背景技术：
1、本发明涉及可再生能量的利用。某些形式的可再生能量的源（诸如太阳能和风力）具有高度可变的输出。例如，太阳能收集器输出随着照射在收集器上的日照量而变化，并且其随着太阳的位置逐渐变化以及随着云的经过而迅速变化。同样，风力发电机也会受制于风力波动。虽然本发明适用于不同形式的可再生能量，但本发明将主要在太阳能光伏能量系统的背景下进行描述。
2、随着智能电表的采用，电力公司可以根据发电机设备上的负载在一天中的各个时段收取不同的电价（tariff）。
3、存在许多使用太阳能能量的方式，并将在太阳能蓄电热水器的背景下描述本发明。太阳能热水加热系统加热传热流体，并使用该传热流体来加热储水箱中的水。太阳能光伏（pv）水加热系统将太阳能能量转换为电能，并使用电能加热水箱中的电阻加热单元。对于配备电热水器的家庭而言，水加热消耗约为典型的家庭用电量的四分之一。对于配备有燃气热水的家庭而言，水加热也占燃气消耗的很大一部分。太阳能能量是免电价的。
4、太阳能热水器相对于太阳能电热水器具有以下缺点：在低日照水平下，如果太阳能输入不足以将传热流体加热到高于水箱中的水的温度，则不能收集有用的能量。另一方面，只要有足够的太阳能输入到太阳能光伏（pv）收集器来生成电输出，由于pv能量的较高的有效能值，加热单元仍然可以向水箱中的水输送热量，当传热流体的温度不比水箱中的水温度更热时，则热系统没有可用的能量。
5、有许多屋顶pv系统安装在澳大利亚。这些系统由于慷慨的上网（feed in）电价而得到普及，使其所有者能够获得合理的投资回报。一些太阳能光伏系统被设计为最大化上网电价的利益，并将光伏电力输送到公用电网系统。然而，具有pv收集器的房主可能希望使用pv能量来代替其公用电网功耗的部分或全部。由于水加热是家庭消耗的重要部分，本发明提出了利用太阳能pv来供电热水器的系统和方法。
6、太阳能能量的一个问题是其可能受制于随机波动（尤其是在部分阴天时）。
7、典型地，蓄电热水器具有单个加热单元。
8、wo2014089215描述了一种使用来自太阳能收集器的直流电（dc）来为加热单元供能的方法。dc的缺点在于难以中断dc电流，并且在切断电流时连接器触点可能受到火花侵蚀。
9、us5293447（1994）描述了一种用于通过测量进入的太阳能能量强度并且在低日照水平下将电阻切换到接近最大功率点（mpp）来提高效率的装置。加热单元由来自pv收集器的dc驱动。该系统需要单独的加热单元，以与公用电网电力使用。
10、供应到加热单元的电流的调制是已知的。然而，存在的问题是调制系统可能生成不可接受的电磁干扰量或导致电力系统的波动。
11、期望提供一种将能量从太阳能光伏收集器输送到热水器水箱的加热单元组件的有效手段，其减轻或解决这些问题中的一个或多个。
12、期望提供一种便于pv能量的内部消耗或用于使现有系统适于此目的的手段。
13、还希望提供一种向热水器水箱中的水增加热量的有效手段。
14、还期望设计一种加热组件，其可适于与现有的热水器箱一起操作。
技术实现思路
1、根据本发明的实施例，提供了一种用于可变能源公用电网馈入系统的控制系统，所述可变能源公用电网馈入系统至少具有：具有第一供能优先级的第一能量消耗部件，以及具有第二供能优先级的第二能量消耗部件，第一供能优先级比第二供能优先级更高，控制器接收电流流动信息，所述电流流动信息识别电流从公用电网流入或电流流到公用电网，控制器适于控制到第二能量消耗部件的能量流动，控制器适于以第一能量消耗部件、第二能量消耗部件，以及公用电网馈入的优先级顺序，来控制来自可变能源的能量输送。
2、控制系统可包括状态监测装置，其适于监测第二能量消耗部件的状况，以用于调节到第二能量消耗部件的能量流动。
3、状态监测装置可包括恒温器或温度传感器中的至少一个。
4、状态监测装置可包括电池充电监测器。
5、根据本发明的实施例，提供了一种用于可变能源公用电网馈入系统的第一控制器，所述可变能源公用电网馈入系统具有第一能量消耗部件以及至少第二能量消耗部件，所述第一能量消耗部件具有第一供能优先级，所述第二能量消耗部件具有第二供能优先级，第一供能优先级比第二供能优先级更高，控制器从能量存储部件接收状态信息，控制器接收识别电流从公用电网流入或电流流到公用电网的电流流动信息，能量存储部件具有由控制器控制的可控负载，控制器适于以第一能量消耗部件、第二能量消耗部件和公用电网馈入的优先级顺序，控制可控负载优先来自可变能源的能量输送。
