建筑集成光伏設(shè)備作為智能傳感器在智能建筑能源管理系統(tǒng)的應用
【專利說明】建筑集成光伏設(shè)備作為智能傳感器在智能建筑能源管理系統(tǒng)的應用
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]根據(jù)《美國法典》第35篇第119(e)條的規(guī)定，本申請主張享有于2013年3月I日提交的美國臨時申請N0.61/771，612的權(quán)益，該申請的全部內(nèi)容通過弓I用整體地結(jié)合于本文中，并主張享有《美國法典》第35篇第120條規(guī)定的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及將光伏設(shè)備作為傳感器向智能建筑能源管理系統(tǒng)提供關(guān)于建筑物環(huán)境和狀態(tài)的反饋，具體涉及將半透明光伏設(shè)備，如半透明光伏窗戶作為這種建筑集成傳感器使用。
【背景技術(shù)】
[0004]由于日益加劇的全球能源危機，對改善建筑設(shè)計和工程以減少能源消耗并實現(xiàn)能源的“智能”使用的關(guān)注仍在持續(xù)。此類“智能”建筑可以包含多個能對環(huán)境變化做出反應以在維持用戶舒適度的同時最大限度地減少能源使用的動態(tài)系統(tǒng)。例如，其可包括但不限于:透光率可變的電致變色窗戶、自動遮光窗簾、光伏發(fā)電和儲存系統(tǒng)、熱栗系統(tǒng)、頂樓風扇系統(tǒng)以及復雜的HVAC系統(tǒng)。例如，智能建筑能源管理系統(tǒng)可能顯示天氣為一炎熱、陽光明媚的日子，從而觸發(fā)電致變色窗戶進入低透光狀態(tài)，或是降低自動遮光窗簾，以減少建筑物內(nèi)獲得的太陽能并最大限度地減少建筑物的制冷負荷。
[0005]或者，所述能源管理系統(tǒng)可能記錄的外部溫度已低于建筑物的內(nèi)部溫度，從而啟動熱栗或頂樓風扇系統(tǒng)以利用溫度差來提供低能耗的建筑物制冷。又例如，建筑物控制系統(tǒng)可感應到陽光充足的日子，但建筑用能需求低，從而直接采集光伏能量存儲到能量儲存系統(tǒng)中或直接將其送到電網(wǎng)，而不是本地應用。
[0006]為了使建筑能源管理系統(tǒng)能智能響應建筑物環(huán)境的變化，需要傳感器網(wǎng)絡向控制系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)以供其作出反應。為提供充分運行此類智能建筑的所有必要數(shù)據(jù)，會需要多種傳感器，包括但不限于:溫度傳感器、光強度傳感器以及風(例如，方向、強度)傳感器。雖然這些傳感器是現(xiàn)成的，但需要能確保完整的建筑物地圖的傳感器的數(shù)量很大，并與動態(tài)建筑物控制器相結(jié)合以創(chuàng)建一大型且復雜的建筑物能源管理系統(tǒng)。任何合并或減少智能建筑物元件(例如，傳感器或控制器)的整體數(shù)量的方式可顯著降低所述系統(tǒng)的整體復雜性及成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明通過示例性實施方式提供了一種利用光伏設(shè)備作為智能建筑能源管理系統(tǒng)的傳感器的方法，所述方法的步驟包括:將來自于光伏設(shè)備的電壓輸出參數(shù)和電流輸出參數(shù)中的至少一個與在特定基準條件下獲得的值進行對比；以及根據(jù)該對比步驟，作為輸入?yún)?shù)向智能建筑能源管理系統(tǒng)提供關(guān)于當前建筑物環(huán)境的信息，以確定制熱、制冷以及動態(tài)節(jié)能建筑元件中的一項或多項的最優(yōu)設(shè)置。
[0008]另一示例性實施方式提供了一種智能建筑物能源管理系統(tǒng)，其包括控制器、以及與所述控制器通信的光伏設(shè)備，其中，所述控制器將來自于光伏設(shè)備的電壓輸出參數(shù)和電流輸出參數(shù)中的至少一項與在特定的基準條件下獲得的預設(shè)值進行對比，以確定關(guān)于當前建筑物環(huán)境的信息，并基于當前的建筑物環(huán)境確定制熱、制冷以及動態(tài)節(jié)能建筑元件中的一項或多項的最優(yōu)設(shè)置。
[0009]通過這種方式，所述示例性實施方式可將電力和傳感器數(shù)據(jù)的產(chǎn)生整合成一單一的單元，從而降低了各個部件的數(shù)量、復雜性和成本，相對于傳統(tǒng)建筑能源管理系統(tǒng)來說，簡化了整個智能建筑能源管理系統(tǒng)。
[0010]在更詳細地描述本發(fā)明的示例性實施方式之前，以及為了更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明將先對傳統(tǒng)的建筑能源管理系統(tǒng)的一些問題進行說明。
