CN103806607B - 一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶及控制方法，其装置部分包括相互倾斜布置的朝南屋面和朝北屋面，朝南屋面和朝北屋面之间设有屋脊，朝南屋面、朝北屋面分别与屋脊转动连接，朝南屋面、朝北屋面的上表面分别设有若干紧密排列的光伏板，朝南屋面、朝北屋面下端分别设有在控制器作用下推动其以屋脊为轴线向上转动的作动单元，两个屋面上分别设有至少一个用于检测太阳方位的感光单元，朝南屋面、朝北屋面与屋脊的转动连接处分别设有角位置传感器，作动单元、感光单元、角位置传感器分别与控制器电连接。本发明旨在提供一种能使朝南面和朝北面屋顶均能跟踪太阳光、发电效率较高、安全性较好的双斜坡活动屋顶及控制方法。

Description

一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶及控制方法

技术领域

本发明属于节能建筑领域，尤其是涉及一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶及控制方法。

背景技术

随着石油、煤等不可再生能源藏量的大幅减少，其开采成本逐渐提高，新兴的可再生能源成为人们越来越迫切的需要。太阳能作为一种新兴的可再生能源，具有范围覆盖较广、绿色环保、可永久利用等显著优点，受到了的广泛关注和重视。

目前，对于太阳能的转化主要是使用光伏板，采取无跟踪式或者跟踪式两种方法。对于无跟踪式，通常是静态贴屋面安装，如中国专利公告号：CN102400523A，公告日2012年4月4日，公开了一种太阳能屋顶系统，所述太阳能屋顶系统设置在建筑物的顶部，所述系统包括太阳能构件模块，所述太阳能构件模块通过连接件固定在所述建筑物的顶部的支撑结构上，并且集成于所述屋顶上最终形成太阳能屋顶，其结构较为简单。然而，只有当太阳光与光伏板表面垂直入射时其利用率是最高，当太阳光入射角度相对光伏板发生偏转时其发电效率也随之降低。

对于跟踪式，如中国专利公告号：CN201865263U，公告日2010年5月27日，公开了一种基于GPS跟踪定位的太阳能光伏屋顶装置，其特征在于：包括若干太阳能板，还包括控制中心、机械执行机构，控制中心包括GPS定位系统、控制电路，控制电路分别控制GPS定位系统和机械执行机构，所述机械执行机构包括太阳能板南北方向摆动机构和太阳能板东西方向摆动机构，太阳能板与太阳能板南北方向摆动机构和太阳能板东西方向摆动机构连接。但是这样的装置只能安装在阳光较为充足的朝南面，安装在朝北面时，由于阳光无法照射到此面，因此无法正常工作。此外，屋顶面上安装这样的附加装置，大大影响到房屋的美观性，更为关键的是，在大风、暴雨等恶劣天气时，这些附加装置无疑是较大的安全隐患。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中无跟踪式屋顶太阳能装置效率低下、跟踪式屋顶太阳能装置无法在朝北面屋顶工作且安全性较差的问题，提供了一种能使朝南面和朝北面屋顶均能跟踪太阳光、发电效率较高、安全性较好的双斜坡活动屋顶及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶，包括相互倾斜布置的两个屋面，分别为朝南屋面和朝北屋面，朝南屋面和朝北屋面之间设有屋脊，还包括控制器，所述的朝南屋面、朝北屋面分别与屋脊转动连接，所述的朝南屋面、朝北屋面的上表面分别设有若干紧密排列的光伏板，所述的朝南屋面、朝北屋面下端分别设有在控制器作用下推动其以屋脊为轴线向上转动的作动单元，所述的两个屋面上分别设有至少一个用于检测太阳方位的感光单元，所述朝南屋面、朝北屋面与屋脊的转动连接处分别设有角位置传感器，所述的作动单元、感光单元、角位置传感器分别与控制器电连接。现有技术中的跟踪式太阳能发电装置，其通过支架定位在屋顶面上，为了保证光伏板的活动范围，其和屋顶面之间应留出较大空间，此外由于这样的装置只能设置在朝南屋顶面，设置在朝北屋顶面时没有光照因而效率低下。而本发明中，光伏板与屋面紧密贴合固定，无需支架将光伏板与屋面隔开架起，安全性得到保证；朝南屋面和朝北屋面上都设有光伏板，可以充分利用朝北屋顶来进行发电，发电功率翻倍；屋面的开合角度可以进行实时调整，来适应太阳高度角的变化，从而有效地提高发电效率。