6、第二能量消耗部件可以是热水器。
7、状态信息可以是温度信息。
8、可控负载可包括适于调制可变能源的调制器，以及至少第一和第二加热元件，其中调制器在控制器的控制下调制向第一加热元件的能量输送。
9、至少第二加热元件是可切换的。
10、所有加热元件都可以是可切换的。
11、根据本发明的实施例，提供了一种水加热系统，其具有：
12、储水箱，具有：
13、温度传感器；
14、加热单元，具有至少第一和第二加热元件，所述至少第一和第二加热元件中的至少一个是可切换的；
15、控制器，适于接收来自所述温度传感器的温度信息和来自电流传感器的电流流动方向信息，所述电流传感器感测公用电网电流的流入或流出；
16、调制器，适于在控制器的控制下调制从可变能源到至少第一加热元件的能量流动；
17、其中至少第二加热元件在控制器的控制下是可切换的；
18、控制器适于控制调制器和所述可切换加热元件或每个可切换加热元件的切换，以在公用电网馈入之前优先将能量从可变能源输送到内部消耗系统。
19、除了第一加热元件之外的所有加热元件在控制器的控制下都是可切换的。
20、替代地，所有加热元件在控制器的控制下都是可切换的。
21、加热单元的加热元件的阻抗可以是r、r/1、r/2 ... r/(n-1)，其中r是第一加热元件的电阻，并且n是加热单元中的加热元件的数量。
22、使得每个连续的加热元件汲取与由之前的加热元件的总和汲取的功率相同的功率量。
23、可变能源可以是光伏（pv）能源。
24、根据本发明的一个实施例，提供了一种可变供能系统，其适于提供公用电网馈入，该可变供能系统包括一个或多个消耗部件，所述一个或多个消耗部件中的一个是水加热系统，可变供能系统包括：
25、可变能源；
26、能量转换器，用于将来自可变源的输出转换为相当于交流公用电网供电的交流供能；
27、其中所述水加热系统包括热水器水箱，所述热水器水箱至少包括至少第一和第二加热元件，所述至少第一和第二加热元件中的至少一个是可切换的；
28、调制器，用于调制来自逆变器的交流供能；
29、控制器，适于控制调制器和所述可切换加热元件或每个可切换加热元件的切换，以在公用电网馈入之前优先将能量从可变能源输送到内部消耗系统。
30、该系统可以包括双向公用电网电流传感器，其适于向控制器指示流到公用电网或从公用电网流出的能量的方向，其中控制器增加到加热元件的能量，直到来自可变能源的所有能量由内部消耗系统消耗为止或直到从公用电网汲取能量为止。
31、加热单元可以具有n个加热元件，第一元件可以具有v2/r1的功率额定值，第二加热元件可以具有v2/r1的功率额定值，并且其余元件可以具有对(n-1)* v2/r1的功率额定值增加了v2/r1的功率额定值。加热元件可以并联连接。
32、所述加热单元或每个加热单元可包括第一、第二和第三加热元件，其中第一元件被调制，所调制的元件具有v2/r1的第一功率额定值，第二元件具有v2/r1的第二功率额定值，并且第三元件具有2*v2/r1的功率额定值。
33、第一加热单元中的每个加热元件可以是可切换的。
34、可变能源可以是太阳能光伏（pv）供能系统，其包括第一温度传感器，所述第一温度传感器适于测量水箱中的水的温度，并将温度测量值传送到控制器，控制器适于当水的温度超过阈值时切断向水箱的能量输送。
35、太阳能光伏（pv）供能系统可包括能够由pv收集器充电的电池，控制器适于在电力被转移到热水器之前满足其他负载并且电池完全充电时，将pv能量从pv收集器切换到热水器。
36、太阳能光伏（pv）供能系统可包括公用电网能量连接，其适于在来自pv收集器的输出低于最小值时，在控制器的控制下向第一加热单元供应能量。
37、太阳能光伏（pv）供能系统可包括第一和第二多元件加热单元，以及控制该两个加热单元的中性连接的转换开关，第一和第二加热单元中的对应元件由相同的开关控制。
