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CN111433527A - 改进的水加热器控制装置和组件 - Google Patents

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CN111433527A
CN111433527A CN201880078043.8A CN201880078043A CN111433527A CN 111433527 A CN111433527 A CN 111433527A CN 201880078043 A CN201880078043 A CN 201880078043A CN 111433527 A CN111433527 A CN 111433527A
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CN
China
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power
energy
water heater
controller
heating
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Pending
Application number
CN201880078043.8A
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English (en)
Inventor
L.克尼奇
B.博尔克
P.克尔
Q.A.C.亚当
G.斯泰帕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheem Australia Pty Ltd
Original Assignee
Rheem Australia Pty Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=65994138&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=CN111433527(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
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Application filed by Rheem Australia Pty Ltd filed Critical Rheem Australia Pty Ltd
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Abstract

一种适于连接到控制器的电水加热器储存罐，该储存罐包括一个或多个电加热元件温度传感器件，该温度传感器件安装在储存罐壁的外部并适于获得储存罐中水的温度测量值，该温度传感器件和每个加热元件连接到外部可接触的连接器件。储存罐可以包括一个或多个加热元件控制器件，每个加热元件控制器件连接到相应的一个加热元件。元件控制器件可以连接到外部可操作的连接器件。

Description

改进的水加热器控制装置和组件
技术领域
本发明涉及储存式水加热器(storage water heaters)。本发明还涉及可再生能量的利用，以及与水加热器相关的控制系统。本发明还涉及电水加热器的控制。
背景技术
储存式水加热器包括内部储存罐、围绕储存罐并与储存罐隔开的外护套，储存罐和护套之间的空间基本上填充有隔热材料。护套可以包括孔，以允许入口管和出口管通过护套连接到储存罐。此外，可以提供孔，以使附加的物品，例如电加热元件，能够连接到储存罐的内部或外部。
传统上，功率通过温度控制和热切断开关连接到电水加热器的电加热元件，这使用硬线连接，这需要电工将功率连接到水加热器。
电动水加热器的绝缘材料可以是泡沫塑料，可以注入储存罐和壳体之间的空间。这通常需要提供临时封闭物，例如塑料盖，以封闭护套孔，从而在注入泡沫时将泡沫容纳在储存罐和护套之间。一旦泡沫凝固，盖就可以移除。
可以在施加泡沫之前安装入口和出口管道配件，通过适于防止泡沫从配件周围的隔热空间泄漏的密封件来封闭配件周围的护套孔。
公用设施公司此前曾提供馈入费用(feed-in tariffs)，鼓励客户采用太阳能光伏或风力发电等可再生能量，向客户支付的费用高于公用设施向客户收取的市电费率。然而，一些公用设施公司现在正在降低或取消馈入费用。因此，客户可能更喜欢在使用输电线功率和向输电线功率供电之前优先考虑可再生能量的内部使用。为此，客户需要有一个控制系统来实现这种优先选择。
澳大利亚专利第2005306582号(WO2006/053386)公开了一种支持多个单独热敏电阻的热传感器条，该热敏电阻可应用于水加热器储存罐的外壁，以在多个垂直分离的点获得储存罐水的测量值，该专利的内容通过引用结合于此。
气候科学促使人们转向使用可再生能量发电。
Rheem的澳大利亚专利申请2016250449(PCT/AU2017/051081)描述了一种用于调节输送到水加热器或其他器具的可再生电能的量的装置，其内容通过引用结合于此。
某些形式的可再生能量，如太阳能和风能，其产量变化很大。例如，太阳能收集器的输出随着照射在收集器上的日照量而变化，这随着太阳的位置而逐渐变化，随着云的经过而迅速变化。同样，风力发电机也会受到风力波动的影响。虽然本发明适用于不同形式的可再生能量，但是本发明主要是在太阳能光伏能源系统的背景下描述的。
随着智能电表的采用，电力公司可以根据发电机设备的负载在一天中的不同时段收取不同的费用。
有许多使用太阳能的方式，本发明将在太阳能电储存式水加热器的背景下进行描述。太阳能热水系统加热一种传热流体，并用它来加热储存罐中的水。太阳能光伏(PV)水加热系统将太阳能转化为电能，并利用电能加热储存罐中的电阻加热单元。对于装有电水加热器的家庭来说，热水消耗了典型家庭用电量的四分之一。对于使用燃气热水供暖的家庭来说，热水供暖也占了燃气消耗量的很大一部分。太阳能是免税的。
与太阳能电水加热器相比，太阳能热水加热器的缺点在于，在低日照水平下，如果没有足够的太阳能输入来将传热流体加热到高于储存罐中的水温，就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)收集器以产生电输出，由于PV能量的更高的效能值(exergy value)，加热单元仍然可以将热量传递到储存罐中的水，当传热流体的温度不比储存罐中的水热时，热系统没有可用的能量。
澳大利亚安装了许多屋顶光伏系统。这些系统的普及得益于慷慨的税收补贴，这使得它们的所有者能够从投资中获得合理的回报。一些太阳能光伏系统旨在最大限度地提高电价中的供电效益，并将光伏电力输送到公用电网系统。然而，拥有PV收集器的家庭可能希望使用光伏能源来替代部分或全部的公用电网电力消耗。由于水加热是家庭消费的重要组成部分，本发明提出了一种利用太阳能光伏供应水加热器的系统和方法。
太阳能的一个问题是它会受到随机波动的影响，尤其是在部分多云的日子。
通常，电储存式水加热器只有一个加热单元。
WO2014089215描述了一种使用来自太阳能收集器的DC而为加热单元供电的方法。DC的一个缺点是很难中断DC电流，并且在切断电流时，连接器触头会被火花侵蚀。
US5293447(1994)描述了一种通过测量进入的太阳能强度并在低日照水平下切换电阻以接近最大功率点(MPP)来提高效率的方法。加热单元由DC从PV收集器驱动。该系统需要一个单独的加热单元，用于公用电网供电。
供给加热单元的电流调制是已知的。然而，它的问题是调制系统可能产生不可接受的电磁干扰量或引起电力系统的波动。
希望提供一种将能量从太阳能光伏收集器输送到水加热器储存罐的加热单元组件的有效装置，以减轻或解决这些问题中的一个或多个。
希望提供一种手段来促进PV能量的内部消耗或为此目的调整现有系统。
还希望提供一种给水加热器储存罐中的水加热的有效手段。
还希望设计一种加热组件，其能够适用于现有的水加热器储存罐。
供电公司需要能够在不同的负载条件下输送电力。各种因素可以影响电力需求，例如一天中的时间、天气、网络故障、发电机故障等。
负载管理的一种已知形式是负载转移(load shifting)，它已被应用于从高峰需求期到非高峰时段断开非关键用户负载，例如水加热器。实现这一点的一种方法是纹波控制，即电力公司以不同于供应频率的频率通过电力线发送纹波信号。纹波信号在用户驻地被检测，纹波检测器检测纹波信号并断开水加热器电源。第二纹波信号可用于将功率返回水加热器。在波纹控制的一些应用中，水加热器的功率由单独的仪表测量，因此可以以优惠的费率充电。纹波控制的一个缺点是，当大量负载同时关闭时，负载的突然变化会对发电系统的稳定性产生不利影响。
需求响应使能设备(DRED)系统是控制空调负载的电力线信号的最新版本。
电力公司的另一个当务之急是减少发电过程中产生的温室气体。许多电力公司引进了可再生能量，如太阳能和风力发电机。这些可再生能量的一个问题是，这些能源的输出是间歇性的和可变的。因此，电力公司需要一种适应发电波动和需求波动的方法。
RHEEM的共同未决专利申请PCT/AU2017/051081公开了一种具有多叶片电加热元件单元的水加热器，在该多叶片电加热元件单元中，叶片可以被单独或组合地通电，以向水加热器提供一定范围的功率输入。
此外，PCT/AU2017/051081公开了一组叶片额定功率，该组叶片额定功率能够以一种模式运行，以使用调节到单个叶片的功率的受控方法来基本上减少或消除输送到水加热器的功率的阶跃变化。
除非出现相反的指示，否则在此对已知现有技术的任何引用并不构成承认在本申请的优先权日，这种现有技术是本发明相关领域的技术人员公知的。
发明内容
诸如“左”、“右”、“向上”和“向下”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“上方”、“下方”的术语被用作描述目的的相对术语，并且不限定严格的要求。
在说明书和权利要求书中，这里使用的术语“热传感器条”是指具有一个或多个热传感器设备的细长构件，例如热敏电阻，或者表示包含连续热传感器层的条。
在说明书和权利要求书中，这里使用的术语“外部可操作的”包括电源连接上的可移除盖的情况，以及从水加热器壳体或水加热器上的其他盖的外部可操作的连接器件。
根据本发明的实施例，提供了一种水加热系统，包括：
水储存罐；
至少一个电加热元件单元；
电加热单元包括一个或多个独立可控的叶片；
每个叶片通过至少一个相应的功率控制装置连接到电力线；
其中每个电加热单元通过储存罐中的相应孔插入储存罐中。
电元件单元可以包括两个叶片。
电元件单元可以包括三个叶片。
功率控制装置可以包括开关。
功率控制装置可以包括功率调制设备。
功率调制设备可以产生连续可变的功率输出。
水加热系统可以包括适于控制每个功率控制装置的控制器。
控制器可以适于响应最大温度控制信号，在第一温度和高于第一温度的第二温度之间改变最大水温设置。
水加热系统还可以包括可再生能量供应，其中当有足够的可再生能量可用时，控制器适于在第一温度和高于第一温度的第二温度之间改变最大水温设置。
控制器可以响应外部控制信号来操作一个或多个功率控制设备，以控制输送到所述或每个电加热元件单元的功率量。
控制器可以对外部控制信号做出响应，以操作一个或多个功率控制设备，以控制输送到所述或每个电加热元件单元的功率量。
外部控制信号可以从以下一项或多项中选择：电力线信号；无线；物理线路。
电加热元件单元可以包括安装凸缘。
储存罐可以包括电加热元件单元支架。
电加热元件单元可以包括每个叶片的连接端子和所有叶片共用的公共端子。
水加热系统可以由太阳能或输电线供能。
水加热系统可以包括定向功率计。
还公开了一种控制向包括一个或多个电加热叶片的电水加热器输送电能的方法，该方法包括以下步骤：监测一个或多个外部功率调节信号的存在；在没有外部功率调节信号的情况下，根据第一程序向水加热器叶片或每个叶片输送输电线功率；
在存在外部调节信号的情况下；分析外部调节信号；并且根据对外部调节信号的分析，或者改变传送到叶片的功率，或者切断给叶片的功率。
外部调节信号可以选自：一个或多个功率变化信号；和切断信号。
根据本发明的一个实施例，提供了一种控制向电水加热器输送电力的方法，该电水加热器既可利用可再生能量又可利用输电线功率，该方法包括以下步骤：监测用于加热水加热器中的水的可再生能量的可用性；在可再生能量可用的情况下；监测外部超驰信号的存在；
其中不存在超驰信号的情况下；监测水加热器的含量；当热含量低于阈值时，向水加热器输送可再生能量；当所述含量等于或高于阈值时，将可再生能量输送到主输电线网络；在存在超驰信号的情况下，将多余的可再生能量输送到输电线网络。
根据本发明的实施例，提供了一种电水加热器控制装置，包括水储存罐、至少两个加热元件叶片、适于控制功率控制器件的控制器，每个叶片可通过功率控制器件单独控制，控制器包括指令储存器或存储器，控制器具有编程输入，指令可通过该编程输入存储在指令储存器或存储器中。
指令可以通过通信链路发送到编程输入。
根据本发明的实施例，提供了一种适于连接到控制器的电水加热器，该水加热器包括储存罐、一个或多个电加热元件、安装在储存罐壁外部并适于获得储存罐中水的温度测量值的温度传感器件，温度传感器件和每个加热元件连接到外部可操作的连接器件。
本发明还提供了一种适于连接到控制器的电水加热器储存罐，包括一个或多个电加热元件，每个加热元件连接到外部可操作的连接器件，其中储存罐配置有以下一项或多项：温度传感器件，适于获得储存罐中水的温度测量值；连接到外部可操作的连接器件的功率控制设备；一个或多个温度控制开关，其每个连接到相应的一个加热元件；热沉。
水加热器可以包括一个或多个加热元件控制器件，每个加热元件控制器件连接到相应的一个加热元件。
加热元件控制器件可以包括一个或多个热切断开关，当水温超过第一阈值温度时，该热切断开关适于从该或每个电加热元件断开电源。
加热元件控制器件可以包括一个或多个温度控制开关，每个开关适于从相应的一个电加热元件断开电源。
该或每个温度控制开关可以连接到外部可操作的连接器件。
本发明提供了一种电水加热器，其具有储存罐、位于储存罐内不同高度的一个或多个加热元件、以及一个或多个第一元件控制器，每个第一元件控制器与相应的一个加热元件相关联；
加热元件具有穿过储存罐壁伸出的电连接部；
每个第一元件控制器安装在加热元件的电连接部附近。第一元件控制器可以通过承载功率和控制导体的第一线束互连。
元件控制器可以包括第一电切断开关，该第一电切断开关包括第一温度传感器件，该第一温度传感装置适于当水温达到第一阈值温度时切断对相应加热元件的供电。
每个元件控制器可以包括第二温度传感器件和功率控制开关，当水温达到低于第一温度阈值的第二阈值温度时，该功率控制开关适于切断相应加热元件的电源。
每个元件控制器可以包括控制相应功率开关的功率开关控制器。
功率控制开关可以安装在相应的第一元件控制器上或附近。
电水加热器可以包括一个或多个热传感器、包括用于热传感器的第一连接器的第二线束、用于电源的第二连接器、用于外部连接的第三连接器。
水加热器可以包括一个或多个安装在储存罐外部并连接到一个元件控制器的热传感器，该或每个元件控制器响应来自该或每个热传感器的温度信息来控制该或每个电加热元件。
根据本发明的实施例，提供了一种电水加热器元件控制单元，包括：
第一PCB，包括第一电气部件和第一电连接器；
包括第二电气部件的第二PCB，以及作为用于第一连接器的配合连接器的第二电连接器；
所述第一和第二连接器的尺寸和取向使得，当所述第一和第二连接器接合时，所述第二PCB紧邻所述第一PCB和所述第一电气部件，并且或者位于与所述第一PCB和所述第一电气部件的平面分离的平面中。
第一电气部件可以包括一个或多个功率开关设备，第二电气部件可以包括适于控制第一PCB上的一个或多个功率开关设备的功率开关控制器。
电水加热器元件控制单元可以包括安装框架，该安装框架适于促进将第一PCB安装在电切断开关上。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种电水加热元件控制组件，包括安装在电切断开关上的电水加热元件控制单元。
本发明还提供了一种电水加热器，包括：储存罐、位于储存罐内不同高度的第一加热元件和一个或多个另外的加热元件，以及两个或更多个元件控制器，每个元件控制器与相应的一个加热元件相关联；加热元件具有穿过储存罐壁伸出的电连接部；每个元件控制器安装在加热元件的电连接部附近或邻近加热元件的电连接部安装。
线束可用于将第一加热元件与另外的加热元件连接，该线束可包括适于将信号线和电源线连接到外部连接和/或一个或多个控制器的单个连接器。
第一加热元件和/或一个或多个另外的加热元件可以包括两个或更多个叶片，
元件控制器可以包括电断路器和/或继电器，以控制第一加热元件和/或一个或多个另外的加热元件的叶片。
叶片可以具有相同的电阻和/或功率输出额定值，或者具有不同的电阻和/或功率输出额定值。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种在水加热器中提供至少最小量的可用热水的方法，该方法包括以下步骤：
A.设定热水的最小量；
B.确定水加热器是否包含最小量的可用热水；
C.确定可再生能量是否可用；和
D.在可再生能量不可用且水加热器的可用热水量低于最小量的情况下：
E.向水加热器加热元件供应输电线功率，直到
E1.水加热器包含最小量的可用热水，或
E2.可再生能量变得可用，
和，
F.当水加热器包含最小量的可用热水时，
G.将提供到水加热器加热元件的输电线功率关断；
和
H.当水加热器包含最小量的可用热水之前可再生能量变得可用时，
I.将提供到水加热器的加热元件的输电线功率关断，和
J.将提供到加热元件的可再生能量接通，直到：
J1.水加热器容纳的第二量的可用热水大于最小量的可用热水，或者
J2.可再生能量变得不可用；
和，
K.在步骤C确定可再生能量可用的情况下，
L.将提供到加热元件的可再生能量接通，直到：
L1.水加热器容纳的第二量的可用热水大于最小量的可用热水，或者
L2.可再生能量变得不可用；
和
M.如果条件L1适用，则将提供加热元件的可再生能量关断；
N.在条件L2适用的情况下，返回到步骤B；
O.根据可再生能量的可用性，重复步骤B到J2或步骤C和步骤K到L2，以确保维持最小量的热水。
水加热器可以包括输电线功率源和可再生能量。
根据本发明的另一实施例，提供了一种电水加热器，包括：
储存罐；
储存罐内的一个或多个电加热元件；
穿过储存罐壁伸出的加热元件的电连接；
至少一个热传感器；
组合线束，具有外部可操作的第一外部连接器，适于通过互补的第二外部连接器将电源线和信号线连接到外部电路。
外部连接器可以位于护套内部或外部。
该组合线束可以包括信号连接器，该信号连接器适于将一条或多条信号线连接到外部连接器的信号电缆。
线束可以包括适于从外部连接器向加热元件或每个加热元件输送功率的功率连接器。
水加热器可以包括外部控制器，信号线连接到控制器。
水加热器可以包括一个或多个外部功率开关，所述外部功率开关对外部控制器做出响应，以控制向加热元件的功率输送。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种电水加热器，包括储存罐、功率控制元件和热沉，储存罐包括靠近储存罐下端的冷水入口和靠近储存罐上端的热水出口，热沉安装在靠近储存罐下端的第一热沉附件上，功率控制元件安装在散热器上。
第一散热器安装附件可以附接到储存罐的壁上，靠近储存罐的下端。
散热器可以包括曲面，该曲面适合于与储存罐壁一致或者具有比储存罐壁的曲线稍小的半径。
散热器可以包括具有储存罐安装表面的导热体，储存罐安装表面具有与水加热器储存罐的壁的一部分互补的轮廓。
散热器可以包括适于容纳附接到储存罐壁的安装构件的第一安装凹部，以及适于容纳第二安装构件的第二安装凹部，第二凹部与第一安装凹部连通，由此第二安装构件能够与第一安装构件互连。
散热器可以包括部件支架。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种泡沫挡板，该泡沫挡板适于从加热元件控制装置中排除泡沫绝缘物。
泡沫挡板可适于与储存罐壁符合。
泡沫挡板可适于与导管架壁符合。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种包括这种泡沫挡板的水加热器。
根据本发明的实施例，提供了一种适于在注射泡沫隔离空间中提供隔离自由空间的泡沫挡板，该挡板包括第一和第二可附接部分，每个部分被设计成限定隔离自由空间的互补部分，每个可附接部分包括：
