CN109494863A - 一种光伏建筑一体化系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种光伏建筑一体化系统，包括控制部、分别与控制部相连接的光伏发电部、储能部、光伏逆变部以及储能逆变部，其中：光伏发电部用于将太阳能转换为电能后通过光伏逆变部为负载供电，和/或将电能存储在储能部中；储能部包括一组或多组储能电池模块，每组储能电池模块用于存储光伏发电部产生的电能，并通过储能逆变部为负载供电；控制部用于根据光伏发电部和每组储能电池模块的状态，从多个电源中选择为负载供电的电源，并控制光伏发电部为储能电池模块充电，多个电源包括光伏发电部和每组储能电池模块。本申请通过将光伏发电部产生的多余的电能存储在储能电池模块中，保证了BIPV系统的供电连续性。

Description

一种光伏建筑一体化系统
技术领域
本发明涉及但不限于光伏产品技术领域，尤其涉及一种光伏建筑一体化系统。
背景技术
光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)技术是将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。现代化社会中，人们对舒适的建筑环境的追求越来越高，导致建筑采暖和空调的能耗日益增长。BIPV将太阳能光伏发电系统和建筑物外面的幕墙、屋顶等有机结合，成为一个整体结构，这个结构不但可以同建筑物友好结合，还起着围护结构的功能，同时又能实现光伏发电，供建筑物负载使用，多余的电量还可以并入电网。
现有的BIPV系统能够利用太阳能发电，解决部分电能消耗，但没有储能设备与之对应，持续性存在短板，并且天气依赖性较大，无法彻底解决对电网冗余量的限制。
发明内容
本发明实施例提供了一种光伏建筑一体化系统，能够保证BIPV系统的供电连续性。
为了达到本发明目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种光伏建筑一体化系统，包括控制部、分别与控制部相连接的光伏发电部、储能部、光伏逆变部以及储能逆变部，其中：
所述光伏发电部，用于将太阳能转换为电能后通过所述光伏逆变部为负载供电，和/或将电能存储在所述储能部中；
所述储能部包括一组或多组储能电池模块，每组储能电池模块用于存储所述光伏发电部产生的电能，并通过所述储能逆变部为所述负载供电；
所述控制部，用于根据所述光伏发电部和每组所述储能电池模块的状态，从多个电源中选择为所述负载供电的电源，并控制所述光伏发电部为所述储能电池模块充电，所述多个电源包括所述光伏发电部和每组所述储能电池模块。
本发明实施例的技术方案，具有如下有益效果：
本发明实施例提供的光伏建筑一体化系统，通过将光伏发电部产生的多余的电能存储在储能电池模块中，并根据光伏发电部和每组储能电池模块的状态，选择为负载供电的电源，保证了BIPV系统的供电连续性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的一种光伏建筑一体化系统的结构示意图；
图2为本发明实施例的另一种光伏建筑一体化系统的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种光伏建筑一体化系统中的配电柜的主视图；
图4为图3所述的配电柜的左视图；
图5为本发明实施例的一种光伏建筑一体化系统的控制部的结构示意图；
图6为本发明实施例的一种光伏建筑一体化系统的项目布局示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，本发明实施例提供了一种光伏建筑一体化系统，包括控制部101、分别与控制部101相连接的光伏发电部102、储能部103、光伏逆变部104以及储能逆变部105，其中：
所述光伏发电部102，用于将太阳能转换为电能后通过所述光伏逆变部104为负载供电，和/或将电能存储在所述储能部103中；
所述储能部103包括一组或多组储能电池模块1031，每组储能电池模块1031用于存储所述光伏发电部102产生的电能，并通过所述储能逆变部105为所述负载供电；
所述控制部101，用于根据所述光伏发电部102和每组所述储能电池模块1031的状态，从多个电源中选择其中为所述负载供电的电源，并控制所述光伏发电部102为所述储能电池模块1031充电，所述多个电源包括所述光伏发电部102和每组所述储能电池模块1031。