38、根据本发明的实施例，提供了一种在阻抗负载中利用太阳能光伏能量的方法，该阻抗负载包括两个或更多个阻抗部件，所述阻抗部件中的至少一个是可切换的，该方法包括以下步骤：
39、转换来自太阳能光伏（pv）收集器的直流能量以产生未调制的交流供电；
40、将调制的交流供电应用于一个或多个负载部件。
41、利用太阳能光伏能源的方法可以包括以下步骤：
42、将调制的交流供电仅应用于阻抗部件中的一个。
43、利用太阳能光伏能源的方法可以包括以下步骤：
44、监测流到公用电网或从公用电网流出的能量的方向。
45、利用太阳能光伏能源的方法可以包括以下步骤：
46、将未调制的交流供电应用于至少一个其他阻抗部件。
47、该方法可以包括以下步骤：
48、最初将调制的交流供电电压降低到最小值，以及
49、增加调制的交流供电电压，直到汲取最大电流为止，或者直到达到最大的调制的交流供电电压为止，
50、在达到调制的交流供电电压的情况下，
51、将调制的交流供电电压降低到最小值，
52、接通第二阻抗部件，
53、增加应用于第一阻抗元件的调制的交流供电电压，以及
54、重复步骤i）至l）直到流到公用电网的能量停止。
55、该方法可以包括以下步骤：
56、监测流到公用电网或从公用电网流出的能量的方向。
57、该方法可以包括以下步骤：
58、改变调制的交流供电的调制；
59、确定何时停止到公用电网的能量流动；以及
60、将调制保持在一定水平，所述水平使输送到第一阻抗的能量保持在或接近到公用电网的能量流动停止的水平。
61、第一阻抗部件可以是可切换的。
62、第一加热单元中的所有加热元件都可以是可切换的。
63、根据本发明的一个实施例，提供了一种利用可变能源与交流公用电网供电一起为至少两个负载提供电力的方法，所述负载中的至少第一负载是可控的，公用电网供电和可变能源连接到公共导体，其中第一负载的优先级在剩余的一个或多个负载之后，并且可变供能适于将其可用能量优先于公用电网供电输送到负载，所述方法包括以下步骤：
64、监测电流流到公用电网供电或从公用电网供电流出；
65、在电流流到公用电网供电的情况下，增加供应到第一负载的能量，直到：
66、a. 到交流公用电网供电的电流流动停止；或者
67、b. 可变能源可用的最大能量被输送到第一负载。
68、第一负载可包括两个或更多个加热元件；其中经由可控功率调制器从可变能源对第一加热元件进行供电，并且其中剩余的加热元件与第一加热元件以并联配置可切换；以及
69、可以通过连续增加来自功率调制器的输出来执行增加供应到第一加热元件的能量的步骤，直到：
70、c. 到公用电网的电流流动停止；或者
71、d. 调制器的输出达到最大值；
72、其中，如果调制器输出达到最大值，
73、调制器输出减少，
74、第二加热元件与第一加热元件并联接通，并且
75、调制器输出连续增加，直到达到条件c或条件d为止，其中如果达到条件d，则执行并联接通另外的加热元件的处理，直到所有加热元件都接通并且调制器输出为最大值为止；或者直到到公用电网的电流流动停止为止。
76、该方法可以进一步包括将调制器输出重复地减小到零，依次接通剩余的加热元件中的每个，并将调制器输出增加到其最大值为止或者直到到公用电网的电流流动停止为止。
77、根据本发明的实施例，提供了一种操作连接到公用电网和可变能源的热水器的方法，加热器具有上加热单元和下加热单元，其中至少上加热单元具有两个或更多个加热元件，该方法包括以下步骤：检测从可变能源到公用电网的能量流动，将第一量的能量应用于上加热单元，以及将第二量的能量应用于下加热单元，增加输送到上加热单元的能量的量，监测从可变能源到公用电网的能量流动，以及当从可变能源到公用电网的能量流动停止时，停止增加从可变能源到上加热单元的能量输送。
78、根据本发明的一个实施例，提供了一种用于太阳能pv供能系统的控制器，其适于提供公用电网能量馈入，以及将能量输送到一个或多个内部消耗系统，所述系统中的一个是水加热系统，所述水加热系统具有带有一个或多个加热元件的加热单元，其中太阳能pv能量被转换成可由控制器控制的交流pv供能，控制器适于监测流到公用电网或从公用电网流出的能量的方向，并且控制交流pv供能优先到内部消耗系统的能量输送（优先于公用电网馈入）。