一个或多个互锁装置，适于与另一个可附接部分上的相应互锁装置配合；
每个互锁装置包括第一互锁构件和第二互锁构件，当两个可附接部分组装在一起时，第一互锁构件和第二互锁构件适于产生相互相反的互锁力。
第一可附接部分的第一互锁构件可以包括
具有背离第二可附接部分的第一互锁面的第一成型构件，其中第二可附接部分包括具有背离第一可附接部分的第二互锁面的第二成型构件，第二互锁装置的第二成型构件相对于第一成型构件倒置，第一和第二互锁面接合以防止第一和第二可附接部分的切向分离。
每个成型构件可以是锥形的，以便于接合。
第一可附接部分的第二互锁构件可以包括朝着第二可附接部分发散的第一倾斜表面。
根据本发明的一个实施例，提供了一种水加热器，该水加热器具有两个或更多个加热元件和位于储存罐中独立位置的相关加热元件控制装置。
加热元件控制装置可以包括热切断开关。
加热元件控制装置可以包括温度控制器。
控制元件可以与控制线束互连。
热传感器可以连接到至少一个控制元件。
根据本发明的一个实施例，提供了一种温度传感器组件壳体，其包括具有导热材料的储存罐接触表面的细长管状构件，该管状构件包括一个或多个内部通道，每个通道适于接收热传感器组件。
温度传感器组件壳体可以包括端盖以封闭管状构件的远端。
根据本发明的实施例，提供了一种适于连接到控制器的电水加热器，该水加热器包括储存罐、一个或多个电加热元件和适于获得储存罐中水的温度测量值的温度传感器件，温度传感器件和每个加热元件连接到外部可操作的连接器件。
水加热器可以包括一个或多个加热元件控制器件，每个加热元件控制器件连接到相应的一个加热元件。
加热元件控制器件可以包括一个或多个热切断开关，其适于在水温超过第一阈值温度时断开所述或每个电加热元件。
加热元件控制器件可以包括一个或多个温度控制开关，当水温超过第二阈值温度时，每个开关适于从相应的一个电加热元件断开电源。
该温度控制开关控制器件或每个温度控制开关控制器件可以连接到外部可操作的连接器件。
温度传感器件可以或适于获得储存罐中不同高度的水温。
温度传感器件可以位于储存罐的外部或内部。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种恒温器安装件，包括继电器板和安装到继电器板上的恒温器控制器板。
继电器板可以安装在热切断开关上。
根据本发明的另一个实施例，提供了一种改进的水加热器，其具有两个或更多个加热元件和至少一个储存罐温度传感器，电源/控制/数据电缆终止于插头或插座，无论是在侧护套中还是通过护套安装，用于以后连接到外部控制器。
本发明还提供了一种安装水加热器的方法，该水加热器包括配置有至少一个温度传感器和一个或多个连接到外部可操作的连接器件的加热元件的储存罐，该方法包括以下步骤：将储存罐安装在用户的房屋中，并将可变功率供应和控制器连接到外部可操作的连接器件。
储存罐可以配置热沉和功率控制设备。
储存罐可以配置有温度控制开关，靠近加热元件或每个加热元件。
该方法可以包括在连接器件的上游安装温度控制开关的步骤。
该方法可以包括在连接器件的上游安装功率控制设备的步骤。
根据本发明的实施例，提供了一种用于可变能量源公用电网馈入系统的控制系统，该系统至少包括具有第一供应优先级的第一能量消耗部件和具有第二能量供应优先级的第二能量消耗部件，第一能量供应优先级大于第二能量供应优先级，控制器接收识别从公用电网流入的电流或流向公用电网的电流的电流信息，所述控制器适于控制到第二能量消耗部件的能量流，所述控制器适于按照第一能量消耗部件、第二能量消耗部件和公用电网馈入的优先级顺序控制来自可变能量源的能量输送。
控制系统可以包括状态监测器件，该状态监测器件适于监测第二能量消耗部件的状况，以用于调节流向第二能量消耗部件的能量。
状态监测器件可以包括恒温器或温度传感器中的至少一个。
状态监测器件可以包括电池充电监测器。
根据本发明的实施例，提供了一种用于可变能量源公用电网馈入系统的第一控制器，该系统具有具有第一供应优先级的第一能量消耗部件和具有第二能量供应优先级的至少第二能量消耗部件，第一能量供应优先级大于第二能量供应优先级，控制器从能量存储部件接收状态信息，所述控制器接收识别从公用电网流入的电流或流向公用电网的电流的电流信息，所述能量存储部件具有由所述控制器控制的可控负载，所述控制器适于控制所述可控负载，以优先从所述可变能量源向所述第一能量消耗部件、所述第二能量消耗部件和所述公用电网馈入输送能量。
第二能量消耗部件可以是水加热器。
状态信息可以是温度信息。
可控负载可以包括适于调制可变能量源的调制器，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。
至少第二加热元件是可切换的。
所有加热元件都可以切换。
根据本发明的实施例，提供了一种水加热系统，其具有：水储存罐，其具有：温度传感器；加热单元，具有至少第一和第二加热元件，其中至少一个是可切换的；控制器，适于接收来自温度传感器的温度信息和来自电流传感器的电流流向信息，所述电流传感器感测公用电网电流的流入或流出；调制器，适于在控制器的控制下调节从可变能量源到至少第一加热元件的能量流；其中至少第二加热元件在控制器的控制下是可切换的；所述控制器适于控制调制器和所述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量源输送到内部消耗系统。
除了第一加热元件之外的所有加热元件都可以在控制器的控制下切换。
或者，所有加热元件都可以在控制器的控制下切换。
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是加热单元中加热元件的数量。
每个连续的加热元件可以吸取与前面加热元件的总和所吸取的功率相同的功率。
可变能量源可以是光伏(PV)能源。
根据本发明的实施例，提供了一种适于提供公用电网馈入的可变能量供应系统，该可变能量供应系统包括一个或多个消耗部件，其中一个是水加热系统，该可变能量供应系统包括：可变能量源；能量转换器，用于将来自可变源的输出转换成等效于交流公用电网供应的交流能量供应；其中所述水加热系统包括水加热器储存罐，所述水加热器储存罐包括至少第一和第二加热元件，其中至少一个是可切换的；调制器，用于调制来自逆变器的交流能量供应；控制器，适于控制调制器和所述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能量源输送到内部消耗系统。
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去往或来自公用电网的能量流的方向，其中控制器增加到加热元件的能量，直到来自可变能量源的所有能量被内部消耗系统消耗掉，或者直到能量从公用电网汲取。
加热单元可以具有N个加热元件，第一元件可以具有V2/R1的额定功率，第二加热元件可以具有V2/R1的额定功率，其余元件可以具有由V2/R1增加到(N-1)*V2/R1的额定功率的额定功率。加热元件可以并联。
该或每个加热单元可以包括第一、第二和第三加热元件，其中第一元件被调制，调制元件具有第一额定功率V2/R1，第二元件具有第二额定功率V2/R1，第三元件具有额定功率2*V2/R1。
第一加热单元的每个加热元件可以是可切换的。
可变能量源可以是太阳能光伏(PV)能量供应系统，该系统包括第一温度传感器，该第一温度传感器适于测量储存罐中的水温并将该温度测量值传送给控制器，该控制器适于在水温超过阈值时切断向储存罐的能量输送。
太阳能光伏(PV)能量供应系统可以包括可由PV收集器充电的电池，当满足其他负载时，控制器适于将PV能量从PV收集器切换到水加热器，并且电池在能量转移到水加热器之前被完全充电。
太阳能光伏(PV)能量供应系统可以包括公用电网能量连接，当PV收集器的输出低于最小值时，该公用电网能量连接适于在控制器的控制下向第一加热单元供应能量。
太阳能光伏(PV)能量供应系统可以包括第一和第二多元件加热单元，以及控制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的相应元件由相同的开关控制。
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组件，其中至少一个是可切换的，该方法包括以下步骤：
将来自太阳能PV收集器的DC能量转换成未调制的交流供应；
调制未调制的交流供应以产生调制的交流供应；
将调制的交流供应施加到一个或多个负载部件。
利用太阳能光伏能量的方法可以包括以下步骤：
将调制的交流供应仅施加到一个阻抗部件。
利用太阳能光伏能量的方法可以包括以下步骤：
监测去往或来自公用电网的能量流向。
利用太阳能光伏能量的方法可以包括以下步骤：
将未调制的交流供应施加到至少一个其他阻抗组件。
该方法可以包括以下步骤：最初将调制的交流供应电压降低到最小值，以及
增加调制的交流供应电压，直到汲取最大电流，或
直到达到最大调制交流供应电压，
在达到调制交流供应电压的情况下，
将调制的交流供应电压降低到最小，
接通第二阻抗部件，
增加施加到第一阻抗元件的调制交流供应电压，以及
重复步骤i)至l),直到流向公用电网的能量停止。
该方法可以包括以下步骤：
监测去往或来自公用电网的能量流向。
该方法可以包括以下步骤：
改变调制交流供应的调制；
确定到公用电网的能量流何时停止；和
将调制保持在一个水平上，该水平将输送到第一阻抗的能量保持在或接近去往公用电网的能量流停止的水平。
第一阻抗组件可以是可切换的。
第一加热单元的所有加热元件都是可切换的。
根据本发明的一个实施例，提供了一种利用可变能量源与交流公用电网供应一起为至少两个负载提供功率的方法，至少第一负载是可控的，公用电网供应和可变能量源连接到公共导体，其中第一负载在剩余的一个或多个负载之后被优先化，并且可变能量供应适合于优先于公用电网供应向负载输送其可用能量，该方法包括以下步骤：
监测流入或流出公用电网供应的电流；
当电流流向公用电网供应时，增加提供给第一负载的能量，直到：
A.流向公用电网的电流停止；或者
B.可变能量源的最大可用能量被输送到第一负载。
第一负载可以包括两个或更多个加热元件；其中第一加热元件通过可控功率调制器由可变能量源提供，并且其中剩余的加热元件可以与第一加热元件并联配置切换；和
增加提供给第一加热元件的能量的步骤可以通过不断增加功率调制器的输出来执行，直到：
C.流向公用电网的电流停止；或者
D.调制器的输出达到最大值；
其中，如果调制器输出达到最大值，
调制器输出降低，
第二加热元件与第一加热元件并联接通，并且
调制器输出持续增加，直到达到条件C或条件D，其中如果达到条件D，则执行并联接通另外加热元件的过程，直到接通所有加热元件并且调制器输出最大；或者直到流向公用电网的电流停止。
该方法还可以包括重复地将调制器输出降低到零，顺序地接通每个剩余的加热元件，并将调制器输出增加到其最大值，或者直到流向公用电网的电流停止。
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量源的水加热器的方法，该水加热器具有上部加热单元和下部加热单元，其中至少上部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：检测从可变能量源到公用电网的能量流，将第一能量施加到上部加热单元，并将第二能量施加到下部加热单元，增加输送到上部加热单元的能量，监测从可变能量源到公用电网的能量流，并且当从可变能量源到公用电网的能量流停止时，停止增加从可变能量源到上部加热单元的能量输送。
根据本发明的实施例，提供了一种用于太阳能光伏能量供应系统的控制器，该控制器适于提供公用电网能量馈入，并向一个或多个内部消耗系统输送能量，其中一个内部消耗系统是具有加热单元的水加热系统，该加热单元具有一个或多个加热元件，其中太阳能光伏能量被转换成可由控制器控制的交流光伏能量供应，所述控制器适于监测去往或来自公用电网的能量流的方向，并控制交替的光伏能量供应，以优先于公用电网馈入来优先考虑输送到内部消耗系统的能量。
该水加热系统包括具有至少一个加热单元和能量调制器的储存罐，该能量调制器适于调节交流光伏能量供应，该加热单元具有至少两个可切换的加热元件，其中至少一个加热元件由调制器提供能量，该控制器适于控制调制器优先于公用电网能量馈入将能量输送到水加热器。
控制器可以适于最初将调制器输出减小到零，并将调制器输出施加到第一加热元件，并且逐渐将调制器输出增加到最大，并且根据需要逐渐切换附加的加热元件，直到最大能量从PV收集器输送或者到公用电网的能量流停止。
当接通每个连续的加热元件时，控制器将第一加热元件的调制器输出减小到零，然后逐渐增加第一加热元件的调制器输出。
根据本发明的实施例，提供了一种在具有第一负载电路、水加热器和公用电网馈入路径的系统中利用太阳能光伏能量的方法，该系统包括控制器，所述控制器控制向水加热器输送光伏能量，其中该控制器优先向第一负载、水加热器和公用电网馈入输送PV收集器能量。
该方法可以包括以下步骤：在元件的切换中提供滞后。
可以通过在每个开关操作期间将非零的被调制能量施加到可切换元件来提供滞后。
通过对元件的切换施加延迟来提供滞后。
该系统可以包括光伏蓄电池，并且其中控制器可以优先将PV收集器能量输送到第一负载、水加热器、电池和公用电网馈入。
根据本发明的实施例，提供了一种用于水加热器的可变能量使用装置，该装置控制从可变能量供应和公用电网供应到水加热器的能量流，该装置包括控制器、调制器、具有至少第一和第二加热元件以及附接凸缘的加热单元，其中第二加热元件和任何另外的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向第一加热元件输送可控功率输出，附接凸缘适于密封附接至水加热器储存罐，控制器适于监测电流向外流向公用电网供应或从公用电网供应向内流动的方向，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公用电网供应的电流。
附图简述
下面将参照附图，仅以举例的方式，对优选实施例进行详细描述，其中：
图1示出了根据本发明实施例的储存式水加热器。
图2示出了图1的水加热器的分解图。
图3示出了图1的水加热器的储存罐的视图，没有其外护套。
图4是图3的水加热器的前视图。
图5示出了图3和4的水加热器的视图。
图6A至6H示出了根据本发明实施例的温度传感器装置的各种实施例。
图7A至7D示出了根据本发明实施例的泡沫挡板的各种视图。
图8A至8F示出了根据本发明实施例的泡沫挡板的互锁元件的各种视图。
图8G至8I显示了泡沫挡板联锁元件的细节。
图9A至9F示出了图7的泡沫挡板的一部分的各种视图。
图10示出了根据本发明一个实施例的组装好的泡沫挡板的前视图。
图11A示出了用于加热元件的储存罐凸缘附件的局部视图。
图11B示出了图10的泡沫挡板的第一分解图。
图12示出了图10的泡沫挡板的第二分解图。
图13A、13B、13C、13D、13E示出了根据本发明实施例的泡沫挡板的剖视图。
图14A示出了根据本发明实施例的水加热器储存罐和控制装置。
图14B示出了根据本发明实施例的水加热器操作模式的流程图。
图15A示出了根据本发明实施例的水加热器储存罐。
图15AA示出了根据本发明实施例的安装水加热器的方法。
图15B和15C示出了根据本发明实施例的连续的热传感器条。
图15D示意性地示出了根据本发明实施例的电水加热器装置。
图15E示意性地示出了根据本发明实施例的电水加热器装置。
图15F是示出根据本发明实施例的水加热器控制系统的功能元件的框图。
图16A和16B示出了根据本发明实施例的具有热沉的水加热器的特征。
图17示出了图16的水加热器的底视图。
图18示出了根据本发明实施例的具有热沉的水加热器。
图18A示出了根据本发明实施例的安装水加热器的方法。
图19示出了根据本发明实施例的具有热沉的第二水加热器。
图19A示出了类似于图19的水加热器，其具有热沉和内部盲管，其中安装有多个热传感器。
图20示出了根据本发明实施例的热沉安装布置。
图21A和21B示出了图20的热沉的其他视图。
图22示出了根据本发明实施例的用于图20的热沉的第二泡沫挡板。
图23示出了根据本发明实施例的控制器电路板布置。
图24示出了根据本发明实施例的热切断开关和控制器组件的第一分解图。
图25示出了根据本发明实施例的热切断开关和控制器组件的第二分解图。
图26示出了图27的控制器和热切断开关组件的剖视图。
图27示出了根据本发明实施例的控制器和热切断开关组件。
图28示出了图27的控制器和热切断开关组件的侧视图。
图29示出了图27的控制器和热切断开关组件的分解图。
图30示出了根据本发明实施例的继电器板和线束组件的布线图。
图31A示出了根据本发明实施例的PV水加热器布置。
图31B示出了根据本发明实施例的包括恒温器和功率控制装置的本发明实施例。
图31C示出了具有一个调制可切换元件和一个可切换非调制元件的本发明的实施例。
图32A示出了根据本发明另一实施例的PV水加热器装置。
图32B示出了根据本发明实施例的双元件水加热系统的改进电路图。
图32C显示了三端双向可控硅开关和继电器的并联布置的细节。
图33A、33B、33C和33D示出了根据本发明相应实施例的加热元件切换计划。
图34示出了显示根据本发明实施例的操作水加热系统的方法的流程图。
图35说明了调制AC电源的模式。
图36示出了具有两个可单独操作的加热元件的加热单元。
图37是根据本发明实施例的具有电力线信号的水加热器控制系统的示意图。
图38是根据本发明实施例的具有电力线信号的水加热器控制系统的示意图。
图39是根据本发明实施例的具有电力线信号的水加热器控制系统的示意图。
图40是根据本发明实施例的具有电力线信号的水加热器控制系统的示意图。
图41是根据本发明实施例的具有电力线信号的水加热器控制系统的示意图。
图42是根据本发明实施例的具有电力线信号的水加热器控制系统的示意图。
图43是根据本发明实施例的具有电力线信号的水加热器控制系统的示意图。
图44是根据本发明实施例的具有电力线信号的水加热器控制系统的示意图。
图45是根据本发明实施例的具有电力线信号的水加热器控制系统的示意图。
图46是根据本发明实施例的用于水加热系统的多叶片水加热元件单元的示意图。
图47示意性地示出了包括元件安装的水加热器储存罐壁的一部分。
图48示出了根据本发明实施例的水加热器系统的示意图；
图49示意性地示出了根据本发明实施例的水加热器控制系统的控制器。
图50是示出根据本发明实施例的控制水加热系统的方法的流程图。
图51是示出根据本发明实施例的控制水加热系统的方法的流程图。
图52示出了根据本发明实施例的控制器的分解图。
图53显示了安装在继电器板上的背负式(piggy-back)印刷电路板。
图54示出了根据本发明实施例的三叶片加热元件的开关配置。
图55示出了根据本发明实施例的三叶片加热元件的开关配置。
图56示出了根据本发明实施例的三叶片加热元件的开关配置。
图中使用的编号方案是，第一个小数点后的数字是项目编号，小数点前的数字对应于图编号。如果有两个小数点，第二个小数点后的数字是一个扩展，用于强调相似或相关的项目。对于图1至30，第一个小数点后的数字是项目编号，并且这些项目编号在这些图1至30中以一致的方式使用，其中指示相同的特征、部件或组件，并且其使用目的和功能在这些图1至30中基本相同。对于图31至36，第一个小数点后的数字是项目编号，并且这些项目编号在这些图31至36中以一致的方式使用，其中指示相同的特征、部件或组件，并且其使用目的和功能在这些图31至36中基本相同。对于图37至56，第一个小数点后的数字是项目编号，并且这些项目编号在这些图37至56中以一致的方式使用，其中指示相同的特征、部件或组件，并且其使用目的和功能在这些图37至56中基本相同。
无论何时使用，“包括”一词都应理解为“开放”的意思，即“包括”的意思，因此不限制为其“封闭”的意思，即“仅由……组成”的意思。相应的含义应归于出现的相应词语“包括”、“包含”和“具有”。
应当理解，在此公开和定义的本发明延伸到文中提到的或显而易见的两个或更多个单独特征的所有可选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种可选方面。
虽然已经描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员来说，很明显，在不脱离本发明的基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式来实施。因此，当前的实施例和示例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且所有对本领域技术人员来说显而易见的修改都被包含在其中。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的水加热器。水加热器包括包围水储存罐(见图2中的项目2.100)的外护套1.002，护套1.002具有比储存罐2.100更大的直径，以提供充满隔热材料的环形空间。通过注射泡沫塑料将隔热材料插入该空间。