本发明实施例提供的光伏建筑一体化系统，当所述光伏发电部102产生的电能足够负载用电时，所述控制部101选择所述光伏发电部102为所述负载供电；当所述光伏发电部102产生的电能不能满足负载用电需求时，所述控制部101选择所述储能部103中的一组储能电池模块1031为所述负载供电；当所述光伏发电部102产生的电能超过负载的用电需求且所述储能电池模块1031的剩余电量小于电池容量时，所述控制部控制所述光伏发电部102为所述储能电池模块1031充电。本发明实施例通过将光伏发电部102产生的多余的电能存储在储能电池模块1031中，并根据光伏发电部和每组储能电池模块1031的状态，选择为负载供电的电源，可以彻底解决现有的BIPV系统持续性不足、天气依赖性大的问题。需要说明的是，所述光伏逆变部104和所述储能逆变部105除具有逆变(即将直流电流转换成交流电流)功能外，还可以具有稳压、滤波的功能。
在本发明的一实施例中，所述光伏发电部102的状态，包括以下至少之一：所述光伏发电部102的输出电压、所述光伏发电部102的输出功率、当前的光照强度等。
在本发明的一实施例中，所述光伏发电部102包括分布在多户建筑外部的光伏发电组件。
在本实施例的一示例中，所述光伏发电组件包括太阳能薄膜电池组件。用做幕墙面板和采光顶面板的太阳能薄膜电池组件，需同时满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，可采用3.2毫米厚的钢化超白玻璃加铝合金边框达到使用要求，依据BIPV的建筑外形分别采用坡顶、立面、遮阳等方式进行安装。
在本发明的一实施例中，如图2所示，所述多个电源还包括市电电源106。当所述光伏发电部102产生的电量不足且所述储能部103存储的电量也不足时，所述控制部101可以选择市电电源106为所述负载供电。
在本发明的一实施例中，如图2所示，所述光伏逆变部104还通过所述控制部101和所述市电电源106相连接，用于将所述产生的电能输入市电电网。所述光伏逆变部104将产生的电能优先用于家庭用电，其次存储在所述储能电池模块1031中，当还有余电时，可以将余电输入市电电网，从而可以产生一定的经济效益。
在本发明的一实施例中，如图3和图4所示，所述多组储能电池模块1031组成储能电池矩阵，所述储能电池矩阵集中配置在配电柜302中。
在该实施例中，所述配电柜302可以通过散热空调303进行散热。
在本发明的一实施例中，所述每组储能电池模块1031包括多块串联连接的石墨烯锂离子电池。
石墨烯锂离子电池本身具有大容量、充电迅速、使用反复次数大、无记忆性的特点，假设单个电池的输出电压为12V，可以将19个电池串联为一组储能电池模块1031，然后通过光伏逆变部104逆变为民用220V交流电(Alternating Curren，AC)，为建筑内的负载供电。
在本发明的一实施例中，所述每组储能电池模块1031的状态包括所述储能电池模块1031的剩余电量，还包括以下至少之一：所述储能电池模块1031的电池容量、所述储能电池模块1031的放电时间、所述储能电池模块1031的放电次数、所述储能电池模块1031的充电时长、所述储能电池模块1031的充电次数。
当本发明实施例的光伏建筑一体化系统的控制部101选择所述储能电池模块1031为负载供电时，首先检测所述各组储能电池模块1031的剩余电量，选择剩余电量大于预设的第一剩余电量阈值的储能电池模块1031为所述负载供电；如果剩余电量大于预设的第一剩余电量阈值的储能电池模块1031的数量大于一个，则通过检测以下至少之一：所述储能电池模块1031的电池容量、所述储能电池模块1031的放电时长、所述储能电池模块1031的放电次数、所述储能电池模块1031的充电时长、所述储能电池模块1031的充电次数，选择为所述负载供电的储能电池模块1031，示例性的，所述控制部101可以选择电池容量较大的和/或充放电时长较短的和/或充放电次数较少的一组储能电池模块1031，为所述负载供电。所述充放电时长可以为每次充放电时的充放电时长的累计值，或者距离当前时间最近的一次充放电的充放电时长。
在本发明的一实施例中，如图5所示，所述控制部101包括控制单元1011以及分别和控制单元1011相连接的电源电路1012、电池管理电路1013、充电控制电路1014和开关驱动电路1015，还包括与所述开关驱动电路1015连接的电路开关(图中未示出)和充电开关1017，其中：