79、水加热系统包括带有至少一个加热单元的储水箱，以及适于调制交流pv供能的能量调制器，加热单元具有至少两个可切换的加热元件，所述加热元件中的至少一个用来自调制器的能量供电，控制器适于控制调制器优先到热水器的能量输送（优先于到公用电网能量馈入）。
80、控制器可以适于最初将调制器输出降低到零并将调制器输出应用于第一加热元件，并且将调制器输出逐渐增加到最大值，并且根据需要逐渐接入附加的加热元件，直到从pv收集器输送最大能量或者到公用电网的能量流动停止为止。
81、当接入每个连续的加热元件时，控制器将到第一加热元件的调制器输出减小到零，然后逐渐增加到第一加热元件的调制器输出。
82、根据本发明的实施例，提供了一种在具有第一负载电路、热水器以及公用电网馈入路径的系统中利用太阳能光伏能量的方法，该系统包括控制输送pv能量到热水器的控制器，其中控制器将pv收集器能量以到第一负载、热水器以及公用电网馈入的优先级顺序进行输送。
83、该方法可以包括以下步骤：在元件的切换中提供滞后。
84、可以通过在每个切换操作期间向可切换元件施加非零调制能量来提供滞后。
85、可以通过对元件的切换施加延迟来提供滞后。
86、该系统可以包括pv蓄电池，并且其中控制器可以将pv收集器能量按到到第一负载、热水器、电池和公用电网馈电的优先级顺序进行输送。
87、根据本发明的一个实施例，提供了一种用于热水器的可变能量使用布置，该布置用于控制从可变供能和公用电网供电到热水器的能量流动，该布置包括控制器、调制器、具有至少第一和第二加热元件的加热单元以及附接法兰，其中第二和任何其他加热元件是可切换的，控制器适于控制调制器和可切换元件，调制器适于在控制器的控制下将可控制的功率输出输送到第一加热元件，附接法兰适于到热水器水箱的密封附接，控制器适于监测向外流到公用电网供电或从公用电网供电向内流入的电流的方向，控制器适于控制调制器和可切换元件，以最小化或消除流出到公用电网供电的电流。
1.一种系统，所述系统包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步配置为用于：
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步配置为用于：响应于接收到指示热水器的水箱中的水温低于水温阈值的数据，进一步通过调制器将vre能量中的所述至少部分引导至第一加热元件。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括：
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制器进一步配置为用于：
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步配置为用于：响应于接收到指示热水器的水箱中的水温大于最大温度阈值的数据，去激活第一加热元件和第二加热元件。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括：
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述第二开关配置为用于：响应于接收到指示热水器的水箱中的水温低于水温阈值的数据并且响应于确定出没有过量的vre能量可用，向第一加热元件提供公用能量。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，表明vre能量流出的信号由电流传感器产生，所述电流传感器包括双向公用电网电流传感器。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述vre源包括配置为用于提供光伏（pv）能量的pv模块或配置为用于提供风能的风力发电机。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述vre源还包括电池。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器配置为用于在将vre能量中的至少部分引导至第二加热元件中提供滞后。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，水加热装置具有至少三个加热元件，并且其中，所述系统还包括：