作为优选，所述屋脊的两端也分别设有可受控制器作用的作动单元。这样屋脊的角度也可以进行调整，使得屋面上的光伏板能同时适应太阳方位角的变化，从而可以做到太阳光垂直入射在光伏板表面，保证最高的发电效率。

作为优选，所述的作动单元包括液压千斤顶以及控制液压千斤顶通断的电磁阀，所述的电磁阀与控制器电连接。这样控制器通过电磁阀控制液压千斤顶升起、下降或者保持，从而调节屋面的角度。

作为优选，所述的屋面上设有雨水传感器，所述的屋脊上设有风速传感器，所述的雨水传感器和风速传感器分别与控制器电连接。雨水传感器和风速传感器用于采集雨水和风速信息，传送至控制器，控制器可以根据收集到的信息来控制屋面开闭，从而降低装置内部电力损耗，同时提高安全性。

作为优选，所述的感光单元包括圆形的底座，所述底座上设有以底座圆心为中心、呈十字型分布的隔板，所述的隔板将底座分为四个扇形区，每个扇形区内均设有光敏传感器。当太阳光照射方向与屋面不垂直时，部分太阳光会被隔板挡住，使得位于隔板另一边光敏传感器无法收集到光线，而当屋面调整到每个扇形区内的光敏传感器都收集到光线时，表明屋面已经垂直于太阳光照射方向。

一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶控制方法，适用于朝南屋面和朝北屋面均带有光伏板的活动屋顶，包括下列步骤：

a.朝南屋面和朝北屋面位于初始位置，两屋面上的感光单元同时测得光照强度值，控制器收集测得的光照强度值，得到朝南屋面和朝北屋面的光照强度比值；

b.将该光照强度比值与预先储存的标准比值进行对比，确定a步骤中测得光照强度值较低一侧屋面的初始偏转角度，并根据该初始偏转角度确定该屋面的仰角，相应地将该屋面以屋脊为轴转动至指定的仰角；

c．另一侧的屋面以屋脊为轴转动，使得该侧屋面的仰角和步骤b中测得光照强度值较低一侧屋面的仰角相同，两者处于同一平面；

d.感光单元再次检测光照强度的变化，并将光照强度值信息发送至控制器，得出太阳光的高度角以及屋面调整角度，然后根据屋面调整角度分别转动两屋面，直至太阳光在垂直于屋脊的竖直面上的投影与光伏板的角度最大；

e.重复d步骤，并不断记录光照强度值，得到当天的光照强度峰值，当感光单元测得光照强度值低于峰值的10%时，两屋面转回至步骤a中的初始位置，同时将记录的光照强度峰值复位。

现有技术中对于光伏板的控制方法多种多样，但是基本只能利用朝南屋面，朝北屋面由于没有阳光直射因此无法利用或者发电效率低下，因而被认为没有实际发电意义。而在本发明中，通过对朝北屋面开合角度进行控制，使其和朝南屋面一样能同时进行发电，发电效率和朝南屋面一致，相对于只能利用朝南屋面进行发电，发电功率可以翻倍。同时可改变两个屋面角度以适应太阳光入射角度的变化，进一步提高发电效率。当测得光照强度值低于峰值的10%，也就是黄昏临近夜晚时，其发电效率已经较为低下，适时将两个屋顶关闭。

