CN116031944A - 一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能供电技术领域，具体涉及一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，系统包括光伏阵列1、PLC系统控制器5、带蓄热功能的供暖末端8；光伏阵列1将光能转换成直流电能，用于给所述带蓄热功能的供暖末端8提供电能；带蓄热功能的供暖末端8用于将所述光伏阵列1将提供的电能转换为蓄热量，将蓄热量进行存储；所述PLC系统控制器5根据太阳辐照强度判断是否将光伏阵列1输出的直流电能输入到带蓄热功能的供暖末端8中，并根据带蓄热功能的供暖末端8供能中的蓄热量来判断是否断开光伏阵列1输出到带蓄热功能的供暖末端8的直流电能。实现了对供暖末端供能的精确控制。

Description

一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统

技术领域

本发明涉及太阳能供电技术领域，具体涉及一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统。

背景技术

青藏高原等太阳能富集地区，太阳能正成为主要的清洁供暖能源。传统太阳能利用以光热为主，水为主要传热介质，以水为介质利用太阳能热，但是以水为传热介质的方式存在水被冻结，传输通道阻断、水过热造成水管爆裂等风险，且维护工作量大，对于分散的农牧区等边远地区建筑，这类供暖系统不再适用。其次，要实现边远地区建筑碳中和，供能系统不仅要解决供暖问题，还应能解决生活热水、照明等多种能源需求，传统太阳能供暖系统只解决供热问题，不能满足生活热水、照明等多种能源需求。

传统光伏发电供能系统储能理念以蓄电为主，蓄电成本高，经济性差。用于采暖时，多采用光伏并网系统，采用光伏优先或蓄电优先的控制策略，整个系统定功率为采暖末端供电，光伏发电优先使用，光伏发电功率不够时采用蓄电池或市电共同保证末端负载，不能实现市电消耗最小的目标。考虑到边远地区经济性差，急需一种以市电消耗最小为目标的新型供能系统及其控制方式。

发明内容

针对背景技术提出的问题，本发明将太阳能转换成热能存储，而不再采用水作为传热介质，并且改变了传统光伏优先或蓄电优先的控制策略，以供暖末端蓄存光伏电最大化为控制原则，变功率为供暖末端供能，最大化的减少了市电消耗，提出一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，包括光伏阵列(1)、PLC系统控制器(5)、带蓄热功能的供暖末端(8)以及电流电压检测装置(7)；

所述光伏阵列(1)用于将光能转换成直流电能，并将所述直流电能输出到所述带蓄热功能的供暖末端(8)，用于给所述带蓄热功能的供暖末端(8)提供电能；

所述带蓄热功能的供暖末端(8)用于将所述光伏阵列(1)将提供的电能转换为蓄热量，将蓄热量进行存储，并且还给室内供暖；

所述PLC系统控制器(5)根据太阳辐照强度判断是否将光伏阵列(1)输出的直流电能输入到带蓄热功能的供暖末端(8)中，并根据带蓄热功能的供暖末端(8)供能中的蓄热量来判断是否断开光伏阵列(1)输出到带蓄热功能的供暖末端(8)的直流电能；

当T_xb＞T_xbs时，代表带蓄热功能的供暖末端(8)供能中的相变材料已经相变完全，蓄热量已经达到100％，不再进行蓄热；否则继续向带蓄热功能的供暖末端(8)蓄热，直到T_xb＞T_xbs，T_xbs为相变材料完全相变后的温度，T_xb为带蓄热功能的供暖末端(8)中相变材料的相变点温度；

所述电流电压检测装置(7)用于监测所述带蓄热功能的供暖末端(8)输入端的电流值和电压值；

所述带蓄热功能的供暖末端(8)包括相变材料，所述带蓄热功能的供暖末端(8)的蓄热量以相变材料在i时刻的温度T_i来表征：

Q_X为带蓄热功能的供暖末端(8)的蓄热量；U_i7为电流电压检测装置(7)检测到的i时刻电压，I_i7为电流电压检测装置(7)检测到的i时刻的电流；h为室内对流换热系数；T_x(t)为t时刻带蓄热功能的供暖末端(8)的表面温度，T_n(t)为t时刻室内温度；t_i为电流为带蓄热功能的供暖末端(8)供能时间；A为带蓄热功能的供暖末端(8)的换热面积；m为带蓄热功能的供暖末端(8)的相变材料重量；h_jx为带蓄热功能的供暖末端(8)的相变材料的相变焓值。

