一種自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽裝置及調(diào)控方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽裝置及調(diào)控方法。在傳統(tǒng)外遮陽裝置上面安裝遮陽光伏發(fā)電板，可根據(jù)太陽高度角和方位角進(jìn)行多方位自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證遮陽效果最優(yōu)，同時(shí)遮陽光伏發(fā)電板調(diào)節(jié)的能源來自于自身的光伏發(fā)電。可調(diào)外遮陽光伏發(fā)電板是由三段伸縮的遮陽光伏發(fā)電板構(gòu)成，可以太陽輻射強(qiáng)度和居民的遮陽需求調(diào)節(jié)遮陽光伏發(fā)電板的伸縮長(zhǎng)度；同時(shí)根據(jù)太陽直射方位角和室內(nèi)遮陽效果的需求，遮陽光伏發(fā)電板可以進(jìn)行豎向和橫向的調(diào)節(jié)。通過結(jié)合外遮陽光伏發(fā)電板長(zhǎng)度、橫向角度和豎向角度的合理調(diào)節(jié)，能有起到最佳的遮陽效果，并且遮陽光伏發(fā)電板能夠吸收更多的太陽熱量。
【專利說明】-種自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽裝置及調(diào)控方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬建筑材料類和太陽能利用領(lǐng)域，具體涉及一種可利用太陽能發(fā)電的外 遮陽裝置（或稱光伏外遮陽系統(tǒng)）。

【背景技術(shù)】
[0002] 建筑能耗在總能耗中占有很大的比重，建筑能耗在很大一定程度上取決于圍護(hù)結(jié) 構(gòu)的保溫隔熱效果。不管是冬季還是夏季，由于窗戶得熱或失熱而造成的負(fù)荷量比較大。夏 季主要體現(xiàn)在太陽通過窗戶傳遞到室內(nèi)的熱量很多，如果沒有遮陽措施遮擋太陽輻射量， 室內(nèi)的的熱負(fù)荷會(huì)極度增加，從而采用空調(diào)系統(tǒng)降溫會(huì)消耗更多的電能；同樣在冬季也會(huì) 消耗很多的電能。
[0003] 發(fā)展綠色節(jié)能建筑已成為建筑行業(yè)的一種趨勢(shì)，得到國家和政府的大力支持。通 過以上分析可以看出，合理有效的安裝遮陽裝置可以明顯地減少建筑的負(fù)荷，從而降低能 耗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是解決發(fā)電效果和遮陽效果不能夠兼具的問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果，采用的方案是一種自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮 陽控制方法：
[0006] 包括一塊安裝在建筑物窗戶上方的遮陽光伏發(fā)電板。所述遮陽光伏發(fā)電板的一個(gè) 邊鉸接在建筑物窗戶的上方。
[0007] 還包括安裝在遮陽光伏發(fā)電板表面的光照強(qiáng)度感應(yīng)器和太陽角度追蹤器。
[0008] 該自維持式光伏外遮陽裝置中遮陽光伏發(fā)電板所獲得的能量用于其自身的方位 調(diào)節(jié)；
[0009] 當(dāng)光照強(qiáng)度感應(yīng)器感應(yīng)到太陽光強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，太陽角度追蹤器獲取當(dāng)前 太陽高度角Ψ。
[0010] 設(shè)遮陽光伏發(fā)電板的長(zhǎng)度為X、寬度為L(zhǎng)，遮陽光伏發(fā)電板的遮陽面積為S。
[0011] S = LX(cos a+sin a tanW)，通過用戶設(shè)定S的大小，計(jì)算出角度α。
[0012] 調(diào)整遮陽光伏發(fā)電板的擺動(dòng)角度，使得遮陽光伏發(fā)電板與下方墻面的夾角為α。
[0013] 值得說明的是，在遮陽裝置中外遮陽的效果最為明顯，因此本發(fā)明提出了可調(diào)節(jié) 長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽裝置。本發(fā)明不僅為建筑室內(nèi)環(huán)境起到遮陽的效果，并且安裝了 遮陽光伏發(fā)電板，在遮陽的同時(shí)，還可以利用可再生新能源太陽能進(jìn)行發(fā)電，遮陽光伏發(fā)電 板所獲得的能量用于其自身的方位調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自維持式調(diào)節(jié)，節(jié)能效果更加明顯。
[0014] 本發(fā)明提供另外一種可以實(shí)現(xiàn)上述目的的自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽 控制方法，包括一塊安裝在建筑物窗戶上方的遮陽光伏發(fā)電板。所述遮陽光伏發(fā)電板的通 過球坐標(biāo)型機(jī)械手臂鉸接在建筑物窗戶的上方。
[0015] 1)地球坐標(biāo)系中太陽位置計(jì)算：
