CN111433993A - 能源管理系统 - Google Patents

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M·爱德华兹
C·陈
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Lanfu Solar Energy Pte Ltd
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Abstract

本发明涉及一种允许在用户房地场所利用直流电能源的能源管理系统。该系统允许使用由光伏模块或电池组产生的本地或远程直流电能源。该系统包括房地电力网络接口，该房地电力网络接口被布置成用于向房地电力网络传递能源以及从房地电力网络汲取能源；房地能源测量模块，被布置成测量房地电力网络所需的能源量；直流电能源输入，被布置成从一个或多个直流电能源源接收能源；以及能源分析模块，被布置成从能源测量模块接收数据，并基于所接收的数据来计算有待经由房地电力网络接口传递到房地电力网络的能源量。

Description

能源管理系统
技术领域
本技术涉及能源管理系统和管理房地内的能源的方法，具体地，本技术涉及能够分配来自一个或多个光伏模块的能源的系统。
背景技术
尽管过去十年间太阳能成本持续下降，但世界人口中仍有很大一部分不能使用常规太阳能。这些包括居住在公寓建筑中的人、大城市中的人、农村中的人以及屋顶空间朝向不理想的人。需要注意的是，大多数屋顶与太阳正午的角度不对，或者不直接朝北或朝南。
大多数常规光伏系统需要电工或技术人员安装，并且在其应用中不是模块化的或通用的。通常，它们也没有分析功能，不适用于智能家居或智能电网应用。本领域需要提供多功能性且易于安装的改进的太阳能系统。
发明内容
根据第一方面，本发明提供一种能源管理系统，包括：
房地电力网络接口，被布置成用于向房地电力网络传递和从房地电力网络汲取能源；
房地能源测量模块，被布置成用于测量房地电力网络所需的能源量；
直流电能源输入，被布置成从一个或多个直流电能源源接收能源；
能源分析模块，被布置成从能源测量模块接收数据，并且基于所接收的数据，计算经由房地电力网络接口传递到房地电力网络的能源量。
在一些实施例中，能源管理系统包括连接到房地电力网络接口的电网管理模块，所述电网管理模块被布置成检测所述房地所连接的电网上太阳能是否可用。
在一个实施例中，直流电能源源包括一个或多个光伏模块。光伏模块可位于安装能源管理系统的场所。或者，如果能源管理模块安装在住宅单元，则光伏模块可以安装在住宅建筑的屋顶上。光伏模块可连接至电表箱(传统安装)或光伏模块可由用户自行安装并插入能源管理系统。
在其中没有本地直流电能源连接到直流电能源输入的替代实施例中，该系统被布置成经由电网管理模块验证远程太阳能是否可用于从电网汲取并且将太阳能传递到房地电力网络。该系统可以进一步包括数据网络接口，例如无线网络接口，数据网络接口被布置成连接到系统管理员云平台并搜索可用的远程太阳能。
在一些实施例中，能源分析模块被布置成避免经由直流电能源输入接收的任何能源被传递到外部电网。在这些情况下，所传递的能源的量总是等于或低于房地电力网络所需的能源量。
在替代实施例中，能源分析模块被布置成允许经由直流电能源输入接收的预定量的能源被传递到电网。
在进一步的替代实施例中，能源分析模块被布置成允许经由直流电能源输入接收的无限量的能源被传递到电网。
可传递到电网的能源的量可以预先确定并且不可由用户改变。例如，可以在固件中设置。
在一些实施例中，房地能源测量模块包括通信接口，该通信接口被布置成与安装在房地中的能源消耗电器或电路交换能源消耗的数据，以便测量该房地电力网络或房地电力网络的一部分所需的能源量。
该通信接口可以位于能源测量模块和布置在每个电器的电源点处的电流感测元件之间。接触器开关也可用于控制电器的状态。
该通信接口可以位于能源测量模块和布置在电表箱处的房地的每个电路上的电流感测元件之间。接触器开关也可用于控制电路的状态。
在一些实施例中，能源管理系统包括控制模块，该控制模块被布置成主动控制电流感测接触器开关，并切换符合电力要求的电器或电路的电力状态。