上述方案根据太阳辐照强度判断是否将光伏阵列(1)输出的直流电能输入到带蓄热功能的供暖末端(8)中，并根据带蓄热功能的供暖末端(8)供能中的蓄热量来判断是否断开光伏阵列(1)输出到带蓄热功能的供暖末端8的直流电能，实现了对供暖末端供能的精确控制，改变了以供暖末端输入功率恒定的策略，减少了市电损耗。

作为本发明的优选方案，所述PLC系统控制器(5)根据太阳辐照强度判断是否将光伏阵列(1)输出的直流电能输入到带蓄热功能的供暖末端(8)中，具体包括：

设置水平面太阳辐射阈值TH_s，判断水平面太阳辐射值与水平面太阳辐射阈值的TH_s大小，当水平面太阳辐射小于所述水平面太阳辐射阈值TH_s，断开光伏阵列(1)输出到带蓄热功能的供暖末端(8)的直流电能；当水平面太阳辐射大于所述水平面太阳辐射阈值TH_s，接通光伏阵列(1)输出到带蓄热功能的供暖末端(8)的直流电能。

作为本发明的优选方案，还包括直流调压器(6)，

所述直流调压器(6)电连接于光伏阵列(1)输出端和所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输入端之间，用于根据光伏阵列(1)的输出电压调节所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输入电压，使得以下等式成立：

其中，U_i4为i时刻光伏阵列(1)的输出电压值，I_i4为i时刻检测到的光伏阵列(1)的电流值，R_供暖为带蓄热功能的供暖末端(8)中电转热设备的总电阻。

上述直流调压器(6)的作用就是通过电压的调节确保根据光伏阵列(1)的输出功率等于带蓄热功能的供暖末端(8)的输入功率，当光伏阵列(1)的输出功率大于带蓄热功能的供暖末端(8)的输入额定功率时，通过直流调压器(6)限制带蓄热功能的供暖末端(8)的输入电压，光伏阵列(1)产生的多余电量，通过其他负载消耗或者存储在蓄电池中，确保优先满足带蓄热功能的供暖末端(8)的功耗需求。

作为本发明的优选方案，还包括第一电流电压检测器(4)；

所述第一电流电压检测器(4)用于监测光伏阵列(1)输出直流电能的电流值和电压值，并将采集到的光伏阵列(1)输出直流电能的电流值和电压值传递给所述PLC系统控制器(5)；

所述PLC系统控制器(5)用于根据所述光伏阵列(1)输出直流电能的电流值和电压值计算所述光伏阵列(1)的功率，用于根据光伏阵列(1)的输出电压调节所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输出电压，使得直流调压器(6)的输出电压值在计算出的理论输出电压值的±5％的范围。

作为本发明的优选方案，所述带蓄热功能的供暖末端(8)包括可接受交流或直流电的电热膜或发热电缆，将电能转为热能的装置以及可存储热量的材料。

作为本发明的优选方案，还包括光伏控制器(11)、逆变器(12)和交流配电柜(15)；

所述光伏控制器(11)用于将光伏阵列(1)产生的多余的电能输出到所述逆变器(12)；

所述逆变器(12)用于将光伏阵列(1)产生的多余的电能由直流电转变为交流电，并将交流电输出到交流配电柜(15)；

所述交流配电柜(15)用于将输入的交流电输出到末端交流负载。

通过上述光伏控制器(11)、逆变器(12)和交流配电柜(15)，光伏阵列(1)除了对带蓄热功能的供暖末端(8)进行储热，还将电能由直流电转变为交流电输出到末端交流负载以提供供暖外的其他生活用电。

作为本发明的优选方案，所述末端交流负载包括照明负载(16)、生活热水负载(17)和其他负载(15)。

作为本发明的优选方案，所述PLC系统控制器(5)以所述带蓄热功能的供暖末端(8)和所述末端交流负载消耗的电能之和对市电母线电网的电能消耗最小为目标，所述目标实现方式为：

还包括第三开关K3，所述第三开关K3连接所述PLC系统控制器(5)和市电电网母线，用于根据所述PLC系统控制器(5)的控制指令断开或者闭合，

当室内温度T_n大于室内可接受的最低温度T_ns1时，第三开关K3断开，断开电网母线与所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输入端之间的电连接；当室内温度T_n小于室内可接受的最低温度T_ns1时，第三开关K3闭合，将电网母线接入所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输入端。

通过室内温度T_n和室内可接受的最低温度T_ns1的比较，确定市电是否接入系统，而不再采用带蓄热功能的供暖末端(8)输入功率恒定的策略，减少了市电的消耗。

作为本发明的优选方案，还包括蓄电池(18)，所述蓄电池(18)与所述光伏控制器(11)连接，用于将光伏阵列(1)产生的多余的电能进行存储或者将存储的电量通过逆变器(12)输出到系统中，给所述末端交流负载供电。

