用于管理由光伏电池所产生的电能的系统.pdf

本发明描述了用于管理由光伏电池所产生的电能的系统，系统包括互连的能量消耗控制单元(2)、控制单元(8)以及配备有温度测量单元(91)和被调整用于液体加热的至少一个加热元件(92)的加热单元(9)，中本发明的本质是能量消耗控制单元(2)包括DC控制单元(21)和AC制单元(22)，并且部分地直接和/或通过AC电压的次级电源(12)连接AC电源(10)，并且部分地与发射直流电压的光伏单元(1)互连，即通DC电压的主电源(6)和/或通过串联连接的电流和电压的输出测量单元(5)、DC/DC转换器(4)以及电流和电压的输入测量单元(3)来互连，此外控制单元(8)不仅通过DC电压的以电流方式分离的次级电源(7)接到光伏单元(1)，而且通过AC电压的以电流方式分离的主电源(11)接到AC电源(10)。

权利要求书
1.  一种用于管理由光伏电池所产生的电能的系统，所述系统包括互相互连的能量消耗控制单元(2)、控制单元(8)和加热单元(9)，所述加热单元(9)配备有温度测量单元(91)和被调整为用于液体加热的至少一个加热元件(92)，其中，所述能量消耗控制单元(2)包括DC控制单元(21)和AC控制单元(22)，并且所述能量消耗控制单元(2)部分地直接和/或通过AC电压的次级电源(12)而连接到AC电源(10)，并且部分地与发射直流电压的光伏单元(1)互连，即通过DC电压的主电源(6)和/或通过串联连接的电流和电压的输出测量单元(5)、DC/DC转换器(4)以及电流和电压的输入测量单元(3)来部分地与光伏单元(1)互连，而此外，所述控制单元(8)不仅通过DC电压的以电流方式分离的次级电源(7)来连接到所述光伏单元(1)，而且通过AC电压的以电流方式分离的主电源(11)来连接到所述AC电源(10)。

2.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述能量消耗控制单元(2)的以直流电压模式进行操作的DC控制单元(21)由DC热熔丝(211)和连接到DC温度控制器(213)的DC继电器(212)构成，而所述DC热熔丝(211)通过所述输出测量单元(5)连接到所述DC/DC转换器(4)，并且所述DC继电器(212)与所述加热单元(9)互连。

3.  根据权利要求1所述的系统，其中，所述能量消耗控制单元(2)的以交流电压模式进行操作的AC控制单元(22)由AC热熔丝(221)和连接到AC温度控制器(223)的AC继电器(222)构成，而所述AC热熔丝(221)连接到所述AC电源(10)并且所述AC继电器(222)与所述加热单元(9)互连。

4.  根据权利要求1至3中的一些所述的系统，其中，所述能量消耗控制单元(2)的所述DC热熔丝(211)和所述AC热熔丝(221)通过控制安全部分(100)而被互相互连，而所述控制安全部分(100)连接到温度 测量单元(101)、熔丝(102)、DC功率继电器(103)和AC功率继电器(104)。

5.  根据权利要求1至4中的一些所述的系统，其中，所述DC/DC转换器(4)部分地与DC电压的主电源(6)互连、部分地与所述控制单元(8)互连并且部分地包括互相互连的主开关(41)和次级开关(42)，而围绕所述次级开关(42)形成了具有并联连接到电容器(44)和负载(45)的集成感应元件(43)的并联电路。

6.  根据权利要求1至5中的一些所述的系统，其中，所述能量消耗控制单元(2)配备有充电单元(23)，所述充电单元(23)部分地形成有充电继电器(231)和充电控制器(232)并且部分地连接到至少一个蓄能器(13)。

7.  根据权利要求6所述的系统，其中所述蓄能器(13)与被调整为向电网(16)供应能量的逆变器(15)互连。

8.  根据权利要求1至7中的一些所述的系统，其中，附加模块(14)连接到所述能量消耗控制单元(2)并且同时还连接到所述控制单元(8)，所述附加模块(14)包括UPS继电器(141)，并且所述UPS继电器(141)并联连接到电流的输入测量元件(142)和UPS控制单元(143)，而所述输入测量元件(142)连接到所述AC电源(10)，并且所述UPS继电器(141)与所述逆变器(15)互连。