在实施例中，经由直流电能源输入接收的多余能源被引导到电池以供存储和以后使用。在替代实施例中，控制模块可以主动限制由一个或多个光伏模块产生的电力。
电网可以满足房地需求和由系统产生的组合电力之间的任何电力不足。如果电网发生故障，则该系统还可以出于安全原因选择性关闭，或者如果安装该系统的区域的电气标准允许，则该系统可以向一个或多个电器供应后备电力。
在一些实施例中，该系统进一步包括能源输出插座，该能源输出插座被布置成允许将一个或多个电器直接连接到该系统。在这些实施例中，该系统能够在不连接到电网(离网模式)的情况下运行并直接向本地电器提供能源，或者在电网发生故障的情况下能够向直连电器提供后备电力。
在附加实施例中，该系统被布置成在预定的时间段(例如“非峰值时段”)从电网汲取能源，并在这些时间段期间对连接到直流电能源输入的一个或多个电池进行充电。
根据第二方面，本发明提供了一种根据第一方面的能源管理系统向房地分配能源的方法，该方法包括：
扫描直流电能源输入以检测任何连接的光伏模块或电池；
扫描房地电力网络以检测需要能源的任何电器；
通过能源分析模块确定房地或房地的一部分的电力需求；以及
通过房地电力网络接口向房地传递所需电力。
在实施例中，该方法还包括连接到管理员云平台以通过网络接口搜索可用的远程太阳能的步骤。
在实施例中，通过房地电力网络向房地传递所需电力的步骤包括检测电网上是否有可用太阳能，通过管理员云平台储备太阳能并传递太阳能的步骤。
在实施例中，该方法进一步包括对连接到直流电能源输入的一个或多个电池充电的步骤，其中从一个或多个光伏板可获得多余太阳能。
在一些实施例中，该方法进一步包括扫描可用的远程太阳能并且对连接到直流电能源输入的一个或多个电池充电的步骤。
在实施例中，经由房地电力网络接口将所需电力传递到房地的步骤包括以下步骤：按优先顺序从连接到直流电能源输入的一个或多个光伏模块、经由连接到房地的电网管理模块或电网可获得的任何远程太阳能电力或连接到直流电能源输入的一个或多个电池中汲取能源。
在实施例中，该方法进一步包括当房地所连接的电网不可用时关闭系统的步骤。可替代地，该方法可以包括提示系统的用户请求在备份模式或离网模式下运行系统的步骤。
根据第三方面，本发明提供一种用于光伏板的安装组件；该安装组件包括：
至少两个粘合轨道，被布置成将光伏板固定到位；
所述至少两个粘合轨道被布置成可释放地接合该光伏板。
在实施例中，安装组件包括铰接接头，被布置成使得由两个固定轨道固定的光伏板能够相对于安装表面移动。
本发明的有利实施例提供了一种能源管理系统，该能源管理系统有助于在广泛的情况下获得太阳能。这包括屋顶，但也可能包括一系列其他区域，包括墙壁、农村或露营地、靠近阳光窗户的桌子或工作台面，以简单的方式利用环境阳光而不考虑朝向。
所公开的系统的实施例的优点涉及光伏模块和电池的安装的简单性。在一些情况下，这些可以由系统的用户自行安装。此外，该系统允许负荷转移(存储非峰值电力以供峰值时段消耗)以最小化用户的电力成本。该系统还为没有直接接入的用户获取太阳能提供了便利。此外，该系统有助于在拥有超大太阳能的用户与没有系统或系统尺寸过小的用户之间进行太阳能交易。当适用的馈入费率较低或不存在时，这尤其有利。
附图说明
尽管可能落入本发明的范围内的任何其他形式，为了更清楚地理解该技术，现在将仅通过示例的方式参考附图来描述该技术的实施例，其中：
图1和2示出了连接到直流电能源和房地电力网络的能源管理系统的简化示意图；
图3和图4示出了使用能源管理系统分配能源的方法步骤的流程图；以及
图5和6示出了根据实施例的安装组件的示意图。
具体实施方式
为了促进对根据本发明的原理的理解，现在将参考附图中所示的实施例，并且将使用特定语言来描述这些实施例。然而，应当理解，并非旨在由此限制本发明的范围。在此说明的发明特征的任何改变和进一步修改，以及在此说明的本发明的原理的任何附加应用，通常是本领域技术人员和拥有本发明的人会想到的，都将被认为在本发明的范围内。
应当理解，本文使用的术语仅用于描述实施例，并不意图是限制性的，因为本发明的范围将仅限于权利要求及其等效物。