作为本发明的优选方案，还包括第五开关K5，所述第五开关K5是双切开关，所述第五开关K5的一端连接所述PLC系统控制器(5)，所述第五开关K5的另一端连接所述逆变器(12)的输出端或电网母线的输出端，当所述第五开关K5的另一端连接所述逆变器(12)的输出端时，所述PLC系统控制器(5)的工作电源由所述光伏阵列(1)或蓄电池(18)供电，当所述第五开关K5的另一端连接所述电网母线的输出端时，所述PLC系统控制器(5)的工作电源由市电电网供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的系统和方法以太阳能发电提供能源，末端储能由传统的蓄电为主转变为蓄热为主，在解决供暖、照明和生活热水多种能源需求的同时，提高了系统的经济性；控制方式上，改变了传统光伏优先或蓄电优先的控制策略，以供暖末端蓄存光伏电最大化为控制原则，最大化的减少了市电消耗。

附图说明

图1为实施例1中一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统的原理图；

图2为实施例2中一种适合于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统控制方法的控制逻辑图；

图3为实施例2中采用本发明的一种适合于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统及其控制方法的光伏电供暖时长与传统系统光伏电供暖时长对比图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，原理图如图1所示，包括光伏阵列1、第一电流电压检测器4、PLC系统控制器5、直流调压器6以及带蓄热功能的供暖末端8。

光伏阵列1将光能转换成直流电能，将所述直流电能输出到所述直流调压器6；直流调压器6用于根据直流电能调节供电压力，输出调压后的直流电能到所述带蓄热功能的供暖末端8，使得光伏阵列1的输出功率与带蓄热功能的供暖末端8的功率保持平衡匹配；第一电流电压检测器4用于监测光伏阵列1输出直流电能的电流值和电压值，并将采集到的光伏阵列1输出直流电能的电流值和电压值传递给所述PLC系统控制器5；PLC系统控制器5用于根据所述光伏阵列1输出直流电能的电流值和电压值计算所述光伏阵列1的功率，所述PLC系统控制器5根据所述光伏阵列1的功率控制所述直流调压器6的输出电压。

系统还包括电流电压检测装置7，直流调压器6根据所述直流电能调节供电压力的方法包括以下步骤：

采用电流电压检测装置7对直流调压器6输出的电压值和电流值进行采集，并计算直流调压器6输出到带蓄热功能的供暖末端8的功率；根据第一电流电压检测器4采集到的电压值和电流值计算光伏阵列1输出的功率，将直流调压器6输出到带蓄热功能的供暖末端8的功率和光伏阵列7输出的功率进行比对，得到功率差值，调节直流调压器6的输出电压，使得功率差值在预设功率匹配的范围内，避免系统出现过载保护。

所述带蓄热功能的供暖末端8包括可接受交流或直流电的电热膜或发热电缆，将电能转为热能的装置以及可存储热量的材料。

系统还包括第三开关K3，所述第三开关K3连接带蓄热功能的供暖末端8的输入端和电网母线输出端，所述第三开关K3连接所述PLC系统控制器5，用于根据所述PLC系统控制器5的控制指令断开或者闭合，当室内温度T_n大于室内可接受的最低温度T_ns1时，第三开关K3断开，断开电网母线与所述带蓄热功能的供暖末端8的输入端之间的电连接；当室内温度T_n小于室内可接受的最低温度T_ns1时，第三开关K3断开闭合，将电网母线接入所述带蓄热功能的供暖末端8的输入端，经过直流调压器6调压以后，带蓄热功能的供暖末端8的输入端不再是定功率匹配，而是以市电消耗最小为前提，控制第三开关K3的断开和闭合。白天，带蓄热功能的供暖末端8将热量存储起来，同时对室内缓慢释放热量供暖，夜间，带蓄热功能的供暖末端8将存储的热量向室内释放，保证室内温度。当带蓄热功能的供暖末端8存储的热量不够时，经PLC系统控制器5判定，可闭合第三开关K3，由市电经电表9计量后，向带蓄热功能的供暖末端(8)进行电能补充。

作为优选方案，系统还包括光伏控制器11、逆变器12和交流配电柜15；

所述光伏控制器11用将光伏阵列1产生的多余的电能输出到所述逆变器12；

所述逆变器12用于将光伏阵列1产生的多余的电能由直流电转变为交流电，并将交流电输出到末端交流负载。所述末端交流负载包括照明负载16、生活热水负载17和其他负载15。

