一种大型智能光伏屋顶系统的制作方法

本发明涉及新能源系统建筑领域，尤其是涉及一种大型智能光伏屋顶系统设计实现方法。

背景技术：

全球经济发展导致的诸多环保问题已成为世界关注的焦点，作为最重要能源物质的煤炭、石油、天然气等化石能源终将面临枯竭，开发清洁环保的可再生替代能源已势在必行。太阳能、核能、生物质能等能源成为新能源的代表，它们可以减少对化石能源的依赖与二氧化碳的排放量。其中，太阳能作为安全、绿色、可再生能源，其地位就显得尤其突出。

目前世界各国供电系统多采用集中式供电方式。在上世纪80年代，美国公共事业管理研究机构提出分布式供电模式，分布式供电是将发电系统以小规模、分散式的方式布置在用户附近。这种模式在西方发达国家得到了发展，可以很好的弥补集中式供电的不足。分布式供电具有以下优势：输配电损耗低；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本；适合多种热电比的变化，可使系统根据热或电的需求进行调节从而增加年设备利用小时；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电的可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能；绿色低碳，减小环保压力。由于太阳能发电非常适合于分布式供电模式，因此面向光伏发电的分布式供电及其支撑技术已经成为当前新能源技术的研究热点。

所科学技术的不断发展以及生活水平的不断提高，大型或超大型建筑物不断 涌现，如体育场馆、机场、车站、图书馆、游乐场、市民活动中心、教学楼等。上述建筑物顶部面积较大，采光条件较好，是进行分布式太阳能发电的合适场所。传统的大型建筑物顶部或侧面一般配有外遮阳系统，来调节建筑物内部的光线；而上述外遮阳系统一般不具备光伏发电功能，从而造成一定的采光资源浪费。

分布式光伏技术的不断推广，使得光伏屋顶技术得到广泛应用，尤其是在独栋建筑、草原、温室等建筑，但大型建筑物的阳光屋顶系统相对较少。此外，传统的阳光屋顶一般为固定模式，不能够根据天气及采光条件的改变来调整系统的拓扑结构，而且不可避免的会对建筑内的采光条件造成影响。

因此，研发一种大型智能光伏屋顶系统，兼顾传统的外遮阳系统与光伏屋顶系统的功能及特点，并配套设计相关的控制系统与监控系统，是非常有必要的工作。

技术实现要素：

为了克服传统光伏屋顶及外遮阳系统存在的技术问题，本发明提供一种大型智能光伏屋顶系统设计实现方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大型智能光伏屋顶系统，其特征在于：系统由实体支撑构架与传动子系统、光伏采集与光线调节单元、微逆变与电能转换单元、自适应分布式在线控制子系统组成，主要面向体育场馆、机场、车站、图书馆、游乐场、市民活动中心、教学楼等大型建筑物，安装在上述建筑物的顶部或侧面，提供光伏能量采集、变换、存储、供给以及光线调节、遮挡雨雪等功能。

一种大型智能光伏屋顶系统，其特征在于：其实体支撑构架与传动子系统由 主干支撑构架、光伏单元支撑及旋转单元构架、主体伸缩传动机构、光伏单元翻转传动机构、主体伸缩柔顺控制器组成。

进一步，所述的主干支撑构架采用轻质合金钢铰接而成，其展开物理范围可覆盖目标建筑物的顶面或侧面；能够承载光伏单元支撑及旋转单元构架、主体伸缩传动机构、光伏单元翻转传动机构、光伏栅格面板、微型逆变器及其它相关配件的重量；其内部分成若干单元区域，用以安装光伏单元支撑及旋转单元构架与光伏单元翻转传动机构；其侧面附有滚轮或滑轨，用以安装主体伸缩传动机构与主体伸缩柔顺控制器。

进一步，所述的光伏单元支撑及旋转单元构架由轻质铝合金构件铆接而成，通过定位销连接，嵌于主干支撑构架之内；其内部划分若干条状单元，通过螺旋紧固件，用以安装光伏栅格面板。