作为优选，在步骤c和d之间增加风速检测步骤，当测得的风速持续大于等于六级达10分钟或以上时间，控制器记录两屋面的当前位置，并将两屋面转回至步骤a中的初始位置，直至风速持续小于六级达15分钟或以上时间时，将两屋面回复到之前的记录位置。在屋面开启或关闭时，对于风力进行持续性的检测，从而消除瞬时风力的影响，避免出现屋面频繁来回开闭的情况。屋面关闭的检测时间小于屋面开启的检测时间，使得屋面能及时关闭以及安全开启。

作为优选，在步骤d和e之间增加调整屋脊角度的步骤，具体如下：通过感光单元测得太阳的方位角，控制器计算出屋脊调整角，然后根据屋脊调整角将屋脊沿这经过屋脊所在轴线的竖直面转动，直至太阳光与光伏板的入射角最小。通过对屋脊和屋面的分别控制，使得屋面上的光伏板的活动范围大幅提高，从而进一步提高光电转换效率。

作为优选，在步骤c和d之间增加雨水检测步骤，当检测到雨水时，将两屋面转回至步骤a中的初始位置。检测到下雨时，及时将屋面关闭，保证屋顶的密封性及良好的排水性。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）朝南屋面和朝北屋面均可安装光伏板且都可以进行发电，光伏板的安装面积得以翻倍；（2）朝南屋面和朝北屋面均能同时跟踪太阳光，进一步提高了发电效率；（3）屋面上无需安装附加装置，保证了在恶劣天气下的稳定性，提高了安全性。

附图说明

图1是本发明的一种结构原理图；

图2是本发明中感光单元的布置图。

图中，屋脊1，光伏板2，朝南屋面3，液压千斤顶4，电磁阀5，油泵6，感光单元7，底座7a，光敏传感器7b，扇形区7c，隔板7d，角位置传感器8，风速传感器9，雨水传感器10，控制器11，朝北屋面12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例中，一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶，包括两个屋面，分别为朝南屋面3和朝北屋面12，两者之间相互倾斜布置。朝南屋面3和朝北屋面12之间设有屋脊1，朝南屋面3、朝北屋面12分别与屋脊1转动连接，两者可分别以屋脊1为轴线转动。朝南屋面3、朝北屋面12的上表面分别设有若干紧密排列的光伏板2，用于收集太阳能进行发电。朝南屋面3、朝北屋面12下端分别设有作动单元，屋脊1的两端也分别设有作动单元，本实施例中，作动单元包括液压千斤顶4以及控制液压千斤顶4通断的电磁阀5，其中，作用于朝北屋面12的液压千斤顶其行程最大，且其行程应当至少为作用于屋脊1的液压千斤顶行程的两倍，从而保证朝北屋面12能顺利开启以及获得较大的活动范围。电磁阀5为三位四通阀，用于控制液压千斤顶4的升降以及与油泵6的通断，三个工位分别为上升工位、保持工位和下降工位，电磁阀5与控制器11电连接，由控制器11进行控制。当电磁阀5位于上升工位时，油泵6与液压千斤顶4接通，液压千斤顶4中的顶杆向上顶出，推动屋面或屋脊1向上运动；当电磁阀5位于保持工位时，则液压千斤顶4的顶杆位置保持不变；当电磁阀5位于下降工位时，则屋面向下运动。

两个屋面上分别设有一个与控制器11电连接的感光单元7，包括圆形的底座7a，底座7a上设有以底座7a圆心为中心、呈十字型分布的隔板7d，隔板7d将底座7a分为四个中心角为90度的扇形区7c，每个扇形区7c内均设有光敏传感器7b。每个扇形区7c内的光敏传感器7b靠近底座7a中心，以获得最高的检测精度。感光单元7布置在屋面上时，底座7a与屋面固定，隔板的其中一面与屋脊1的轴线平行，即四个光敏传感器7b分别位于东北、东南、西南和西北四个方向。