[0016] 建立包括k軸、i軸和j軸的地球坐標(biāo)系，地球坐標(biāo)系的原點(diǎn)0為地心，k軸是地 球自轉(zhuǎn)軸，k軸指向北極，i-0-j平面是赤道平面，k-0-j始終為太陽的入射平面，太陽的 緯度為Y，則太陽的位置表示為 _ _

【權(quán)利要求】
1. 一種自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽裝置，其特征在于：包括一塊遮陽光伏發(fā) 電板和球坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2);所述球坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)的底座（9)固定在窗戶的上方； 所述球坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)的手臂部分（11)連接所述遮陽光伏發(fā)電板。
2. -種自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽裝置，其特征在于：包括伸縮框架（1)、球 坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)和至少兩塊遮陽光伏發(fā)電板；所述伸縮框架（1)至少包括兩個(gè)子框架； 所述子框架上安裝遮陽光伏發(fā)電板； 所述伸縮框架（1)的一端為固定端、另一端為伸縮端；所述球坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)的底 座（9)固定在窗戶的上方；所述球坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)的手臂部分（11)連接所述伸縮框架 (1)的固定端。
3. -種自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽裝置，其特征在于：包括伸縮框架（1)、球 坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)、第一遮陽光伏發(fā)電板（3)、第二遮陽光伏發(fā)電板（4)和第三遮陽光伏 發(fā)電板（5); 所述伸縮框架（1)由三個(gè)子框架組成；第一遮陽光伏發(fā)電板（3)、第二遮陽光伏發(fā)電板 (4)和第三遮陽光伏發(fā)電板（5)分別安裝在伸縮框架（1)的三個(gè)子框架中； 所述伸縮框架（1)的一端為固定端、另一端為伸縮端；所述球坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)的底 座（9)固定在窗戶的上方；所述球坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)的手臂部分（11)連接所述伸縮框架 (1)的固定端。
4. 一種針對(duì)1?3任一權(quán)利要求所述的自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽裝置的調(diào) 控方法，其特征在于： 包括一塊安裝在建筑物窗戶上方的遮陽光伏發(fā)電板；所述遮陽光伏發(fā)電板的一個(gè)邊鉸 接在建筑物窗戶的上方； 還包括安裝在遮陽光伏發(fā)電板表面的光照強(qiáng)度感應(yīng)器和太陽角度追蹤器； 該自維持式光伏外遮陽裝置中遮陽光伏發(fā)電板所獲得的能量用于其自身的方位調(diào) 節(jié)； 當(dāng)光照強(qiáng)度感應(yīng)器感應(yīng)到太陽光強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，太陽角度追蹤器獲取當(dāng)前太陽 高度角Ψ ; 設(shè)遮陽光伏發(fā)電板的長(zhǎng)度為X、寬度為L(zhǎng)，遮陽光伏發(fā)電板的遮陽面積為S ; S = LX(cos a+sin a tanW)，通過用戶設(shè)定S的大小，計(jì)算出角度α ; 調(diào)整遮陽光伏發(fā)電板的擺動(dòng)角度，使得遮陽光伏發(fā)電板與下方墻面的夾角為α。
5. -種針對(duì)1?3任一權(quán)利要求所述的自維持可調(diào)長(zhǎng)度和角度的光伏外遮陽裝置的調(diào) 控方法，其特征在于：包括一塊安裝在建筑物窗戶上方的遮陽光伏發(fā)電板；以及安裝在遮 陽光伏發(fā)電板上表面的輻射傳感器；所述遮陽光伏發(fā)電板為矩形，其寬為Q，長(zhǎng)為X ; 所述遮陽光伏發(fā)電板的寬邊通過球坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)鉸接在建筑物窗戶的上方； 1)地球坐標(biāo)系中太陽位置計(jì)算： 建立包括k軸、i軸和j軸的地球坐標(biāo)系，地球坐標(biāo)系的原點(diǎn)0為地心，k軸是地球自 轉(zhuǎn)軸，k軸指向北極，i-0-j平面是赤道平面，k-0-j終為太陽的入射平面，太陽的緯度為 Y，則太陽的位置5*表示為
式中，太陽緯度·
, 1 ^ d ^ 365 ； 安裝有所述裝置的建筑位于地球表面，在地球坐標(biāo)系中，該建筑所在地的表達(dá)式為：
