不能正常使用的问题，尤其在极寒地区，如我国的东北地区、内蒙古、西藏等地区，管道冻堵问题极大的限制了太阳能热水器的推广使用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种新型太阳能热水系统及能量管理方法，可避免储能电池过充过放以及蓄热水箱内水温过高的问题，实现蓄热水箱内的水温可控的目的。

具体的，主要通过以下技术方案来实现：

第一方面，提供了一种新型太阳能热水系统，包括：

控制系统；

至少一组光伏电池组件；

用于储存电能的储能电池；

用于将电能转换为热能的电热转换装置；

用于储存热水的蓄热水箱；

所述光伏电池组件的输出端与所述控制系统的输入端连接，所述控制系统的输出端分别连接所述储能电池以及所述电热转换装置的输入端，所述电热转换装置设置在所述蓄热水箱内，所述蓄热水箱设有冷水进口和热水出口，所述控制系统包括控制器和用于监测光伏电池组件输出功率、储能电池状态以及蓄热水箱内水温和水位的数据监控系统，所述控制器根据所述数据监控系统监测的数据控制所述储能电池和所述电热转换装置的运行状态。

优选地，所述电热转换装置可采用直流电热转换装置或交流电热转换装置。

优选地，所述控制系统的输出端通过DC/DC转换器与直流电热转换装置连接；或者，所述控制系统的输出端通过逆变器与交流电热转换装置连接。

优选地，所述光伏电池组件输出端还设置有第一电压传感器以及第一电流传感器，光伏电池组件输出端分别与第一电压传感器和第一电流传感器的输入端连接，第一电压传感器和第一电流传感器的输出端分别与所述数据监控系统的输入端连接，所述数据监控系统通过接收第一电压传感器和第一电流传感器反馈的光伏电池组件输出电压和输出电流，监测光伏电池组件输出功率。

优选地，还包括与所述储能电池连接的第二电压传感器以及第二电流传感器，所述第二电压传感器和第二电流传感器的输入端与所述储能电池连接，输出端与所述数据监控系统的输入端连接，所述数据监控系统通过接收第二电压传感器和第二电流传感器反馈的储能电池输出电压和输出电流，监测储能电池的状态。

优选地，所述蓄热水箱内设置有水位传感器和温度传感器，水位传感器和温度传感器分别和所述数据监控系统连接，所述数据监控系统利用水位传感器和温度传感器监测蓄热水箱内的水位和水温数据。

第二方面，提供了一种新型太阳能热水系统的能量管理方法，应用于如上述任一项所述的一种新型太阳能热水系统，具体包括：

步骤1：数据监控系统监测光伏电池组件输出功率P

步骤2：控制器判断电热转换装置额定功率P和光伏电池组件输出功率P

若P≤P

若P＞P

步骤3：判断储能电池的剩余容量SOC值与所述储能电池最低放电剩余容量阈值SOC

若SOC≤SOC

若SOC＞SOC

步骤4：控制储能电池的放电开关以及光伏电池组件的供电开关处于断开状态，并转到步骤7；

步骤5：判断蓄热水箱水位Z与最低水位Z

若Z≤Z

若Z＞Z

步骤6：判断所述蓄热水箱水温T与所述蓄热水箱设定的水温阈值T

若T≥T

若T＜T

步骤7：判断储能电池SOC与储能电池最大充电剩余容量阈值SOC

若SOC≥SOC

若SOC＜SOC

本发明相较于现有技术具有以下有益效果：

本发明申请中的一种新型太阳能热水系统的能量管理系统以控制系统为核心，对光伏电池组件、储能电池、电热转换装置和蓄热水箱进行统一集中控制，实时监测光伏电池组件输出功率、储能电池状态和蓄热水箱的水温和水位数据，并根据监测到的上述数据控制储能电池和电热转换装置的工作状态，避免储能电池过充过放以及蓄热水箱内水温过高的问题，解决了冬季管道冻堵甚至爆裂的问题，同时使用光伏组件替代传统真空管集热器，设备可靠性显著提升，安装也更为简便，大大延长了使用寿命，使设备运行更加安全可靠。

附图说明

1、图1为本发明实施例提供的一种新型太阳能热水系统的结构示意图；

2、图2为本发明实施例提供的一种新型太阳能热水系统的能量管理方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明的核心思想，下面将结合附图对其进行详细的说明。

如图1所示，是本发明提供的一种新型太阳能热水系统，具体包括控制系统、至少一组光伏电池组件、用于储存电能的储能电池、用于将电能转换为热能的电热转换装置和用于储存热水的蓄热水箱，其中光伏电池组件、储能电池、电热转换装置、蓄热水箱均与控制系统相连接。