作为优选方案，还包括蓄电池18，所述蓄电池18与所述光伏控制器11连接，用于存储电量或者将存储的电量输出到逆变器12。

进一步的，还包括第五开关K5，所述第五开关K5是双切开关，所述第五开关K5的一端连接所述PLC系统控制器5，所述第五开关K5的另一端连接所述逆变器12的输出端或电网母线的输出端，当所述第五开关K5的另一端连接所述逆变器12的输出端时，所述PLC系统控制器5的工作电源由所述光伏阵列1或蓄电池供电，当所述第五开关K5的另一端连接所述电网母线的输出端时，所述PLC系统控制器5的工作电源由市电电网供电。

在构建一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统后，还提出了一种无水型太阳能清洁供能系统的控制方法。

现有技术是带蓄热功能的供暖末端8输入功率恒定的策略，本发明中并不是采用带蓄热功能的供暖末端8输入功率恒定的策略，也即是，当光伏阵列1输出的功率小于带蓄热功能的供暖末端8的输入额定功率时，市电电网通过第三开关K3给带蓄热功能的供暖末端8供电，使得市电电网供能功率加上光伏阵列1的输出功率等于带蓄热功能的供暖末端8输入功率，让带蓄热功能的供暖末端8输入功率始终处于恒定，光伏阵列1输出的功率增加，则市电电网供能功率减小；光伏阵列1输出的功率减小，市电电网供能功率增加。带蓄热功能的供暖末端8输入功率恒定的策略的弊端在于，实际上确保室内温度T_n大于室内可接受的最低温度就T_ns1可以满足生活必须的供暖，如果光伏阵列能满足该供暖的最低温度，就无须补充市电，所以可以减少市电的接入，以节约能源，而带蓄热功能的供暖末端8输入功率恒定，并不关心室内温度，造成电能的浪费(其实室内的温度可能很高了，但是市电仍然在输入)。

系统控制目标函数为：

为i时刻电表9计量的市电消耗量，

为i时刻电表10计量的市电消耗量，即要使市电消耗最小，需要带蓄热功能的供暖末端8和其他负载15、照明负载16或生活热水17的市电消耗之和最小。对于边远地区分散式建筑，供暖能耗需求最大，且将电能转换成为热量存储最具经济性，因此系统控制上优先保障供暖及供暖蓄热能耗、其次为其他负载15、照明负载16或生活热水17。

本发明的方案中，放弃了带蓄热功能的供暖末端8输入功率恒定的策略，控制策略具体如下：

设置室内可接受的最低温度为T_ns1；

当室内温度T_n大于室内可接受的最低温度T_ns1时，不需要市电进行补充，第三开关K3保持断开，光伏阵列1的输出功率等于带蓄热功能的供暖末端8输入功率，且带蓄热功能的供暖末端8输入功率小于或等于其额定功率；当室内温度T_n小于室内可接受的最低温度T_ns1时，PLC系统控制器5通过控制第三开关K3闭合，才将市电电网功率补充到带蓄热功能的供暖末端8输入端，光伏阵列1和市电电网同时给带蓄热功能的供暖末端8供能，用于将室内温度T_n提升到大于或等于室内可接受的最低温度T_ns1。另外，还包括更极端的情况，还可以控制第一开关K1断开，第三开关K3保持闭合，仅用市电给所述带蓄热功能的供暖末端8供电。

进一步的，通过控制第一开关K1的闭合和关断，来控制光伏阵列1输出的功率是否输出到带蓄热功能的供暖末端8。

设置水平面太阳辐射阈值TH_s，先判断水平面太阳辐射值与水平面太阳辐射阈值的TH_s大小，例如，太阳刚升起的时候，太阳辐射逐渐增强，光伏阵列1输出的功率逐渐增加，通过阈值判断，是否可以将光伏阵列1输出的功率输出到。当水平面太阳辐射小于所述水平面太阳辐射阈值TH_s，则PLC系统控制器5通过控制第一开关K1断开，使得所述直流调压器6和所述带蓄热功能的供暖末端8之间的电连接断开，此时光伏阵列1输出的功率较低，无须给带蓄热功能的供暖末端8输出功率(可通过其他方式，例如蓄电池或者市电给带蓄热功能的供暖末端8输出功率)；当水平面太阳辐射大于所述水平面太阳辐射阈值TH_s，则PLC系统控制器5通过控制第一开关K1闭合，接通所述直流调压器6和所述带蓄热功能的供暖末端8之间的电连接，光伏阵列1输出的功率输出到带蓄热功能的供暖末端8。

