CN114337374B - 一种基于建筑外墙的温差发电控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于太阳辐射日变化的建筑外墙温差发电控制方法以及控制装置，属于建筑新能源及节能领域，解决了现有技术中建筑外围护结构温差发电技术单纯利用室内外温差，发电效率低，发电量不均匀的问题。本申请将若干温差发电单元布置在建筑外墙上，通过建筑外墙逐时日射分析，以建筑外墙阴影区和直射区温差发电单元之间的平均温差最大和导线长度最小作为控制目标，将建筑外墙阴影区温差发电单元与直射区温差发电单元串联形成优化的温差发电单元组。通过本申请的发电控制方法和控制装置，能够显著提高建筑外墙温差发电效率及发电量的逐时稳定性，可以广泛应用于建筑外墙发电等建筑新能源领域，为城市分布式能源系统设计提供支撑。

Description

一种基于建筑外墙的温差发电控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及建筑新能源及节能技术领域，尤其涉及一种基于建筑 外墙的温差发电控制方法及控制装置。

背景技术

温差发电技术的基本原理是热电材料的塞贝克效应，即处在不同 温度环境中的两种具有不同自由电子密度或载流子密度的金属导体 或半导体相互接触时，接触面上的电子从高浓度向低浓度扩散，且电 子的扩散速率与借出去的温差成正比。当两个导体或半导体之间持续 存在一定温差时，电子持续扩散，将在两个端点之间形成稳定的电压。 两导体间的电压计算公式为：ΔU＝αΔT其中，ΔU为温差电动势；α为 塞贝克系数；ΔT为两端温差。根据塞贝克效应，将P型(富空穴) 和N型(富电子)两种热电材料一端连接形成一个PN结，将PN结置 于冷、热源之间，使之处于温差环境中。在热激发作用下，P(N)型 材料热源端空穴(电子)浓度高于冷端，在空穴(电子)浓度梯度的 驱动下，电势之间连接负载即可产生电流。这样，热电材料就通过冷、 热源之间的温差完成了将热源端的热能直接转化为电能的过程。一个 PN结形成的电动势很小，将很多这样的PN结组合成温差发电器便可 得到足够高的电压。常用的温差发电器一般由100-500个PN结组成。

建筑室内外通常具有一定的温度差异，利用位于建筑外围护结构 中的温差发电器可以对建筑室内外温差能进行搜集，实现温差发电。 但对于建筑外围护结构，内表面处于室内环境中，温度是相对固定的； 而外表面暴露室外环境中，受到太阳辐射、室外空气温度等多种因素 的影响。因太阳高度角、辐射量的周期性变化，外表面温度值以及其 空间分布均存在显著的周期性变化特征。如图1所示，建筑外围护结 构表面温度存在显著的日变化；因此，在一天中室内外温差也是变化 的，使得一天中获得的发电量不均匀；当建筑外墙处于阴影区时，温 差发电量低，无法满足使用要求，因此使得总体温差发电效率低下。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于建筑外墙的温 差发电控制方法及控制装置，用以解决现有技术中温差发电存在的发 电量不均匀、发电效率低的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于建筑外墙的温差发电控制 方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取当前时刻建筑外墙阴影区及直射区的坐标范围；

基于获得的阴影区及直射区的所述坐标范围，将温差发电单元划 分为阴影区单元和直射区单元；其中，所述温差发电单元均布置在所 述建筑外墙上；

逐时采集阴影区及直射区各温差发电单元处的外墙表面温度；

以阴影区中任一单元和直射区任一单元形成温差发电单元组，以 各组中阴影区与直射区温差发电单元之间的平均温差最大值和平均 导线长度最小值为控制目标，获得优化的温差发电单元连接方式；

根据优化的温差发电单元连接方式，连接相应的温差发电单元， 接收并存储各温差发电单元组输出的电能。

进一步，所述获得优化的温差发电单元连接方式，包括如下步骤：

获取阴影区中任一温差发电单元和直射区任一温差发电单元形 成的各温差发电单元组的温度差ΔT；

基于各单元组的所述温度差ΔT，计算各单元组之间的平均温度 差

获取各单元组之间的导线长度Δz，计算得到各单元组的平均导 线长度

以

和/>

作为控制目标，利用多目标优化算法获得 优化的温差发电单元连接方式。

进一步，该方法还包括：判断各温差发电单元组的所述温度差ΔT 是否小于3℃，若是，则剔除相应温差发电单元组后计算剩余各单元 组之间的平均温度差

所述计算各单元组的平均导线长度/>

为获 取剩余各单元组之间的平均导线长度。

进一步，所述多目标优化算法为NSGA-II算法。

进一步，根据优化的温差发电单元连接方式，调节对应导线上的 可控硅继电器，连接相应的温差发电单元。

进一步，利用热电偶温度传感器测量各温差发电单元处的外墙表 面温度。

进一步，利用蓄电池存储温差发电单元组输出的电能。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于建筑外墙的温差发电控 制装置，该装置包括若干布置在建筑外墙表面的温差发电单元、日射 模拟计算机、温度传感器、主控芯片和蓄电装置；

日射模拟计算机用于对建筑外墙进行日射模拟，获取建筑外墙阴 影区及直射区的坐标范围，并将该坐标范围发送至主控芯片；

温度传感器用于测量各温差发电单元处的外墙表面温度，并发送 给主控芯片；

主控芯片基于获得的阴影区及直射区的所述坐标范围，将温差发 电单元划分为阴影区单元和直射区单元；以阴影区任一单元和直射区 任一单元形成的各温差发电单元组的平均温差最大值和平均导线连 接长度最小值作为控制目标，获得优化的温差发电单元连接方式；根 据优化的温差发电单元连接方式，控制相应的温差发电单元连接；