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述第一开关和所述第二开关中的至少之一是机电继电器。
15.根据权利要求13所述的系统，其中，所述控制器进一步配置为用于：响应于确定出第一开关闭合、调制器输出处于全功率并且接收到表明vre能量向公用电网流出的信号，减少vre能量到第一加热元件的调制器输出并且闭合第二开关，以将vre能量中的至少部分引导至第三加热元件。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制器配置为用于：
17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制器配置为用于：在闭合第一开关时和/或在闭合第二开关时，将vre能量到第一加热元件的调制器输出减小到零。
18.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制器配置为用于：在闭合第一开关时和/或在闭合第二开关时，向第一加热元件施加补充的非零调制。
19.根据权利要求13所述的系统，其中，所述控制器进一步配置为用于：响应于确定出第一开关闭合、调制器输出处于全功率并且接收到表明vre能量向公用电网流出的信号，减少vre能量到第一加热元件的调制器输出；打开第一开关，以将vre能量到第二加热元件的输出减少到零；并且闭合第二开关，以将vre能量中的至少部分引导到第三加热元件。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述控制器进一步配置为用于：响应于确定出第二开关闭合、调制器输出处于全功率以及接收到表明vre能量向公用电网流出的信号，减少vre能量到第一加热元件的调制器输出，并且闭合第一开关，以将vre能量中的至少部分引导至第二加热元件。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述控制器配置为用于：
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述控制器配置为用于：在闭合第一开关时和/或在闭合第二开关时，将vre能量到第一加热元件的调制器输出减小到零。
23.根据权利要求19所述的系统，其中，所述控制器配置为用于：在闭合第一开关时和/或在闭合第二开关时，向第一加热元件施加补充的非零调制。
24.根据权利要求19所述的系统，其中，所述第一加热元件具有第一能量输入额定值，所述第二加热元件具有低于第一能量输入额定值的第二能量输入额定值，并且第三加热元件具有大于第一能量输入额定值的第三能量输入额定值。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，在所述第一能量输入额定值与第一和第二能量输入额定值之和之间形成第一能量输入重叠，在第一和第二能量输入额定值之和与第一和第三能量输入额定值之和之间形成第二能量输入重叠，并且在第一和第三能量输入额定值之和与第一、第二和第三能量输入额定值之和之间形成第三能量输入重叠。
26.根据权利要求13所述的系统，其中，所述控制器进一步配置为用于：响应于接收到指示热水器的水箱中的水温低于水温阈值的数据，进一步通过调制器将vre能量中的所述至少部分引导至第一加热元件。
27.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括：
28.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括：
29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述第三开关配置为用于：响应于接收到指示热水器的水箱中的水温低于水温阈值的数据并且响应于确定出没有过量的vre能量可用，向第一加热元件提供公用能量。