[0011]如上所述，由于日益嚴峻的全球能源危機，改善建筑設(shè)計和工程以減少能源消耗并實現(xiàn)能源的“智能”使用的關(guān)注仍在持續(xù)。為使得建筑能源管理系統(tǒng)能智能響應建筑物環(huán)境的變化，需要傳感器網(wǎng)絡向控制系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)以供其作出反應。為提供充分運行此類智能建筑的所有必要數(shù)據(jù)，需要多種傳感器，包括但不限于:溫度傳感器、光強度傳感器以及風(例如，方向、強度)傳感器。雖然這些傳感器是現(xiàn)成的，但需要傳感器的數(shù)量很大以確保完整的建筑物地圖，與動態(tài)建筑物控制器相結(jié)合可創(chuàng)建一大型且復雜的建筑物能源管理系統(tǒng)。任何合并或減少智能建筑物元件(例如，傳感器或控制器)的整體數(shù)量的方式可顯著降低所述系統(tǒng)的整體復雜性及成本。
[0012]光伏(PV)模塊被越來越多地添加或集成到建筑物中以提供清潔、可再生的能源來平衡建筑物的能源需求。光伏設(shè)備(例如，陣列、模塊或單元)的輸出包括一定的電壓和電流，其結(jié)果確定了所述設(shè)備的總輸出功率。將設(shè)備輸出的具體電壓和電流與特定條件(即，理想的AM1.5G1-太陽照射)下獲得的基準值進行比較，可用于提供關(guān)于當前光強度和溫度條件的信息。例如，PV設(shè)備根據(jù)入射光所產(chǎn)生的電壓和電流，但對于每一參數(shù)來說，此依賴關(guān)系是不同的。相比之下，電流對溫度不敏感，而所產(chǎn)生的電壓與溫度成比例。通過使一具體的PV設(shè)備的響應與各種光照和溫度條件對應，除了提供電力外，設(shè)備的輸出參數(shù)可作為光強度和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)輸入到智能建筑能源管理系統(tǒng)中。該對應關(guān)系可方便地并入PV設(shè)備制造商的質(zhì)量保證測試程序中。由于大多數(shù)的PV陣列包含了覆蓋相對較大區(qū)域的大量模塊，此類系統(tǒng)可取代大量獨立傳感器的需求。少數(shù)輔助性的傳統(tǒng)(非-PV)傳感器可作為PV設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)的備份或動態(tài)校準。此外，小型的PV設(shè)備，如單個單元或模塊，可用于在傳統(tǒng)模塊或陣列不可取的區(qū)域如出于美觀、經(jīng)濟或能源的原因需要低光照強度的位置提供傳感器數(shù)據(jù)。這些小型的PV傳感器還可提供一些邊際電力以助于抵消所述建筑能源管理系統(tǒng)的能量需求，如，為向所述管理系統(tǒng)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)的無線發(fā)射器供電。
[0013]盡管傳統(tǒng)的屋頂PV陣列在某些情況下具有意義，可向智能建筑能源管理系統(tǒng)提供基于PV設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)的便利來源，但在其它情況(如，有限的屋頂面積)下，此類陣列可能不具備經(jīng)濟或能源利用意義。在這些情況下，建筑集成光伏(BIPV)設(shè)備提供了另一種提供能源管理傳感器數(shù)據(jù)以及(可選)電源的機會。一種最具吸引力的建筑集成光伏設(shè)備形式為集成到建筑物窗戶上的半透明PV設(shè)備。這些應用中已探索了大量的太陽能技術(shù)，包括但不限于:傳統(tǒng)的晶體硅和無機薄膜技術(shù)(例如，碲化鎘或銅-銦-鎵-砸[CIGS])，其是通過有源區(qū)部分的激光燒蝕來形成半透明；非晶硅和有機光伏(OPV)技術(shù)，其是通過利用雙重透明接觸和低帶隙吸收材料來形成半透明。盡管這些技術(shù)均可用于向智能建筑能源管理系統(tǒng)提供基于BIPV設(shè)備的傳感器數(shù)據(jù)，但是基于OPV的BIPV提供了用于發(fā)電和傳感器數(shù)據(jù)應用的多種有吸引力的特性。
[0014]由于具有高達70%的可見光透過率(VLT)，可調(diào)吸收譜以及其潛在的低成本、大規(guī)模生產(chǎn)的能力，OPV設(shè)備是唯一適合于BIPV應用的設(shè)備。OPV設(shè)備中對吸收材料的獨特的吸收譜調(diào)節(jié)能力對于半透明窗戶BIPV應用具有巨大效益。這使得OPV設(shè)備的顏色、VLT以及光譜響應可為了不同的應用、市場及視覺效果而變化。這增加了技術(shù)的靈活性和實用性，并為設(shè)計和終端用戶提供了更多的選擇。如同所有的太陽能技術(shù)，成本是主要關(guān)注點。通過低溫和常壓高通量溶液涂布技術(shù)來生產(chǎn)OPV設(shè)備的能力使得其具有非常低成本制造的潛力，而這是確保大規(guī)模采用該技術(shù)的關(guān)鍵。利用該技術(shù)來進行發(fā)電是商品名為SolarWindow?的幾項申請的主題。該技術(shù)也可用于傳感器數(shù)據(jù)應用、以及，包括或不包括發(fā)電。相同的性質(zhì)，即其高VLT、顏色可調(diào)以及潛在的低成本生產(chǎn)，使得OPV設(shè)備對于BIPV發(fā)電應用以及BIPV智能建筑傳感器應用具有吸引力。
[0015]本發(fā)明意識到，智能建筑能源管理系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)的建筑傳感器增加了額外的成本、復雜性以及復雜系統(tǒng)的設(shè)計限制。大量