应当注意，在前面的描述中，不同实施例中相似或相同的附图标记表示相同或相似的特征。
本发明的实施例提供了一种能源管理系统，在监管框架允许的情况下，该能源管理系统可以由用户自行安装并且像电器一样连接到房地电路。对于住宅，可以经由墙壁电源点执行连接。该系统可以向住宅提供足够的电力，以满足或接近满足家庭的电力需求，并且可以被设置为不超过该电力要求，以便在监管框架不允许的情况下，没有净电力从住宅电路系统流入电网。
现在参考图1，示出了连接和运行能源管理系统100的示意图。系统100具有允许向家庭103的电网108传递能源的房地电力网络接口102。该系统还包括允许测量房地电力网络108所需的能源量的能源测量模块110。
该系统还包括允许连接到一个或多个直流电能源的直流电能源输入112。在图1的示例中，直流电能源源包括光伏模块114和电池组116。电池组116由电子电池管理模块118管理。当房地电力网络108不需要时，由直流电能源输入112接收的能源可以存储在电池组116中。
在大多数情况下，由能源管理系统100在房地电力网络108上传递的电力量较低或者与房地电力网络108所消耗的电力相匹配。这允许防止电力通过房地电力网络108传输到电网118。在监管框架允许的情况下，系统100可以被设置成将预定量的电力(在可用的情况下)传递到电网118。这种传输可以通过家庭电力网络108和电网118之间可用的连接而发生。
来自家庭电力网络108和直流电能源输入112的数据由能源分析模块120监测，该能源分析模块120被布置成用于从电流感测接触器开关122接收数据，并且基于所接收的数据计算有待经由持续地控制传递到家庭电力网络108的能源量的房地电力网络接口102传递到家庭电力网络108的能源量。
系统100经由家用Wi-Fi或有线通信协议与家用电器通信，以确定家用总电力需求。在某些情况下中使用其他通信协议。家用电器可经由电流感测接触器开关122连接到墙壁电力点，电流感测接触器开关122可经由家用Wi-Fi网络与系统100通信。接电流感测接触器开关122还可以远程地打开和关闭以控制电器的操作，系统本身也可以如此。
系统100包括逆变器模块110，其将来自直流电能源输入112的直流电电力转换为可由连接到房地电力网络108的电器使用的交流电力。光伏模块114产生的多余能源可以被引导到电池组116。
电网118可以满足房地需求和由系统100产生的组合电力之间的任何电力不足。如果电网发生故障，则系统可以出于安全原因可选地关闭，或者可以向一个或多个电器提供后备电力。系统100还能够在“离网”便携式模式下操作，或者可选地使用离峰电网电力来对电池组116充电以供稍后在峰值时段期间使用。
系统100能够在向房地电力网络108输出电力时调制电力输出。电流感测接触器开关122可以是BlueCube单元，其可以感测到从家用电路和/或通用电源插座汲取的电流电力，并且经由无线协议(诸如蓝牙、Zigbee或Wi-Fi)将该信息传输到能源测量模块120。分析模块120分析该信息并且可以相应地限制逆变器的电流输出以确保逆变器输出的电力总是小于房地电力网络108上汲取的电流电力。
系统中的控制模块被布置成主动控制电流感测接触器开关，切换符合电力要求的电器的电力状态。该控制模块还可以将经由直流电能源输入接收的剩余能源引导至电池以供存储和以后使用。此外，控制模块可主动限制由一个或多个光伏模块产生的电力。
电力限制可以通过两种方式中的一种来实现。通过具有无源并联元件(电阻/分路)，其中多余或不需要的电力被注入到元件中。或者，可以通过诸如有源电子电路(基于晶体管的电力限制电路)的电子装置的网络来调节电流，使得从电池中汲取并输入到逆变器、从光伏板汲取或从逆变器自身输出的电流被调制。逆变器输出的电压必须始终保持在可接受的范围内(例如，240V。)
系统100还可以与住宅121外部的太阳能板通信。云服务使得能够与远程面板121交互，从而允许从这些面板购买电力并由系统100将其视为本地的一样处理。云和零售服务可以促进这一金融和电子交易。系统100还可以离网或以便携式模式操作，由此，即使在没有连接到家庭电力网络108的情况下，如果在直流电能源输入112处供应足够的直流电能源，则通过房地电力网络接口102直接连接到系统的电器也可以得到供电。在这种情况下，系统将经由房地电力网络接口102传递所连接的电器所需的电力，将任何多余的电力传送到所连接的电池组116。
