一種大型智能光伏屋頂系統的製作方法

2023-10-11 08:21:24 2

本發明涉及新能源系統建築領域，尤其是涉及一種大型智能光伏屋頂系統設計實現方法。

背景技術：

全球經濟發展導致的諸多環保問題已成為世界關注的焦點，作為最重要能源物質的煤炭、石油、天然氣等化石能源終將面臨枯竭，開發清潔環保的可再生替代能源已勢在必行。太陽能、核能、生物質能等能源成為新能源的代表，它們可以減少對化石能源的依賴與二氧化碳的排放量。其中，太陽能作為安全、綠色、可再生能源，其地位就顯得尤其突出。

目前世界各國供電系統多採用集中式供電方式。在上世紀80年代，美國公共事業管理研究機構提出分布式供電模式，分布式供電是將發電系統以小規模、分散式的方式布置在用戶附近。這種模式在西方發達國家得到了發展，可以很好的彌補集中式供電的不足。分布式供電具有以下優勢：輸配電損耗低；無需建設配電站，可避免或延緩增加的輸配電成本；適合多種熱電比的變化，可使系統根據熱或電的需求進行調節從而增加年設備利用小時；土建和安裝成本低；各電站相互獨立，用戶可自行控制，不會發生大規模供電事故，供電的可靠性高；可進行遙控和監測區域電力質量和性能；綠色低碳，減小環保壓力。由於太陽能發電非常適合於分布式供電模式，因此面向光伏發電的分布式供電及其支撐技術已經成為當前新能源技術的研究熱點。

所科學技術的不斷發展以及生活水平的不斷提高，大型或超大型建築物不斷 湧現，如體育場館、機場、車站、圖書館、遊樂場、市民活動中心、教學樓等。上述建築物頂部面積較大，採光條件較好，是進行分布式太陽能發電的合適場所。傳統的大型建築物頂部或側面一般配有外遮陽系統，來調節建築物內部的光線；而上述外遮陽系統一般不具備光伏發電功能，從而造成一定的採光資源浪費。

分布式光伏技術的不斷推廣，使得光伏屋頂技術得到廣泛應用，尤其是在獨棟建築、草原、溫室等建築，但大型建築物的陽光屋頂系統相對較少。此外，傳統的陽光屋頂一般為固定模式，不能夠根據天氣及採光條件的改變來調整系統的拓撲結構，而且不可避免的會對建築內的採光條件造成影響。

因此，研發一種大型智能光伏屋頂系統，兼顧傳統的外遮陽系統與光伏屋頂系統的功能及特點，並配套設計相關的控制系統與監控系統，是非常有必要的工作。

技術實現要素：

為了克服傳統光伏屋頂及外遮陽系統存在的技術問題，本發明提供一種大型智能光伏屋頂系統設計實現方法。

本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：

一種大型智能光伏屋頂系統，其特徵在於：系統由實體支撐構架與傳動子系統、光伏採集與光線調節單元、微逆變與電能轉換單元、自適應分布式在線控制子系統組成，主要面向體育場館、機場、車站、圖書館、遊樂場、市民活動中心、教學樓等大型建築物，安裝在上述建築物的頂部或側面，提供光伏能量採集、變換、存儲、供給以及光線調節、遮擋雨雪等功能。

一種大型智能光伏屋頂系統，其特徵在於：其實體支撐構架與傳動子系統由 主幹支撐構架、光伏單元支撐及旋轉單元構架、主體伸縮傳動機構、光伏單元翻轉傳動機構、主體伸縮柔順控制器組成。

進一步，所述的主幹支撐構架採用輕質合金鋼鉸接而成，其展開物理範圍可覆蓋目標建築物的頂面或側面；能夠承載光伏單元支撐及旋轉單元構架、主體伸縮傳動機構、光伏單元翻轉傳動機構、光伏柵格面板、微型逆變器及其它相關配件的重量；其內部分成若干單元區域，用以安裝光伏單元支撐及旋轉單元構架與光伏單元翻轉傳動機構；其側面附有滾輪或滑軌，用以安裝主體伸縮傳動機構與主體伸縮柔順控制器。

進一步，所述的光伏單元支撐及旋轉單元構架由輕質鋁合金構件鉚接而成，通過定位銷連接，嵌於主幹支撐構架之內；其內部劃分若干條狀單元，通過螺旋緊固件，用以安裝光伏柵格面板。