所述电源电路1012和所述电池管理电路1013分别与所述储能电池模块1031相连接，所述充电开关1017连接所述储能电池模块1031和所述光伏发电部102，所述充电控制电路1014连接在所述充电开关1017两端；所述电路开关包括光伏供电开关10161、电池供电开关10162，其中，所述光伏供电开关10161连接所述光伏发电部102和所述光伏逆变部104，所述电池供电开关10162连接所述储能电池模块1031和所述储能逆变部105。
本发明实施例所述的充电控制电路1014用于对所述储能电池模块1031，进行限流保护，当所述储能电池模块1031的充电电流太大时，关断所述充电开关1017。
在本发明的一实施例中，所述控制部101控制所述光伏发电部102为所述储能电池模块1031充电，包括：
确定可同时充电的储能电池模块1031组数M和需要充电的储能电池模块1031组数N；
如果M≥N，则给所述N组储能电池模块1031充电；
如果M<N，则根据所述每组储能电池模块1031的剩余电量和/或耗损程度，从所述N组储能电池模块1031中选择M组所述储能电池模块1031进行充电，其中，M、N均为自然数。
在本实施例中，所述根据所述每组储能电池模块1031的剩余电量和/或耗损程度，从所述N组储能电池模块1031中选择M组所述储能电池模块1031进行充电，包括以下至少之一：
从所述N组储能电池模块1031中选择剩余电量最小的M组所述储能电池模块1031进行充电；
从所述N组储能电池模块1031中选择耗损程度最小的M组所述储能电池模块1031进行充电；
根据预先设置的一个或多个剩余电量阈值，对所述N组储能电池模块1031进行分级，如果剩余电量级别最低的一级储能电池模块1031的组数小于或等于M，选择剩余电量级别最低的一级储能电池模块1031进行充电，并在所述剩余电量级别大于最低的一级的储能电池模块1031中根据剩余电量和/或耗损程度选择(M-m)组储能电池模块1031；如果剩余电量级别最低的一级储能电池模块1031的组数m大于M，则对该级储能电池模块1031按照耗损程度进行排序，选择该级储能电池模块1031中耗损程度最小的M组所述储能电池模块1031进行充电，其中，m为自然数。
在本实施例的一示例中，所述控制部101控制所述光伏发电部102为所述储能电池模块1031充电，包括：
检测所述每组储能电池模块1031的剩余电量，选择剩余电量小于预设的第二剩余电量阈值的储能电池模块1031进行充电。
在本实施例的另一示例中，所述控制部101控制所述光伏发电部102为所述储能电池模块1031充电，包括：
检测所述每组储能电池模块1031的剩余电量；
选择剩余电量低于第三剩余电量阈值(例如，所述第三剩余电量阈值为所述电池容量的60％)的储能电池模块1031进行充电；
当各组储能电池模块1031的剩余电量均大于或等于所述第三剩余电量阈值时，选择剩余电量在第三剩余电量阈值和第四剩余电量阈值(例如，所述第四剩余电量阈值为所述电池容量的70％)之间的储能电池模块1031进行充电；
当各组储能电池模块1031的剩余电量均大于或等于所述第四剩余电量阈值时，选择剩余电量在第四剩余电量阈值和第五剩余电量阈值(例如，所述第五剩余电量阈值为所述电池容量的80％)之间的储能电池模块1031进行充电；
当各组储能电池模块1031的剩余电量均大于或等于所述第五剩余电量阈值时，选择剩余电量在第五剩余电量阈值和第六剩余电量阈值(例如，所述第六剩余电量阈值为所述电池容量的90％)之间的储能电池模块1031进行充电。
在该实施例中，所述储能电池模块1031的耗损程度可以通过以下至少之一进行检测：所述储能电池模块1031的电池容量、所述储能电池模块1031的放电时长、所述储能电池模块1031的放电次数、所述储能电池模块1031的充电时长、所述储能电池模块1031的充电次数。示例性的，所述控制单元1011可以选择电池容量最大的或充放电时长最短的或充放电次数最少的一组或多组储能电池模块1031，作为耗损程度最小的储能电池模块1031优先进行充电。当检测的所述储能电池模块1031的耗损程度的内容包括上述两项或两项以上的内容时，所述控制单元1011可以设置一个综合加权平均算法，来计算各组储能电池模块1031的耗损程度值，并选择耗损程度最小的储能电池模块1031优先进行充电。所述充放电时长可以为每次充放电时的充放电时长的累计值，或者距离当前时间最近的一次充放电的充放电时长。
在本发明的另一实施例中，所述电路开关还包括市电供电开关，所述市电供电开关连接所述市电电源和所述负载。
在本发明的一实施例中，所述控制单元1011为单片机或上位机。
在本发明的一实施例中，所述电池管理电路1013包括以下至少之一：电池电压检测电路、电池温度采集电路、电池电流采集电路、电池均衡电路，其中：