进一步，所述的主体伸缩传动机构通过螺旋紧固件安装在主干支撑构架两侧，采用多级电动缸传动方式，实现主干支撑构架的展开与缩回；所述的多级电动缸采用多层嵌套机构，结构紧凑，可提供稳定、持续的推动力。

进一步，所述的光伏单元翻转传动机构由步进电机、链轮、链条、传动轴、轴承组成；每个光伏栅格面板单元内安装一条传动轴，传动轴通过轴承安装在栅格单元内，并通过花键与链轮连接；链轮通过链条与步进电机连接，步进电机通过链条可控制多个传动轴的转动；每个光伏单元翻转传动机构独立运转、调整，无机械干涉，电机功率要求低，系统鲁棒性较好。

进一步，所述的主体伸缩柔顺控制器，采用自校正比例积分微分控制方法，引入遗忘因子辨识闭环最小相位系统的特性参数，有效限制电动缸伸缩过程的控制超调量，抑制伸缩过程中的机械动力冲击，使得系统伸缩过程柔顺、连续，降 低传动过程噪声，提高系统应用寿命。

一种大型智能光伏屋顶系统，其特征在于：其光伏采集与光线调节单元由光伏栅格面板、光强传感器、面板旋转控制器组成。

进一步，所述的光伏栅格面板通过螺旋紧固件固定在传动轴上，可随传动轴进行任意角度旋转；各个光伏栅格面板通过并联方式连接，以光伏采集与光线调节单元为基本单位汇集电流，接入微型逆变器。

进一步，所述的光强传感器用以感知建筑物外部光照条件的变化；传感器通过粘接方式安装在光伏单元支撑及旋转单元构架外侧，并通过信号线将光强信号输入面板旋转控制器；每个光伏采集与光线调节单元配置一个传感器，可独立感光，使得在光照条件不均衡的情况下，系统的电能产出及透光均匀性得到保证。

进一步，所述的面板旋转控制器接收光强传感器的输入信号，并通过信号线与步进电机驱动器相连；控制器采用模糊控制方法，选择隶属度函数，生成相应的控制规则表或成套控制策略，根据当前光强信号输入产生电机驱动信号，驱动光伏栅格面板转动，实现系统对于天气条件的自动跟踪或提供定制光照方案。

一种大型智能光伏屋顶系统，其特征在于：其微逆变与电能转换单元由微型逆变器、汇流控制器、储能设备组成。

进一步，所述的微型逆变器采用半桥反激架构，结构简单，体积紧凑；接收光伏栅格面板输入的波动较大的直流电，将其变换为符合并网要求的交流电，并接入汇流控制器。

更进一步，所述的微型逆变器采用内模重复控制方法，抑制周期性谐波，减小谐波畸变总量，提高电能输出质量。

进一步，所述的汇流控制器可接收一个或多个光伏采集与光线调节单元输出的交流电，其输出接口与并网变压器、储能设备及本地用电网络相连；根据用户需要及供电网络条件，将输出电能接入大电网、储能设备或本地建筑物用电网络。

更进一步，所述的汇流控制器采用基于双向同步旋转坐标系的多道锁相环技术，感知并控制双向潮流，实现系统并网或孤岛状态供电的无缝连接，抑制因电网波动或负载变化带来的符合不平衡，提高系统运行的稳定性。

进一步，所述的储能设备包含蓄电池与储能控制器，接收系统产生的多余电能，补偿因剧烈天气变化而造成的系统电能输出波动；所述的储能控制器通过概率神经网络方法进行充放电管理，提高了蓄电池工作的稳定性与工作寿命。

一种大型智能光伏屋顶系统，其特征在于：其自适应分布式在线控制子系统由分布式光伏屋顶监控结点、集控中心监控端、无线网络中继服务结点、自适应监控应用软件组成。

进一步，所述的分布式光伏屋顶监控结点安装在系统的各个关键组成设备上，获取当前系统的工作状态，并将状态数据按照既定的数据传输协议上传至集控中心监控端或普适移动监控终端。

