一种自维持可调长度和角度的光伏外遮阳装置及调控方法
【专利摘要】本发明公开一种自维持可调长度和角度的光伏外遮阳装置及调控方法。在传统外遮阳装置上面安装遮阳光伏发电板，可根据太阳高度角和方位角进行多方位自动调节，保证遮阳效果最优，同时遮阳光伏发电板调节的能源来自于自身的光伏发电。可调外遮阳光伏发电板是由三段伸缩的遮阳光伏发电板构成，可以太阳辐射强度和居民的遮阳需求调节遮阳光伏发电板的伸缩长度；同时根据太阳直射方位角和室内遮阳效果的需求，遮阳光伏发电板可以进行竖向和横向的调节。通过结合外遮阳光伏发电板长度、横向角度和竖向角度的合理调节，能有起到最佳的遮阳效果，并且遮阳光伏发电板能够吸收更多的太阳热量。
【专利说明】-种自维持可调长度和角度的光伏外遮阳装置及调控方法
【技术领域】
[0001] 本发明属建筑材料类和太阳能利用领域，具体涉及一种可利用太阳能发电的外 遮阳装置（或称光伏外遮阳系统）。
【背景技术】
[0002] 建筑能耗在总能耗中占有很大的比重，建筑能耗在很大一定程度上取决于围护结 构的保温隔热效果。不管是冬季还是夏季，由于窗户得热或失热而造成的负荷量比较大。夏 季主要体现在太阳通过窗户传递到室内的热量很多，如果没有遮阳措施遮挡太阳辐射量， 室内的的热负荷会极度增加，从而采用空调系统降温会消耗更多的电能；同样在冬季也会 消耗很多的电能。
[0003] 发展绿色节能建筑已成为建筑行业的一种趋势，得到国家和政府的大力支持。通 过以上分析可以看出，合理有效的安装遮阳装置可以明显地减少建筑的负荷，从而降低能 耗。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是解决发电效果和遮阳效果不能够兼具的问题。
[0005] 为实现本发明的技术效果，采用的方案是一种自维持可调长度和角度的光伏外遮 阳控制方法：
[0006] 包括一块安装在建筑物窗户上方的遮阳光伏发电板。所述遮阳光伏发电板的一个 边铰接在建筑物窗户的上方。
[0007] 还包括安装在遮阳光伏发电板表面的光照强度感应器和太阳角度追踪器。
[0008] 该自维持式光伏外遮阳装置中遮阳光伏发电板所获得的能量用于其自身的方位 调节；
[0009] 当光照强度感应器感应到太阳光强度超过设定阈值时，太阳角度追踪器获取当前 太阳高度角Ψ。
[0010] 设遮阳光伏发电板的长度为X、宽度为L，遮阳光伏发电板的遮阳面积为S。
[0011] S = LX(cos a+sin a tanW)，通过用户设定S的大小，计算出角度α。
[0012] 调整遮阳光伏发电板的摆动角度，使得遮阳光伏发电板与下方墙面的夹角为α。
[0013] 值得说明的是，在遮阳装置中外遮阳的效果最为明显，因此本发明提出了可调节 长度和角度的光伏外遮阳装置。本发明不仅为建筑室内环境起到遮阳的效果，并且安装了 遮阳光伏发电板，在遮阳的同时，还可以利用可再生新能源太阳能进行发电，遮阳光伏发电 板所获得的能量用于其自身的方位调节，实现自维持式调节，节能效果更加明显。
[0014] 本发明提供另外一种可以实现上述目的的自维持可调长度和角度的光伏外遮阳 控制方法，包括一块安装在建筑物窗户上方的遮阳光伏发电板。所述遮阳光伏发电板的通 过球坐标型机械手臂铰接在建筑物窗户的上方。
[0015] 1)地球坐标系中太阳位置计算：
[0016] 建立包括k轴、i轴和j轴的地球坐标系，地球坐标系的原点0为地心，k轴是地 球自转轴，k轴指向北极，i-0-j平面是赤道平面，k-0-j始终为太阳的入射平面，太阳的 纬度为Y，则太阳的位置表示为 _ _
【权利要求】