进一步的，随着白天太阳辐射强调增加，光伏阵列1输出的功率逐渐增大，白天存在以下两种情况：

光伏阵列1输出的功率小于带蓄热功能的供暖末端8的输入额定功率；

光伏阵列1输出的功率大于或等于带蓄热功能的供暖末端8的输入额定功率。

当光伏阵列1输出的功率小于带蓄热功能的供暖末端8的输入额定功率，此时，调节直流调压器6的输出电压等于输入电压，调节直流调压器6的输出电流等于输入电流，即光伏阵列1输出的功率等于带蓄热功能的供暖末端8的输入功率。

光伏阵列1输出的功率大于或等于带蓄热功能的供暖末端8的输入额定功率，此时，带蓄热功能的供暖末端8已经达到额定输出功率，无法再提高其输入功率了，再提高会造成带蓄热功能的供暖末端8工作异常。直流调压器6调节输出电压为带蓄热功能的供暖末端8的额定输入电压，电压光伏阵列1输出的功率除了输出到带蓄热功能的供暖末端8，剩余的功率输出到逆变器12，逆变器12将光伏阵列1产生的多余的电能由直流电转变为交流电，并将交流电输出到末端交流负载，所述末端交流负载包括照明负载16、生活热水负载17和其他负载15。如果光伏阵列1输出的功率在给带蓄热功能的供暖末端8和末端交流负载供能后还有剩余，在光伏控制器11控制下，将电压光伏阵列1输出的功率还输出到蓄电池18，蓄电池18将光伏阵列1输出的剩余的电能进行存储，蓄电池18存储的电能也可以输出到逆变器12，给包括照明负载16、生活热水负载17和其他负载15补充电能。

进一步的，设置带蓄热功能的供暖末端8中相变材料完全相变后的温度T_xbs；

若带蓄热功能的供暖末端8中可存储热量的相变材料的温度T_xb大于所述相变材料完全相变后的温度T_xbs，说明带蓄热功能的供暖末端供能中的相变材料已经相变完全，蓄热量已经达到100％，不再进行蓄热，K₁断开，K₃断开，否则继续向带蓄热功能的供暖末端8蓄热，直到T_xb＞T_xbs。

实施例2

参见图1，一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统的原理图详细描述如下：

供能系统说明：

高原边远地区的建筑存在用电、供暖、生活热水多种需求，无水型太阳能清洁供能系统能源侧由光伏阵列1提供能源，白天光伏阵列1发出直流电，汇合后进入直流汇流箱2和直流配电柜3进行汇流，当供能系统功率较小时，直流汇流箱2和直流配电柜3也可以不设置。

在直流电供往末端负载前，设置电流电压检测装置4，主要用于监测光伏阵列输出直流电的电流和电压，从而计算得到整个光伏阵列的输出功率，采集的电流电压数值通过信号线传递给PLC系统控制器5用于控制决策。

白天光伏发出的直流电经电流电压检测装置4后，优先用于供暖，进入直流调压器6，该直流调压器6用于调节供电电压，使得光伏阵列1输出功率与8带蓄热功能的直流供暖末端的功率保持平衡匹配，避免光伏阵列1输出失衡。

调压后的直流电经电流电压检测装置7对电流和电压信息进行采集后，进入带蓄热功能的直流供暖末端8。带蓄热功能的供暖末端8为整个供暖蓄热的关键部件，通常包括电热膜、发热电缆等，带蓄热功能的供暖末端8可承受交流或直流电，是可以将电能转为热能的装置，存储热量采用无机相变材料、有机相变材料或其他重质蓄热材料。白天带蓄热功能的直流供暖末端8将热量存储起来，同时对室内温度缓慢释放热量供暖，夜间存储的热量向室内释放，保证室内温度。当热量不够时，经PLC系统控制器5判定，可由市电经电表9计量后，向8带蓄热功能的供暖末端进行补充。

经PLC系统控制器5判定，供暖电量有剩余时，多余电量进入光伏控制器11，优先经逆变器12，由直流电转变为交流电，一般为220V，交流电经电表13计量后，进入交流配电柜14，分别为其他负载15、照明负载16、生活热水负载17供电。