更进一步，所述的分布式光伏屋顶监控结点通过本地光伏网络进行供电，配有无线网络发射热点器件，采用无线方式进行信息交互，支持无线局域网络相融协议与工业设备网络服务构架；所述的工业设备网络服务构架为自适应网络中间件，兼容TCP/IP协议或其它专用工业网络协议，可实现分布式监控网络的自主发现、事件订阅、信息封装、无缝链接等功能，且通过其安全信息映射机制保证监控系统运行的稳定性。

进一步，所述的集控中心监控端安装在建筑物控制室，通过工业设备网络服 务构架服务方法进行自主搜索，确认当前系统中处于运行状态的结点，并与其建立无线通信信道；通过建立的上述无线网络信道，对系统中的各运行结点进行监测，获取当前系统的运行状态，并根据上述状态数据产生控制规则与操控指令。

进一步，所述的无线网络中继服务结点采用当地光伏电源供电，为分布式光伏屋顶监控结点与集控中心监控端或普适移动监控终端提供信号中继与功率增强服务，提高无线通信信道的抗干扰能力，确保信号传输在遭遇到异常电气干扰条件下的高保真性。

进一步，所述的自适应监控应用软件安装在集控中心监控端服务器上，通过工业设备网络服务构架的自主发现与自主组网功能生成当前运行的设备结点列表；利用工业设备网络服务构架的事件订阅机制与自主触发设计设备结点的控制接口，并在此基础上为用户提供操控建议与工作日志打印等服务。

更进一步，所述的自适应监控应用软件支持嵌入式普适移动终端，可安装在手机等嵌入式移动计算机上；系统工作人员可以在建筑物无线网络覆盖范围内的任意地点获得系统各个结点的运行状态信息，提高了工作人员在系统维护过程中的工作灵活性。

本发明的有益效果主要表现在：

1)将传统的屋顶外遮阳系统与阳光屋顶系统相结合，实现了光伏发电与光线调节的有机统一。

2)主体伸缩传动机构采用多级电动缸采用多层嵌套机构，结构紧凑，可提供稳定、持续的推动力；采用自校正比例积分微分控制方法，有效限制电动缸伸缩过程的控制超调量，抑制伸缩过程中的机械动力冲击，降低传动过程噪声，提高系统应用寿命。

3)光伏单元翻转传动机构独立运转、调整，无机械干涉，电机功率要求低，系统鲁棒性较好。

4)光伏采集与光线调节单元独立感光，使得在光照条件不均衡的情况下，系统的电能产出及透光均匀性得到保证。

5)面板旋转控制器采用模糊控制方法，生成相应的控制规则表或成套控制策略，根据当前光强信号输入产生电机驱动信号，实现系统对于天气条件的自动跟踪或提供定制光照方案。

6)所述的微型逆变器采用半桥反激架构，结构简单，体积紧凑；采用内模重复控制方法，抑制周期性谐波，减小谐波畸变总量，提高电能输出质量。

7)汇流控制器采用基于双向同步旋转坐标系的多道锁相环技术，感知并控制双向潮流，实现系统并网或孤岛状态供电的无缝连接，抑制因电网波动或负载变化带来的符合不平衡，提高系统运行的稳定性。

8)储能控制器通过概率神经网络方法进行充放电管理，提高了蓄电池工作的稳定性与工作寿命。

9)监控系统采用工业设备网络服务构架服务方法，兼容TCP/IP协议或其它专用工业网络协议，可实现分布式监控网络的自主发现、事件订阅、信息封装、无缝链接等功能，且通过其安全信息映射机制保证监控系统运行的稳定性。

附图说明

图1是系统功能架构示意图；

图2是实体支撑结构示意图；1-伸缩电动缸 2-主体支撑钢架 3-伸缩控制器4-伸缩铰链 5-光伏单元支架 6-光伏栅格面板

图3是光伏采集与光线调节单元结构示意图；1-链条 2-链轮 3-步进电机 4-面板旋转控制器 5-定位销孔 6-轴承 7-光伏栅格面板转轴 8-光伏栅格面板 9-光强传感器 10-铝合金支撑框架