护套的下端由底座1.003封闭。
护套1.002在顶部由盖子1.004封闭，盖子也封闭了储存罐上方的隔热空间。盖子包括用于牺牲阳极1.005的孔1.005.1，该牺牲阳极1.005被提供来帮助储存罐抵抗腐蚀。提供第二孔1.007作为泡沫绝缘的注射点。
护套1.002、2.002包括多个孔，这些孔为水管入口1.014、水管出口1.010、安全阀1.012、位于盖1.006.1下方的上部元件开关组件1.006和位于盖1.009.1下方的下部元件开关组件1.009提供通向储存罐的入口。在一个实施例中，开关组件可以包括热切断开关。在另一个实施例中，开关组件可以包括热切断开关和温度控制的继电器装置。在图1的实施例中，开关组件1.006和1.009包括热切断开关和温度调节继电器开关。控制电路盖1.008可以封装具有相关功率调制设备的控制器。这种设备产生大量的热量。控制器安装在护套1.002的外侧。控制器中的发热电子设备可以连接到热沉1.510。热沉1.510可以是凸缘风冷热沉，盖1.008包括允许空气流过热沉的孔。
元件控制器1.006和1.009连接到相应的电加热元件，该电加热元件通过密封的开口插入储存罐中，如下面参考图11所述。输电线功率通过外部连接器输送到控制箱、切断开关和电加热元件。外部接口可以包括针对电源的连接和可选的针对信号的连接，如下面参考图14所述。控制器1.008可以包括用户接口1.013，用户接口1.013可以包括ON/OFF开关，并且可以提供附加功能，使得用户能够对水加热器的操作进行编程，或者输入数据或者改变系统的操作参数，在这种情况下，显示器可以与用户接口1.013相关联。在一个实施例中，显示器可以包括许多不同颜色的发光二极管。如下文参考图14A和14B中的14.510所述，外部连接器可以包括电源和信号引脚。用户界面可以包括一个或多个显示水加热器状态的可视指示器，例如发光二极管。
除了注射点1.007之外，护套1.002和盖子1.004中的孔必须在泡沫注射过程中关闭，例如通过可移除的封盖。如下所述，提供泡沫挡板(foam dam)是为了防止泡沫通过控制箱孔逸出。
图2示出了图1的水加热器的分解图。
盖子2.004通过铆钉2.028可连接到护套2.002。
护套2.002包括控制箱孔2.020和2.022。
间隔件2.024设置有中心孔，以允许牺牲阳极2.005通过盖2.004进入储存罐2.100的内部。间隔件可以由绝缘材料制成，例如泡沫塑料。
安全阀2.012和热水出口组件2.030可连接至储存罐2.100。
上控制箱和上泡沫挡板显示在2.009，下控制箱和下泡沫挡板显示在2.011。温度传感器2.018靠着储存罐壁延伸，并通过挡板中的破口孔(breakout aperture)与控制组件相连。破口是物品的一部分，可以被移除，例如，以允许电缆或热传感器条穿过泡沫挡板的壁。
电缆线束2.016有助于输电线功率到上部加热元件2.027的上控制箱的输送，以及监测信号和控制信号的交换。下部加热元件2.025适于通过凸缘2.042插入储存罐内，凸缘2.042中具有通孔，提供对储存罐2.100内部的介入。元件2.025中可以有一弯曲部。类似地，上部加热元件2.027适于插入储存罐内。每个加热元件可以具有一个或多个加热叶片。
图3示出了图1和图2的储存罐，其中外护套2.002被移除，并且控制器2.008由于安装到外护套上也被移除。储存罐3.100是圆柱形的，顶部由正端(plus end)(凸形)储存罐盖3.032封闭。储存罐的底部也可以用一个底部封闭，如负端。盖子可以包括提升环3.034，以便于在制造过程(例如上釉和组装)中处理储存罐。
优选地，上泡沫挡板和下泡沫挡板可以是相同的设计。然而，上泡沫挡板3.046和下泡沫挡板3.048可以具有不同的形状或尺寸，以适应不同的控制器配置。
上热水出口显示为3.010。它包括在其远端的凸缘，以封闭护套中的出口孔。下冷水入口3.014也包括封闭凸缘。安全阀3.012同样包括用于护套中的它的孔的封闭凸缘。
上控制箱3.006通过电缆线束3.016与下控制箱3.008相连。
外部温度传感器带3.018，在此称为热传感器条，与储存罐3.100的外部接触，并连接到下控制箱3.008。
储存罐安装在底座3.003上。
图4和图5示出了图2和图3的储存罐2.100、3.100和子组件的正视图和等轴视图，分别标为水加热器储存罐4.100、5.100，其中盖子2.004和外护套2.002以及底座30.03被移除。在该实施例中，上部元件控制器经由线束(为了便于说明，线束未示出)从下部元件控制器接收控制信号。
在上泡沫挡板中设置有孔4.210，以容纳上控制组件。上部泡沫挡板由右侧挡板段4.202和左侧挡板段4.204组成。泡沫挡板的分段安装在储存罐安装凸缘周围，该凸缘从储存罐壁立起，并设有通孔，以允许加热元件插入并固定到储存罐上。每个挡板段上的向内的边缘安装在元件凸缘下面，以将挡板段保持抵靠储存罐壁(例如，见下面图12中的12.082.2、12.082.3)。如下文参考图23所述，每个控制组件可以包括一对印刷电路板，其中一个印刷电路板安装在另一个印刷电路板上，使得所述一个印刷电路板紧邻所述另一个印刷电路板和第一组电子元件，或者位于与所述另一个印刷电路板和第一组电子元件的平面分离的平面中。由右侧部分组成的下泡沫挡板还包括相应的孔4.209，以容纳下控制组件。外部控制器(未示出：见图1中的10.008)，其连接到护套的外部并连接到线束(图3中的3.016)，可以如下所述管理控制组件。
温度传感器条4.018、5.018从下部控制组件4.008向上延伸并距储存罐外壁一定距离。如下所述，热传感器条可以包括一个或多个温度传感元件。如果有两个或更多个传感元件，它们可以位于储存罐壁的不同高度。上部控制组件可连接到上部“局部”热敏电阻，并对其做出响应，该热敏电阻可安装在上部泡沫挡板的内侧，如下图7D中7.206所示。
下部元件控制器同样可以配备“局部”热敏电阻来测量冷水的温度。
下电加热元件4.052和上电加热元件4.054的端子通过防水密封凸缘连接到储存罐壁。功率通过封装在相应泡沫挡板中的相应控制器输送到电加热元件。此外，热切断开关可以与元件控制器的继电器串联。元件控制器可以安装在热切断开关上。
图6A至6H示出了根据本发明实施例的热传感器条的各种配置。
图6A示出了包含第一有线热传感器装置6.060的有线热传感器壳体6.064。壳体可以是导热挤压件。第一热传感器装置6.060也显示在壳体6.064的外部。第一有线热传感器装置可以包括一个或多个热传感器，例如热敏电阻，例如6.058，其每一个通过两根导线连接到控制器。第一热传感器条具有连接器6.062，适于将热传感器连接到相关的控制器。图6A的实施例包括单个热敏电阻6.058，热传感器条6.060包括将热传感器6.058连接到连接器6.062的一对导线。
热传感器条包含在挤压件6.064中。壳体可以通过双面胶带6.070或一层粘合剂固定到储存罐上。优选地，粘合剂和壳体是导热的，因此储存罐中的温度变化可以被热传感器快速记录。过程中的发泡(foaming)确保泡沫压力被施加到热传感器条4.018、5.018，通过推压护套的内表面迫使其与储存罐“更好地”接触。
图6B示出了热传感器条壳体6.064和热传感器6.060在C-C(图6A)的剖视图。热传感器壳体6.064的中空D形轮廓6.064C包括适于容纳热传感器导线6.060的内部通道6.061。挤压件可以包括适于保持热传感器线的通道6.061。
图6C示出了第二热传感器装置，其包括壳体6.068和其上安装有热传感器6.074的柔性印刷电路板热传感器条6.072。热传感器条6.072可以包括适于连接到相关控制器的终端6.066。热敏电阻条上的导电轨迹使热敏电阻能够连接到控制器。
图6D示出了热传感器条壳体6.068和热传感器条6.066在D-D(图6C)的剖视图。中空的D形轮廓6.068D-D包括适于容纳安装在印刷电路板条6.072上的热传感器6.074的内部通道。支架6.065接合壳体中的内部通道，以将热敏电阻保持在壳体的基座上。
图6E显示了挤压件6.064和粘合带6.070。可以提供封闭盖6.076来封闭壳体挤压件6.064的远端。壳体可以由合适的导热材料制成。在本实施例中，壳体由铝制成。
在图6F的实施例中，壳体可以由两个挤压件组成，基本平坦的基部挤压件6.069和盖挤压件6.067，基部和盖包括沿着它们的纵向侧边的互补纵向搭扣配合装置6.073。
图6G示出了根据本发明一个实施例的多热敏传感器条的截面。空心管挤压件6.090包括多个开口的热敏电阻通道，例如6.061.1，具有基本上“U”形。通道适用于接收热敏电阻线，如6.060.4。热敏电阻6.074.4可以沿壳体在不同的长度处放置。热敏电阻可以在面向水加热器储存罐壁的一侧具有较宽的基脚(footing)，例如6.096.4，以提供较大的热接触表面。
图6H示出了根据本发明类似于图6G的实施例的另一个多热敏传感器条的截面。热传感器壳体包括挤压件6.092。在图6H的实施例中，图6G的通道已经被由内壁限定的封闭通道代替，例如6.094.1。温度传感器，如6.074.4，可以连接到双线电缆，如6.060.4。
图7A至7D示出了两件式泡沫挡板7.200的各种视图，该泡沫挡板7.200适于在泡沫注射过程中屏蔽储存罐上的控制元件。如图7B所示，泡沫挡板包括第一半部7.202和配合的第二半部7.204。组装的挡板被设计成限定第一孔7.208，该第一孔被设计成接合在储存罐壁上的疏离凸缘(stand-off flange)下方，并且围绕通孔，使得能够插入加热元件。上孔7.210设计用于容纳安装有控制组件的热切断开关。控制组件可以包括功率继电器，该功率继电器与热切断开关串联连接并连接到储存罐内的电加热元件，并且其电连接穿过密封到储存罐壁的凸缘。
图7C示出了挡板元件7.202和7.204的面向储存罐的侧面(内表面)。挡板段的内表面是弯曲的，以匹配圆柱形储存罐壁。突破部7.216、7.218、7.220提供了对相应通道和凹槽7.216.1、7.218.1、7.220.1的介入。这些通道和凹槽适于容纳部件，例如电缆和连接器2.016、2.023以及热传感器条2.018，如图2所示。
图7D是根据本发明实施例的泡沫挡板的分解图，示出了挡板的两半7.202、7.204。可以提供热敏电阻载体7.206，将温度传感器保持在储存罐壁附近，并提供与控制器的连接。
泡沫挡板的两个半部可以在单个模具中模制，该模具具有背对背布置的两个半部，并且通过相互连通的通道连接。外围突出部7.222是由来自模制过程的互通通道形成的残余泡沫形成物，以形成泡沫挡板。
挡板7.202、7.204的两半可以通过一种或多种类型的闭锁装置保持在一起。下面参照图8G和8H详细描述根据本发明实施例的闭锁装置。
一旦安装了热传感器条、热切口、元件控制组件和其他安装在储存罐上的物体，泡沫挡板可以安装在安装在储存罐上的物体，突破部已经打开以允许连接电缆和热传感器条通过。位于加热元件凸缘周围的位置，开口7.208位于凸缘周围。外护套1.002位于挡板7.200之上，挡板的外表面被弯曲以匹配护套的圆柱形曲线，并且挡板的内表面被弯曲以匹配储存罐壁，使得挡板被牢固地保持在护套和储存罐之间。当注入泡沫绝缘材料以填充护套和储存罐之间的空间时，挡板将注入的绝缘泡沫从孔7.208、7.210中排除。
图8A至8F示出了根据本发明实施例的泡沫挡板的右侧部分的正交视图。
图8A是8.204.1的俯视图，显示了泡沫挡板的曲面。
图8B显示了8.204.2的左侧视图。
图8C显示了前视图8.204.3。在图8C的下端可以看到闭锁装置8.236的元件。
图8D显示了8.204.4的右侧视图。
图8E示出了底视图8.204.5，再次示出了适于与储存罐壁和护套壁一致的挡板的曲面。
图8F是图8C的泡沫挡板的右侧截面的倒置后视图8.204.6。如下所述，闭锁元件8.238.1和8.238.2是三角形轮廓突出物，适于与泡沫挡板左侧部分上的互补三角形轮廓闭锁元件接合。如下所述，闭锁脊8.232.1、8.232.2适于与泡沫挡板左侧部分上的闭锁脊接合。
图8G是显示双闩锁装置细节的示意图。上部闭锁元件装置8.242可以是左侧泡沫挡板段的一部分，而下部闭锁元件装置8.244可以是泡沫挡板的右侧部分的一部分。然而，很明显，这些闭锁装置在挡板段之间是可互换的。当泡沫挡板的两半组装在一起时，闭锁装置被接合。
三角形轮廓的闭锁元件8.236、8.238接合，因此面8.248和8.246互锁。闩锁的三角形轮廓阻止挡板段的切向分离。
闩锁装置的倾斜表面8.233、8.235本身不会提供有用的接合力。然而，当挡板的部分被组装以抵抗径向分离时，脊8.232和沟槽8.234对齐，径向指的是储存罐的圆周。储存罐壁和护套壁也抵抗径向分离。
第一闭锁装置包括一对互补的三角形闭锁轮廓。图7D是挡板7.200的分解图。挡板7.202的左侧部分包括面向上的三角形轮廓闭锁元件7.236，其适于接合位于7.238处的相应的向下三角形闭锁元件。当组装半挡板时，面向上和面向下的三角形闭锁元件接合以抵抗分离力将两个半挡板保持在一起。护套和储存罐壁施加在半挡板上的强大压力将半挡板固定在一起。
根据本发明实施例的第二闭锁装置由沟槽和脊状结构提供。配合斜(是指挡板部分的圆柱表面的切平面(基准切平面))面8.233(图8H)、8.235(图8I)分别包括闭锁沟槽8.234和闭锁脊8.232。倾斜平面可以以小于45°的角度倾斜(图8G中的8.237)或低于图8G中的8.239所示的基准切面，以提供脊和槽之间的接合，这防止脊和沟槽横向分离。例如，夹角8.237、8.239可以大约为30°。
通过具有如上所述的一对互补的三角形闭锁元件8.236、8.238，以及承载闭锁沟槽8.234和脊8.232的一对倾斜表面8.233、8.235，可以提供双闭锁装置。
图8G示意性地示出了双闩锁装置的侧视图。图8H和8I示意性地示出了双闩锁装置的透视图。三角形轮廓的面向上的三角形闭锁元件8.236和位于倾斜表面8.233上的面向下的闭锁沟槽8.234。泡沫挡板的另一部分上的互补三角形轮廓闭锁元件8.238被设计成，当泡沫挡板被组装时接合三角形接合元件8.236，使得表面8.246和8.248被接合，以抵抗分离力。当如图所示组装挡板时，面8.246、8.248接合，例如在图13D中。
倾斜表面的夹角8.237、8.239可以小于45°。夹角可以为约20°。
图9A至9F示出了与图7的挡板段相接的左侧或互补挡板段的视图。图9A显示了互补挡板段的俯视图9.274.1。图9B显示了互补挡板段的左侧视图9.272.2。图9C显示了互补挡板段的正视图9.272.3。图9D显示了互补挡板段的右侧视图9.272.4。图9E显示了互补挡板段的仰视图9.272.5。图9F显示了互补挡板段的倒置后视图9.272.6。在图9F的顶部和底部可以看到双闩锁装置，其中下部闩锁轮廓9.236(后视图)和闩锁轮廓9236适于与闩锁轮廓8.236接合。
图10示出了由图7和9的泡沫挡板段组装而成的泡沫挡板。连结线10.228.1、10.228.2表示泡沫挡板两部分之间的连结。提供下孔10.208以容纳储存罐上的元件安装凸缘，而上孔10.203可以容纳安装在电切断开关上的加热元件控制器。
图11A示出了储存罐11.100上的凸缘附件，以便于将加热元件连接到储存罐上。凸缘11.080具有围绕储存罐11.100的壁中的元件插入孔焊接的疏离突柱管(stand-off stubtube)11.082.1。凸缘11.080可以包括螺纹孔，例如11.085，以使得加热元件上的配合凸缘能够密封地附接到储存罐凸缘11.080。当元件凸缘连接到储存罐凸缘时，用于O形密封圈11.089的座11.084确保水密密封。代替凸起环11.084，在两个凸缘附接之前，O形环11.089可以在凹槽中被保持在元件凸缘上。通孔11.088允许加热元件插入储存罐中。该元件包括元件凸缘(未详细示出)，该元件凸缘可包括匹配孔，以与储存罐凸缘11.080的螺纹孔11.085对齐，从而允许螺栓拧入螺纹孔11.085中，以压缩凸缘之间的O形环密封，并将元件在储存罐内保持就位。
如图11B所示，挡板由两个兼容的部分组成。这允许在控制器和电气切断开关已经安装在储存罐上之后，并且在应用护套之前，围绕控制器和电气切断开关来组装该挡板。一旦外护套被应用，则泡沫隔热材料可以被注入到储存罐和外护套之间的空间。挡板防止注入泡沫隔热材料接触控制器和电气切断开关。如图11B所示，泡沫挡板段11.202包括围绕孔10.208的边缘11.082.2(图10)。相应的边沿(未示出)也设置在挡板段11.204上。挡板的挡板段围绕支撑管11.082.1装配，边缘11.082.2紧贴地装配在凸缘11.080下面(过盈配合)并围绕突柱11.082.1。接合元件(例如，参见图8)可以被接合。因此，凸缘11.080将组装好的挡板保持抵靠储存罐，同时接合元件保持挡板的各段不发生切向分离。
图12是根据本发明实施例的泡沫挡板的分解立体图。三角形轮廓闭锁元件显示在挡板右侧部分的12.248.1和12.248.2处，匹配的三角形轮廓闭锁元件12.246.1和12.246.2显示在挡板左侧部分。
图13示出了根据本发明的一个实施例的组装泡沫挡板，图13B至13E示出了沿A1-A1、B1-B1、A2-A2和B2-B2的截面。
图13B示出了经过倾斜面的截面，面向下的沟槽13.234.2和面向上的脊13.232.2接合。
图13C显示了接合的三角形轮廓13.246.2和13.248.2。
图13D显示了沟槽13.234.1和脊13.232.1接合的倾斜面。
图13E示出了接合的三角形轮廓闭锁元件13.246.1和13.248.1。
图14A示出了本发明另一实施例的水加热器储存罐。在该实施例中，除热切断开关之外的加热器元件的控制功能在水加热器外部，并通过连接器14.510连接到电源连接器14512和温度信号连接器14.514。这种装置为可连接到水加热器的那类控制器提供了通用性。
热传感器条14.516在储存罐14.100外部的主要部分上延伸。
澳大利亚专利第2005306582号(WO2006/053386)公开了一种热传感器条14.516，其支撑多个单独的热敏电阻，例如14.518，该热敏电阻可应用于水加热器储存罐的外壁，以在多个垂直分离的点获得储存罐水的测量值，该专利的内容通过引用结合于此。有几个温度传感器增加了适用于计算可用热水量的系统的精确度。
图14A的水加热器储存罐是一个2元件储存罐14.100。在将护套和隔热材料应用于储存罐之前，将许多物品安装在储存罐上，包括上部和下部热切断开关14.502、14.504、上部和下部加热元件凸缘14.506、14.508，以及储存罐内的相关加热元件和具有一个或多个单独温度传感器14.518的多元件热传感器条14.516，该传感器可以是例如单独的热敏电阻。热传感器条在储存罐高度的大部分上延伸。热敏电阻可以有正的或负的温度系数，电阻随着温度的升高而增加或减少。
每个热敏电阻，例如14.518，具有单独导线连接(例如14.549)和公共导线连接14.548。公共导线连接和单独导线连接到热传感器条多导线连接器14.514。多导线连接器14.514和电源连接器14.512连接到组合的连接器14.510。功率开关14.502、14.504通过连接器14.512连接到输电线功率。热传感器条14.516连接到多导线连接器14.514。组合的连接器与电源连接器14.512和热传感器连接器14.514二者连接，因此可以使用单个连接器来连接设备。
通过热开关14.502、14.504向元件供电，如果与热开关相邻的储存罐壁的温度超过预定值，热开关14.502、14.504可以自动中断到元件的电流。热开关也可以称为电气切断开关或热切断开关。
外部控制处理器14.550可以从热传感器条接收温度信息，并且可以响应于此而向功率调制器14.255发送控制信息。功率调制器接收来自功率供应14.554或可再生功率供应14.555的功率，例如太阳能或风能。电源选择器14.557可以被编程为基于可再生能量的可用性和水加热器的温度或热含量来选择输电线功率或可再生能量。在一个替代方案中，功率选择器可以由控制处理器14.550控制。可以选择电源，以便在可获得可再生能量时优先于输电线功率来输送。