1. 一种自维持可调长度和角度的光伏外遮阳装置，其特征在于：包括一块遮阳光伏发 电板和球坐标型机械手臂（2);所述球坐标型机械手臂（2)的底座（9)固定在窗户的上方； 所述球坐标型机械手臂（2)的手臂部分（11)连接所述遮阳光伏发电板。
2. -种自维持可调长度和角度的光伏外遮阳装置，其特征在于：包括伸缩框架（1)、球 坐标型机械手臂（2)和至少两块遮阳光伏发电板；所述伸缩框架（1)至少包括两个子框架； 所述子框架上安装遮阳光伏发电板； 所述伸缩框架（1)的一端为固定端、另一端为伸缩端；所述球坐标型机械手臂（2)的底 座（9)固定在窗户的上方；所述球坐标型机械手臂（2)的手臂部分（11)连接所述伸缩框架 (1)的固定端。
3. -种自维持可调长度和角度的光伏外遮阳装置，其特征在于：包括伸缩框架（1)、球 坐标型机械手臂（2)、第一遮阳光伏发电板（3)、第二遮阳光伏发电板（4)和第三遮阳光伏 发电板（5); 所述伸缩框架（1)由三个子框架组成；第一遮阳光伏发电板（3)、第二遮阳光伏发电板 (4)和第三遮阳光伏发电板（5)分别安装在伸缩框架（1)的三个子框架中； 所述伸缩框架（1)的一端为固定端、另一端为伸缩端；所述球坐标型机械手臂（2)的底 座（9)固定在窗户的上方；所述球坐标型机械手臂（2)的手臂部分（11)连接所述伸缩框架 (1)的固定端。
4. 一种针对1?3任一权利要求所述的自维持可调长度和角度的光伏外遮阳装置的调 控方法，其特征在于： 包括一块安装在建筑物窗户上方的遮阳光伏发电板；所述遮阳光伏发电板的一个边铰 接在建筑物窗户的上方； 还包括安装在遮阳光伏发电板表面的光照强度感应器和太阳角度追踪器； 该自维持式光伏外遮阳装置中遮阳光伏发电板所获得的能量用于其自身的方位调 节； 当光照强度感应器感应到太阳光强度超过设定阈值时，太阳角度追踪器获取当前太阳 高度角Ψ ; 设遮阳光伏发电板的长度为X、宽度为L，遮阳光伏发电板的遮阳面积为S ; S = LX(cos a+sin a tanW)，通过用户设定S的大小，计算出角度α ; 调整遮阳光伏发电板的摆动角度，使得遮阳光伏发电板与下方墙面的夹角为α。
5. -种针对1?3任一权利要求所述的自维持可调长度和角度的光伏外遮阳装置的调 控方法，其特征在于：包括一块安装在建筑物窗户上方的遮阳光伏发电板；以及安装在遮 阳光伏发电板上表面的辐射传感器；所述遮阳光伏发电板为矩形，其宽为Q，长为X ; 所述遮阳光伏发电板的宽边通过球坐标型机械手臂（2)铰接在建筑物窗户的上方； 1)地球坐标系中太阳位置计算： 建立包括k轴、i轴和j轴的地球坐标系，地球坐标系的原点0为地心，k轴是地球自 转轴，k轴指向北极，i-0-j平面是赤道平面，k-0-j终为太阳的入射平面，太阳的纬度为 Y，则太阳的位置5*表示为
式中，太阳纬度·
, 1 ^ d ^ 365 ； 安装有所述装置的建筑位于地球表面，在地球坐标系中，该建筑所在地的表达式为：
式中，a为地球半径，Φ为建筑所在地和地心连线与k轴的夹角，Φ与建筑所在地纬度 N的关系为Φ = 90 ° - Ν，Θ为建筑所在地和地心连线在赤道平面上的投影与i轴的夹 角，ω为建筑所在地的太阳时角，Θ与ω的关系为：Θ = 90 ° +ω， 将 ω=180。（Ts_12)/12代入 θ=90。+ω 得：0=(Ts-6)Ji/12， 其中，Ts为建筑所在地的太阳时，计算公式为：