图4是伸缩柔顺控制器控制框图；r(t)-系统输入u(t)-控制规律增量y(t)-系统输出

图5是系统控制结构示意图。

具体实施方式

结合附图，下面对本发明进行详细说明。

(1)总体功能构架

本发明所涉及的一种大型智能光伏屋顶系统，由实体支撑构架与传动子系统(Entity Supporting&Mechanical Drive sub-System，ESMDS)、光伏采集与光线调节单元(Photovoltaic&Light Regulating Unit，PLRU)、微逆变与电能转换单元(Micro-inverter&Power Transfer Unit，MPTU)、自适应分布式在线控制子系统(Self-adapting Distributed On-line Monitoring sub-System，SDOMS)组成，具体功能结构如附图1所示。本系统主要面向体育场馆、歌舞剧院、机场、车站、图书馆、游乐场、市民活动中心、教学楼等大型建筑物，安装在上述建筑物的顶部或侧面，可根据具体的用户需求展开或伸缩(见附图2)，提供光伏能量采集、变换、存储、供给以及光线调节、遮挡雨雪等功能。

(2)物理支撑与机械传动

本发明所涉及的一种大型智能光伏屋顶系统，其实体支撑构架与传动子系统(ESMDS)由主干支撑构架、光伏单元支撑及旋转单元构架、主体伸缩传动机构、 光伏单元翻转传动机构、主体伸缩柔顺控制器组成，如附图2所示。

主干支撑构架采用轻质合金钢铰接而成，其展开物理范围可覆盖目标建筑物的顶面或侧面；能够承载光伏单元支撑及旋转单元构架、主体伸缩传动机构、光伏单元翻转传动机构、光伏栅格面板、微型逆变器及其它相关配件的重量；其内部分成若干单元区域，用以安装光伏单元支撑及旋转单元构架与光伏单元翻转传动机构；其侧面附有滚轮或滑轨，用以安装主体伸缩传动机构与主体伸缩柔顺控制器。

光伏单元支撑及旋转单元构架由轻质铝合金构件铆接而成，通过定位销连接，嵌于主干支撑构架之内；其内部划分若干条状单元，通过螺旋紧固件，用以安装光伏栅格面板，如附图3所示。

主体伸缩传动机构通过螺旋紧固件安装在主干支撑构架两侧，采用多级电动缸传动方式，如附图2所示，实现主干支撑构架的展开与缩回；所述的多级电动缸采用多层嵌套机构，结构紧凑，可提供稳定、持续的推动力。

光伏单元翻转传动机构由步进电机、链轮、链条、传动轴、轴承组成，如附图3所示；每个光伏栅格面板单元内安装一条传动轴，传动轴通过轴承安装在栅格单元内，并通过花键与链轮连接；链轮通过链条与步进电机连接，步进电机通过链条可控制多个传动轴的转动；每个光伏单元翻转传动机构独立运转、调整，无机械干涉，电机功率要求低，系统鲁棒性较好。

主体伸缩柔顺控制器，采用自校正比例积分微分(Self-turning Proportion Integration Differentiation，SPID)控制方法，其控制系统框图如附图4所示。上述伸缩柔顺控制器引入遗忘因子辨识闭环最小相位系统的特性参数，有效限制电动 缸伸缩过程的控制超调量，抑制伸缩过程中的机械动力冲击，使得系统伸缩过程柔顺、连续，降低传动过程噪声，提高系统应用寿命。

(3)光伏采集与光线调节

本发明所涉及的一种大型智能光伏屋顶系统，其光伏采集与光线调节单元(PLRU)由光伏栅格面板、光强传感器、面板旋转控制器组成。

光伏栅格面板通过螺旋紧固件固定在传动轴上，可随传动轴进行任意角度旋转，如附图3所示；各个光伏栅格面板通过并联方式连接，以光伏采集与光线调节单元为基本单位汇集电流，接入微型逆变器。

光强传感器用以感知建筑物外部光照条件的变化；光强传感器通过粘接方式安装在光伏单元支撑及旋转单元构架外侧，并通过信号线将光强信号输入面板旋转控制器，如附图3所示；每个光伏采集与光线调节单元配置一个传感器，可独立感光，使得在光照条件不均衡的情况下，系统的电能产出及透光均匀性得到保证。