PLC系统控制器5判定供暖电量有剩余的方法是：通过相变材料蓄热的计算公式计算蓄热量，蓄热量达到100％后，光伏阵列1输出的电量就是供暖电量剩余的量。

带蓄热功能的供暖末端8的蓄热量可通过间接方案来计量，以相变材料在i时刻的温度T_i来表征：

Q_X为带蓄热功能的供暖末端8供能中的蓄热量；U_i7为电流电压检测装置7检测到的i时刻电压，I_i7为电流电压检测装置7检测到的i时刻电流；h为室内对流换热系数，通常为8.7W/(m²·K)；T_x(t)为t时刻带蓄热功能的供暖末端8的表面温度，T_n(t)为t时刻室内温度；t_i为电流为带蓄热功能的供暖末端8供能时间；A为带蓄热功能的供暖末端8的换热面积；m为带蓄热功能的供暖末端8的相变材料重量，单位kg；h_jx为带蓄热功能的供暖末端8的相变材料的相变焓值，单位是kj/kg。

经PLC系统控制器5判定，电量仍有剩余时(照明功率和其他负荷的功率是一经设计好就是恒定的，就可以计算出照明和生活热水等其他负载的额定功率，光伏阵列1输出的电量减去供暖电量再减去其他负载的耗电量仍然有剩余)，则将剩余的电量存储在蓄电池18中，也为其他负载15、照明负载16、生活热水17供电。当蓄存电量不够时，由市电补充，经电表10计量后，为其他负载15、照明负载16、生活热水负载17供电。

以上电表并非必须设置，当不需要计量分项时，也可以不设置。

一种适合于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统控制方法的控制逻辑图如图2所示，控制逻辑图控制方法说明如下：

f(e)为整个供能系统消耗的市电电量，单位是kWh；p(i)为整个供能系统不同时刻市电消耗的功率，单位是kW；h是整个供能系统不同p(i)下对应的时间；T_n为室内温度，TH为水平面太阳辐射，单位W/m²；TH_s为光伏阵列为室内供能的太阳辐照度设定值，通常取300W/m²；T_ns1为室内可接受的最低温度，通常设定为10℃；T_ns2为停止市电补充供暖的限定温度，通常设置为14℃；T_xb为带蓄热功能的供暖末端8中相变材料的相变点温度；T_xbs为相变材料完全相变后的温度，通常设置为比T_xb高2～6℃；K₁、K₂、K₃、K₄为电路通断开关。

系统控制目标函数为：

为i时刻电表9计量的市电消耗量，

为i时刻电表10计量的市电消耗量，即要使市电消耗最小，需要带蓄热功能的供暖末端8和其他负载15、照明负载16或生活热水17的市电消耗之和最小。对于边远地区分散式建筑，供暖能耗需求最大，且将电能转换成为热量存储最具经济性，因此系统控制上优先保障供暖及供暖蓄热能耗、其次为其他负载15、照明负载16或生活热水17。

一方面，根据太阳辐照强度判断是否将光伏阵列输出的功率输入到带蓄热功能的供暖末端8中，并根据带蓄热功能的供暖末端8供能中的蓄热量来判断是否断开光伏阵列对带蓄热功能的供暖末端8的供能。

首先，判断光伏阵列供能条件。当处于清晨或晚上时，TH＜TH_s时，太阳辐照度弱，光伏阵列不为室内供能，K₁断开；当TH＞TH_s时，K₁接通，K₃断开，光伏阵列1提供的电能经直流调压器6调压为U_i6，调压的原则为使得下列等式成立，即光伏阵列1输出的功率等于直流调压器6的输出功率(也即是带蓄热功能的供暖末端8的输入功率)，如果不成立，就需要降低或升高直流调压器6的输出电压，使得直流调压器6的输出电压值在光伏阵列1输出电压值±5％的范围。

在系统设计上，设计成带蓄热功能的供暖末端8的额定功率略大于光伏阵列的最大功率，其中，U_i4为电流电压检测装置4检测到的i时刻光伏阵列的输出电压值，I_i4为电流电压检测装置4检测到的i时刻检测到的光伏阵列电流，R_供暖为带蓄热功能的供暖末端8中电转热设备的总电阻，并且总电阻满足以下公式：

R₁～R_n为并联的带蓄热功能的供暖末端8单个支路的电阻。

调压后的电能为带蓄热功能的供暖末端8供能，通过末端中的发热电缆或电热膜等电转热设备将电能转化成为热能，为末端中的相变材料蓄热。带蓄热功能的供暖末端8的蓄热量可通过间接方案来计量，以相变材料在i时刻的温度T_i来表征：