9.  根据权利要求8所述的系统，其中，所述逆变器(15)由具有双重转换的UPS类型来实现。

10.  根据权利要求1至9中的一些所述的系统，其中，利用用于检测非尖峰电流的智能遥控的检测器(17)和/或利用用于提供与上级系统的通信的通信模块(18)来获得所述控制单元(8)。

11.  根据权利要求1至10中的一些所述的系统，其中，所述控制单元(8)配备有用于记录所述系统的工作运转状态的存储器介质(19)。

说明书用于管理由光伏电池所产生的电能的系统
技术领域
本发明落入可再生能源的有效使用的范围内，其中太阳辐射通过光伏器件的帮助而被变换成电能或热能，并且本发明涉及用于管理光伏电池所产生的电能的系统的布局，该布局包括使能对所获取的能量的控制、使用和存储的互相互连的电子部件。
背景技术
已知使用光伏电池所产生的能量的系统的整个范围。例如，在文献US4873480A、FR2485827A1、US4649334A中描述了不同的系统，这些系统在受到互相互连的电子部件的帮助时，被使能对电能的控制、以及从光伏板进入配电系统的电力输出到被设计用于存储能量的电器或设备的传输。还已知自主能量系统，在仅使用从光伏板获取的能量时，剩余能量最终被存储在蓄能器或其它能量储存器中。控制电能的最常用解决方案的其中之一是将逆变器安装到系统中。逆变器将DC电流转换成AC电流并且使能系统进入电力系统的重要连接，最终能量在电器中被消耗，类似于将电器连接到配电系统。已知为增加效率而使用监测最大负载点MPPT(最大功率点跟踪)的逆变器。在所有产生的能量都被消耗并且进入未被供应任何负载的外部配电系统，或者所获取的负载被供应到电力系统中并且与自身消耗结合时，配备有这些逆变器的系统能够在不连接到电力系统的情况下以操作模式工作。这些系统的缺点是由于能量变换而在逆变器上产生损失的事实。
根据文献CZ20110582A3，已知光伏发电机负载到电阻负载的有效转换的方法以及用于执行该方法的设备，其中光伏发电机的输出负载被存储到电容器中并且该负载还经由DC/DC转换器的切换而被转换成电阻负载。由脉冲宽度调制PWM来完成DC/DC转换器的切换，由依赖于光伏发电机的输出端上的AC电压的高度的算法来控制脉冲宽度调制，而负载的瞬时值 被连续确定。该解决方案的缺点是该系统在电容器基本上永久连接到电源并且然后DC/DC转换器通过PWM调节的帮助而连接到电阻负载时的布置。从干涉的观点看这是非常不利的，其中在负载上存在分别由负载的频率PWM和电容器上的电压值给出的接近矩形轮廓(course)的电压和电流。由板上的输入电压和电阻负载推出PWM的设定。如果涉及电阻值的改变，则所用的算法相当不准确。此外，除了对电阻负载中的热量的变换之外，经该方式处理的能量实际上不可用。最后但是同样重要的是，涉及电容器的对生命周期有负面影响的高电压应力。该系统的另一个缺点是缺少使经该方式获取的能量能够被进一步使用的任何调节电路。
水是用于存储所产生的能量的非常适合的介质。例如，在家庭中，使用基于水容器和使水加温的加热单元的原则的电加热器来准备供应热水。在文献CZ25157U1、CZ22505U1、CZ22504U1、US7429719B1、FR2604322A1中，描述了使用由光伏板所产生的电能来进行水加热的设备。这些解决方案的缺点是没有监测最大功率点MPPT的事实，随之关于电器的电阻没有被调整到电源的电阻并且能量系统不能有效地使用所获取的负载这一事实产生重大损失。在文献US5293447中描述了对最大负载进行监测的系统，这是通过在两个值之间切换电阻负载来完成的，但是在仅使用从光伏板获取的能量时，该设备不允许在所谓的自主模式中运行。