面板旋转控制器接收光强传感器的输入信号，并通过信号线与步进电机驱动器相连；控制器采用模糊控制方法，选择合适的隶属度函数，生成相应的控制规则表或成套控制策略，根据当前光强信号输入产生电机驱动信号，驱动光伏栅格面板转动，实现系统对于天气条件的自动跟踪或提供定制光照方案，如附图5所示。

(5)光伏逆变转换与控制

本发明所涉及的一种大型智能光伏屋顶系统，其微逆变与电能转换单元 (MPTU)由微型逆变器、汇流控制器、储能设备组成，如附图5所示。

微型逆变器采用半桥反激架构，结构简单，体积紧凑。微型逆变器接收光伏栅格面板输入的波动较大的直流电，将其变换为符合并网要求的交流电，并接入汇流控制器。

微型逆变器采用内模重复控制方法，抑制周期性谐波，减小谐波畸变总量，提高电能输出质量。

汇流控制器可接收一个或多个光伏采集与光线调节单元输出的交流电，其输出接口与并网变压器、储能设备及本地用电网络的相关负载相连；根据用户需要及供电网络条件，将输出电能接入大电网、储能设备或本地建筑物用电网络，如附图5所示。

汇流控制器采用基于双向同步旋转坐标系的多道锁相环技术，感知并控制双向潮流，实现系统并网或孤岛状态供电的无缝连接，抑制因电网波动或负载变化带来的符合不平衡，提高系统运行的稳定性。

储能设备包含蓄电池与储能控制器，接收系统产生的多余电能，补偿因剧烈天气变化而造成的系统电能输出波动；所述的储能控制器通过概率神经网络(Probabilistic Neural Network，PNN)方法进行充放电管理，提高了蓄电池工作的稳定性与工作寿命。

(6)分布式系统监控

本发明所涉及的一种大型智能光伏屋顶系统，其自适应分布式在线控制子系统(SDOMS)由分布式光伏屋顶监控结点、集控中心监控端、无线网络中继服务结 点、自适应监控应用软件组成。

分布式光伏屋顶监控结点安装在系统的各个关键组成设备上，获取当前系统的工作状态，并将状态数据按照既定的数据传输协议上传至集控中心监控端或普适移动监控终端。

分布式光伏屋顶监控结点通过本地光伏网络进行供电，配有无线网络发射热点器件，采用无线方式进行信息交互，支持无线局域网络相融协议与工业设备网络服务构架(Device Profile for Web Service，DPWS)；DPWS为自适应网络中间件，兼容TCP/IP协议或其它专用工业网络协议，可实现分布式监控网络的自主发现、事件订阅、信息封装、无缝链接等功能，且通过其安全信息映射机制保证监控系统运行的稳定性，如附图5所示。

集控中心监控端安装在建筑物控制室，通过DPWS服务方法进行自主搜索，确认当前系统中处于运行状态的结点，并与其建立无线通信信道；通过建立的上述无线网络信道，对系统中的各运行结点进行监测，获取当前系统的运行状态，并根据上述状态数据产生控制规则与操控指令。

本发明所涉及的无线网络中继服务结点采用当地光伏电源供电，为分布式光伏屋顶监控结点与集控中心监控端或普适移动监控终端提供信号中继与功率增强服务，提高无线通信信道的抗干扰能力，确保信号传输在遭遇到异常电气干扰条件下的高保真性。

自适应监控应用软件安装在集控中心监控端服务器上，通过DPWS自主发现与自主组网功能生成当前运行的设备结点列表；利用工业设备网络服务构架的事件订阅机制与自主触发设计设备结点的控制接口，并在此基础上为用户提供操 控建议与工作日志打印等服务。

本发明所涉及的自适应监控应用软件支持嵌入式普适移动终端，可安装在手机等嵌入式移动计算机上；系统工作人员可以在建筑物无线网络覆盖范围内的任意地点获得系统各个结点的运行状态信息，提高了工作人员在系统维护过程中的工作灵活性。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。