Q_X为带蓄热功能的供暖末端8供能中的蓄热容量；U_i7为电流电压检测装置7检测到的i时刻电压，I_i7为电流电压检测装置7检测到的i时刻电流；h为室内对流换热系数，通常为8.7W/(m²·K)；T_x(t)为t时刻带蓄热功能的供暖末端8的表面温度，T_n(t)为t时刻室内温度；t_i为电流为带蓄热功能的供暖末端8供能时间；A为带蓄热功能的供暖末端8的换热面积；m为带蓄热功能的供暖末端8的相变材料重量，单位kg；h_jx为带蓄热功能的供暖末端8的相变材料的相变焓值，单位是kj/kg。

当T_xb＞T_xbs时，代表带蓄热功能的供暖末端8供能中的相变材料已经相变完全，蓄热量已经达到100％，不再进行蓄热，K₁断开，K₃断开，否则继续向带蓄热功能的供暖末端8蓄热，直到T_xb＞T_xbs；

另一方面、判断是否将市电引入本系统，用市电补充控制。当室内温度大于室内可接受的最低温度，即T_n＞T_ns1时，此时表明整个供能系统将室内温度维持在可接受的温度范围内，不需要市电进行补充，K₃保持断开；当T_n＜T_ns1时，表明室内温度过低，需要市电进行补充，此时控制系统的动作为K₃接通，K₁断开；市电补充过程中，室内温度开始升高，当T_n＞T_ns2，K₃断开，该控制方式可以节约使用市电，为带蓄热功能的供暖末端8留出蓄热空间。

当带蓄热功能的供暖末端8供能中的蓄热量已经达到100％时，若光伏阵列供能有多余电量，此时PLC系统控制器5继续判断末端是否有其他负载15、照明负载16或生活热水17的功能需求，如有，判断蓄电池18电量是否足够，若足够，则K₂接通、K₄断开，由光伏阵列提供的电能为负载供能，若不够，则K₄接通、K₂断开，由光伏阵列给蓄电池18蓄电，由市电给其他负载15、照明负载16或生活热水17供电。

另外，若PLC系统控制器5继续判断末端没有其他负载15、照明负载16或生活热水17的功能需求，则再判断蓄电池18电量是否足够，若足够，停止光伏阵列1发电，若不够，给蓄电池18蓄电。

采用本发明的一种适合于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统及其控制方法的供暖耗电量和常规供暖储能的供暖耗电量对比图如图3所示，采用本系统后，光伏系统变功率为带蓄热功能的供暖末端8供电以蓄热，蓄热量纯粹由光伏电提供，未进行市电消耗，变功率后，带蓄热功能的供暖末端8的时间大延长。如果传统定功率供，则很快就是带蓄热功能的供暖末端8蓄满热量。

最后应说明的是：以上详细描述的实施例仅为该发明的较佳实践，并不能以此来限定本发明的权利范围，对前述各实施例所记载的技术方案进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，包括光伏阵列(1)、PLC系统控制器(5)、带蓄热功能的供暖末端(8)以及电流电压检测装置(7)；

所述光伏阵列(1)用于将光能转换成直流电能，并将所述直流电能输出到所述带蓄热功能的供暖末端(8)，用于给所述带蓄热功能的供暖末端(8)提供电能；

所述带蓄热功能的供暖末端(8)用于将所述光伏阵列(1)将提供的电能转换为蓄热量，将蓄热量进行存储，并且还给室内供暖；

所述PLC系统控制器(5)根据太阳辐照强度判断是否将光伏阵列(1)输出的直流电能输入到带蓄热功能的供暖末端(8)中，并根据带蓄热功能的供暖末端(8)供能中的蓄热量来判断是否断开光伏阵列(1)输出到带蓄热功能的供暖末端(8)的直流电能；

当T_xb＞T_xbs时，代表带蓄热功能的供暖末端(8)供能中的相变材料已经相变完全，蓄热量已经达到100％，不再进行蓄热；否则继续向带蓄热功能的供暖末端(8)蓄热，直到T_xb＞T_xbs，T_xbs为相变材料完全相变后的温度，T_xb为带蓄热功能的供暖末端(8)中相变材料的相变点温度；

所述电流电压检测装置(7)用于监测所述带蓄热功能的供暖末端(8)输入端的电流值和电压值；

所述带蓄热功能的供暖末端(8)包括相变材料，所述带蓄热功能的供暖末端(8)的蓄热量以相变材料在i时刻的温度T_i来表征：

Q_X为带蓄热功能的供暖末端(8)的蓄热量；U_i7为电流电压检测装置(7)检测到的i时刻电压，I_i7为电流电压检测装置(7)检测到的i时刻的电流；h为室内对流换热系数；T_x(t)为t时刻带蓄热功能的供暖末端(8)的表面温度，T_n(t)为t时刻室内温度；t_i为电流为带蓄热功能的供暖末端(8)供能时间；A为带蓄热功能的供暖末端(8)的换热面积；m为带蓄热功能的供暖末端(8)的相变材料重量；h_jx为带蓄热功能的供暖末端(8)的相变材料的相变焓值。