现在参考图2，示出了当连接到房地电力网络204时的能源管理系统202的示意图。
图2示出了具有两个负荷的房屋电路，负荷200和负荷201跨越房地电力网络108上的有功和中性点附接。然而，负荷201通过位于其与房屋电力网络108之间的BlueCube 202连接。在默认情况下，系统100将仅向电力负荷201提供足够的电力。BlueCube 202告诉系统100负荷201消耗了多少电力。与系统100一样，电网118向房地电力网络108供电。系统100不知道负荷200在哪里，因此需要来自电网118的足够电力来为其供电。通常，负荷201所需的额外电力来自系统100，因此没有电力流回电网118中。
在对地故障的情况下，这导致活跃流与房地电力网络108中的中性流不同。如果图2中的“故障1”或“故障2”发生，导致电流流向大地，则来自电网118和系统100的电力应该中断。这需要剩余电流装置断路器203和204分别在电网和系统接口处。这可以很好的防止任何负荷点处的接地故障引起的电击或火灾。
逆变器配备有机械开关和机电开关，以确保仅通过房地电力网络108的连接来输出电力。逆变器还符合AS4777.2：2015逆变器标准中有关两项技术要求的要求，特别是防孤岛保护，以确保当电网故障时始终避免“双馈”情况。通过从逆变器连接到家用通用电源的电缆向房地电力网络108供电。为了避免个体暴露于电缆的连接器两端的危险电压下，并且为了满足防孤岛保护，暴露的连接器被封装在弹簧加载的保护“护套”内。当连接器连接至墙壁插座时，护套缩回。如果护套缩回并且感测到电网电压，则向房屋输出电力。如果护套在任何时间缩回并且没有感测到电网，则不输出电力(防止由于个体接触暴露的连接器而导致的孤岛和触电)。
现在参考图3，系统100将持续检查304是否插入或连接到家庭电力网络108。如果是，它将检查是否存在电网电压306。如果存在，系统100将检查308是否连接了本地太阳能板。
如果连接了本地太阳能板，则系统100将检查316是否有足够的直流电输入电力可从连接的太阳能板和/或电池组获得以提供房地电力需求。如果没有，系统将按照状态318从电网汲取不足的电力。
如果有足够的电力来提供房地电力需求，则系统将检查330以查看是否允许电网馈入。如果不允许，则系统将在状态328下操作，其中房地电力需求的超额电力被存储在电池中或者被调制为不再超过需求。如果电网馈入被允许，则系统将在状态332下操作，其中将一定数量X的多余电力馈入电网，或将无限的多余电力反馈到电网中。
如果在检查306中发现电网关闭或不存在，则系统将提示326以电网备份模式操作。如果回答是肯定的，则系统将在状态328中操作，在状态328下，被存储在电池中或者被调制为不再超过需求的房地电力需求的超额电力被用来向房地供电。如果回答是否定的，则系统将正常地在状态314下操作，其中仅对直接连接的负荷供电，除非本地监管不允许这样做或者检查324确定不能满足直接连接的负荷的电力要求，在这种情况下系统100将关闭，即状态334。
如果检查304确定系统100未插入或未连接到家庭电力网络108，则系统将提示322以便携式或离网模式操作。如果回答是肯定的，则系统将在状态314中操作，在状态314中直接连接的负荷被供电，检查324确定不能满足直接连接的负荷的电力要求，在这种情况下系统100将关闭，即状态334。如果回答是否定的，则系统也将关闭，即状态334。
如果系统在检查308中没有检测到本地太阳能板，则系统100可以检查310远程太阳能板是否被检测到或可用。该系统还可以与本地和远程太阳能板一起工作。在这些情况下，系统100将检查316是否有足够的来自本地或远程太阳能板和/或电池组的直流电输入电流以提供给房地电力需求。如果没有，系统将按照状态318从电网汲取不足的电力。如果有足够的电力来提供房地电力需求，则系统将检查330以查看是否允许电网馈入。如果不允许，则系统将在状态328中操作，其中房地电力需求的超额电力被存储在电池中或者被调制为不再超额于需求。如果电网馈入被允许，则系统将在状态332中操作，其中将高达一定量的多余电力反馈到电网中，或者将无限的超额电力反馈到电网中。