在另一个替代方案中，可再生能量输出可以直接连接到输电线功率输入。当可再生能量可用时，它将优先用于供应本地负载，因为由于网络阻抗，输电线供应在更高的阻抗上输送。
每个热敏电阻的电阻可以通过电阻测量电路来测量。单个电阻测量电路可以依次(轮询(polling))连接到每个热敏电阻的单独导线(14.549)，同时单独测量和存储每个热敏电阻的电阻。每个热敏电阻的电阻测量可以通过在短时间内向热敏电阻施加已知的电流或电压来进行，因此可以获得储存罐中水的温度状态的快照(snapshot)。热敏电阻的轮询可以连续进行，或者以预定或可控的时间间隔进行。
因为热传感器条传感器14.516在储存罐高度的大部分上延伸，所以各个热敏电阻值可以提供储存罐热含量的指示，其可以由处理器/控制器14.550来计算。
图14A的装置可用于控制水加热器的操作。图14B示出了根据本发明的方法的实施例，其中可以通过测量所进入冷水的温度并通过计算储存罐中高于预定温度(例如，在35℃和40℃之间)的水量来确定“可用”热水的测量值。可选地，用户可以选择更高的温度。可用热水可用于确定水加热器以给定流速来输送高于预定温度的热水的时间。
在本发明的一个实施例中，使用包括处理器的系统，例如在图14A的装置中以14.550示出的处理器，该系统可以检测热水的可用体积，并确定是否使用可再生能量或输电线功率来接通水加热器的加热元件。在共同未决的申请AU2016250449中，其内容通过引用结合于此，描述了一种适于选择性地利用可再生能量或输电线功率的系统。与使用输电线功率(VUR)相比，该系统可以利用可再生能量储存更多的可用热水(VUX)。这使得用户能够优先利用可再生能量而不是输电线功率。在图14B中，在步骤14.352选择所需的可用热水量(VUR)。然后，系统在步骤14.354和14.356检查可再生能量的可用性。如果没有可再生能量可用，在步骤14.358根据温度传感器读数计算可用热水(VUM)。在步骤14.360，对照VUR来检查VUM，如果VUM小于VUR，在步骤14.362，针对水加热器元件来接通输电线功率。如果VUM超过VUR，在步骤14.364关闭水加热器的电源。
在步骤14.356确定可再生能量可用时，在步骤14.366关闭水加热器的输电线功率。如共同未决申请AU2016250449中所述，当可再生能量可用时，可再生能量可以自主地替代输电线功率。然后，在步骤14.338和14.370，系统检查热水VUM的测量体积是否大于预设的最大VUX。VUX可以比VUR更大，所以额外的可再生能量可以作为热水来储存。如果VUM小于VUX，则在步骤14.372将可再生能量施加到加热器元件，并且系统通过回路14.354、14.356、14.368、14.370、14.370继续监测可再生能量的可用性，并且监测与VUX相关的VUM。如果VUM超过VUX，则在步骤14.374，可再生能量从加热元件断开。然后，系统继续监测可再生能量的可用性，并确定是否需要使用输电线功率或可再生能量来获得所需量的可用热水。
公式：
Vu＝V(1+(Th–Tu)/(Tu-TC)，其中
Vu＝可用热水量。
V＝温度Th时的水体积，
Tu＝可用水的温度，以及
Tc＝冷水温度，
可用于确定可用热水量的指示。
这可以用来计算淋浴次数或其他用途。这使得用户能够对水加热器进行编程，以在可再生能量不可用时，通过选择最小可用水量，来限制输送到水加热器的输电线功率电量。
通过在每个传感器之间将储存罐分成多个空间，并使用每个空间底部的温度，可以计算出可用热水的总体积。
这提供了一个保守的估计，因为两个传感器之间的所有水被假定为处于较低传感器的温度。其他选项，例如对每个空间使用平均温度，可能会高估可用空间，尤其是温度传感器间隔很大的情况。
图15A示出了类似于图14A的储存罐装置，不同之处在于具有单独热敏电阻的热传感器条14.516被连续的热传感器条15.520代替。在这种装置中，没有公共导线，并且可以测量相邻触头之间的电阻，例如15.522、15.524。
图15AA示出了根据本发明实施例的安装水加热器的方法。在步骤15.150中，配置有温度传感器15.520和连接到外部可操作的连接器件15.510(带有或不带有温度控制开关)的加热元件(一个或多个)15.508、15.506的储存罐安装在客户的场所。在第二步骤15.152中，可变功率供应15.558和功率控制器15.550连接到外部可操作的连接器件18.510。在温度控制开关没有安装在储存罐上的情况下，它们可以安装在连接器件15.510的上游。
图15B示出了根据本发明实施例的连续热传感器条(CTS)的实施例的一部分。CTS15.520可以包括在合适的基底15.528上的热敏电阻材料层15.526。可选地，基底的相对侧可以包括粘合剂层15.530，该粘合剂层在使用前可以由可剥离的可移除保护性粘合剂释放层15.532保护，该保护性粘合剂释放层15.532轻微地粘附到粘合剂上。可以在热敏电阻材料层上施加保护绝缘层(未示出)。基底可以是刚性的或柔性的。基板可以是柔性印刷电路板(PCB)。柔性PCB可以包括与热敏电阻材料兼容的中间层，以便于热敏电阻材料的沉积。多个电触头，例如15.522、15.524，与热敏电阻层15.526接触。虽然触头显示为拱形，但它们也可以有其他形状。例如，触头可以延伸跨过热传感器条的宽度W。一对这样的触头之间的电阻由触头的间距D、热敏电阻层的宽度W、热敏电阻层的厚度T、热敏电阻层的电阻热系数CT、在给定参考温度下热敏电阻材料的电阻参考值、以及热敏电阻层的温度来确定。
可以以类似于图14A的实施例的方式单独轮询相邻触头之间的电阻。
可以使用合适的粘合剂将热传感器条15.520附接到储存罐壁上。粘合剂可以是导热的。连续的热传感器条具有两个或更多个电连接点15.522、15.524。任意两个相邻连接点之间的电阻对应于两个连接点之间的平均温度。处理器15.550可以计算储存罐中水的温度分布，并使用该温度分布来计算加热元件的适当控制命令。
图15C示出了图15B的替代装置，其中触头15.523、15.525基本上延伸热敏电阻层的宽度。
图15D示出了根据本发明实施例的单元件、单叶片水加热器控制装置的功能元件的示意性装置。储存罐15.100包括单个元件、单个叶片加热元件15.052和外部热传感器条，例如基本上在储存罐的长度上延伸并包括多个接触头15.524的连续晶闸管条15.516。来自热传感器条的这些测量点通过电缆15.526连接到处理器15.550。处理器15.550可以被编程为控制继电器15.322，以根据一个或多个预定条件(例如可用热水的量)来接通或关断加热元件15.502。输电线功率(15.554)或可再生能量(15.555)可通过继电器15.322和热切断开关15.504的串联连接选来择性地输送到加热元件15.052。带有多个分立晶闸管的温度传感器条测量各个点的温度。连续晶闸管温度传感器提供触头间平均温度的测量。热传感器条15.516上的各个连接15.524通过导体(未示出)连接到外部可操作的连接器件15.056。连接器件15.056将这些输出连接到外部控制器15.550，外部控制器15.550可以计算例如水加热器的热含量，并通过开关15.322控制向该元件的功率输送。包括外部可操作的连接器件15.057的电源连接器装置使得电源能够通过热切断开关15.504和温度控制开关15.322连接到水加热器。如本说明书开头所述，在说明书和权利要求书中使用的术语“外部可操作的”包括电源连接上的可移除覆盖件的情况，以及从水加热器护套或水加热器上的其他盖的外部可操作的连接器件。还应理解的是，水加热器的电源连接需要硬线，以便电源连接保持在电气安全覆盖件下，并且导管需要承载暴露在外的接线。裸露的连接器可用于任何超低电压和/或信号线。
电水加热器通常需要有一个热切断开关，如图15D中的15.504。图15D的结构使得电源(15.554、15.555、15.557)和外部控制器15.550能够通过连接器装置连接到配备有一个或多个电加热元件15.052的储存罐，而不需要将电源硬线连接到热切断开关15.504和温度控制开关15.322。因此，监视器/信号连接器件15.056和电源连接器件15.057使得电源和控制功能能够连接到储存罐。这为用户提供了从储存罐供应商以外的供应商处选择电源和控制的能力。
虽然图15D示出了独立的电源和控制连接器，但是如图14A中14.510所示的集成电源和控制连接器装置可用于进一步简化安装。连接器器件可以是插头和插座结构，或接线盒结构，或其它合适的连接装置。
在替换装置中，电源连接器可以放置在温度控制开关15.322的下游侧，如15.057A处的虚线轮廓所示。该实施例提供了额外的灵活性，使得温度控制开关15.322能够与控制器15.550相结合地被提供或者从不同的来源获得。
图15E示出了具有多叶片加热元件15.052.1、15.025.2、15.02.3的水加热器。每个叶片可以由控制器15.550通过相应的多开关继电器15.322独立控制。单个热切断开关15.504可以位于继电器的上游，因此它能够隔离所有三个加热元件叶片。加热元件叶片可各自具有相同的电阻和/或额定功率，或者如PCT/AU2017/051081中所述，它们可具有不同的电阻和/或额定功率，例如三叶片元件，叶片在每900W处具有两个叶片，且在1800瓦处具有第三叶片。
图15F是示出水加热器控制系统15.550的功能元件的框图。微控制器15.400包括控制输入功能15.402，其可用于设置各种水加热器操作条件，例如水温、军团菌控制、顶部或底部加热元件选择。通信控制器15.406可用于提供与控制器15.550的通信。功能可以通过软件、固件或硬件、或手动输入、或前述的两种或多种组合来提供。
显示器15.404可以包括任何合适的显示设备，例如LED、LCD等，以指示水加热器的状态。温度测量值可以通过一个或多个温度传感器(例如一个或多个低温度传感器15.058.1和一个或多个高温度传感器15.058.2)传送到控制器。低温度传感器可用于测量工作水温，也可用于为军团菌控制循环提供输入。如结合图14A所讨论的，连续温度传感器条14516可以提供储存罐中水的温度分布。
热切断开关15.504、15.504.2防止过热。
上部和下部多叶片加热元件15.054、15.052由控制器15.550通过温度控制开关15.322.2、15.322.1控制。控制器通常被编程为在下部加热元件15.052之前操作上部加热元件15.054，以加快热水的可用性。控制器15550使用加热元件选择程序15.412来控制顶部或底部元件选择开关15.414，以选择合适的加热元件。
当在可再生能量上运行时，输送到加热元件的功率可以通过功率控制设备15.255来调节，功率控制设备15.255可以是例如晶闸管等。电流传感器15.408可以监测流向加热元件的电流。功率设备15.255可以用大的散热片进行空气冷却，用较小的散热片进行风扇冷却，或者安装在热沉上，如下面参考例如图18所讨论的。可以通过温度传感器15.266来监测功率控制设备的温度，以使微控制器15.400能够确保不超过功率控制设备的工作温度。
DC功率通过变压器和转换器装置15.410获得。例如，这可以提供12v DC输出和3.3v DC输出。
控制器15.550可以安装在图23的外部PCB 23.302上。
图16A和16B示出了根据本发明实施例的水加热器的特征。在一些应用中，例如利用太阳能电源，对用户来说获得一种调节输送到水加热器元件(一个或多个)的功率的系统是有利的。太阳能电源系统可以包括逆变器，以确保其输出电压和频率与AC输电线电压兼容。因为在调节太阳能功率供应时需要消耗相当大的功率，所以有必要确保功率控制元件不超过其最高额定温度。某种形式的热沉是驱散“多余(waste)”能量所必需的。热沉通常体积庞大，并且有散热片以提供更大的能量耗散表面。我们发现热沉可以附接到储存罐的下部，因为加热元件下方的储存罐下部的水温比加热元件上方的水温低得多。储存罐下部的温度可以低于40℃。水是比空气更有效的冷却介质，这使得可以使用更小的晶闸管和更紧凑的热沉。这种结构如图16A、16B、17、18、19、20、21A和21B所示。
如图16A和16B所示，在护套16.002中提供了在水加热器底部附近安装热沉16.250的装置。在该实施例中，热沉安装在冷水入口16.014附近。
图17是根据本发明实施例的水加热器的底视图，其中示出了储存罐17.100、护套17.002和热沉孔17.020。
图18示出了安装在与图14的储存罐14.100相同的水加热器储存罐18.100上的热沉18.250。热沉可用于分散热量，该热量来自用于调节输送到加热元件的功率的功率损失。功率调制设备18.255，例如功率晶体管、晶闸管或MOSFET，可以与热沉18.250物理和热接触。功率调制器可以由控制器18.550按照虚线18.253控制。功率可以从输电线功率18.551或可再生(例如太阳能或风能)能源18.555输送到水加热器。
外部控制器18.550可以与用户接口设备18.556相关联，例如触摸屏、按钮和LED阵列或键盘，以使用户能够对水加热器的操作进行编程。
此外，控制器可以与通信接口18.558相关联，例如调制解调器、WiFi等，以使得控制器18.550能够经由通信网络(例如万维网或因特网)被远程编程。
控制器18.550可以并入在家庭或商业现场自动化系统中。用户接口18.556和通信接口18.558可以与处理器18.550集成。仪表18.553可以记录来自输电线18.554的功率输送以及从可再生能量18.555到输电线的功率输送，此外，仪表可以记录从可再生能量到户内应用(例如水加热器)的功率输送。
图18A示出了根据本发明实施例的安装水加热器的方法。在步骤18.150中，在客户的房屋中安装配置有温度传感器18.520和一个或多个加热元件18.508、18.506的储存罐，加热元件连接到外部可操作的连接器件18.510、热沉18.250和功率控制设备18.255，带有或不带有附加的温度控制开关。在第二步骤18.152中，可变功率供应18.558和功率控制器18.550连接到外部可操作的连接器件18.510。
在替代实施例中，功率控制设备18.255可以并入在连接器件18.510上游的外部电路中，如上面参考图15AA所述。
图19的装置类似于图18的布置，使用图15A的储存罐15.100，图18的热传感器条被连续的热敏电阻条19.520代替，如上面参考图15所述。
图19A示出了水加热器的一个实施例，其中热传感器信号连接器19.604与储存罐底部的电源连接器分离。该实施例包括盲管19.600，以虚线示出，因为盲管19.600在储存罐内，从储存罐顶部的正端进入储存罐19.100。它将穿过一个类似于图11A所示的配件，这样盲管可以相对于储存罐密封，以防止水在压力下通过一个O形环等流出。安装在管19.600中的是连续条19.520上的六个温度传感器19.602的阵列，从而可以测量储存罐19.100中的温度，在这种情况下是5个带中的平均温度。如果使用单独的温度传感器，将测量六个不同高度的温度。为了便于说明，未显示项目19.253和19.255。如果需要，如这里参照图6A至6H所述，温度传感器壳体组件中的一个可以与盲管19.600一起使用，以将温度传感器定位在储存罐19.100内的适当高度。
图20以隐藏细节图示出了根据本发明实施例的热沉安装结构。热沉20.250使用附接到储存罐壁的卡式螺母20.254和螺栓20.252而附接到储存罐壁20.100。参照图22进一步描述的热沉泡沫挡板20.256防止泡沫隔热材料在注射泡沫隔热材料期间进入热沉附近。热沉泡沫挡板保持在储存罐壁和护套20.002之间。泡沫挡板20.256围绕热沉20.250。热沉通过附接到螺母20.252的螺栓20.252而安装到储存罐壁20.100，螺母20.252固定到储存罐壁20.100。如图20所示，热沉可以具有直的底部，在热沉的底部和填充有导热板20.264的储存罐的弯曲壁之间形成间隙。
图21A和21B示出了类似于图20的热沉，但是具有弯曲的底部21.251以匹配储存罐壁的弯曲。热沉可以是铝或其他导热材料的实心块。实际上，弯曲基部21.251可以具有比储存罐壁稍小的半径，使得当螺栓20.252被拧紧时，储存罐壁可以稍微变形，以与弯曲部21.251配合。热沉的热膨胀系数通常与储存罐壁的热膨胀系数不同。然而，这可以通过经由螺栓20.252向热沉施加足够的压缩力而在某种程度上得到补偿。
图21A的热沉包括适于容纳螺母20.254的第一凹槽21.260和适于使螺栓20.252接合螺母的第二孔21.258。
热沉20.250包括形成通孔的一对连通孔20.258、20.260。孔20.260容纳固定在储存罐壁上的卡式螺母20.254。孔20.258允许螺栓20.252接合螺母并保持热沉与储存罐壁接触。热沉20.250可以包括凹面20.251，该凹面适于与箱20.100的壁相符合。热沉可以具有带弯曲底部的梯形形状，该底部比顶部宽，并提供更大的接触面积，以用于向储存罐壁的热传递。螺纹螺孔21.259用于附接功率调制设备，如晶闸管。热沉可以由具有良好导热性的金属制成，例如铝。热沉可以设计成与圆柱体外径稍微不匹配，使得当单个附接螺栓被张紧时，金属面将配合在一起，并提供跨越边界的改善热传递。热沉21.251的底部可以具有比室温下的储存罐壁曲率略小的曲率半径，使得在选定的工作温度下，例如60℃，热沉底部的曲线将与储存罐壁的曲线相匹配。通过在该界面和开关部件界面之间添加导热膏，可以增强进入水中的热传递能力。
一个或多个功率调制设备，例如晶闸管或功率晶体管，可以安装在热沉上。来自调节设备的热量通过储存罐壁传递给储存罐内的水，因此来自调节设备的热量用于加热储存罐内的水。
图22示出了根据本发明实施例的适于封闭热沉的泡沫挡板22.256。热沉挡板具有弯曲的下侧22.257以匹配储存罐壁的曲率，以及弯曲的上侧22.261以匹配护套的曲率。热沉挡板包括孔22.262，以容纳诸如上述22.250的热沉。孔22.263的顶部可以是开放的，以提供对热沉的触及。当热沉已经附接到储存罐壁上时，泡沫挡板20.256可以是放置在热沉上的单件泡沫挡板。
图23示出了根据本发明实施例的双PCB装置的分解图，以提供用于控制器的紧凑组件。第一PCB组件23.302包含一个或多个电路部件和第一连接器元件，例如多针插头23.304。第二PCB组件23.306包含一个或多个电路部件和第二连接器元件，例如插座23.308。连接器元件23.304和23.308是匹配的多触头连接器，并且其尺寸被设计成使得当接合时，第一控制器PCB 23.302在第二PCB组件23.306上的部件上方间隔开、或者与之重叠或邻近。第一PCB组件23.302可以从连接器23.304、23.308悬置于第二PCB组件23.306上方。
第一PCB组件23.302可以包括控制芯片，例如通过连接器23.304-23.308连接的可编程控制器、ASIC或微处理器23.303，以控制第二PCB23306上的部件。在该实施例中，PCB23.306可以包括继电器，例如控制具有一个或多个叶片的电元件的23.322。
图24示出了图23的组合式双PCB组件和热切断开关24.310的第一分解图。
PCB可以物理安装在热切断开关上，如图24所示的24.310。安装支架24.320可用于将PCB连接到热切断开关(thermal cut-out switch)。
安装支架24.320例如通过螺钉连接到热切断开关24.210。或者，安装支架可以与热切断开关壳体集成在一起。安装支架带有连接元件，例如卡扣配合元件(图26中的26.312)，以与PCB 24.306接合。
因此，图24的装置提供了三层布置：A-电气切断开关、B-功率开关继电器和C-功率开关控制器。电源通过功率控制继电器和电切断开关的串联连接而输送到电加热元件。这种装置提供了具有减小占地面积的紧凑组件，同时将功率控制器定位在远离储存罐加热壁的位置。
图25示出了图24的装置的第二分解图。控制器PCB组件可以通过安装支架25.320连接到热切断开关，安装支架25.320连接到热切断开关。
图26示出了热切断开关26.310和双PCB组件26.302、26.306的组件。
图26是沿图27中G-G线的剖视图。
图28是显示控制器印刷电路板28.302悬臂安装在继电器PCB23.306上的侧视图。
可选地，PCB安装支架29.320可以集成到热切断开关29.310的壳体中，如图29所示。
将PCB组件安装到热切断开关上的安装装置可以通过将安装支架装配到热切断开关上来实现，安装支架承载已经连接了控制器板的继电器板。
下面参考图52和53描述附加的控制器配置。