本发明的目的是引入用于管理由光伏电池所产生的电能的新系统，在没有由于从DC到AC的变换而导致能量损失时，该新系统可以(尤其在DC模式下)使能所获取的能量的有效使用。该系统被调整用于监测最大负载点MPPT，它配备有被设计为使用剩余能量并且用电子部件获得的设备，这些电子部件在需要的情况下为DC到AC的变换服务。该系统同样能够被上级控制系统控制并且有可能在自主能量模式下控制该系统。
发明内容
在很大程度上，用本发明来实现所设定的目标，本发明为用于管理由光伏电池所产生的电能的系统，该系统包括互相互连的能量消耗控制单元、控制单元和加热单元，用温度测量单元和被调整为用于液体的加热的至少一个加热元件来获得该加热单元，其中本发明的本质是如下事实：能量消 耗控制单元包括DC控制单元和AC控制单元，并且部分地直接和/或通过AC电压的次级电源而连接到AC电源，并且部分地与发射直流电流的光伏单元连接，即通过DC电压的主电源和/或通过串联连接的电流和电压的输出测量单元、DC/DC转换器以及电流和电压的输入测量单元来连接，而此外，控制单元不仅通过DC电压的以电流方式分离的次级电源而连接到光伏单元，而且还通过AC电压的以电流方式分离的主电源而连接到AC电源。
有利的是以直流电压模式操作的能量消耗控制单元的DC控制单元由DC热熔丝和DC继电器构成，该DC控制单元连接到DC温度控制器，而DC热熔丝通过输出测量单元连接到DC/DC转换器并且DC继电器与加热单元互连。
同样，有利的是以交流电压模式操作的能量消耗控制单元的AC控制单元由AC热熔丝和AC继电器构成，该AC控制单元连接到AC温度控制器，而AC热熔丝连接到AC电源并且AC继电器与加热单元互连。
在最优情况下，能量消耗控制单元的DC热熔丝和AC热熔丝通过控制安全部分而互相互连，而控制安全部分连接到温度测量单元、熔丝、DC功率继电器和AC功率继电器。
在有利的设计中，DC/DC转换器部分地与DC电压的主电源连接，部分地与控制单元连接并且部分地包含互相互连的主开关和次级开关，而围绕次级开关形成具有并联连接到电容器和负载的集成感应元件的并联电路。
同样，有利的是能量消耗控制单元配备有充电单元，该充电单元部分地形成有充电继电器和充电控制器，并且部分地连接到至少一个蓄能器，而蓄能器与逆变器互连，该逆变器被调整为向电网供应能量。
在最优情况下，附加模块连接到能量消耗控制单元并且同时还连接到控制单元，该控制单元由UPS继电器构成并且UPS继电器并联连接到电流的输入测量元件和UPS控制单元，而输入测量元件连接到AC电源并且UPS继电器与逆变器互连，在有利的设计中利用具有双重转换的UPS类型来实现该逆变器。
最后，有利的是利用用于检测非峰值电力的智能遥控的检测器和/或利用用于提供与上级系统的通信的通信模块来获得控制单元，而该控制单元 配备有用于记录系统的工作运转状态的存储器介质。
随着本发明的实现，较之现有技术，在用于管理由光伏电池所产生的电能的系统被设计用于所获取的电能的有效使用的事实中有更高的效率，尤其是在以直流电流模式使用能量时，并且该系统有可能通过DC/DC转换器的帮助而用于监测最大负载点MPPT。同样，在能量被归入蓄能器中和/或用于液体加热并且同时还用于从光伏板所获取的直流电流变换到交流电流时，该系统被设计用于剩余能量的使用。
附图说明
在附图中示意性地示出了发明设计的特定示例，其中：
图1是采用用于水加热的构造的系统的框图。
图2是采用完整构造的系统的框图。
图3是DC/DC转换器的示意图，以及
图4是热熔丝的框图。
无论如何，示出本发明并且由此描述的特定设计的示例在任何情况下都不限制在定义中提及的保护的扩展，而是仅用于阐明本发明的本质。
具体实施方式