如果检查306和308不能确定本地或远程太阳能板分别已连接，则系统可以检查312是否连接了任何电池。如果是，则系统可简单地使用电池来存储非峰值能源并在峰值时段消耗，从电网汲取任何剩余电力需求，即状态320。如果在检查312中没有电池存在，则系统可以关闭，即状态334。
现在参考图4，示出了流程图400，其中包含一系列步骤，用于使用参考图1描述的能源管理系统向房地分配能源。在步骤402，扫描直流电能源输入以检测任何连接的光伏模块或电池。随后，在步骤404，扫描房地电力网络以检测需要能源的任何电器。然后，在步骤406，经由能源分析模块来确定房地的电力需求，并经由房地电力网络接口将所需电力传递至房地，如步骤408。
现在参考图5和6，示出了根据实施例的安装组件的示意图。
具有螺孔502和粘合剂504的安装轨道506提供了一种简单的方法来将薄型玻璃太阳能板508固定和安装到固定表面604。止动件端部510确保薄型太阳能板508不会滑出轨道端部。
本文中所用的术语“包含”(及其语法变体)在“具有”或“包括”的包含性意义上使用，而不是在“仅包含”的意义上使用。
本领域的技术人员将理解，如具体实施例中所示，在不脱离如广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行许多变化和/或修改。因此，本实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (31)

1.一种能源管理系统，包括：
房地电力网络接口，被布置成用于向房地电力网络传递和从所述房地电力网络汲取能源；
房地能源测量模块，被布置为测量所述房地电力网络所需的能源量；
直流电能源输入，被布置成从一个或多个直流电能源源接收能源；以及
能源分析模块，被布置成从能源测量模块接收数据，并且基于所接收的数据，计算经由所述房地电力网络接口传递到所述房地电力网络的能源量。
2.根据权利要求1所述的能源管理系统，进一步包括连接到所述房地电力网络接口的电网管理模块，所述电网管理模块被布置成检测所述房地所连接的电网上太阳能是否可用。
3.根据权利要求1或2所述的能源管理系统，其中所述直流电能源源包括一个或多个光伏模块。
4.根据权利要求3所述的能源管理系统，其中所述光伏模块位于安装所述能源管理系统的场所。
5.根据权利要求3所述的能源管理系统，其中所述光伏模块位于住宅建筑的屋顶上。
6.根据权利要求3所述的能源管理系统，其中所述光伏模块被连接至所述场地的电表箱上。
7.根据权利要求3所述的能源管理系统，其中所述光伏模块由用户自行安装并插入所述能源管理系统。
8.根据权利要求1所述的能源管理系统，其中，当所述直流电能源输入没有本地直流电能源可用时，所述系统被布置成经由所述电网管理模块验证远程太阳能是否能够用于从所述电网汲取并且将太阳能传递到所述房地电力网络。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的能源管理系统，其中所述系统进一步包括数据网络接口，例如无线网络接口，所述数据网络接口被布置成连接到系统管理员云平台并搜索可用的远程太阳能。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的能源管理系统，其中所述能源分析模块被布置成避免经由所述直流电能源输入接收的任何能源被传递到所述电网。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的能源管理系统，其中所述能源分析模块被布置成允许经由所述直流电能源输入接收的预定量的能源被传递到所述电网。
12.根据权利要求11所述的能源管理系统，其中可以传递到所述电网的能源量是预定确定的并且用户不能改变。