图30显示了通过电缆30.016连接的一对继电器PCB 30.306.1和30.306.2。继电器PCB 30.306.1包括三个继电器30.320.1、30.320.2和30.320.3，用于控制上部加热元件。继电器PCB 30.306.2承载继电器30.320.4和30.320.5，以控制下部加热元件。
在图30中：
1a＝顶部ECO引脚3.引线；
1b＝控制功率引线；
2a＝继电器_T_B公共引线；
2b＝控制功率引线；
3＝顶部ECO引脚4引线；
4a＝顶部ECO引脚6引线；
4b＝控制出口引线；
5＝继电器_T_B常开引线；
6＝继电器_T_B常闭引线；
7a＝顶部ECO引脚4引线；
7b＝底部ECO引脚2引线；
8＝控制出口引线；
9＝控制器板8引脚连接器引线；
10＝底部元件继电器板引线；
11＝CT夹引线；
将控制器PCB组件安装在热切断开关上使控制器PCB组件与储存罐壁隔开，这样控制器部件就不会与加热的储存罐壁接触，同时提供紧凑的占地面积。因此，性能会受热量影响的部件也可以安装在PCB 29.302上。
虽然上述和所示的实施例利用了接合或位于所示储存罐外侧的温度传感器，但是应当理解，温度传感器可以替代地位于一个或多个盲管内，该盲管可以通过类似于图11A所示和所述的配件插入储存罐内，使得温度传感器将如图19A所示位于储存罐内，并且盲管的外侧可以相对于储存罐密封。这可以是螺栓结构，或者如果需要，也可以使用螺钉结构。这些可以位于储存罐的不同高度。
图31所示的PV水加热系统包括PV收集器31.002、逆变器31.004、储存罐31.020、具有两个或更多元件31.016.1至31.016.x的加热单元31.016、温度传感器31.022、多个开关31.014.1A至31.014.m(每个与加热元件相关联)、AC调制器31.060、公用电网供应31.050、双向公用电网电表31.052、公用电网开关31.054和控制器31.040。因为加热元件31.016.1通过调制器供能，所以开关31.014.1A是可选的，因为调制器输出可以减小到零。
PV收集器31.002连接到逆变器31.004，逆变器31.004将PV收集器输出的DC电压转换成适于输送到公用电网的交流电压供应。水储存罐31.020具有第一多元件加热单元，该单元通过密封凸缘31.017插入储存罐的下部。虽然温度传感器31.022显示为通过凸缘31.017插入，但是它可以是通过单独的密封开口插入的，该开口可以在储存罐的顶部。温度传感器31.022被定位成利用两个或更多个单独的加热元件31.016.1至31016.x来测量加热单元附近的水的温度。应当理解，储存罐可以在不同的垂直位置配备两个或更多个温度传感器。
电路31.001向其他户内设备供电。在输送PV能量方面，其他户内用途通常优先于水加热器。
逆变器31.004的输出可通过开关31.014.1A至31.014.m中相应的一个连接到元件31.016.1至31.016.x中的至少一个。
在图31的实施例中，调制器31.060调制提供给加热元件31.016.1之一的AC逆变器输出。
控制器31.040适于接收系统信息，例如经由链路31.022.1来自温度传感器31.022的传感器信息，以及经由链路31.053.1来自电流传感器31.053的公用电网电流信息。这使得控制器能够监测去往或来自公用电网的能量流动方向。电流传感器可以是具有内部通信能力的模块化设备，其可以使电流传感器能够通过多种不同的链路(例如家用电线、蓝牙、WiFi或物理电缆)向控制器发送信息。或者，如果电力公司同意，电流可以从电力公司的双向仪表31.052获得。电流传感器向控制器提供关于由控制器输出的调制器调节效果的反馈。
控制器适于通过控制链路31.014.1.1至31.014.m.1来控制开关31.014.1至31.014.m.1。控制器还通过链路31.060.1控制调制器31.060。控制器可以是可编程控制器或其他合适的微处理器控制的装置，其适于对输入做出响应并控制电路部件，例如开关31.014A、31.014B、31.014m。控制器可以控制交流逆变器输出或公用电网的功率与一个或多个加热元件的连接。
公用电网功率供应31.050可以通过单独的元件开关和公用电网断路器开关31.054连接到加热元件。
两个或更多个单独的加热元件31.016.1至31016.x可以单独地或以两个或更多个元件的组合连接到电源，例如经由逆变器31.004的太阳能收集器31.002或公用电网功率31.050。因为元件31.016.1是调制的，所以它可以连接到两个开关31.014.1A和31.014.1B。控制器31.040控制开关，使得当光伏电源可用并且储存罐中的水温低于最大允许温度(最大温度阈值)时，开关31.014.1A将光伏电源连接到调制器31.060。当没有光伏电源时(例如，在晚上)，如果水低于第二温度阈值(通常较低)，控制器可以使开关31.014.1A断开，并且控制器可以操作开关31.014.1B将公用电网供应连接到加热单元。控制器还可以考虑一天中的时间费率，以降低使用公用电网电力的成本。
元件的电阻可以相等，或者一个或多个元件可以具有不同于其他元件的电阻。将描述图31的结构，其中加热单元具有三个加热元件A、B、C，最高功率元件C具有Q欧姆的电阻，而另外两个元件A、B具有相等的2Q欧姆的电阻。在图33的示例中，对于240v的AC供应，元件A和B的额定功率为900瓦，元件C的额定功率为1800瓦，提供了3600瓦的组合额定功率。
控制器接收来自温度传感器31.022和公用电网电流传感器31.053或双向公用电网电表31.052的输入。当PV收集器产生大量功率时，可能会超过其他户内用途的需求。在以前的馈入系统中，来自PV收集器的多余电力将被馈入公用电网，电表31.052计算输送到公用电网的电量，并且公用电力公司将以指定的馈入电价将该电量记入家庭所有者。
根据本发明的一个实施例，当控制器31.040检测到功率从PV收集器流向公用电网时，它可以启动水加热器电路以将PV能量转移到水加热器。只有当PV收集器的功率超过水加热器和其他家用设备的需求时，多余的光伏收集器功率才会输送到公用电网。
图33中所示的可切换加热元件配置的优点是能够使调制器的输出功率连续变化，而在这个例子中，只有一个元件，即与元件31.016.1相对应的元件A，通过调制器31.060供电。
在示例性实施例中，通过互补的加热元件，元件A是900W的元件，元件B是900W的元件，元件C是1800W的元件，或者更一般地，元件A和B各自具有2R的阻抗值，而元件C具有R的值
假设在初始状态下，加热元件未通电，电流传感器指示电流从逆变器流入公用电网。当控制器检测到这种状态时，它启动一个过程，将多余的能量从公用电网转移到水加热器中，同时通过电流传感器持续监测电流方向。电流传感器可以以足够高的采样速率对电流进行采样，以使控制器能够跟踪调制器输出的每次调整的效果。
在阶段1中，只有元件A通电(开关31.014.1A闭合)。控制器控制调制器，使得调制器的输出最初从零伏开始，然后增加调制器的输出，直到900W的全功率输送到元件A，或者直到电流传感器检测到流向公用电网的电流已经停止。
如果电流传感器检测到电流仍然流向公用电网，则控制器启动阶段2。在阶段2，控制器以其全900W的功率接通元件B，同时也将调制器输出降低到零，因此没有功率被输送到元件A。元件A然后可以从零斜升到900瓦，从元件A和元件B的组合给出1800W的组合功率。再次，如果在全功率被输送到元件A和B之前流出到公用电网的电流停止，控制器将停止增加调制器的输出。
在第3阶段，元件A和B被关断，元件C被接通，保持功率在1800W。元件A再次从零斜升到900W，导致2700W的功率使用，这是元件A和C的组合。再次，如果流出到公用电网的电流在全功率输送到元件A和C之前停止，控制器将停止增加调制器的输出。
在阶段4中，元件A被关断，元件B被完全接通，提供2700W的初始功率消耗。再次，元件A被接通，并且可以从零上升到900W，导致3600W通过元件A、B和C的组合被输送到储存罐。再次，如果在全功率被输送到元件A、B和C之前流出到公用电网的电流停止，则控制器将停止增加来自调制器的输出。如果电流仍然流出到公用电网，则双向电表31.052将继续为用户记录所提供的能量。
可选地，公用电网可以通过开关31.014.1B连接到元件31.016.1，同时绕过调制器31.060。当从PV收集器没有有用的输出时，例如，在夜间，则需要公用电网电力来加热水，开关31.014.1A打开，因此公用电网电力不通过调制器31.060馈送到元件31.016.1。
逆变器可设计为从PV收集器汲取功率，直至PV收集器在当前日照水平下的最大功率点。当太阳能不足以完全满足其他家用需求时，逆变器确保在汲取公用电网供电之前将可用的PV能量输送给负载。逆变器可以通过相对于公用电网电压调整逆变器输出电压的相位和幅值来实现这一点。
在图31B的描述中，对恒温器和温度传感器进行了区分。恒温器是一种机械设备，其物理热特性可以在设定温度下改变状态。温度传感器可以充当温度计，提供连续的温度读数。图31B的附加特征是中性开关的使用，下面参考图32B更详细地解释，线A是有源的(active)，线N是中性的。这使得控制器31.040能够选择上部加热单元31.016或下部加热单元31.012。
图31B示出了水加热器，其具有位于储存罐下部的第一加热单元31.012，以及位于储存罐上部的第二加热单元31.016。包括温度监视器31.100和恒温器开关31.102的恒温器装置可以以最小的构造提供。
恒温器可以独立于控制器31.040运行。
在没有可选的温度传感器31.022A、31.022B的最小配置的一种操作模式中，恒温器可以被设置为上限温度阈值，例如75℃。在存在多余的PV能量的情况下，例如由流出到公用电网的电流表示，并且当由下部加热单元31.012加热的水达到由恒温器温度监视器31.100感测的上限温度阈值时，恒温器开关31.102将中断流向调制器31.060和加热元件开关31.014的电流。这导致多余的PV能量被输送到公用电网。
通常，来自公用电网的电力只能在非高峰时段输送到水加热器。如果在非高峰时段，当PV能量不可用时，需要对储存罐中的水进行公用电网供电加热，则控制器可以按照公用电网费率表进行编程，并选择上部加热单元31.016，因此公用电网供电仅用于加热储存罐上部的水。如果恒温器是储存罐中唯一对温度敏感的设备，则输电线功率会将水加热到上限温度阈值。因此，这种方法限制了公用电网电力的使用。非高峰公用电网电力可用于加热储存罐的上部，以限制公用电网电力的消耗。当存在多余的可变来源能量(例如PV能量)时，可以使用第二加热单元(例如31.012)来将整个储存罐加热到由恒温器检测到的上限温度阈值。可替换地，第二温度传感器31.022B用于监测储存罐下部的温度。
可选地，至少第一温度传感器31.022A可以位于储存罐的上部。
在包括温度传感器31.022A的第二配置中，当使用公用电网电力时，控制器可以利用来自温度传感器31.022A的信息来设置第二、较低的温度阈值，例如在储存罐上部的60℃，以减少电网功率的使用。
在另一种配置中，当使用下部加热单元31.012将PV能量用于加热整个储存罐时，可以提供另一个温度传感器31.022B来测量储存罐下部的温度。当储存罐被加热到选定的温度阈值时，控制器可以关断加热单元，并将多余的PV能量转移到公用电网。
控制器可以被编程为具有非高峰时间，并且还可以适于通过与公用设施公司的通信链路接收非高峰时间信息，使得控制器知道预先编程的非高峰时间，或者使得在没有可变电源可用时优选地从公用电网向水加热器供电的情况下控制器可以被告知可变负载周期。
图31C表示类似于图31A的系统，但是具有减少数量的加热元件，示出了本发明的一个实施例，该实施例具有一个调制的可切换元件31.016和一个可切换的非调制元件31.016。该实施例适于执行图33A的阶段1和阶段2的切换和调制操作。
图32A示出了根据本发明的具有两个多元件加热单元的PV馈入和水加热系统，该系统包括：储存罐32.020、具有一个或多个加热元件32.016.1至32.016.x的第一加热单元32.016、具有两个或更多个元件32.012.1至32.012.y的第二加热单元32.012、第一温度传感器32.022、PV收集器32.002、电池电池输出开关32.046、DC至DC调制器32.042(其也可以具有相关的平滑滤波器)、电池32.044、电池输出开关32.046、逆变器32.004、一组第一元件开关32.010.A至32.010.N(每个都与第一加热单元的元件相关联)、第二组第二元件开关32.014.P至32.014.R、AC调制器32.060、公用电网供应32.050、双向公用电网电表32.052、公用电网断路器开关32.054和控制器32.040。根据开关32.010.A或32.014.P是否在控制器32.040的控制下闭合，调制器32.060被连接为向元件32.016.1或向元件32.012.1供电。
以类似于图31所讨论的方式，控制器32.040接收来自温度传感器32.024和双向公用电网电表32.052的输入。
如参考图31所述，当PV收集器产生大量功率时，可能会超过其他家用使用的需求。控制器32.040可以按照优先顺序将PV收集器功率输送给以下实体：
1.其他家用用途32.001；
2.水加热器31.020；
3.公用电网通过双向电表32.052接入。
在图32A所示的实施例中，当PV收集器的输出超过房屋的需求并且水加热器处于最高温度时，电池32.044可以用于存储来自PV收集器32.002的能量，在这种情况下，控制器32.040在开关32.045上关掉电池充电，并且使得PV电流能够在PV收集器的电力被输送到公用电网之前优先经由DC调制器32.042被引导到电池中。
电池输出开关32.046可以将电池与电路的其余部分连接或断开。当电池充满电并且没有来自房屋的需求时，PV电力可以通过双向电表32.052馈入公用电网。电池充电系统通常会有一个电荷检测器来确定电池何时充满电。
该储存罐装配有两个加热单元，上部加热单元32.016和下部加热单元32.012。加热单元32.016是具有相关开关32.010.A至32.010.N的多元件加热单元32.012.1至32.012.y，并且可以适于连接到PV供应或公用电网供应。下部加热单元可以具有一个或多个元件，并且可以适于以公用电网电力或PV收集器功率运行。开关32.054将公用电网连接到内部线路，包括水加热器和其他家用电路。如图31所示，储存罐只能安装具有两个或更多个加热元件的一个加热单元。
如图36所示，控制器、调制器和带附接凸缘的多元件加热单元可以以适合于重新装配到现有储存罐的形式提供，以取代带附接凸缘的单元件加热单元。还将提供一个电流互感器来测量输入或输出电流，温度传感器将被替换为或安装有一适配器，以确保与控制器的兼容性。
控制器可以被编程以启动上部加热单元32.016，从而在下部加热单元被启动之前加热储存罐的上部。
图32A的装置也可以以快速输送储存罐上部的热水、同时也加热储存罐中剩余的水的方式操作。一部分PV能量可以输送到上部加热单元32.016，剩余的多余PV能量可以输送到下部加热单元32.012。上部加热单元的所有加热元件都可以通电，而下部加热元件中只有一个需要被通电。下部加热元件将产生对流循环，因此当储存罐上部的水快速加热时，储存罐其余部分的水也被加热。下部加热元件可以不对称地设置在储存罐中，以增强循环。因此，例如，四分之三的可用多余PV能量可以输送到上部加热单元，四分之一可以输送到下部加热单元，例如，通过选择下部加热单元的仅一个加热元件。
图32B示出了根据本发明实施例的布线连接装置，图32C示出了在本发明实施例中使用的三端双向可控硅开关(triac)/继电器组合的细节。图32B的实施例提供了与图32A的布置相同的加热单元控制功能，但是需要较少的开关。布线电路的有源A线和中性N线被示为图32B的布置，其利用中性线切换来实现开关数量的减少。
公用电网功率32.050和来自PV收集器32.002的逆变器32.004的输出连接到有源和中性线。
第一加热单元中每个元件的所有中性连接都连接在一起。类似地，第二加热单元中每个元件的所有中性连接都连接在一起。热切断开关[32.070]可能是安全法规强制要求的。
加热元件开关32.062、32.017和32.019包括分别通过链路32.062.1、32.017.1和32.019.1连接到控制器32.040的三端双向可控硅开关。开关32.017和32.019适用于作为ON/OFF开关，并包括继电器(如32.017.2)，其金属触头32.017.3与三端双向可控硅开关32.017.0并联，因此当开关闭合时，金属触头携带电流。当控制器指示开关断开时，三端双向可控硅开关被设计为在继电器工作后断开，以避免金属触头产生电弧。
三端双向可控硅开关元件32.062被设计成用作调制器，因此控制器可以根据开关32.015的状态改变流经三端双向可控硅开关而到达加热元件32.016.1或32.013.1的电流量。控制器通过向三端双向可控硅开关的控制电极施加信号来控制调制器，以接通三端双向可控硅开关，同时移除信号会导致电流在下一个过零点停止，如图35所示。对于纯电阻负载，电流和电压同相。使用如下参考图35B所述的相角控制，在每个连续的半周期期间通过来自控制器的短脉冲来接通三端双向可控硅开关[32.062]。因此，三端双向可控硅开关[32.062]被用作控制器[32.040]控制下的调制器。虽然三端双向可控硅开关[32.062]被示为与控制器[32.040]分离，但是应该理解，控制器和三端双向可控硅开关可以被并入单个模块中。控制器基于温度和电流流向信息执行控制程序，以产生用于三端双向可控硅开关的控制信号。
参考图32C进一步讨论三端双向可控硅开关/继电器组合32.017和32.019，其控制(在控制器的命令下)第一加热单元的加热元件32.016.2和32.016.3与有源线路的连接。元件32.016.1与有源线路的连接由三端双向可控硅开关32.062控制。类似地，第二加热单元的元件32.012.2和32.012.3的有效连接由三端双向可控硅开关/继电器组合32.017和32.019控制，而元件32.012.1的有效连接由三端双向可控硅开关32.062控制。三端双向可控硅开关元件32.062执行调制和开关功能，以将调制的AC功率传送到元件32.016.1和32.012.1。转换开关32.015适于通过闭合或打开到第一或第二加热单元的相应中性路径来完成到第一加热单元或第二加热单元的功率电路。
图32C显示了三端双向可控硅开关32.017.1和继电器连接32.017.3的并联连接。继电器线圈32.017.2操作继电器连接。继电器连接是金属连接路径，因此传导损耗低于三端双向可控硅开关。当组合的三端双向可控硅开关/金属继电器开关闭合时，由于金属触头路径的电阻较低，电流通过金属触头流动。三端双向可控硅开关的优点是能够实现过零开关。因此，当组合的开关打开时，金属继电器触头打开，通过三端双向可控硅开关转移电流。然后，三端双向可控硅开关可以在过零点中断电流。
控制器配置有调制器的工作特性，因此知道调制器何时处于最大输出设置。控制器适于以递增的步长增加调制器输出，并接收来自电流互感器或公用电网仪表的电流监测信息，以便控制器能够评估调制器输出的每个变化的结果。此外，逆变器适于将其输出设置为与太阳能收集器最大功率点MPP相对应。图34显示了一种控制从PV收集器向加热装置输送能量的方法
步骤34.102–34.104，启动条件，如时间(如日出+30分钟)或来自逆变器的输出；
步骤34.106，阶段1切换A，将调制器32.060设置到零；
步骤34.108，监测能量流入或流出
步骤34.110，如果流出，增加调制器输出；
步骤34.112，检查调制器输出是否最大；
步骤34.114，如果不是最大，则返回到步骤34.108，该步骤开始监测去往或来自公用电网的电流的连续过程；
步骤34.116，如果是最大，则切换到下一阶段(例如，阶段2-切换A+B)，并返回步骤34.108；
如果步骤34.108指示没有流出，则转到步骤34.116并检查是否有来自公用电网的向内流动；
如果没有向内的公用电网流，则返回步骤34.108；
如果存在向内的公用电网流量，则在步骤34.118检查调制输出是否为零；
如果调制输出为零，则返回步骤34.108；
如果调制输出不为零，则在步骤34.120将调制输出设置为零，并返回步骤34.108，以继续监测去往或来自公用电网的电流。
图34的方法提供了连续的反馈过程，其中控制器监测流入或流出公用电网的电流，并且当有电流从逆变器流向公用电网时，控制器给调制器供电，直到来自逆变器的所有可用能量都用于满足家用负载并部分地给水加热器供电，或者直到家用负载和水加热器都完全由逆变器供电，并且任何剩余能量都输出到公用电网。如果逆变器的可用能量不足，则逆变器设计成与公用电网分担负载，确保来自太阳能收集器的所有能量在从公用电网获取电能之前被消耗掉。当有多余的PV能量输出到公用电网时，电流互感器或公用电网仪表向控制器提供关于调制器输出每次调整效果的连续反馈。