進一步，所述的主體伸縮傳動機構通過螺旋緊固件安裝在主幹支撐構架兩側，採用多級電動缸傳動方式，實現主幹支撐構架的展開與縮回；所述的多級電動缸採用多層嵌套機構，結構緊湊，可提供穩定、持續的推動力。

進一步，所述的光伏單元翻轉傳動機構由步進電機、鏈輪、鏈條、傳動軸、軸承組成；每個光伏柵格面板單元內安裝一條傳動軸，傳動軸通過軸承安裝在柵格單元內，並通過花鍵與鏈輪連接；鏈輪通過鏈條與步進電機連接，步進電機通過鏈條可控制多個傳動軸的轉動；每個光伏單元翻轉傳動機構獨立運轉、調整，無機械幹涉，電機功率要求低，系統魯棒性較好。

進一步，所述的主體伸縮柔順控制器，採用自校正比例積分微分控制方法，引入遺忘因子辨識閉環最小相位系統的特性參數，有效限制電動缸伸縮過程的控制超調量，抑制伸縮過程中的機械動力衝擊，使得系統伸縮過程柔順、連續，降 低傳動過程噪聲，提高系統應用壽命。

一種大型智能光伏屋頂系統，其特徵在於：其光伏採集與光線調節單元由光伏柵格面板、光強傳感器、面板旋轉控制器組成。

進一步，所述的光伏柵格面板通過螺旋緊固件固定在傳動軸上，可隨傳動軸進行任意角度旋轉；各個光伏柵格面板通過並聯方式連接，以光伏採集與光線調節單元為基本單位匯集電流，接入微型逆變器。

進一步，所述的光強傳感器用以感知建築物外部光照條件的變化；傳感器通過粘接方式安裝在光伏單元支撐及旋轉單元構架外側，並通過信號線將光強信號輸入面板旋轉控制器；每個光伏採集與光線調節單元配置一個傳感器，可獨立感光，使得在光照條件不均衡的情況下，系統的電能產出及透光均勻性得到保證。

進一步，所述的面板旋轉控制器接收光強傳感器的輸入信號，並通過信號線與步進電機驅動器相連；控制器採用模糊控制方法，選擇隸屬度函數，生成相應的控制規則表或成套控制策略，根據當前光強信號輸入產生電機驅動信號，驅動光伏柵格面板轉動，實現系統對於天氣條件的自動跟蹤或提供定製光照方案。

一種大型智能光伏屋頂系統，其特徵在於：其微逆變與電能轉換單元由微型逆變器、匯流控制器、儲能設備組成。

進一步，所述的微型逆變器採用半橋反激架構，結構簡單，體積緊湊；接收光伏柵格面板輸入的波動較大的直流電，將其變換為符合併網要求的交流電，並接入匯流控制器。

更進一步，所述的微型逆變器採用內模重複控制方法，抑制周期性諧波，減小諧波畸變總量，提高電能輸出質量。

進一步，所述的匯流控制器可接收一個或多個光伏採集與光線調節單元輸出的交流電，其輸出接口與併網變壓器、儲能設備及本地用電網絡相連；根據用戶需要及供電網絡條件，將輸出電能接入大電網、儲能設備或本地建築物用電網絡。

更進一步，所述的匯流控制器採用基於雙向同步旋轉坐標系的多道鎖相環技術，感知並控制雙向潮流，實現系統併網或孤島狀態供電的無縫連接，抑制因電網波動或負載變化帶來的符合不平衡，提高系統運行的穩定性。

進一步，所述的儲能設備包含蓄電池與儲能控制器，接收系統產生的多餘電能，補償因劇烈天氣變化而造成的系統電能輸出波動；所述的儲能控制器通過概率神經網絡方法進行充放電管理，提高了蓄電池工作的穩定性與工作壽命。

一種大型智能光伏屋頂系統，其特徵在於：其自適應分布式在線控制子系統由分布式光伏屋頂監控結點、集控中心監控端、無線網絡中繼服務結點、自適應監控應用軟體組成。

進一步，所述的分布式光伏屋頂監控結點安裝在系統的各個關鍵組成設備上，獲取當前系統的工作狀態，並將狀態數據按照既定的數據傳輸協議上傳至集控中心監控端或普適移動監控終端。