朝南屋面3、朝北屋面12与屋脊1的转动连接处分别设有角位置传感器8，控制器11可根据角位置传感器8的信号得知屋面当前的角度。屋面上设有与控制器11电连接的雨水传感器10，本实施例中的雨水传感器10采用光电式，利用LED灯向光伏板2发光同时接收器接收的光线来判断雨水的密集程度。屋脊1上还设有风速传感器9，从而向控制器11传递风速信息。

一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶控制方法，适用于朝南屋面和朝北屋面均带有光伏板的活动屋顶，包括下列步骤：

a.朝南屋面和朝北屋面位于初始位置，即处于关闭状态。日出之后，环境亮度逐渐提高，两屋面上的感光单元同时测得光照强度值。控制器根据收集测得的光照强度值，得到朝南屋面和朝北屋面的光照强度比值；

b.将该光照强度比值与预先储存的标准比值进行对比，确定a步骤中测得光照强度值较低一侧屋面的初始偏转角度，并根据该初始偏转角度确定该屋面的仰角，相应地将该屋面以屋脊为轴转动至指定的仰角。例如当房屋位于北半球时，其朝南屋面的光照强度大于朝北屋面，控制器接通电磁阀使其位于上升工位，朝北屋面下的液压千斤顶推动朝北屋面，使其以屋脊为轴转动至指定的仰角，之后电磁阀回复到保持工位。

c．另一侧的屋面以屋脊为轴转动，使得该侧屋面的仰角和步骤b中测得光照强度值较低一侧屋面的仰角相同，两者处于同一平面。然而，当朝北屋面的仰角大于朝南屋面初始位置的坡度角时，保持朝南屋面的角度不变。

d.感光单元再次检测光照强度的变化，并将光照强度值信息发送至控制器，得出太阳光的高度角以及屋面调整角度，然后根据屋面调整角度分别转动两屋面，直至太阳光在垂直于屋脊的竖直面上的投影与光伏板的角度最大。感光单元中，当位于北面的两个光敏传感器检测到阳光而南面的两个光敏传感器未检测到阳光时，则表明屋面应当向北面转动，反之则表明屋面应当向南面转动。

e.重复d步骤，并不断记录光照强度值，得到当天的光照强度峰值，当感光单元测得光照强度值低于峰值的10%时，接通电磁阀使其位于下降工位，两屋面转回至步骤a中的初始位置，同时将记录的光照强度峰值复位。

在步骤c和d之间增加风速检测步骤，当测得的风速持续大于等于六级达10分钟或以上时间，控制器根据角位置传感器信息记录下两屋面的当前位置，并将电磁阀接通位于下降工位，使两屋面转回至步骤a中的初始位置，直至风速持续小于六级达15分钟或以上时间时，将两屋面回复到之前的记录位置。

在步骤d和e之间增加调整屋脊角度的步骤，具体如下：

通过感光单元测得太阳的方位角，控制器计算出屋脊调整角，然后根据屋脊调整角将屋脊沿这经过屋脊所在轴线的竖直面转动，直至太阳光与光伏板的入射角最小。感光单元中，当位于东面的两个光敏传感器检测到阳光而西面的两个光敏传感器未检测到阳光时，则表明屋面应当向东面转动，反之则表明屋面应当向西面转动；

在步骤c和d之间增加雨水检测步骤，当检测到雨水时，将两屋面转回至步骤a中的初始位置。

本发明由于在朝南屋面和朝北屋面上均设有光伏板，而且都具有跟踪太阳光能力，经过实验表明，相对于传统屋顶朝南面单侧的发电效率提高了2.8倍。

Claims (8)