所述电池电压检测电路，用于采集所述每组储能电池模块1031的电压；
所述电池温度检测电路，用于采集所述每组储能电池模块1031的温度；
所述电池电流采集电路，用于采集所述每组储能电池模块1031的电流；
所述电池均衡电路，用于对所述每组储能电池模块1031中的储能电池进行均衡控制。
所述控制单元1011根据采集的各个储能电池模块1031的电压、温度、电流等信息，通过所述电池均衡电路对所述每组储能电池模块1031中的储能电池进行均衡控制。各个储能电池在使用过程中会产生不均衡性，造成电池的容量、端电压的不一致，随着充、放电的循环往复，使这种差异不断增大，形成所谓的“落后电池”。如果个别落后电池充电时充电不完全且放电时又提前达到截止电压，如果没有及时发现和处理，可能会导致落后电池失效，进而导致整组储能电池模块1031的容量过早丧失。
在本发明的一实施例中，所述控制单元1011包括以下至少之一：状态指示灯、通讯接口、显示屏、输入单元。
示例性的，所述状态指示灯可以为发光二极管(Light Emitting Diode，LED)；所述通讯接口可以为无线通讯接口、移动通讯接口、RS232通讯接口、RS485通讯接口等；所述显示屏可以为液晶显示屏(Liquid Crystal Display，LCD)等。
在本实施例的一示例中，所述输入单元包括以下至少之一：触摸屏、按键输入单元、拨码开关。所述拨码开关是一款用来操作控制的地址开关，采用的是0/1的二进制编码原理。
在本发明实施例的一具体实施方案中，如图6所示，以四户别墅为一个基本单元，所述光伏发电部102包括多个建筑太阳能电池板1021，所述建筑太阳能电池板1021分布式装配于各别墅建筑的适合位置，再集中设置储能部103(示例性地，所述储能部103可以为石墨烯锂离子电池矩阵)于单独的地下室(四户别墅共用一个储能部)内，运用智能供电技术，白天阳光充足时所述光伏建筑一体化系统除供给建筑用电外，多余电量储存入所述储能部103中，夜晚及无光条件时，所述储能部103反哺建筑用电，利用太阳能薄膜电池的弱光特性，以及石墨烯锂离子电池矩阵的大容量，完美的将太阳能运用及储能结合。
上述建筑为四户独门别墅，每户用电量约为500千瓦时/月，可供电池板装机面积约40㎡每户，门户用电峰值约4KW，石墨烯电池组单位容量为2.4kw.h每组，方案要求储能容量应能供给用户五日的全无光能量使用，计算得储能容量不小于330千瓦时，相当于140个石墨烯电池组的用量。假设该方案中采用Solibro太阳能薄膜基板作为太阳能薄膜电池组件，该基板的发电功率约为150W/㎡，实际利用约为110W/㎡。
单个石墨烯锂离子电池输出电压为12V，19个电池串联为一个储能电池模块1031，通过储能逆变器逆变为民用220V AC，根据容量计算，共需要140个石墨烯锂离子电池的容量，即7组储能电池模块1031，太阳能电池板总功率为16KW，理想情况下，需要约24小时能将全部储能电池模块1031充满电，考虑到夜间用电，实际操作时约为一周充电周期。储能电池模块1031设计为配电柜方式，集中引导，配电柜采用空调冷却，由上位机或单片机来控制电能的分配方式，各组储能电池模块1031的使用模式为七组轮流切换，正常情况下石墨烯锂离子电池的使用寿命为5至7年，由于采用轮流供电的方式，理论上本方案中的储能电池模块1031可以使用15年以上。本发明实施例的光伏建筑一体化系统采用BIPV技术与石墨烯锂离子电池矩阵结合，使系统能够几乎完全脱离市电，自给自足。
在本发明中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、“‘口’字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (11)

1.一种光伏建筑一体化系统，其特征在于，包括控制部、分别与控制部相连接的光伏发电部、储能部、光伏逆变部以及储能逆变部，其中：
所述光伏发电部，用于将太阳能转换为电能后通过所述光伏逆变部为负载供电，和/或将电能存储在所述储能部中；
所述储能部包括一组或多组储能电池模块，每组储能电池模块用于存储所述光伏发电部产生的电能，并通过所述储能逆变部为所述负载供电；
所述控制部，用于根据所述光伏发电部和每组所述储能电池模块的状态，从多个电源中选择为所述负载供电的电源，并控制所述光伏发电部为所述储能电池模块充电，所述多个电源包括所述光伏发电部和每组所述储能电池模块。