具体的，所述光伏电池组件的输出端与所述控制系统的输入端连接，所述控制系统的输出端分别连接所述储能电池以及所述电热转换装置的输入端，所述电热转换装置设置在所述蓄热水箱内，所述蓄热水箱设有冷水进口和热水出口，所述控制系统包括控制器和用于监测光伏电池组件输出功率、储能电池状态以及蓄热水箱内水温和水位的数据监控系统，所述控制器根据所述数据监控系统监测的数据控制所述储能电池和所述电热转换装置的运行状态，控制器可通过控制各个电路设置的开关状态，实现控制电能的传输，例如控制光伏电池组件的充电开关和放电开关的状态，储能电池的放电开关的状态。

需要说明的是，图1中光伏电池组件只展示出了两组为例进行说明，光伏电池组件可采用以单晶硅为基底的硅太阳能电池组成，每一组的光伏电池组件的额定输出功率和输出的电压根据实际的应用场景确定，从而确定组成光伏电池组件的太阳能电池数量和光伏电池组件的阵列。该光伏电池组件用于将太阳光能直接转化为电能，且该光伏电池组件与控制系统连接，由控制系统将产生的电能进行合理分配。电热转换装置设置在蓄热水箱中，用于将电能转换为热能，具体可采用电流的热效应原理(即电流通过各种导体时，使导体温度升高的一种现象)设计的电热装置，将电能转化为热能；所述电热转换装置将转换得到的热能蓄积在所述蓄热水箱中，目的是为了产生恒温热水。储能电池与控制系统连接，控制系统实时监测所述储能电池的剩余容量值SOC，并根据监测到的SOC值，控制储能电池的充放电状态。

由上可知，本发明通过数据监控系统实时监测光伏电池组件输出功率、储能电池状态以及蓄热水箱内水温和水位，控制器根据所监测的数据控制所述储能电池和所述电热转换装置的运行状态，可避免储能电池过充过放以及蓄热水箱内水温过高的问题，解决了冬季管道冻堵甚至爆裂的问题，同时使用光伏组件替代传统真空管集热器，设备可靠性显著提升，安装也更为简便，大大延长了使用寿命，使设备运行更加安全可靠。

在一个优选地实施例中，所述电热转换装置可采用直流电热转换装置或交流电热转换装置。

在一个优选地实施例中，所述控制系统的输出端通过DC/DC转换器与直流电热转换装置连接；或者，所述控制系统的输出端通过逆变器与交流电热转换装置连接。

在一个优选地实施例中，所述光伏电池组件输出端还设置有第一电压传感器以及第一电流传感器，光伏电池组件输出端分别与第一电压传感器和第一电流传感器的输入端连接，第一电压传感器和第一电流传感器的输出端分别与所述数据监控系统的输入端连接，所述数据监控系统通过接收第一电压传感器和第一电流传感器反馈的光伏电池组件输出电压和输出电流，监测光伏电池组件输出功率。

在一个优选地实施例中，还包括与所述储能电池连接的第二电压传感器以及第二电流传感器，所述第二电压传感器和第二电流传感器的输入端与所述储能电池连接，输出端与所述数据监控系统的输入端连接，所述数据监控系统通过接收第二电压传感器和第二电流传感器反馈的储能电池输出电压和输出电流，监测储能电池的状态。

在一个优选地实施例中，所述蓄热水箱内设置有水位传感器和温度传感器，水位传感器和温度传感器分别和所述数据监控系统连接，所述数据监控系统利用水位传感器和温度传感器监测蓄热水箱内的水位和水温数据。

具体的，该新型太阳能热水系统的运行原理如下：

数据监控系统根据第一电压传感器和第一电流传感器反馈的光伏电池组件输出电压和输出电流，监测光伏电池组件输出功率P

进一步判断储能电池的剩余容量SOC值(State ofcharge，即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0～1，当SOC＝0时表示电池放电完全，当SOC＝1时表示电池完全充满)与所述储能电池最低放电剩余容量阈值SOC

若SOC＞SOC

若Z＞Z

若T＜T

若SOC≥SOC

若SOC＜SOC

如图2所示，为本发明实施例提供的一种新型太阳能热水系统的能量管理方法的流程示意图，该方法应用于上述任一实施例中的一种新型太阳能热水系统的能量管理系统，具体包括以下步骤：

步骤1：数据监控系统监测光伏电池组件输出功率P

步骤2：控制器判断电热转换装置额定功率P和光伏电池组件输出功率P

若P≤P

若P＞P

步骤3：判断储能电池的剩余容量SOC值与所述储能电池最低放电剩余容量阈值SOC

若SOC≤SOC

若SOC＞SOC

步骤4：控制储能电池的放电开关以及光伏电池组件的供电开关处于断开状态，并转到步骤7；

步骤5：判断蓄热水箱水位Z与最低水位Z

若Z≤Z

若Z＞Z

步骤6：判断所述蓄热水箱水温T与所述蓄热水箱设定的水温阈值T

若T≥T

若T＜T

步骤7：判断储能电池SOC与储能电池最大充电剩余容量阈值SOC

若SOC≥SOC

若SOC＜SOC

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。