1.一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶，包括相互倾斜布置的两个屋面，分别为朝南屋面（3）和朝北屋面（12），朝南屋面（3）和朝北屋面（12）之间设有屋脊（1），其特征是，还包括控制器（11），所述的朝南屋面（3）、朝北屋面（12）分别与屋脊（1）转动连接，所述的朝南屋面（3）、朝北屋面（12）的上表面分别设有若干紧密排列的光伏板（2），所述的朝南屋面（3）、朝北屋面（12）下端分别设有在控制器（11）作用下推动其以屋脊（1）为轴线向上转动的作动单元，所述的两个屋面上分别设有至少一个用于检测太阳方位的感光单元（7），所述朝南屋面（3）、朝北屋面（12）与屋脊（1）的转动连接处分别设有角位置传感器（8），所述的作动单元、感光单元（7）、角位置传感器（8）分别与控制器（11）电连接，所述屋脊（1）的两端也分别设有可受控制器（11）作用的作动单元。

2.根据权利要求1所述的一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶，其特征是，所述的作动单元包括液压千斤顶（4）以及控制液压千斤顶（4）通断的电磁阀（5），所述的电磁阀（5）与控制器（11）电连接。

3.根据权利要求1所述的一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶，其特征是，所述的屋面上设有雨水传感器（10），所述的屋脊（1）上设有风速传感器（9），所述的雨水传感器（10）和风速传感器（9）分别与控制器（11）电连接。

4.根据权利要求1所述的一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶，其特征是，所述的感光单元（7）包括圆形的底座（7a），所述底座（7a）上设有以底座（7a）圆心为中心、呈十字型分布的隔板（7d），所述的隔板（7d）将底座（7a）分为四个扇形区（7c），每个扇形区（7c）内均设有光敏传感器（7b）。

5.一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶控制方法，适用于朝南屋面和朝北屋面均带有光伏板的活动屋顶，包括下列步骤：

a.朝南屋面和朝北屋面位于初始位置，两屋面上的感光单元同时测得光照强度值，控制器收集测得的光照强度值，得到朝南屋面和朝北屋面的光照强度比值；

b.将该光照强度比值与预先储存的标准比值进行对比，确定a步骤中测得光照强度值较低一侧屋面的初始偏转角度，并根据该初始偏转角度确定该屋面的仰角，相应地将该屋面以屋脊为轴转动至指定的仰角；

c．另一侧的屋面以屋脊为轴转动，使得该侧屋面的仰角和步骤b中测得光照强度值较低一侧屋面的仰角相同，两者处于同一平面；

d.感光单元再次检测光照强度的变化，并将光照强度值信息发送至控制器，得出太阳光的高度角以及屋面调整角度，然后根据屋面调整角度分别转动两屋面，直至太阳光在垂直于屋脊的竖直面上的投影与光伏板的角度最大；

e.重复d步骤，并不断记录光照强度值，得到当天的光照强度峰值，当感光单元测得光照强度值低于峰值的10%时，两屋面转回至步骤a中的初始位置，同时将记录的光照强度峰值复位。

6.根据权利要求5所述的一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶控制方法，其特征是，在步骤c和d之间增加风速检测步骤，当测得的风速持续大于等于六级达10分钟或以上时间，控制器记录两屋面的当前位置，并将两屋面转回至步骤a中的初始位置，直至风速持续小于六级达15分钟或以上时间时，将两屋面回复到之前的记录位置。

7.根据权利要求5或6所述的一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶控制方法，其特征是，在步骤d和e之间增加调整屋脊角度的步骤，具体如下：

通过感光单元测得太阳的方位角，控制器计算出屋脊调整角，然后根据屋脊调整角将屋脊沿这经过屋脊所在轴线的竖直面转动，直至太阳光与光伏板的入射角最小。

8.根据权利要求5或6所述的一种能跟踪太阳光的双斜坡活动屋顶控制方法，其特征是，在步骤c和d之间增加雨水检测步骤，当检测到雨水时，将两屋面转回至步骤a中的初始位置。