更進一步，所述的分布式光伏屋頂監控結點通過本地光伏網絡進行供電，配有無線網絡發射熱點器件，採用無線方式進行信息交互，支持無線區域網路相融協議與工業設備網絡服務構架；所述的工業設備網絡服務構架為自適應網絡中間件，兼容TCP/IP協議或其它專用工業網絡協議，可實現分布式監控網絡的自主發現、事件訂閱、信息封裝、無縫連結等功能，且通過其安全信息映射機制保證監控系統運行的穩定性。

進一步，所述的集控中心監控端安裝在建築物控制室，通過工業設備網絡服 務構架服務方法進行自主搜索，確認當前系統中處於運行狀態的結點，並與其建立無線通信信道；通過建立的上述無線網絡信道，對系統中的各運行結點進行監測，獲取當前系統的運行狀態，並根據上述狀態數據產生控制規則與操控指令。

進一步，所述的無線網絡中繼服務結點採用當地光伏電源供電，為分布式光伏屋頂監控結點與集控中心監控端或普適移動監控終端提供信號中繼與功率增強服務，提高無線通信信道的抗幹擾能力，確保信號傳輸在遭遇到異常電氣幹擾條件下的高保真性。

進一步，所述的自適應監控應用軟體安裝在集控中心監控端伺服器上，通過工業設備網絡服務構架的自主發現與自主組網功能生成當前運行的設備結點列表；利用工業設備網絡服務構架的事件訂閱機制與自主觸發設計設備結點的控制接口，並在此基礎上為用戶提供操控建議與工作日誌列印等服務。

更進一步，所述的自適應監控應用軟體支持嵌入式普適移動終端，可安裝在手機等嵌入式移動計算機上；系統工作人員可以在建築物無線網絡覆蓋範圍內的任意地點獲得系統各個結點的運行狀態信息，提高了工作人員在系統維護過程中的工作靈活性。

本發明的有益效果主要表現在：

1)將傳統的屋頂外遮陽系統與陽光屋頂系統相結合，實現了光伏發電與光線調節的有機統一。

2)主體伸縮傳動機構採用多級電動缸採用多層嵌套機構，結構緊湊，可提供穩定、持續的推動力；採用自校正比例積分微分控制方法，有效限制電動缸伸縮過程的控制超調量，抑制伸縮過程中的機械動力衝擊，降低傳動過程噪聲，提高系統應用壽命。

3)光伏單元翻轉傳動機構獨立運轉、調整，無機械幹涉，電機功率要求低，系統魯棒性較好。

4)光伏採集與光線調節單元獨立感光，使得在光照條件不均衡的情況下，系統的電能產出及透光均勻性得到保證。

5)面板旋轉控制器採用模糊控制方法，生成相應的控制規則表或成套控制策略，根據當前光強信號輸入產生電機驅動信號，實現系統對於天氣條件的自動跟蹤或提供定製光照方案。

6)所述的微型逆變器採用半橋反激架構，結構簡單，體積緊湊；採用內模重複控制方法，抑制周期性諧波，減小諧波畸變總量，提高電能輸出質量。

7)匯流控制器採用基於雙向同步旋轉坐標系的多道鎖相環技術，感知並控制雙向潮流，實現系統併網或孤島狀態供電的無縫連接，抑制因電網波動或負載變化帶來的符合不平衡，提高系統運行的穩定性。

8)儲能控制器通過概率神經網絡方法進行充放電管理，提高了蓄電池工作的穩定性與工作壽命。

9)監控系統採用工業設備網絡服務構架服務方法，兼容TCP/IP協議或其它專用工業網絡協議，可實現分布式監控網絡的自主發現、事件訂閱、信息封裝、無縫連結等功能，且通過其安全信息映射機制保證監控系統運行的穩定性。

附圖說明

圖1是系統功能架構示意圖；

圖2是實體支撐結構示意圖；1-伸縮電動缸 2-主體支撐鋼架 3-伸縮控制器4-伸縮鉸鏈 5-光伏單元支架 6-光伏柵格面板

圖3是光伏採集與光線調節單元結構示意圖；1-鏈條 2-鏈輪 3-步進電機 4-面板旋轉控制器 5-定位銷孔 6-軸承 7-光伏柵格面板轉軸 8-光伏柵格面板 9-光強傳感器 10-鋁合金支撐框架