式中，a為地球半徑，Φ為建筑所在地和地心連線與k軸的夾角，Φ與建筑所在地緯度 N的關(guān)系為Φ = 90 ° - Ν，Θ為建筑所在地和地心連線在赤道平面上的投影與i軸的夾 角，ω為建筑所在地的太陽時(shí)角，Θ與ω的關(guān)系為：Θ = 90 ° +ω， 將 ω=180。（Ts_12)/12代入 θ=90。+ω 得：0=(Ts-6)Ji/12， 其中，Ts為建筑所在地的太陽時(shí)，計(jì)算公式為：
式中，" + "適用于西半球；適用于東半球，式中，Tis為建筑所 在地的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，單位為h ;Lst為建筑所在地的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的緯度線，單位為° ;Lt為建筑所 在地的緯度線，單位為° ;E為時(shí)差，單位為min，計(jì)算公式為： 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)建筑所在地坐標(biāo)系中太陽位置計(jì)算： 以建筑所在地為原點(diǎn)，建立一個(gè)坐標(biāo)系s-e-u，其中，s軸為正南向，e軸為正東向，u軸 為地心指向建筑所在地點(diǎn)的方向； 該坐標(biāo)系在s軸方向的單位矢量為：
該坐標(biāo)系在e軸方向的單位矢量為：
該坐標(biāo)系在u軸方向的單位矢量為：
在該坐標(biāo)系s-e-u中，太陽位置可表示為：
式中，太陽光線與s軸的夾角為ζ，計(jì)算公式為：
太陽光線與e軸的夾角為ξ，計(jì)算公式為：
太陽光線與u軸的夾角為δ，計(jì)算公式為：
3) 以所述球坐標(biāo)型機(jī)械手臂（2)的手臂部分（11)的轉(zhuǎn)軸的中心為原點(diǎn)，建立建筑坐標(biāo) 系；所述建筑坐標(biāo)系中，垂直于安裝了遮陽光伏發(fā)電板的墻面的水平方向?yàn)閄軸、平行于安 裝了遮陽光伏發(fā)電板的墻面的水平方向?yàn)閥軸、垂直于水平面的方向?yàn)閦軸； 建筑朝向是指X軸與e軸的夾角λ，單位為％這樣，在建筑坐標(biāo)系內(nèi)太陽方向矢量 為：
cosA = cos ζ cos λ +cos ξ sin λ cosB = -cos ζ sin 入 +cos ξ cos 入 cosC = cos δ 當(dāng)遮陽光伏發(fā)電板上下擺動(dòng)的角度為cii、旋轉(zhuǎn)的角度為μ i和板長(zhǎng)Xi，在上述建筑坐 標(biāo)系中找出遮陽光伏發(fā)電板所在平面的解析表達(dá)式，表示為：HiiX+riiy+liZ+Pi = 0,其中，nii、 r^li和Pi均為常數(shù)；根據(jù)遮陽光伏發(fā)電板的實(shí)際可調(diào)節(jié)面積所占的位置，確定X和y的取 值范圍； 把被遮陽窗戶平面等分為q塊，q彡4,每一塊的中心點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為（X。，y。，z。)，〇 = 1、 2......q,每一塊的中心點(diǎn)與太陽的連線
4) 根據(jù)遮陽光伏發(fā)電板上下擺動(dòng)的角度為ai、旋轉(zhuǎn)的角度為μ i和板長(zhǎng)\，計(jì)算出遮 擋比例： 〇分別取1、2……π. 聯(lián)立q個(gè)方程組
求解； 有解的方程組個(gè)數(shù)為Qi個(gè)，無解的方程組個(gè)數(shù)為q - Qi個(gè)； 窗戶被遮擋部分的比例為：
5) 重復(fù)步驟1)?4)若干次，每一次均要改變步驟3)中遮陽光伏發(fā)電板上下擺動(dòng)的角 度^、旋轉(zhuǎn)的角度yi和板長(zhǎng)\，即i = 1、2……kn，kn為自然數(shù)，得到若干個(gè)窗戶被遮擋 部分的比例Hi ; 6) 求得{η。η2……nkn}中的最大值ΜΑ，獲得最大值ΜΑ對(duì)應(yīng)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中每一個(gè)值對(duì)應(yīng)的遮陽光伏發(fā)電板上下擺動(dòng)的角度amali、旋轉(zhuǎn)的角度ymali和板長(zhǎng) XH, li = 1>2......In ； 7) 依次調(diào)整，讓遮陽光伏發(fā)電板實(shí)際的上下擺動(dòng)的角度為amali的同時(shí)，遮陽光伏發(fā)電 板實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角度為y mali、遮陽光伏發(fā)電板板長(zhǎng)為Xmali，li = 1、2……In ;通過所述輻射傳 感器，依次獲得太陽輻射量{Wmal、Wma2……Wmaln};找出{W mal、Wma2……Wmaln}中最大值對(duì)應(yīng)的遮 陽光伏發(fā)電板上下擺動(dòng)的角度α、旋轉(zhuǎn)角度μ和板長(zhǎng)X。
【文檔編號(hào)】G05D3/12GK104090587SQ201410355549
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】喻偉, 李百戰(zhàn), 張明, 曾凡芝, 李信儀, 賈洪愿 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)