四个阶段中的电压调制可以是平滑的，并且从零到最大是线性的。然而，可以实施其他调制方案，例如从阶段2的顶部开始，然后根据公用电网仪表的流向向上或向下移动。或者，在控制器监测能量流的实际水平以及方向的情况下，这可以被控制器用来计算可能取消流动的起点调制，然后可以根据流动方向增加或减少调制。
图35显示了可以使用三端双向可控硅开关实现的两种AC电源调制。
图35A示出了突发火灾控制，其中通过在若干个AC周期内接通电流35.152并在另一组周期35.154内关断电流来调制功率。来自控制器[32.040]的突发火灾控制信号BFCS35.151至35.153可以维持多个半周期，并且BFCS的后沿可以在最后半周期结束之前出现，因为三端双向可控硅开关将继续导通，直到BFCS被移除时所在的最后半周期的过零。开关可以被定时，以与电流的过零点35.156重合。通过调整占空比，可以调节输送的功率。当在公用电网上执行突发火灾控制时，突发火灾控制会导致诸如灯闪烁的问题。
在图35A所示的另一种BFCS装置中，控制器可以在所需电流突变的持续时间内，在每个半周期开始时产生跨越过零的短控制脉冲。短脉冲可以在之前的半周期的过零之前开始，并在过零之后继续。
图35B示出了相位角控制，其中电流在每个周期35.164的一部分被接通，而在周期35.162的其余部分被切断。来自控制器的相角控制信号PACS可以是短脉冲35.16.5，足以接通三端双向可控硅开关，但在相同的半个周期内结束，以便这种过零消除电流。同样，过零开关用于关断以减轻电弧放电。由于电流的不对称特性，相位角控制会产生大量电磁干扰EMI。图35B显示了适用于三端双向可控硅开关的前沿相角控制，因为波形的过零用于消除电流。
虽然本发明的实施例可以利用参考图35B讨论的相位角控制，但是本发明可以利用任何可用的调制模式。
通过限制由相角控制传递的能量的量，即，调制诸如500W或900W元件的较低功率元件，而不是调制例如单个3600W元件，可以限制干扰的量。
图36A示出了双叶片加热元件的第一实施例。这些元件被机械地固定到凸缘36A.208上，它们与凸缘36A.208电绝缘。这些元件被设计成穿过储存罐壁上的孔。凸缘被设计成可密封地封闭孔。每个加热元件都具有电端子，这些电端子穿过凸缘附接而到达储存罐的外部，并且通过电线36A.212连接到电源连接器36A.702，以使得能够单独地或共同地向加热元件供电，并且通过中性连接器36A.706向系统中性线供电。连接器36A.702适于连接到控制器的功率供应叶片(图52中的52.704)，以向由控制器确定的叶片提供电力。第一U形叶片36A.721可以具有基本直的构造。第二个U形叶片36A.722的叶片端部形成有180°的返回曲线。两个叶片的轮廓使得叶片可以通过图47所示的储存罐壁47.092中的元件插入孔37.088插入。
图36B示出了双叶片加热元件的第二实施例。在该实施例中，U形叶片36B.024在U形叶片腿的平面中具有第一弯曲部36B724.1，以及更靠近叶片的U形弯曲部的第二弯曲部36B.724.2。较短的叶片36B.723具有与较长叶片的弯曲部36B.724.1靠近的弯曲部36B.723.1，因此较短叶片的段保持基本平行于较长叶片的相应部分。这使得两个叶片能够通过孔47.088插入水加热器储存罐，同时确保长叶片不接触储存罐壁。例如，在两叶片中叶片材料的电阻率相同，并且一个叶片具有比另一个叶片大得多的额定功率的情况下，较低额定功率的叶片将比较高额定功率的叶片短得多，因为功率与电阻成反比。图36B的两个叶片加热元件单元通过电源连接器36B.702和中性连接器36B.706连接。
前两段中的描述是关于图36A和36B所示的两个叶片元件。然而，可以理解的是，这些可以由如图46所示的三叶片元件代替，如下所述。在图46中，举例来说，示出了加热单元46.200，其具有三个可单独开关的加热元件46.202、46.204、46.206，其中46.202很大程度上被46.204遮蔽。虽然为了避免过于复杂的绘图，只有两个元件是清楚可见的，但是应该理解，加热单元可以具有两个以上的元件。通过对叶片使用不同的电阻率或电阻，叶片元件46.206可以具有比元件46.202和46.204更低的电阻且因此具有更大的额定能量。叶片元件46.206具有比46.202和46.204更大的长度且因此具有更大的表面积，以提供与储存罐中的水更大的接触，从而提供更有效的热传递。
具有可切换元件的水加热器的元件可以使用机电继电器来切换。随着时间的推移，这种继电器会退化，因为物理磨损和电腐蚀会损坏开关触头。因此，希望减少机电继电器的操作。
本发明的一个实施例提出使用滞后来减少继电器在一天中需要切换的次数。
在本发明的一个替代实施例中，可以通过在元件切换操作期间使用调制元件的偏移能量输入来提供滞后。加热元件B、A、C的额定功率分别为850、1050和1700瓦，这也为并联的三个元件提供了3.6kW的最大额定功率。然而，代替使用最低额定元件(在该实施例中为850W)作为调制元件，选择较高额定元件之一作为调制元件。通过选择较高额定元件之一，可以降低机电继电器将元件连接到能量供应的频率。
在一个实施例中，例如图31A中所示的实施例，用于这种替代布置的切换协议(该替代布置具有额定功率为1050W的一个调制输入元件A和额定功率为850W的两个未调制元件B和额定功率为1700W的两个未调制元件C)包括以下步骤，：
当有多余的太阳能可用时，接入元件A，将调制器设置成提供第一功率输入电平，该电平可以是零W；
将能量增加到元件A，直到达到可用的多余太阳能输入，或者直到最大功率(1050瓦)施加到元件A；
在可用的额外太阳能输入超过元件A的额定输入的情况下，输入到1050W元件的能量可以减少到第二个值，该值可以是例如图33B中的零W，或者可以被选择来对元件B进行补足，例如图33C中的200W，使得被调制元件A和未调制元件B的组合额定值等于元件A的额定能量(1050W)；
同时，元件B接入，以与元件A并联；
输入到元件A的能量再次增加，直到达到可用的多余太阳能输入，或者直到最大功率(1050W)施加到元件A，给出1900W的组合输入；
当可用的多余太阳能输入超过元件A和B的综合额定值时，元件A的能量再次减少；
元件B被关断；
元件C与元件A并联；
元件A上升到其最大额定值或直到达到可用的多余太阳能输入；
在元件A的能量再次达到元件A的额定能量的情况下，元件A的功率再次降低，元件B接入，以与元件A和C并联；并且元件A再次上升到其最大额定值或者直到达到可用的额外太阳能输入。
图33B显示了元件A在转换时设置为零时的功率传输曲线。由于元件A、B和C阻抗(其没有被选择以形成如图33A所示的平滑轮廓)的差异而造成了锯齿轮廓。
然而，通过使用控制器在每次转换时对元件A施加补足的非零调制，可以提供具有滞后性的平滑线性轮廓，以防止转换时的振荡(hunting)。如图33C所示，元件A在每次转换时切换到补足的非零值，以实现对水加热器的能量输入的近似连续线性范围，在每次转换时都有重叠。850W和1050W之间的第一次重叠发生在单个元件(元件A)配置和A+B配置之间。类似地，在A+B到A+C的转换过程中在1700W到1900W之间发生重叠，并且从2350W到2750W在A+C和A+B+C之间发生第三次重叠。
这些重叠可以用作由控制器实现的切换协议中的滞后，使得机电继电器的切换不需要在这些重叠内发生。在任一方向上的切换只需要发生在重叠部位的边缘。因此，随着太阳能输入的下降，切换将被编程为发生在重叠部位的下边缘，而为了增加太阳能输入，切换可被编程为发生在重叠部位的上边缘。这可以降低机电继电器需要切换的频率。元件A的偏移调制(offset modulation)可用于提供具有不匹配元件的平滑功率分布，提供开关转换滞后，或两者兼而有之。
偏移调制没有必要完全取消图33B的锯齿轮廓。可以选择另一个偏移调制值来提供足够的滞后，以减少太阳输入的暂时波动期间的振荡。图33D示出了一种配置，其中在元件的不同组合之间切换时应用于元件A的偏移调制小于完全消除锯齿轮廓所需的偏移调制，从而导致锯齿轮廓减小(粗线X)。当太阳能输入增加时，开关遵循虚线Y所示的减小的锯齿轮廓X(为了说明的目的，与线X偏开)。当太阳能输入减少时，切换模式遵循虚线Z(为了说明的目的，也与线X偏开)。
示例1：
最初，系统从将A的调制设置为零开始，然后关断B和C。在阶段1，随着太阳能输入的增加，以提供多余的太阳能，A的调制增加。当A的调制达到其最大能量输入(A＝1050W)时，A的调制被切换到H1，而B被接入(阶段2)。因为B+H1<A，A的调制增加，所以A＝B+H1，并且随着太阳输入的增加，A的调制继续增加。假设太阳能输入在阶段2开始下降，当输入等于额定能量B(850W)时，切换回阶段1。因此，随着太阳能输入的增加，从阶段1到阶段2的切换发生在850+H1W处，而随着太阳能输入的下降，从阶段2到阶段1的切换发生在850W处。在阶段2和阶段3之间以及阶段3和阶段4之间遵循类似的偏移过程。因此，通过将其开关值设置为H1而不是零来使A的调制偏移，提供了滞后，这防止了由于小于H1的暂时波动而导致的系统“振荡”。
可以使用提供滞后的替代或附加方法。例如，用于切换元件的时间延迟可以被编程到控制器中，以考虑太阳能输入的瞬时波动。滞后时间延迟的合适持续时间可以从气象观测中凭经验确定。时间段可以是可变的，这取决于主要的云覆盖率。在某些情况下，可以选择30秒的延迟，或者可以选择更长的时间段。控制器可以提供手动输入，以便用户可以设置滞后延迟，或者可以使用在线信息来选择延迟持续时间。控制器可连接到通信设备，并可通过该通信设备编程，该通信设备提供对在线云覆盖信息和本地地理位置信息的互联网访问，该信息可用于选择合适的滞后时间延迟。
机电继电器不希望的操作的潜在来源是太阳能输入的随机变化，例如，由于太阳能收集器的部分或完全遮挡，例如，当云遮蔽太阳能收集器时。这可以通过允许公用电网在这种瞬态事件期间向加热元件输送电力来克服。这种操作方法还可以减少机电继电器的切换。这是可以实现的，因为太阳能电压会在瞬时阻塞期间下降到低于输电线电压的水平。
图37至51适用于本发明的一个实施例，其中水加热器的加热元件可以被远程控制。
在图37中，水加热系统包括水加热器储存罐37.002，其具有双叶片电加热元件单元，该单元具有位于储存罐下端附近的可单独控制的电加热叶片37.008、37.010。第一温度传感器37.012感测加热元件单元上方的水温，第二温度传感器37.014感测储存罐顶部附近的温度。加热叶片37.008通过第一开关37.018连接到输电线功率，加热叶片37.010通过第二开关37.020连接到输电线功率。
控制器37.016从温度传感器37.012、37.014接收温度信息。此外，电源线信号检测器37.024被连接，以检测输电供应线37.015上的信号，并将信号检测器检测到的信号通知控制器。
电力设施管理中心37.036适于通过通信链路37.037向电源线37.015中的信号注入器37.038发送信号。线路信号检测器37.024适于检测由公用设施管理中心注入供电线的信号。
控制器37.016适于响应于来自温度传感器37.012、37.014和来自电力线信号检测器37.024的输入来控制开关37.018、37.020和相关联的加热元件叶片37.008、37.010。
因此，例如，控制器的默认设置可以是当水温低于第一温度阈值时向两个加热叶片供电。当温度传感器指示储存罐中水的热含量处于第一阈值时，控制器可以通过关断其中一个叶片来降低提供到加热元件单元的功率，并且当热含量达到高于第一温度阈值的第二阈值时，控制器可以通过切断提供到两个叶片的功率来响应温度传感器状态信息。
控制器还可以响应于指示网络负载处于预定水平的信息，根据接收到的信号，通过减少或切断提供到加热元件叶片的功率，经由线路信号检测器来对从公用设施管理中心接收到的信号做出响应。在线路信号要求的动作与温度传感器状态信息相冲突的情况下，来自公用设施管理中心的信号可以优先于温度传感器信息。
公用设施管理中心37.036和信号注入器37.038之间的通信链路37.037可以利用任何合适的通信技术，例如互联网、无线、陆线等。
图38类似于图37，不同之处在于有两个单叶片加热元件38.008、38.010。加热元件38.010位于储存罐38.002的底部附近，而加热元件38.008位于储存罐的上部。
图39是根据本发明实施例的安装在用户房屋39.001处的水加热器控制系统的示意图。
水储存罐39.002具有冷水入口39.004和热水出口39.006。温度传感器39.012和39.014分别对储存罐下部和上部的水温进行采样。
电加热元件39.010位于储存罐的底部附近。电能从输电线供应39.022通过调制器39.026(如晶闸管或三端双向可控硅开关或其它功率调节装置)输送到加热元件。机械继电器开关39.020可以与调制器串联安装在功率供应39.022和加热元件39.010之间的电路中。分路继电器开关39.027可以与调制器并联安装。当未调制的功率将被施加到加热元件39.010时，分路继电器可以被闭合以通过控制器在调制器周围转移电流。
控制器39.016从温度传感器39.012、39.014接收温度信息。控制器还通过无线通信装置39.030接收输入信息和控制信号。无线通信器可以使用任何合适的无线协议，例如Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi等等。
网络管理者39.036(其可以是电力公司或电力零售商)通过通信网络39.034和适于实现与无线通信器39.030相同的通信协议的本地通信网关39.032连接到无线通信器39.030。
控制器可以是可编程控制器。控制器可以被编程来控制调制器39.026，以控制输送到加热元件39.010的功率量。控制器被编程为，当调制功率将被输送到加热元件时使开关39.027开路。控制器可以被编程为，根据从网络管理者39.036接收的指令或者根据存储在控制器中的程序，来控制调制器以减少输送到加热元件的功率量。
功率供应设施39.036可以经由控制链路39.037和控制信号注入器39.038将控制信号注入到功率供应中，这可以例如使用耦合变压器来实现。
控制链路可以由任何合适的通信链路提供，例如有线的、经由公共蜂窝电话网络的无线的、私有的无线网络，或者经由通信网络39.034(例如互联网)。
图40示出了根据本发明实施例的水加热系统。水加热器储存罐40.002具有下部加热元件40.010和上部加热元件40.008。温度传感器40.012和40.014感测储存罐下部和储存罐上部的水温。
控制器40.016具有来自温度传感器和无线通信器40.030的输入，无线通信器40.030使用合适的通信协议并适于与控制器40.016通信。
控制器可以包括用户接口40.017，其可以包括用户输入能力，例如键盘、触摸屏、操作菜单滚动按钮、显示器等。控制器可以被编程为显示操作模式、消耗统计等，以使用户能够管理水加热器的操作、监测使用情况并选择操作模式。
无线通信器40.030与连接到通信网络40.034的房屋网关40.032通信。公用设施管理器40.036可以通过网络、网关和无线通信器与控制器40.016通信。公用设施管理器和控制器之间的通信可以是单向的或双向的。
输电线功率40.022通过电功率调制器40.026连接到两个加热元件40.008、40.010。加热元件40.008、40.010可以通过各自的开关40.018、40.020选择性地连接到调制器的输出端或从其断开。
控制器40.016被编程为控制调制器40.026，并且开关40.018、40.020对来自温度传感器40.012、40.014和来自无线通信装置40.030的信号做出响应。
在本发明的另一实施例中，用户能够使用远程用户设备来远程控制水加热器，该远程用户设备可以是例如移动电话(40.039)、移动计算机、固定计算机等。在图40所示的实施例中，用户能够通过智能电话40.039与控制器40.016通信。智能电话可以通过与通信网络40.034通信的通信网络4.035与蜂窝基站40.040(其与网关40.032通信)通信。安装在用户设备40.039上或从基于网络的网页访问的程序或应用程序使用户能够通过控制器40.016监测和控制水加热器。
替换地，网络40.035可以与网络40.034通信。该替代通信路径也有助于用户设备40.038和公用设施管理器40.036之间的通信。用户可以例如访问公用设施管理器的网页，该网页可以位于连接到网络40.034并由公用设施管理器40.036管理的联网服务器中。
公用服务器40.039可以从控制器接收连续数据，并且用户可以具有只读访问权限。服务器的单独部分可以使用户能够修改用户简档和水加热系统管理程序，选择加入/选择退出线路信令等。
或者，网关(或控制器)可以充当智能手机和服务器之间的中继。
在本发明的一个实施例中，使用图40的装置作为例子，网络管理者40.036或客户40.039可以远程配置控制器40.016来安装或修改安装在控制器中的操作程序。图49是具有处理器49.102的控制器的功能框图，处理器49.102在功能上与存储器49.106、输入模块49.108、输出模块49.110和编程端口49.118互连。诸如温度传感器、线路信号检测器和电表这样的输入设备49.114可以连接到输入模块。输出模块49.110可以向输出设备49.116发送控制信号，例如加热元件开关和功率调制器。编程端口49.118可以经由诸如无线接口40.030这样的通信链路从电力公司管理器40.036或客户40.039接收编程指令，该通信链路经由通信网关40.032与外部通信网络通信，由此编程指令可以存储在存储器49.106中。此外，客户或网络管理员可以启动存储在存储器49.106中的预先配置的程序。信号检测器49.024可能需要外部电源。在一个实施例中，控制器49.016的功率供应49.116可以设置有辅助电源插座49.028。这便于将信号检测器49.024安装在水加热器附近。在另一个实施例中，信号检测器可以与控制器49.016集成。
公用设施管理器指令可以优先于本地或远程客户输入。
图41示出了根据本发明实施例的水加热器系统，其中连续温度传感器条41.040被应用到储存罐41.002的外部。水加热器包括两个电加热元件41.008、41.010和温度传感器条41.040。控制器41.016控制将加热元件41.008、41.010连接到功率供应41.022的开关41.018、41.020。控制器控制单个调制器41.026来调制施加到两个加热元件的电压。连续温度传感器条包括一层温度敏感电阻材料，该材料被承载在合适的基底中，具有多个间隔开的触头，例如41.042、41.044，这些触头与温度敏感材料电接触，有效地在相邻触头之间提供多个连续的温度传感器。触头连接到控制器41.016。这使得控制器能够监测对应于每个区域的分段中的水温。控制器被编程为利用温度信息来控制加热元件和调制器的操作。
功率供应管理中心41.036可以通过通信网络41.034、房屋网关41.032和内部无线通信装置41.030与控制器通信。管理中心可以向控制器发送控制信号，以控制开关41.018、41.020和调制器41.025。如下所述，管理中心和水加热器控制系统之间的通信可以是双向的。
图42示出了类似于图41的系统，增加了太阳能电源42.050、逆变器42.052、双向电表42.054。该系统可以设计成，当有足够的太阳能供应其他房屋负载时，例如照明、空调、制冷等，相比于向电网42.022输送太阳能，任何额外的太阳能被优先输送到水加热器。双向电表42.054监测进出房屋的电力。电表可以连接到控制器42.016，并且功率的时间和量可以由控制器记录，用于传输到电力设施管理中心42.036。可选地，无线通信装置42.030可以并入在控制器42.016中。
图43示出了根据本发明实施例的水加热器控制系统。图43的装置类似于图42。然而，双向仪表43.055配备有无线通信能力，使其能够与网关43.032通信。网关可以被配置为将信息从仪表43.055中继到公用设施管理中心43.036或控制器43.016，用于存储和转发到管理中心。
图44示出了根据本发明实施例的水加热器控制系统。双叶片加热元件单元44.008、44.010位于储存罐44.002的下部附近。叶片是可单独控制的。元件44.008通过调制器44.025连接到输电线功率44.022。当元件44.008被施加全功率时，可以提供分流开关44.018来从调制器接管负载。可选的串联开关44.029可以与调制器44.025串联。开关44.018、44.029可以被配置为在先合后断模式(make-before-break mode)下操作，使得开关44.018在开关44.029断开之前闭合。