在根据图1的基本自主设定中，用于管理由光伏电池所产生的电能的系统包括光伏单元1，光伏单元1与能量消耗控制单元2并联连接，并且这部分地通过将电流和电压输入测量单元3、DC/DC转换器4以及电流和电压的输出测量单元5串联连接并且部分地通过DC电压的主电源6来完成。DC/DC转换器4以用于最大负载的方式被设计为总是恒定的并且还与DC电压的主电源6和控制单元8连接。然后，控制单元8与能量消耗控制单元2连接并且还通过DC电压的以电流方式分离的次级电源7与光伏单元1连接。能量消耗控制单元2包括与加热单元9连接的两个热控制单元21、22。加热单元9形成有温度测量单元91和被设计用于液体加热的加热元件92，而同时加热单元9连接到控制单元8。能量消耗控制单元2的以DC电压模式进行操作的DC控制单元21形成有DC热熔丝211、DC继电器212和DC温度控制器213，而DC控制单元21通过输出测量单元5连接到 DC/DC转换器4。能量消耗控制单元2的AC控制单元22由AC热熔丝221、AC继电器222和AC温度控制器223构成，并且连接到交流电压电源10。然后AC电源10部分地通过AC电压的以电流方式分离的主电源11而连接到控制单元8，并且部分地通过AC电压的次级电源12而连接到整个能量消耗控制单元2。
如图2所显而易见的，以自主模式并且还以孤立能量(islandenergy)模式进行操作的系统配备有具有内置充电单元23的能量消耗控制单元2，内置充电单元23形成有充电继电器231和充电控制器232并且连接到蓄能器13，而蓄能器13连接到用于交流电流供应的逆变器15。同样，能量消耗控制单元2连接到由UPS继电器141构成的附加模块14，UPS继电器141并联连接到输入电流测量元件142和UPS控制单元143，而附加模块14同样连接到电流逆变器15。然后，部分地利用用于检测非尖峰电流的智能遥控检测器17、部分地利用用于在例如USB、Ethernet、RS232、RS485、WiFi、蓝牙等所选择的接口的帮助下提供与上级系统的通信的通信模块18、并且部分地利用用于记录例如所产生或消耗的能量、电流、电压或温度值的量的系统的工作运转状态的存储器介质19来获得控制单元8。
如图3所示的DC/DC转换器4包括互相连接的主开关41和次级开关42，主开关41和次级开关42形成有以接通或关断这两种状态进行工作的晶体管类型NMOSFET。围绕次级开关42形成具有并联连接到电容器44和负载45的内置感应元件43的并联电路。
图4中示出了热保护的设计，其形成有能量消耗控制单元2的互相集成的DC热熔丝211和AC热熔丝212。热熔丝211、212包括由DC电压的主电源6和/或由AC电压的次级电源12来供电的控制保护部分100，而控制保护部分100连接到温度测量单元101、熔丝102、DC功率继电器103和AC功率继电器104。
光伏单元1中所产生的直流电流部分地进入电流和电压的输入测量单元3并且然后进入DC/DC转换器4，部分地被引导通过DC电压的次级电源7而进入控制单元8，并且部分地被引导通过DC电压的主电源6而进入能量控制单元2并且还进入DC/DC转换器4。共时DC/DC转换器4的功能为：当在主开关41的接通位置的情况下电流不流入次级开关42，而是被引 导通过并联电路，从而通过感应元件43而进入电容器44和负载45时，输入电压被引导通过两个串联连接的开关41、42。电感元件43表现得像电器并且在电容器44上出现电流的线性增加和电压的增长。在主开关41为关断的情况下，同时出现次级开关42的接通状态并且感应元件43开始表现得像电源，并且其在电流从感应元件43进入电容器44和负载45并且同时电压线性下降时对应于电压的极性的转变。以频率f周期性地重复此过程。通过改变特定开关41、42的接通/关断的周期，可以将负载45上的电压改变为从0上升到UFV，用于寻找最大效率点MPP。