2.根据权利要求1所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于，所述多个电源还包括与所述控制部相连接的市电电源。
3.根据权利要求1所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于，所述多组储能电池模块组成储能电池矩阵，所述储能电池矩阵集中配置在配电柜中。
4.根据权利要求1所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于，所述光伏发电部包括分布在多户建筑外部的光伏发电组件。
5.根据权利要求4所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于，所述光伏发电组件包括太阳能薄膜电池组件，所述每组储能电池模块包括多块串联连接的石墨烯锂离子电池。
6.根据权利要求1所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于，所述每组储能电池模块的状态包括所述储能电池模块的剩余电量，还包括以下至少之一：所述储能电池模块的电池容量、所述储能电池模块的放电时长、所述储能电池模块的放电次数、所述储能电池模块的充电时长、所述储能电池模块的充电次数。
7.根据权利要求6所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于，所述控制部控制所述光伏发电部为所述储能电池模块充电，包括：
确定可同时充电的储能电池模块组数M和需要充电的储能电池模块组数N；
如果M≥N，则给所述N组储能电池模块充电；
如果M<N，则根据所述每组储能电池模块的剩余电量和/或耗损程度，从所述N组储能电池模块中选择M组所述储能电池模块进行充电，其中，M、N均为自然数。
8.根据权利要求7所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于，所述根据所述每组储能电池模块的剩余电量和/或耗损程度，从所述N组储能电池模块中选择M组所述储能电池模块进行充电，包括以下至少之一：
从所述N组储能电池模块中选择剩余电量最小的M组所述储能电池模块进行充电；
从所述N组储能电池模块中选择耗损程度最小的M组所述储能电池模块进行充电；
根据预先设置的一个或多个剩余电量阈值，对所述N组储能电池模块进行分级，如果剩余电量级别最低的一级储能电池模块的组数m小于或等于M，选择剩余电量级别最低的一级储能电池模块进行充电，并在所述剩余电量级别大于最低的一级的储能电池模块中根据剩余电量和/或耗损程度选择(M-m)组储能电池模块；如果剩余电量级别最低的一级储能电池模块的组数m大于M，则对该级储能电池模块按照耗损程度进行排序，选择该级储能电池模块中耗损程度最小的M组所述储能电池模块进行充电，其中，m为自然数。
9.根据权利要求8所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于，所述耗损程度通过检测以下至少之一确定：所述储能电池模块的电池容量、所述储能电池模块的放电时长、所述储能电池模块的放电次数、所述储能电池模块的充电时长、所述储能电池模块的充电次数。
10.根据权利要求1所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于，所述控制部包括控制单元以及分别和控制单元相连接的电源电路、电池管理电路、充电控制电路和开关驱动电路，还包括与所述开关驱动电路连接的电路开关和充电开关，其中：
所述电源电路和所述电池管理电路分别与所述储能电池模块相连接，所述充电开关连接所述储能电池模块和所述光伏发电部，所述充电控制电路连接在所述充电开关两端；所述电路开关包括光伏供电开关、电池供电开关，其中，所述光伏供电开关连接所述光伏发电部和所述光伏逆变部，所述电池供电开关连接所述储能电池模块和所述储能逆变部。
11.根据权利要求10所述的光伏建筑一体化系统，其特征在于：所述电池管理电路包括以下至少之一：电池电压检测电路、电池温度采集电路、电池电流采集电路、电池均衡电路，其中：
所述电池电压检测电路，用于采集所述每组储能电池模块的电压；
所述电池温度检测电路，用于采集所述每组储能电池模块的温度；
所述电池电流采集电路，用于采集所述每组储能电池模块的电流；
所述电池均衡电路，用于对所述每组储能电池模块中的储能电池进行均衡控制。
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