加热元件单元的第二叶片44.020通过开关44.020连接到输电线功率。
公用设施管理中心(未示出)可以将一个或多个信号脉冲施加到输电线供应线。线路信号检测器44.024监测电源输入线路，以检测信号突变。并在检测到信号和信号突变的性质或特征时通知控制器44.016。信号突变可以采取各种形式，例如具有不同持续时间的突变的单个频率，指示将由控制器44.016执行的操作的性质。可以选择信号脉冲来使控制器减少或切断输送到水加热器的功率。
替换地，信号突变可以是两个或更多个不同频率的信号的组合。例如，两个频率f1、f2可用于提供四种不同的操作模式，例如，全功率(两个信号都不存在)、适度降低的功率(40％至60％)(仅f1)、半功率(仅f2)和显著降低的功率(例如，25％至33％)(f1+F2)。可用的功率调节取决于加热元件叶片的电阻值。
注入的信号可以通过合适的滤波器装置来检测。
图45示出了根据本发明实施例的水加热系统。水加热器包括加热元件单元，该加热元件单元具有三个单独可控的叶片45.008、45.009、45.010，每个叶片具有相关联的功率开关45.018、45.019、45.020。线路信号检测器45.024。因为加热元件单元是三个加热元件叶片的单个组件，所以只需要储存罐壁中的一个元件孔来提供三个单独可控的元件叶片。
图45的系统包括太阳能45.050、45.052和输电线功率45.022，通过房屋功率总线45.023向水加热器45.002和其他房屋负载45.001供电。双向电表45.054适合于累积房屋总线的电力输入和电力输出的读数。或者，来自仪表45.054的读数可以在控制器45.016中累积。
线路信号检测器45.024适于监测输电线，以检测控制信号的存在，并将控制信号转发给控制器45.016。
三叶片电加热元件单元45.021密封地连接到储存罐45.002的壁中的孔。三个加热元件叶片45.008、45.009、45.010通过开关45.018、45.019、45.020连接到房屋电源总线45.023。这些开关由控制器45.016控制。
控制器被编程为根据信号检测器45.024检测到的控制信号来控制开关45.018、45.019、45.020。例如，控制信号可能需要多个不同功率水平中的一个施加到加热元件叶片，这取决于电力公用设施网络上的负载。可以选择加热元件叶片45.008、45.009、45.010的额定功率，以满足由电力公司管理实体确定的功率输入选项。例如，电力公司管理实体可以选择五个工作功率水平，例如：0％、25％、50％、75％、100％。这将要求元件叶片的电阻值为R、2R和2R。用功率术语表示，这是XW，X/2W和X/2W。
控制器可以被编程，使得当从太阳能收集器输送足够多的太阳能以满足内部负载45.001时，太阳能被输送到水加热器或电源。可以对控制器进行编程，使得当从可再生能量(例如太阳能收集器9.505)向水加热器输送功率时，外部信号被超驰，从而不执行对用于减少或切断提供到水加热器的功率的外部信号的接收。
替代地，如图50所示，控制器可以被编程为响应另一个外部信号，以使太阳能输送到输电线，例如当输电线发电容量上的负载接近最大可用输电线发电功率时。当该过程在步骤50.302开始时，在步骤50.310进行第一次检查以确定是否有超过其它内部负载的多余太阳能。如果没有，控制器继续监测可用的太阳能。如果多余的太阳能可用，则在步骤50.312进行进一步检查，以确定公用设施管理中心是否发送了超驰信号。如果没有接收到超驰信号，在步骤50.316，太阳能被输送到水加热器，并且控制器继续监测可用的太阳能。如果在步骤50.312接收到超驰信号，则在步骤50.318将多余的太阳能输送到输电线。控制器可以监测来自公用设施管理中心的超驰信号的存在以及输送到电力网络的太阳能电量，并且这可以被报告给公用设施管理中心，在那里可以应用特定的费率。这种情况将有助于电力公司管理中心维持发电系统的稳定性。
图52示出了根据本发明实施例的控制器的分解图。背负式PCB 52.302包括孔52.701，孔52.701适于使连接器52.702能够接合继电器板52.302上的端子52.703，继电器板52.302承载功率供应52.112和三个继电器，每个继电器被指定为52.322。如图52所示，连接器52.702为向加热元件叶片供电的导线提供连接点。端子53.703通过继电器52.722接收电能。
图53示出了安装在继电器板53.306上的背负式PCB53.302，连接器53.702连接到电源端子53.703并穿过孔52.702伸出。
图46示出了根据本发明实施例的三叶片加热元件单元46.200。三个叶片46.202、46.204和46.206可以具有基本上为U形的形状。叶片可以嵌套以提供紧凑的组件，能够通过储存罐壁47.092中的单个孔47.088插入，如图47所示。一个或多个叶片可以包括弯曲部，以确保远端不与储存罐壁干涉。
如图47所示，元件安装凸缘46.208包括多个安装螺栓孔，适于与储存罐安装凸缘47.080上的相应安装螺栓孔47.086组装。储存罐安装凸缘可以通过中心管47.082连接到储存罐壁，中心管47.082在47.090处焊接到储存罐壁，并限定元件插入孔47.088。储存罐安装凸缘可以包括适于接收密封件47.089的密封座47.084。元件单元组件上的相应密封表面46.218适于密封地接合密封件47.089。多个端子46.210安装在元件安装组件的外侧。元件叶片可以具有公共的中性端子，因此只需要四个端子来连接三个叶片。电缆46.202将元件端子连接到连接器46.214。
虽然前面的段落描述了三叶片加热元件单元46.200，但是很容易理解的是，三叶片元件单元可以由两叶片加热元件单元代替，如图36A和36B所示，并且如上所述。
图48示出了根据本发明实施例的水加热器系统。图48的装置类似于图45的装置，其中调制器48.025将叶片48.008连接到房屋电源总线。这种配置使得控制器48.016能够对输送到水储存罐的功率提供从0％到100％的连续控制。当叶片48.008在其最大功率下工作时，提供分流开关48.018来围绕调制器48.025转移电流。
图49示出了根据本发明实施例的控制器49.016，其适于控制水加热系统。
控制器包括处理器49.102和存储器49.106、输入模块49.108、输出模块49.116和功率供应49.112。输入设备49.114可以向输入模块49.108提供输入信号，输入模块49.108将来自输入设备的信号转换成适合处理器49.102的格式。输出模块将来自处理器49.102的信号转换成适合输出设备49.116的格式。
输入设备可以包括温度传感器、线路信号检测器、电表，以及通过无线信号或网关的有线连接传递的信息或控制信号，如图41中的41.032。
处理器可以由存储在存储器49.106中的程序来编程。处理器可以将数据存入存储器或从存储器取出。此外，处理器可以在存储器中存储控制程序。
编程端口可以适于例如通过网关41.032实现控制器的远程编程。控制器可以接收来自电力公司管理实体的指令，以控制输送到水加热器的电力，以及发送来自仪表的消耗信息。
此外，可以提供编程端口49.118来实现处理器的编程。
处理器可以包括时钟，以便于水加热器的时间控制。
许多操作程序可以存储在控制器中，并且可以被选择来以特定的方式操作水加热器。
控制器可以被编程为根据发电系统的负载状态响应来自公用设施管理中心的多个控制信号。
检测器或DRED控制单元49.024可以包括处理能力和存储能力，以使检测器或DRED控制单元49.024能够启动或处理信息和/或指令，无论是来自水加热系统还是电力公司管理实体。它可以包括用于水加热系统的存储指令和过程命令。
控制器49.016、检测器49.024和来自公用设施管理中心的控制信号中的一个、每一个或两个或更多个的组合可用于启动水加热器的军团菌控制循环，从而产生军团菌破坏条件，其中温度在预定时间段内升高到军团菌破坏温度以上。例如65℃持续5分钟。因此，对于控制器49.016，水加热器可以被编程为自动产生军团菌破坏条件。DRED控制单元或检测器49.024同样可以被编程以在水加热器中产生军团菌破坏条件。电力公用设施管理实体可以提供控制信号以使水加热系统产生军团菌破坏条件。
在一个实施例中，公用设施管理中心可以向控制器发送控制信号，以将水的正常最高温度从第一温度T1(例如60℃或65℃)增加到第二温度T2(例如75℃)。这可以例如在公用设施发电设备的低负载时段期间完成，以减少在随后的峰值负载时段期间向水加热器提供输电线功率的需要。这种最大温度调节可以通过使用全额定功率来实现，或者通过使用全额定功率的一部分来实现，例如50％或75％，直到达到调节后的最大温度。这将使水加热器的能量超过例如0.012千瓦时/升的额定功率，因此，对于250升的水加热器，它将能够额外吸收3.0千瓦时的能量。
在一个实施例中，其中三叶片加热元件具有额定功率的75％、50％和25％的叶片值，公用设施管理中心可以向控制器发送以下控制信号，以使水加热器以以下模式之一运行：
模式1：水加热器关闭。
模式2：使用50％的叶片，水加热器可以使用第一比例(例如，50％)的正常功率。
模式3：水加热器可以使用第二比例(例如，75％)的正常功率，使用75％的叶片，或者可以使用50％和25％的叶片。
模式4：使用75％叶片和25％叶片提供的100％额定功率，水加热器可以将水加热到高于正常温度。
当发电系统上的第一级负载接近峰值发电容量时，可以实施模式1。当处于低于第一负载水平的第二负载水平时，可以实施模式2。模式3可以在低于第二负载水平的第三负载水平下实现。模式4可以在低于第三负载水平的第四负载水平下实现。模式4要求水加热器控制器能够将其最高截止温度从T1改变到T2。
这种配置的一个优点是，50％、75％和100％可以通过给单个叶片或两个叶片供电来提供，不需要给所有三个叶片供电。
在另一种配置中，叶片可以具有50％、25％和25％的额定功率，并且仍然实现50％、75％和100％的额定功率输送，100％的额定功率输送是通过激励所有三个叶片来实现的。这种配置的优势在于，最高额定叶片仅需要承载50％的额定功率，而之前的配置为75％。
虽然额定功率表示为额定功率的简单分数，但是也可以使用其他叶片额定功率，并且仍然基本符合公用设施管理中心的网络管理要求，因为精确符合额定功率并不重要。例如，可以使用额定功率的23.6％、29.2％和47.2％的叶片额定值。虽然可以通过间歇地切换全功率或者在减少的时间段内施加全功率来实现降低的额定功率，但是优选实施例使用连续但稳定状态的降低的功率。
在第三种配置中，加热元件只有一个额定功率为100％的叶片。在这种配置中，可以使用占空比将功率施加到叶片，以满足50％或75％的功率消耗。或者，如上文参考图39所述，功率调制器39.026可以与单个叶片一起使用，以实现指定的功率消耗。
应当理解，与上述控制系统相关的电子设备将包括机载过热保护，以在可能产生的温度环境中保护电子设备。
图54、55和56示出了三叶片加热元件的各种开关配置，例如图46中所示并被标识为项目46.200的那些。图54、55和56举例说明了可以采用的各种开关配置，以提供水加热器所汲取的功率的变化。在图54中，有三个叶片：额定功率为水加热器全额定功率的75％的叶片54.012.1；额定功率为水加热器全额定功率的50％的叶片54.012.2；以及额定功率为水加热器全额定功率的25％的叶片54.12.3。叶片54.012.1和54.012.2通过串联布置的第一继电器触头54.014.2和转换(change-over)继电器触头54.014.1连接到有源线A，触头54.014.1是转换开关。叶片54.012.3通过继电器触头54.014.3连接到有源线A。在这种布置中，100％的负载可以通过叶片54.012.1和54.012.3的组合来实现。75％的负载可通过叶片54.012.1自身或叶片54.012.2和54.012.3的组合来实现。50％的负载可由叶片54.012.2自身实现。25％的负载可以通过叶片54.012.3自身实现。转换开关54.014.1确保叶片54.012.1和54.012.2同时连接不会超过100％的最大额定负载。
在图55中，叶片的额定功率分别为全额定功率的50％、25％和25％。在这种装置中，每个叶片都有一个专用继电器，并且所有三个叶片都需要连接，以提供100％的额定功率使用。
图56的装置也具有额定为50％、25％和25％的叶片。常开继电器56.014.1公用于所有叶片，叶片56.012.2和56.012.3各有一个额外的常闭继电器56.014.2、56.014.3，分别与继电器56.014.1串联。叶片56.012.1的额定功率为50％，因此此配置中可用的最低功率消耗为50％。可以通过使用叶片56.012.2或56.012.3和叶片56.012.1来实现75％。100％需要所有三个叶片。为了提供100％额定功率，仅需要闭合常开继电器56.014.1。为了输送75％的功率，常闭继电器56.014.2或56.014.3中的一个打开。为了输送50％的功率，常闭继电器56.014.2或56.014.3都打开。
在优选实施例的装置中，对于3.6KW的水加热器，最大开关功率约为1.8KW，这减少了继电器上的负载并延长了继电器寿命。继电器线圈最好是低功率的，比如每个大约0.4W。有了3个独立的继电器，所描述的系统将能够容忍单个继电器故障，任何一个元件故障都会导致25％或50％的加热功率损失。如图55所示，继电器55.014.1、55.014.2和55.014.3通常是开路的，因此如果其中一个继电器发生故障，将导致加热功率损失25％或50％。以类似的方式，继电器54.014.2和54.014.3意味着，如果54.014.3发生故障，那么系统仍然可以提供75％或50％的功率。如果54.014.2出现故障，系统可以提供25％的功率。同样以类似的方式，继电器56.014.1、56.014.1和56.014.3意味着，如果56.014.2或56.014.3出现故障，则系统仍然可以提供50％或75％的功率。然而，如果56.014.1出现故障，则不会提供功率。继电器系统可以由常开或常闭继电器构成，这取决于所考虑的电气系统需要哪种故障模式。如果选择了常闭继电器，那么当达到最高温度时，水加热器的自动调温器将被切断，或者ECO将被用于运行。
如上面参考图40所讨论的，远程用户也可以通过网关和通信网络经由移动设备或固定远程设备提供输入命令并从控制器接收信息。
图51是示出根据本发明实施例的操作水加热系统的方法的流程图。
在步骤51.352，控制器监测储存罐的温度或热含量，以确定其是否低于第一阈值T1。
如果温度处于阈值，则控制器在步骤51.376关断所有加热元件叶片，并且控制器返回到步骤51.352以监测温度或热含量。
在温度低于阈值的情况下，控制器在步骤51.352检查外部调节信号的存在。
如果不存在外部调节信号，控制器在步骤51.356接通加热元件叶片。
如果存在外部调节信号，则在步骤51.358、51.360、51.366和51.370，控制器分析外部调节信号以确定外部调节信号需要什么动作。取消/重置
在步骤51.358、51.360，控制器确定外部调节信号是否需要减少或切断加热元件叶片的功率，以及在需要减少的情况下，需要关断多少叶片。然后在步骤51.362、51.364关断1或2个叶片。
如果外部调节信号不是减少信号，则控制器在步骤51.366确定它是截止信号，或在步骤51.370确定它是复位(取消)信号。
如果外部调节信号是切断信号，控制器在步骤51.368关断所有叶片。
如果外部调节信号是复位信号，则控制器在步骤51.356接通所有叶片，并且控制器返回到步骤51.352，以监测温度或热含量。
可选地，如果外部调节信号不是复位信号，则控制器可以在步骤51.372检查外部调节信号是否需要其他动作，并且在返回到温度/热含量监测步骤51.352之前在步骤51.374执行其他动作。
其他操作可以包括不同的操作模式。一种这样的模式可以是休假模式，其可以由客户发起，例如，使用如参考图40所述的远程设备40.039。
本发明的应用
上文关于图1至30的段落230至362中描述的实施例适用于水加热器的构造和操作。
鉴于上文关于图31至36的段落363至447所述的实施例适用于太阳能电加热，并且与水的直接太阳能加热相比具有优势，因为当日照不足以将太阳能收集器中的水或传热流体加热到高于储存罐中的水的温度时，没有热量被添加到储存罐中的水中。另一方面，太阳能光伏发电的优点是，只要有足够的日照为太阳能PV收集器提供能量，能量就可以被添加到储存罐中的水中。因此，太阳能PV加热可以在较低的日照水平下加热水。
开关和调制相结合的方法提供了一种连续改变提供给加热单元的电流的方法。从PV收集器汲取的电流可以连续变化。这意味着从PV收集器汲取的电流可以与PV收集器的最大功率点相匹配，从而能够在所有水平下有效利用日照。
本发明的概念可以应用于具有一个或多个多元件加热单元的太阳能PV水加热系统，该加热单元通过组合调制(变化的功率)和切换来控制，以实现在0到Xkw范围内的线性可变功率控制。
可以选择三元件设计，总额定功率为2kW，步进为500W。改变元件数量和调制器尺寸(调制增量)允许设计上有许多不同的变化。这一概念可以应用于分立元件，调制器可以或不可以在所有情况下使用单个元件的全部额定值，以实现从0到期望的X kW的线性斜坡上升。
三元件加热装置的一个例子可以覆盖从0到2.0Kw的范围(@240v＝28.8Ω；(r＝V2/P)。可以使用500W的单元索引步骤(element indexing step)，因为这是许多“现成的”澳大利亚批准的使用基于三端双向可控硅开关的功率调制控制的设备所共有的。然而，也可以使用其他元件额定值。
逐渐增加调制器输出和逐渐切换附加元件的组合有助于从PV收集器向加热单元提供连续范围的输入功率。
本发明的加热元件可以被设计为单个元件的替代物，多元件加热单元的形状和尺寸适于直接替代现有的单个元件加热单元。因此，具有控制器、调制器、元件开关和多元件加热器的加热组件可以被提供作为现有单元件水加热器的替代加热系统。
上文关于图37至56的段落448至516所述的实施例也适用于电元件单元、电水加热器系统、水加热器控制器和操作电水加热器的方法。
无论何时使用，“包括”一词都应理解为“开放”的意思，即“包括”的意思，因此不限制为其“封闭”的意思——即“仅由……组成”的意思。相应的含义应归于出现的相应词语“包括”、“包含”和“具有”。
应当理解，在此公开和定义的本发明延伸到文中提到的或显而易见的两个或更多个单独特征的所有可选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种可选方面。
虽然已经描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员来说，很明显，在不脱离本发明的基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式来实施。因此，当前的实施例和示例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且所有对本领域技术人员来说显而易见的修改都被包含在其中。

Claims (89)

1.一种水加热系统，包括：
水储存罐；
至少一个电加热元件单元；
电加热单元包括一个或多个独立可控的叶片；
每个叶片通过至少一个相应的功率控制装置连接到电力线；
其中每个电加热单元通过储存罐中的相应孔插入储存罐中。
2.根据权利要求1所述的水加热系统，其中电元件单元包括两个叶片。
3.根据权利要求1或2所述的水加热系统，其中电元件单元包括三个叶片。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的水加热系统，其中所述功率控制装置包括开关。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的水加热系统，其中所述功率控制装置包括功率调制设备。
6.根据权利要求5所述的水加热系统，其中所述功率调制设备产生连续可变的功率输出。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的水加热系统，其中水加热系统包括适于控制每个功率控制装置的控制器。