13.根据权利要求1至9中任一项所述的能源管理系统，其中所述能源分析模块被布置成允许经由所述直流电能源输入接收的无限量的能源被传递到所述电网。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的能源管理系统，其中所述房地能源测量模块包括通信接口，所述通信接口被布置成与安装在所述房地中的能源消耗电器或电路交换能源消耗数据，以便测量所述房地电力网络所需的能源量。
15.根据权利要求14所述的能源管理系统，其中，电流感测元件被布置在电表箱处的每个电器的电源点或电路处，所述能源测量模块被布置成与所述电流感测元件通信。
16.根据权利要求14所述的能源管理系统，其中接触器开关被布置在电表箱处的每个电器的电源点或电路处。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的能源管理系统，进一步包括控制模块，被布置成主动控制所述电流感测接触器开关，并切换符合电力要求的电器或电路的电力状态。
18.根据权利要求17所述的能源管理系统，其中所述控制模块被布置成将经由所述直流电能源输入接收的多余能源引导至电池以供存储和以后使用。
19.根据权利要求17所述的能源管理系统，其中所述控制模块被布置成主动限制由所述一个或多个光伏模块产生的电力。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的能源管理系统，其中所述系统进一步包括能源输出插座，被布置成允许将一个或多个电器直接连接到所述系统。
21.一种根据权利要求1至20中任一项所述的能源管理系统向房地分配能源的方法，所述方法包括：
扫描所述直流电能源输入以检测任何连接的所述光伏模块或电池；
扫描所述房地电力网络以检测需要能源的任何电器；
通过所述能源分析模块确定所述房地的电力需求；以及
通过所述房地电力网络接口向所述房地传递所需电力。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括连接到管理员云平台以通过所述网络接口搜索可用的远程太阳能的步骤。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中通过所述房地电力网络向所述房地传递所需电力的步骤包括以下步骤：检测所述电网上是否有太阳能可用，通过所述管理员云平台获得太阳能并传递所述太阳能。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，进一步包括对连接到所述直流电能源输入的一个或多个电池充电的步骤，其中从所述一个或多个光伏板可获得多余太阳能。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的方法，进一步包括扫描可用的远程太阳能并且基于远程太阳能是否可用对连接到所述直流电能源输入的一个或多个电池充电的步骤。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的方法，其中经由所述房地电力网络接口将所需电力传递到所述房地的步骤包括以下步骤：按优先顺序从连接到所述直流电能源输入的一个或多个光伏模块、经由连接到房地的所述电网管理模块或所述电网可获得的任何远程太阳能电力或连接到所述直流电能源输入的一个或多个电池中汲取能源。
27.根据权利要求21至23中任一项所述的方法，进一步包括当所述房地所连接的电网不可用时关闭所述系统的步骤。
28.根据权利要求21至27中任一项所述的方法，进一步包括向所述系统的用户提示请求在离网模式下运行所述系统的步骤。
29.根据权利要求21至27中任一项所述的方法，进一步包括向所述系统的用户提示请求以便携式模式运行所述系统，由此对直接连接的负荷供电。
30.一种用于光伏电板的安装组件；所述安装组件包括：
至少两个粘合轨道，被布置成将至少两个固定轨道固定到位；
所述至少两个固定轨道被布置成可释放地接合所述光伏电板。
31.根据权利要求28所述的用于光伏电板的安装组件，进一步包括铰接接头，被布置成使得所述光伏电板能够相对于所述两个粘合轨道移动。
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