从光伏单元1找到电流和电压的实际值，并且在每个时刻计算从光伏单元1获取的输出，而以用于输出电压的方式将开关41、42的接通状态的时间改变为符合由光伏单元1所生成的最大输出的要求。来自DC/DC转换器4的输出电流被引导通过电流和电压的输出测量单元5，进入能量消耗控制单元2的DC控制单元21。该方式处理的能量进入能量消耗控制单元2，而通过控制单元8决定了能量的进一步使用。从光伏单元1或从AC电源单元10供应能量的主电器为加热单元9，而当DC控制单元21和AC控制单元22配备有确保接触的电压强度的DC继电器212和AC继电器222时，用于直流和交流电流的分离的电流分离在DC电压的次级电源7中并且还在AC电压的主电源11中并且还在能量消耗控制单元2中被执行。控制单元21、22中的温度控制器213、223使能在加热单元9中的温度处于用户设定的值时，AC继电器被打开并且能量从AC电源单元10被引导到加热元件92中。当DC继电器212被打开时，能量从光伏单元1被引导到加热元件92中。用户以此方式使用来自AC电源单元10的能量来加热水，以防来自太阳的能量不充足或者被智能遥控的检测器确定为低收费(lowtariff)的电能。如果加热单元9中的温度达到需要的值，则来自AC电源单元10的加热被终止并且从光伏单元1所获取的能量被导向到另一用途。从光伏单元1或从AC电源单元10所获取的能量可以被引导到能量消耗控制单元中的充电单元23中和/或被导向到附加模块14中。在充电单元23中，能量被引导到由充电控制器232控制的充电继电器231中，而当蓄能器13用作用于进入逆变器15并且还进入电网16的能量供应的中间电路时，充电继电器231为所连接的各种类型的电池的形式的蓄能器13充电。在附加模块14中，能量被引导通过电流的 输入测量元件142和UPS继电器141并且然后继续进入逆变器15，而UPS继电器141被UPS控制单元143控制。附加模块14利用DC/DC转换器4来使能蓄能器13的充电并且因此获取用于MPP中的光伏单元1的优点。附加模块14的下一个功能是监测流过一个相的电流并且切换逆变器15，以防超过用于切换的设定负载，并且因此实现逆变器15中的负载损失的消除。逆变器15在这种情况下由具有双重转换的UPS类型来实现。因此在系统的所有部件的电源都被加倍时，系统通过UPS的帮助和对能量流的控制而使能一个相的备份。对系统的所有控制都由控制单元8来完成，控制单元8传输并评估来自DC/DC转换器4、来自能量消耗控制单元2、来自附加模块14和来自智能遥控的检测器17的信息。
工业可用性
本发明被设计用于集成到光伏系统中，以在有效地使用从光伏电池获取的能量并且同时有可能使用来自配电网的廉价能量时获得对能源的经济使用，而被供应到系统中的能量可以用于水的加热或蓄能器的充电。
附图标记
1光伏单元
2能量消耗控制单元
21DC控制单元
211DC热熔丝
212DC继电器
213DC温度控制器
22AC控制单元
221AC热熔丝
222AC继电器
223AC温度控制器
23充电单元
231充电继电器
232充电控制器
3电流和电压的输入测量单元
4DC/DC转换器
41主开关
42次级开关
43感应元件
44电容器
45负载
5电流和电压的输出测量单元
6DC电压的主电源
7DC电压的次级电源
8控制单元
9加热单元
91温度测量单元
92加热元件
10AC电源
11AC电压的主电源
12AC电压的次级电源
13蓄能器
14附加模块
141UPS继电器
142电流的输入测量元件
143UPS控制单元
15逆变器
16电网
17智能遥控的检测器
19存储器介质
100控制安全部分
101温度测量单元
102熔丝
103DC功率继电器
104AC功率继电器