圖4是伸縮柔順控制器控制框圖；r(t)-系統輸入u(t)-控制規律增量y(t)-系統輸出

圖5是系統控制結構示意圖。

具體實施方式

結合附圖，下面對本發明進行詳細說明。

(1)總體功能構架

本發明所涉及的一種大型智能光伏屋頂系統，由實體支撐構架與傳動子系統(Entity Supporting&Mechanical Drive sub-System，ESMDS)、光伏採集與光線調節單元(Photovoltaic&Light Regulating Unit，PLRU)、微逆變與電能轉換單元(Micro-inverter&Power Transfer Unit，MPTU)、自適應分布式在線控制子系統(Self-adapting Distributed On-line Monitoring sub-System，SDOMS)組成，具體功能結構如附圖1所示。本系統主要面向體育場館、歌舞劇院、機場、車站、圖書館、遊樂場、市民活動中心、教學樓等大型建築物，安裝在上述建築物的頂部或側面，可根據具體的用戶需求展開或伸縮(見附圖2)，提供光伏能量採集、變換、存儲、供給以及光線調節、遮擋雨雪等功能。

(2)物理支撐與機械傳動

本發明所涉及的一種大型智能光伏屋頂系統，其實體支撐構架與傳動子系統(ESMDS)由主幹支撐構架、光伏單元支撐及旋轉單元構架、主體伸縮傳動機構、 光伏單元翻轉傳動機構、主體伸縮柔順控制器組成，如附圖2所示。

主幹支撐構架採用輕質合金鋼鉸接而成，其展開物理範圍可覆蓋目標建築物的頂面或側面；能夠承載光伏單元支撐及旋轉單元構架、主體伸縮傳動機構、光伏單元翻轉傳動機構、光伏柵格面板、微型逆變器及其它相關配件的重量；其內部分成若干單元區域，用以安裝光伏單元支撐及旋轉單元構架與光伏單元翻轉傳動機構；其側面附有滾輪或滑軌，用以安裝主體伸縮傳動機構與主體伸縮柔順控制器。

光伏單元支撐及旋轉單元構架由輕質鋁合金構件鉚接而成，通過定位銷連接，嵌於主幹支撐構架之內；其內部劃分若干條狀單元，通過螺旋緊固件，用以安裝光伏柵格面板，如附圖3所示。

主體伸縮傳動機構通過螺旋緊固件安裝在主幹支撐構架兩側，採用多級電動缸傳動方式，如附圖2所示，實現主幹支撐構架的展開與縮回；所述的多級電動缸採用多層嵌套機構，結構緊湊，可提供穩定、持續的推動力。

光伏單元翻轉傳動機構由步進電機、鏈輪、鏈條、傳動軸、軸承組成，如附圖3所示；每個光伏柵格面板單元內安裝一條傳動軸，傳動軸通過軸承安裝在柵格單元內，並通過花鍵與鏈輪連接；鏈輪通過鏈條與步進電機連接，步進電機通過鏈條可控制多個傳動軸的轉動；每個光伏單元翻轉傳動機構獨立運轉、調整，無機械幹涉，電機功率要求低，系統魯棒性較好。

主體伸縮柔順控制器，採用自校正比例積分微分(Self-turning Proportion Integration Differentiation，SPID)控制方法，其控制系統框圖如附圖4所示。上述伸縮柔順控制器引入遺忘因子辨識閉環最小相位系統的特性參數，有效限制電動 缸伸縮過程的控制超調量，抑制伸縮過程中的機械動力衝擊，使得系統伸縮過程柔順、連續，降低傳動過程噪聲，提高系統應用壽命。

(3)光伏採集與光線調節

本發明所涉及的一種大型智能光伏屋頂系統，其光伏採集與光線調節單元(PLRU)由光伏柵格面板、光強傳感器、面板旋轉控制器組成。

光伏柵格面板通過螺旋緊固件固定在傳動軸上，可隨傳動軸進行任意角度旋轉，如附圖3所示；各個光伏柵格面板通過並聯方式連接，以光伏採集與光線調節單元為基本單位匯集電流，接入微型逆變器。

光強傳感器用以感知建築物外部光照條件的變化；光強傳感器通過粘接方式安裝在光伏單元支撐及旋轉單元構架外側，並通過信號線將光強信號輸入面板旋轉控制器，如附圖3所示；每個光伏採集與光線調節單元配置一個傳感器，可獨立感光，使得在光照條件不均衡的情況下，系統的電能產出及透光均勻性得到保證。