8.根据权利要求7所述的水加热系统，其中所述控制器适于响应最大温度控制信号而在第一温度和高于第一温度的第二温度之间改变最大水温设置。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的水加热系统，包括可再生能量供应，其中当有足够的可再生能量可用时，控制器适于在第一温度和高于第一温度的第二温度之间改变最大水温设置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的水加热系统，其中所述控制器对外部控制信号做出响应，以操作一个或多个功率控制设备，以控制输送到所述电加热元件单元或每个电加热元件单元的功率量。
11.根据权利要求10所述的水加热系统，其中，所述外部控制信号选自以下一种或多种：电力线信号；无线；物理线路。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的水加热系统，其中所述水加热系统由太阳能或输电线功率供能。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的水加热系统，其中所述水加热系统能够包括以下中的一项或多项：定向电表；用于每个叶片的连接端子和所有叶片共有的公共端子。
14.一种控制向包括一个或多个电加热叶片的电水加热器输送电功率的方法，该方法包括以下步骤：
监测一个或多个外部功率调节信号的存在；
在没有外部功率调节信号的情况下，根据第一程序向所述叶片或每个叶片输送输电线功率；
在存在外部调节信号的情况下，
分析外部调节信号；和
根据对外部调节信号的分析，或者
改变输送给叶片的功率，或者
切断给叶片的功率。
15.如权利要求14所述的方法，其中外部调节信号选自：
一个或多个功率变化信号；和切断信号。
16.一种控制向电水加热器输送功率的方法，所述电水加热器既能利用可再生能量又能利用输电线功率，该方法包括以下步骤：
监测用于加热水加热器中的水的可再生能量的可用性；
在可再生能量可用的情况下；
监测外部超驰信号的存在；
在不存在超驰信号的情况下，监测水加热器的热含量；
当热含量低于阈值时，向水加热器输送可再生能量；
当所述含量等于或高于阈值时，将可再生能量输送到输电线网络；
在存在超驰信号的情况下，将多余的可再生能量输送到输电线网络。
17.一种电水加热器控制装置，包括水储存罐、至少两个加热元件叶片、适于控制功率控制器件的控制器，每个叶片能通过功率控制器件单独控制，控制器包括指令储存器，控制器具有编程输入，指令能通过该编程输入存储在指令储存器或存储器中。
18.如权利要求17所述的电水加热器控制装置，其中指令通过通信链路发送到编程输入。
19.一种适于连接到控制器的电水加热器储存罐，包括一个或多个电加热元件，每个加热元件连接到外部可操作的连接器件，其中储存罐配置有以下一项或多项：
a)温度传感器件，适于获得储存罐中水的温度测量值；
b)连接到外部可操作的连接器件的功率控制设备；
c)一个或多个温度控制开关，其每个连接到相应的一个加热元件；
d)热沉。
20.如权利要求19所述的电水加热器储存罐，包括一个或多个加热元件控制器件，每个加热元件控制器件连接到相应的一个加热元件。
21.根据权利要求20所述的电水加热器，其中，元件控制器器件包括一个或多个热切断开关，每个热切断开关与所述电加热元件之一相关联，每个热切断开关包括第一温度传感器件，当水温达到第一阈值温度时，所述第一温度传感器件适于使所述切断开关切断去往相应加热元件的功率。
22.如权利要求20所述的电水加热器储存罐，其中，元件控制器件可以连接到外部可操作的连接器件。
23.根据权利要求21或22所述的电水加热器，其中，所述加热元件控制器件包括与相应加热元件相关联的至少一个温度控制器，每个温度控制器包括第二温度传感器件和功率控制开关，当水温达到等于或低于第一温度阈值的第二阈值温度时，所述功率控制开关适于切断去往相应加热元件的功率。
24.如权利要求23所述的电水加热器，包括控制相应功率开关的至少一个功率开关控制器。
25.根据权利要求23所述的电水加热器，其中所述功率控制开关安装在相应的第一元件控制器上或附近。
26.一种电水加热器元件控制单元，包括：
第一PCB，包括第一电气部件和第一电连接器；
第二PCB，包括第二电气部件以及作为用于第一连接器的配合连接器的第二电连接器；
第一连接器和第二连接器的尺寸和取向使得，当第一连接器和第二连接器接合时，所述第二PCB紧邻所述第一PCB和所述第一电气部件，并且或者位于与所述第一PCB和所述第一电气部件的平面分离的平面中。
27.根据权利要求26所述的电水加热器元件控制单元，其中所述第一电气部件包括一个或多个功率开关设备，并且其中所述第二电气部件包括功率开关控制器，所述功率开关控制器适于控制所述第一PCB上的一个或多个功率开关设备。
28.根据权利要求27所述的电加热元件控制单元，包括安装框架，该安装框架适于促进将第一PCB安装在电切断开关上。
29.一种电水加热元件控制组件，包括安装在电切断开关上的如权利要求28所述的电水加热元件控制单元。
30.一种电水加热器，包括：储存罐、位于储存罐内不同高度的第一加热元件和一个或多个另外的加热元件，以及两个或更多个元件控制器，每个元件控制器与相应的一个加热元件相关联；
加热元件具有穿过储存罐的壁伸出的电连接部；
每个元件控制器安装在加热元件的电连接部附近或邻近加热元件的电连接部安装。
31.根据权利要求30所述的电水加热器，其中使用线束将第一加热元件连接到其他加热元件，并且包括适于将信号线和电源线连接到一个或多个控制器的单个连接器。
32.根据权利要求30或31所述的电水加热器，其中所述第一加热元件和/或所述一个或多个另外的加热元件包括两个或更多个叶片。
33.根据权利要求30至32中任一项所述的电水加热器，其中所述元件控制器包括电切断和/或继电器，以控制所述第一加热元件和/或所述一个或多个另外的加热元件的叶片。
34.根据权利要求33所述的电水加热器，其中所述叶片具有相同的电阻和/或功率输出额定值，或者具有不同的电阻和/或功率输出额定值。
35.一种在具有输电线功率源和可再生能量源的水加热器中提供至少最小量的可用热水的方法，该方法包括以下步骤：
A.设定热水的最小量；
B.确定水加热器是否包含最小量的可用热水；
C.确定可再生能量是否可用；和
D.在可再生能量不可用且水加热器的可用热水量低于最小量的情况下：
E.向水加热器加热元件单元供应输电线功率，直到
E1.水加热器包含最小量的可用热水，或
E2.可再生能量变得可用，
和，
F.当水加热器包含最小量的可用热水时，
G.将提供到水加热器加热元件的输电线功率关断；
和
H.当在水加热器包含最小量的可用热水之前可再生能量变得可用时，
I.将提供到水加热器加热元件的输电线功率关断，和
J.将提供到加热元件的可再生能量接通，直到：
J1.水加热器容纳的第二量的可用热水大于最小量的可用热水，或者
J2.可再生能量变得不可用；
和，
K.在步骤C确定可再生能量可用的情况下，
L.将提供到加热元件的可再生能量接通，直到：
L1.水加热器容纳的第二量的可用热水大于最小量的可用热水，或者
L2.可再生能量变得不可用；
和
M.如果条件L1适用，则将给加热元件的可再生能量关断；
N.在条件L2适用的情况下，返回到步骤B；
O.根据可再生能量的可用性，重复步骤B到J2或步骤C和步骤K到L2，以确保维持最小量的热水。
36.一种电水加热器，包括：
储存罐；
储存罐内的一个或多个电加热元件；
穿过储存罐的壁伸出的加热元件的电连接部；
至少一个热传感器；
组合线束，具有外部可操作的第一外部连接器，适于通过互补的第二外部连接器将电源线和信号线连接到外部电路。
37.如权利要求36所述的电水加热器，包括护套，并且其中外部连接器位于护套内部或外部。
38.根据权利要求36或37所述的电水加热器，其中，所述组合线束包括信号连接器，所述信号连接器适于将一条或多条信号线连接到信号电缆到外部连接器。
39.根据权利要求36至38中任一项所述的电水加热器，其中线束包括适于从外部连接器向所述加热元件或每个加热元件输送功率的功率连接器。
40.根据权利要求36至39中任一项所述的电水加热器，包括外部控制器，信号线连接到该控制器。
41.根据权利要求36至40中任一项所述的电水加热器，包括一个或多个外部功率开关，所述外部功率开关对外部控制器做出响应，以控制向加热元件的功率输送。
42.一种电水加热器，包括储存罐、功率控制元件和热沉，储存罐包括靠近储存罐下端的冷水入口，热沉安装在储存罐下端附近，功率控制元件安装在热沉上。
43.如权利要求42所述的电水加热器，其中，第一热沉安装附件附接到储存罐的壁，靠近储存罐的下端。
44.一种热沉，包括具有储存罐安装表面的导热体，储存罐安装表面具有与水加热器储存罐的壁的一部分互补的轮廓。
45.如权利要求44所述的热沉，包括适于容纳附接到储存罐壁的安装构件的第一安装凹部，和适于容纳第二安装构件的第二安装凹部，第二凹部与第一安装凹部连通，由此第二安装构件能够与第一安装构件互连。
46.根据权利要求44或45所述的热沉，包括部件安装件。
47.一种适于在注射泡沫隔离空间中提供隔离自由空间的泡沫挡板，该挡板包括第一可附接部分和第二可附接部分，每个部分被设计成限定隔离自由空间的互补部分，每个可附接部分包括：
一个或多个互锁装置，适于与另一个可附接部分上的相应互锁装置配合；
每个互锁装置包括第一互锁构件和第二互锁构件，当两个可附接部分组装在一起时，第一互锁构件和第二互锁构件适于产生彼此相反的互锁力。
48.如权利要求47所述的泡沫挡板，其中第一可附接部分的第一互锁构件包括：
具有背离第二可附接部分的第一互锁面的第一成型构件，其中第二可附接部分包括具有背离第一可附接部分的第二互锁面的第二成型构件，第二互锁装置的第二成型构件相对于第一成型构件倒置，第一互锁面和第二互锁面接合以防止第一可附接部分和第二可附接部分的切向分离，
49.如权利要求48所述的泡沫挡板，每个成型构件都是锥形的，以便于接合。
50.根据权利要求48或49所述的泡沫挡板，其中第一可附接部分的第二互锁构件包括向第二可附接部分发散的第一倾斜表面。
51.一种温度传感器组件壳体，包括细长的管状构件，该管状构件具有导热材料的储存罐接触表面，该管状构件包括一个或多个内部通道，每个通道适于接收热传感器组件。
52.如权利要求51所述的温度传感器组件壳体，其中所述壳体包括端盖，以封闭管状构件的远端。
53.一种适于连接到控制器的电水加热器，该加热器包括储存罐、一个或多个电加热元件和适于获得储存罐中水的温度测量值的温度传感器件，温度传感器件和每个加热元件连接到外部可操作的连接器件。
54.如权利要求53所述的水加热器，包括一个或多个加热元件控制器件，每个加热元件控制器件连接到相应的一个加热元件。
55.根据权利要求54所述的水加热器，其中，所述加热元件控制器件包括一个或多个热切断开关，所述热切断开关适于在水温超过第一阈值温度时断开所述电加热元件或每个电加热元件。
56.根据权利要求54或55所述的水加热器，其中，所述加热元件控制器件包括一个或多个温度控制开关，每个开关适于在水温超过第二阈值温度时从相应的一个电加热元件断开电源。
57.根据权利要求56所述的水加热器，其中所述温度控制开关控制器件或每个温度控制开关控制器件连接到外部可操作的连接器件。
58.根据权利要求53至57中任一项所述的水加热器，其中所述温度传感器件适于获得所述储存罐不同高度处的水温。
59.根据权利要求53至58中任一项所述的水加热器，其中所述温度传感器件位于所述储存罐的外部或内部。
60.一种安装根据权利要求19至25中任一项或权利要求53至59中任一项所述的水加热器的方法，其中，所述储存罐配置有至少一个温度传感器和连接到外部可操作的连接器件的一个或多个加热元件，所述方法包括以下步骤：将所述储存罐安装在用户的房屋中，并将可变电源和控制器连接到外部可操作的连接器件。
61.根据权利要求60所述的方法，其中所述储存罐配置有热沉和功率控制设备。
62.根据权利要求60或权利要求61所述的方法，其中，所述储存罐被配置有靠近所述加热元件或每个加热元件的温度控制开关。
63.如权利要求60或61所述的方法，包括在连接器件的上游安装温度控制开关的步骤。
64.如权利要求60至63中任一项所述的方法，包括在连接器件的上游安装功率控制设备的步骤。
65.一种用于可变能量源公用电网馈入系统的控制系统，该系统至少包括具有第一供应优先级的第一能量消耗部件和具有第二能量供应优先级的第二能量消耗部件，第一能量供应优先级大于第二能量供应优先级，控制器接收识别来自公用电网的电流流入或到公用电网的电流流动的电流流动信息，该控制器适于控制到第二能量消耗部件的能量的流动，该控制器适于按照第一能量消耗部件、第二能量消耗部件和公用电网馈入的优先级顺序来控制来自可变能量源的能量输送。
66.如权利要求65所述的控制系统，其中第二能量消耗部件包括至少一个水加热器加热元件。
67.如权利要求65所述的控制系统，包括状态监测器件，其适于监测第二能量消耗部件的状态，以用于调节到第二能量消耗部件的能量的流动，例如，被监测的状态是温度。
68.根据权利要求65或67中任一项所述的控制系统，其中所述水加热器包括至少第一加热元件和第二加热元件，所述控制器控制适于调制来自可变能量源的能量的调制器，其中所述调制器在所述控制器的控制下调制对所述第一加热元件的能量输送。
69.如权利要求68所述的控制系统，其中至少第二加热元件是可切换的。
70.如权利要求68所述的控制系统，其中所有加热元件都是可切换的。
71.一种水加热系统，具有：
水存储储存罐，具有：
温度传感器；和
至少第一加热元件和第二加热元件，它们中的至少一个是可切换的；
水加热系统还包括：
控制器，适于接收来自温度传感器的温度信息和来自电流传感器的电流流向信息，该电流传感器感测到公用电网的电流流入或来自公用电网的电流的流出；
调制器，适于在控制器的控制下调节从可变能量源到至少第一加热元件的能量流；
其中至少第二加热元件在控制器的控制下是可切换的；
所述控制器适于控制调制器和所述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量源输送到内部消耗系统。
72.如权利要求71所述的水加热系统，其中所有加热元件在控制器的控制下是可切换的。
73.根据权利要求71或72所述的水加热系统，其中加热元件的阻抗是R、R/1、R/2…R/(N-1)，其中R是第一加热元件的电阻，并且N是加热单元中加热元件的数量。
74.根据权利要求71至73中任一项所述的水加热系统，其中，所述可变能量源是光伏(PV)能量源。
75.一种适于提供公用电网馈入的可变能量供应系统，该可变能量供应系统包括一个或多个能量消耗部件，所述一个或多个能量消耗部件中的一个是包括一个或多个加热元件的水加热系统，该可变能量供应系统包括：
可变能量源；
能量转换器，用于将来自可变源的输出转换成等效于交流公用电网供应的交流供应；
其中所述水加热系统包括水加热器储存罐，所述水加热器储存罐包括至少第一加热元件和第二加热元件，它们中的至少一个是可切换的；
调制器，用于调制来自逆变器的交流能量供应；
控制器，适于控制调制器和所述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量源输送到内部消耗系统。
76.如权利要求75所述的可变能量供应系统，包括双向公用电网电流传感器，其适于向控制器指示去往或来自公用电网的能量流的方向，其中控制器增加提供到加热元件的能量，直到来自可变能量源的所有能量被内部消耗系统消耗，或者直到能量从公用电网汲取。
77.根据权利要求75或76所述的可变能量供应系统，包括加热单元，所述加热单元包括第一加热元件、第二加热元件和第三加热元件，其中第一元件被调制，调制的元件具有为V2/R1的第一额定功率，第二元件具有为V2/R1的第二额定功率，并且第三元件具有为2*V2/R1的额定功率。
78.根据权利要求75至77中任一项所述的可变能量供应系统，其中所述可变能量源是太阳能光伏(PV)能量供应系统，其包括第一温度传感器，所述第一温度传感器适于测量储存罐中的水温并将温度测量传送给控制器，所述控制器适于在水温超过阈值时切断向储存罐的能量输送。
79.根据权利要求75至78中任一项所述的可变能量供应系统，其中所述太阳能光伏(PV)能量供应系统包括能由PV收集器充电的电池，所述控制器适于将PV能量从PV收集器转移到电池或水加热器。
80.根据权利要求75至78中任一项所述的可变能量供应系统，其中所述太阳能光伏(PV)能量供应系统包括第一多元件加热单元和第二多元件加热单元，以及控制这两个加热单元的中性连接的转换开关，第一加热单元和第二加热单元的对应元件由相同的开关控制。
81.一种利用可变能量源与交流公用电网供应一起为至少两个负载提供功率的方法，至少第一负载是可控的，公用电网供应和可变能量源连接到公共导体，其中第一负载优先级在其余的一个或多个负载之后，并且可变能量源适合于优先于公用电网供应向负载输送其可用能量，该方法包括以下步骤：
监测去往或来自公用电网的电流流动；
当电流从可变能量源流向公用电网供应时，增加提供给第一负载的能量，直到：
A.流向公用电网的电流停止；或者
B.来自可变能量源的最大可用能量被输送到第一负载。
82.如权利要求81所述的方法，其中第一负载包括两个或更多个加热元件；其中第一加热元件通过可控功率调制器由可变能量源供应，其中剩余的加热元件能以与第一加热元件并联的配置来切换；其中增加提供给第一加热元件的能量的步骤通过连续增加来自功率调制器的输出来执行，直到：
C.流向公用电网的电流停止；或者
D.调制器的输出达到最大值；
其中，如果调制器输出达到最大值，
降低调制器输出，
第二加热元件与第一加热元件并联接通，并且
调制器输出持续增加，直到达到条件C或条件D，其中
如果达到条件D，则执行并联接通另外的加热元件的过程，直到接通所有加热元件并且调制器输出处于最大；或者直到到公用电网的电流流动停止。
83.一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能量消耗部件，所述两个或更多个能量消耗部件中的至少一个是可切换的，该方法包括以下步骤：
将来自太阳能(PV)收集器的DC能量转换成未调制的交流供应；
调制所述未调制的交流供应，以产生调制的交流供应；
将调制的交流供应施加到一个或多个功率消耗部件。
84.如权利要求83所述的利用太阳能光伏能量的方法，包括以下步骤：
监测去往或来自公用电网的能量流动方向；
并且，在存在去往公用电网的电流流动的情况下，
增加调制的交流供应，直到汲取预定的最大电流，或者电流流出停止，
在达到最大调制交流供应输出的情况下，
将调制的交流供应输出降低到最小，
接通第二并联功率消耗元件，
增加施加到第一功率消耗元件的被调制交流供应电压，以及
降低调制器输出、切换功率消耗部件以及增加调制器输出，
直到去往公用电网的能量流动停止或者直到所有功率消耗元件被接通。
85.根据权利要求83或84所述的利用太阳能光伏能量的方法，包括以下步骤：在元件的切换中提供滞后。
86.根据权利要求83至85中任一项所述的利用太阳能光伏能量的方法，其中通过在每个开关操作期间将非零的被调制能量施加到可切换元件来提供滞后。
87.根据权利要求83至85中任一项所述的利用太阳能光伏能量的方法，其中通过对元件的切换施加延迟来提供滞后。
88.一种操作连接到公用电网和可变能量源的水加热器的方法，该加热器具有上部加热单元和下部加热单元，其中至少上部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：检测从可变能量源到公用电网的能量流，将第一量的能量施加到上部加热单元，以及将第二量的能量施加到下部加热单元，增加输送到上部加热单元的能量，监测从可变能量源到公用电网的能量流，并且当从可变能量源到公用电网的能量流停止时，停止增加从可变能量源到上部加热单元的能量输送。
89.一种用于水加热器的可变能量使用装置，该装置控制从可变能量供应和公用电网供应到水加热器的能量流，该装置包括控制器、调制器、具有至少第一加热元件和第二加热元件以及附接凸缘的加热单元，其中第二加热元件和任何另外的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，该调制器适于在控制器的控制下向第一加热元件输送可控功率输出，该附接凸缘适于密封附接到水加热器储存罐，该控制器适于监测向外流向公用电网供应或从公用电网供应向内的电流的方向，该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应的电流。
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