式中，" + "适用于西半球；适用于东半球，式中，Tis为建筑所 在地的标准时间，单位为h ;Lst为建筑所在地的标准时间的纬度线，单位为° ;Lt为建筑所 在地的纬度线，单位为° ;E为时差，单位为min，计算公式为： E = 229. 2(0. 000075+0. 001868cosb-0. 0320775sinb-0. 014615cos2b-〇. 04089sin2b) 式中，b = (d-l)2 π /365,1 彡 d 彡 365 ; 2)建筑所在地坐标系中太阳位置计算： 以建筑所在地为原点，建立一个坐标系s-e-u，其中，s轴为正南向，e轴为正东向，u轴 为地心指向建筑所在地点的方向； 该坐标系在s轴方向的单位矢量为：
该坐标系在e轴方向的单位矢量为：
该坐标系在u轴方向的单位矢量为：
在该坐标系s-e-u中，太阳位置可表示为：
式中，太阳光线与s轴的夹角为ζ，计算公式为：
太阳光线与e轴的夹角为ξ，计算公式为：
太阳光线与u轴的夹角为δ，计算公式为：
3) 以所述球坐标型机械手臂（2)的手臂部分（11)的转轴的中心为原点，建立建筑坐标 系；所述建筑坐标系中，垂直于安装了遮阳光伏发电板的墙面的水平方向为X轴、平行于安 装了遮阳光伏发电板的墙面的水平方向为y轴、垂直于水平面的方向为z轴； 建筑朝向是指X轴与e轴的夹角λ，单位为％这样，在建筑坐标系内太阳方向矢量 为：
cosA = cos ζ cos λ +cos ξ sin λ cosB = -cos ζ sin 入 +cos ξ cos 入 cosC = cos δ 当遮阳光伏发电板上下摆动的角度为cii、旋转的角度为μ i和板长Xi，在上述建筑坐 标系中找出遮阳光伏发电板所在平面的解析表达式，表示为：HiiX+riiy+liZ+Pi = 0,其中，nii、 r^li和Pi均为常数；根据遮阳光伏发电板的实际可调节面积所占的位置，确定X和y的取 值范围； 把被遮阳窗户平面等分为q块，q彡4,每一块的中心点坐标设为（X。，y。，z。)，〇 = 1、 2......q,每一块的中心点与太阳的连线
4) 根据遮阳光伏发电板上下摆动的角度为ai、旋转的角度为μ i和板长\，计算出遮 挡比例： 〇分别取1、2……π. 联立q个方程组
求解； 有解的方程组个数为Qi个，无解的方程组个数为q - Qi个； 窗户被遮挡部分的比例为：
5) 重复步骤1)?4)若干次，每一次均要改变步骤3)中遮阳光伏发电板上下摆动的角 度^、旋转的角度yi和板长\，即i = 1、2……kn，kn为自然数，得到若干个窗户被遮挡 部分的比例Hi ; 6) 求得{η。η2……nkn}中的最大值ΜΑ，获得最大值ΜΑ对应的Umal、n ma2…… 打 main}，1 < In < kn，{ η mal、η ma2......打 main} Ε {打 I、打 2......打 krJ ;犾丫守{打 mal、打 ma2...... nmalJ中每一个值对应的遮阳光伏发电板上下摆动的角度amali、旋转的角度ymali和板长 XH, li = 1>2......In ； 7) 依次调整，让遮阳光伏发电板实际的上下摆动的角度为amali的同时，遮阳光伏发电 板实际的旋转角度为y mali、遮阳光伏发电板板长为Xmali，li = 1、2……In ;通过所述辐射传 感器，依次获得太阳辐射量{Wmal、Wma2……Wmaln};找出{W mal、Wma2……Wmaln}中最大值对应的遮 阳光伏发电板上下摆动的角度α、旋转角度μ和板长X。
【文档编号】G05D3/12GK104090587SQ201410355549
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月24日 优先权日:2014年7月24日
【发明者】喻伟, 李百战, 张明, 曾凡芝, 李信仪, 贾洪愿 申请人:重庆大学