面板旋轉控制器接收光強傳感器的輸入信號，並通過信號線與步進電機驅動器相連；控制器採用模糊控制方法，選擇合適的隸屬度函數，生成相應的控制規則表或成套控制策略，根據當前光強信號輸入產生電機驅動信號，驅動光伏柵格面板轉動，實現系統對於天氣條件的自動跟蹤或提供定製光照方案，如附圖5所示。

(5)光伏逆變轉換與控制

本發明所涉及的一種大型智能光伏屋頂系統，其微逆變與電能轉換單元 (MPTU)由微型逆變器、匯流控制器、儲能設備組成，如附圖5所示。

微型逆變器採用半橋反激架構，結構簡單，體積緊湊。微型逆變器接收光伏柵格面板輸入的波動較大的直流電，將其變換為符合併網要求的交流電，並接入匯流控制器。

微型逆變器採用內模重複控制方法，抑制周期性諧波，減小諧波畸變總量，提高電能輸出質量。

匯流控制器可接收一個或多個光伏採集與光線調節單元輸出的交流電，其輸出接口與併網變壓器、儲能設備及本地用電網絡的相關負載相連；根據用戶需要及供電網絡條件，將輸出電能接入大電網、儲能設備或本地建築物用電網絡，如附圖5所示。

匯流控制器採用基於雙向同步旋轉坐標系的多道鎖相環技術，感知並控制雙向潮流，實現系統併網或孤島狀態供電的無縫連接，抑制因電網波動或負載變化帶來的符合不平衡，提高系統運行的穩定性。

儲能設備包含蓄電池與儲能控制器，接收系統產生的多餘電能，補償因劇烈天氣變化而造成的系統電能輸出波動；所述的儲能控制器通過概率神經網絡(Probabilistic Neural Network，PNN)方法進行充放電管理，提高了蓄電池工作的穩定性與工作壽命。

(6)分布式系統監控

本發明所涉及的一種大型智能光伏屋頂系統，其自適應分布式在線控制子系統(SDOMS)由分布式光伏屋頂監控結點、集控中心監控端、無線網絡中繼服務結 點、自適應監控應用軟體組成。

分布式光伏屋頂監控結點安裝在系統的各個關鍵組成設備上，獲取當前系統的工作狀態，並將狀態數據按照既定的數據傳輸協議上傳至集控中心監控端或普適移動監控終端。

分布式光伏屋頂監控結點通過本地光伏網絡進行供電，配有無線網絡發射熱點器件，採用無線方式進行信息交互，支持無線區域網路相融協議與工業設備網絡服務構架(Device Profile for Web Service，DPWS)；DPWS為自適應網絡中間件，兼容TCP/IP協議或其它專用工業網絡協議，可實現分布式監控網絡的自主發現、事件訂閱、信息封裝、無縫連結等功能，且通過其安全信息映射機制保證監控系統運行的穩定性，如附圖5所示。

集控中心監控端安裝在建築物控制室，通過DPWS服務方法進行自主搜索，確認當前系統中處於運行狀態的結點，並與其建立無線通信信道；通過建立的上述無線網絡信道，對系統中的各運行結點進行監測，獲取當前系統的運行狀態，並根據上述狀態數據產生控制規則與操控指令。

本發明所涉及的無線網絡中繼服務結點採用當地光伏電源供電，為分布式光伏屋頂監控結點與集控中心監控端或普適移動監控終端提供信號中繼與功率增強服務，提高無線通信信道的抗幹擾能力，確保信號傳輸在遭遇到異常電氣幹擾條件下的高保真性。

自適應監控應用軟體安裝在集控中心監控端伺服器上，通過DPWS自主發現與自主組網功能生成當前運行的設備結點列表；利用工業設備網絡服務構架的事件訂閱機制與自主觸發設計設備結點的控制接口，並在此基礎上為用戶提供操 控建議與工作日誌列印等服務。

本發明所涉及的自適應監控應用軟體支持嵌入式普適移動終端，可安裝在手機等嵌入式移動計算機上；系統工作人員可以在建築物無線網絡覆蓋範圍內的任意地點獲得系統各個結點的運行狀態信息，提高了工作人員在系統維護過程中的工作靈活性。

最後，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的一個具體實施例。顯然，本發明不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本發明的保護範圍。