2.如权利要求1所述的一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，所述PLC系统控制器(5)根据太阳辐照强度判断是否将光伏阵列(1)输出的直流电能输入到带蓄热功能的供暖末端(8)中，具体包括：

设置水平面太阳辐射阈值TH_s，判断水平面太阳辐射值与水平面太阳辐射阈值的TH_s大小，当水平面太阳辐射小于所述水平面太阳辐射阈值TH_s，断开光伏阵列(1)输出到带蓄热功能的供暖末端(8)的直流电能；当水平面太阳辐射大于所述水平面太阳辐射阈值TH_s，接通光伏阵列(1)输出到带蓄热功能的供暖末端(8)的直流电能。

3.如权利要求1所述的一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，还包括直流调压器(6)，

所述直流调压器(6)电连接于光伏阵列(1)输出端和所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输入端之间，用于根据光伏阵列(1)的输出电压调节所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输入电压，使得以下等式成立：

其中，U_i4为i时刻光伏阵列(1)的输出电压值，I_i4为i时刻检测到的光伏阵列(1)的电流值，R_供暖为带蓄热功能的供暖末端(8)中电转热设备的总电阻。

4.如权利要求1所述的一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，还包括第一电流电压检测器(4)；

所述第一电流电压检测器(4)用于监测光伏阵列(1)输出直流电能的电流值和电压值，并将采集到的光伏阵列(1)输出直流电能的电流值和电压值传递给所述PLC系统控制器(5)；

所述PLC系统控制器(5)用于根据所述光伏阵列(1)输出直流电能的电流值和电压值计算所述光伏阵列(1)的功率，用于根据光伏阵列(1)的输出电压调节所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输出电压，使得直流调压器(6)的输出电压值在计算出的理论输出电压值的±5％的范围。

5.如权利要求1所述的一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，所述带蓄热功能的供暖末端(8)包括可接受交流或直流电的电热膜或发热电缆，将电能转为热能的装置以及可存储热量的材料。

6.如权利要求1-5任一所述的一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，还包括光伏控制器(11)、逆变器(12)和交流配电柜(15)；

所述光伏控制器(11)用于将光伏阵列(1)产生的多余的电能输出到所述逆变器(12)；

所述逆变器(12)用于将光伏阵列(1)产生的多余的电能由直流电转变为交流电，并将交流电输出到交流配电柜(15)；

所述交流配电柜(15)用于将输入的交流电输出到末端交流负载。

7.如权利要求6所述的一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，所述末端交流负载包括照明负载(16)、生活热水负载(17)和其他负载(15)。

8.如权利要求6所述的一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，所述PLC系统控制器(5)以所述带蓄热功能的供暖末端(8)和所述末端交流负载消耗的电能之和对市电母线电网的电能消耗最小为目标，所述目标实现方式为：

还包括第三开关K3，所述第三开关K3连接所述PLC系统控制器(5)和市电电网母线，用于根据所述PLC系统控制器(5)的控制指令断开或者闭合，

当室内温度T_n大于室内可接受的最低温度T_ns1时，第三开关K3断开，断开电网母线与所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输入端之间的电连接；当室内温度T_n小于室内可接受的最低温度T_ns1时，第三开关K3闭合，将电网母线接入所述带蓄热功能的供暖末端(8)的输入端。

9.如权利要求6所述的一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，还包括蓄电池(18)，所述蓄电池(18)与所述光伏控制器(11)连接，用于将光伏阵列(1)产生的多余的电能进行存储或者将存储的电量通过逆变器(12)输出到系统中，给所述末端交流负载供电。

10.如权利要求9所述的一种用于边远地区的无水型太阳能清洁供能系统，其特征在于，还包括第五开关K5，所述第五开关K5是双切开关，所述第五开关K5的一端连接所述PLC系统控制器(5)，所述第五开关K5的另一端连接所述逆变器(12)的输出端或电网母线的输出端，当所述第五开关K5的另一端连接所述逆变器(12)的输出端时，所述PLC系统控制器(5)的工作电源由所述光伏阵列(1)或蓄电池(18)供电，当所述第五开关K5的另一端连接所述电网母线的输出端时，所述PLC系统控制器(5)的工作电源由市电电网供电。

Images