蓄电装置用于接收并存储各温差发电单元组输出的电能。

进一步，所述温度传感器为热电偶。

进一步，该装置还包括可控硅继电器，主控芯片根据优化后的温 差发电单元连接方式，调节对应导线上的可控硅继电器，使得相应的 温差发电单元连接。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明利用建筑外墙表面温度分布随室外太阳高度角及辐射 量呈现日周期变化的特性，将建筑外墙上的温差发电单元划分为直射 区单元和阴影区单元，以阴影区单元和直射区单元形成的温差发电单 元组的平均温差最大值和导线连接长度最小值作为控制目标，通过多 目标优化方法，得到直射区与阴影区温差发电单元的最佳连接方式， 最后输出的电能是各个温差发电单元组输出的总电能，这样能够将阴 影区发电量小的温差发电单元利用起来，实现温差发电量最大化，提 高了总体发电效率。同时，采用优化后的温差发电单元连接方式，最 后输出的电能为各温差发单组的总电能，保证了温差发电量在时间上的均匀性与持续性。

2、通过将温差发电单元组中温差小于3℃的组剔除，进一步提 高了温差发电效率。

本发明成果属于一种太阳能利用技术，有助于提高建筑整体能源 利用效率，在分布式能源规划中具有广阔的应用前景。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的 优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述， 并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而 了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出 的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限 制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是 建筑外围护结构表面温度的日变化示意图；

图2是 建筑外墙温差发电控制方法流程图；

图3是 可控硅继电器与温差发电单元的连接关系示意图；

图4是建筑外墙温差发电控制方法装置图：

1-日射模拟计算机；2-温度传感器；3-主控芯片；4-蓄电装 置；5-可控硅继电器；6-温差发电单元组；

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成 本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并 非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于建筑外墙的温差发电 控制方法，该方法流程如图3所示。结合图3，该方法包括如下步骤：

S1、获取当前时刻建筑外墙阴影区及直射区的坐标范围；

具体的，可采用Ecotect对日射情况进行数值模拟；在Ecotect 中依据建筑结构建立建筑模型，并输入所在地经度、纬度，以及当前 时刻数据，对建筑在该时刻下的日射情况进行数值模拟，获得相应建 筑外墙表面的太阳辐射数据。建筑外墙表面水平高度为0处的水平线 为建筑外墙的基线，以基线与建筑外墙竖直中心线的交点为原点，以 水平向右为X轴，以竖直向上为Y轴，建立OXY坐标系，建筑外墙 表面任一点的坐标可以表示为(x，y)，若模拟得到该点的直射辐射 量为0，则判断其处于阴影区，否则认为其处于直射区，据此，可以 得到建筑外墙表面阴影区以及直射区的坐标范围。

S2、基于获得的阴影区及直射区的所述坐标范围，将温差发电单 元划分为阴影区单元和直射区单元；其中，所述温差发电单元均布置 在所述建筑外墙上；

具体的，为便于温差发电器的连接控制，按照竖直方向的高度对 温差发电器划分单元，竖直高度相同的所有温差发电器相互并联，定 义为一个温差发电单元。

对于任一温差发电单元，其内部包含了多个温差发电器，每个温 差发电器的坐标分别表示为(x_i,y_i)，i＝1,2...n，n为一个温差发电单元 中包含的温差发电器数量；

根据温差发电单元所处竖直高度，对其进行顺序编号，构建单元 数据集。每个温差发电单元的位置坐标以该单元所处位置的竖直高度 Y来表示，其中，Y＝y_i，即温差发电单元的位置坐标为该单元中各温 差发电器的纵坐标y_i。例如，距地面8m高度处的温差发电单元的编 号为NO8，坐标为Y＝8m。

根据温差发电器的坐标位置以及步骤S1得到的直射区和阴影区 的坐标范围，判断该温差发电器是处于直射区还是阴影区，若对于一 个温差发电单元，处于阴影区的温差发电器数量为n₁，处于直射区的 温差发电器为n₂，n₁+n₂＝n；若n₁＞n₂，则判断该温差发电单元处于阴 影区，将该单元划分为阴影区单元，否则判断温差发电单元处于直射 区，将该单元划分为直射区单元；

上述阴影区单元形成的数据集称为阴影区单元数据集，上述直射 区单元形成的数据集称为直射区单元数据集。

S3、逐时采集阴影区及直射区各温差发电单元处的外墙表面温度；

利用温差发电单元处所布置的K型热电偶，对阴影区、直射区 内的各温差发电单元处外墙表面实时温度数据T进行采集，并分别记 录在阴影区单元数据集和直射区单元数据集中。

S4、以阴影区中任一单元和直射区任一单元形成的各温差发电单 元组的平均温差最大值和平均导线连接长度最小值作为控制目标，获 得优化的温差发电单元连接方式；

具体的，设阴影区单元数据集为Shadow(Y,T),直射区单元数据集 为Sunny(Y,T)，其中Y表示温差发电单元所处的竖直高度，T温差 发电单元处外墙表面的温度；利用遍历算法，求取阴影区单元数据集 Shadow(Y,T)与直射区单元数据集Sunny(Y,T)中任意两个温差发电 单元之间的温差ΔT，ΔT＝T_sunny-T_shadow，然后，求取两个单元之间的导 线长度Δz，设温差发电单元组之间平均温差为

温差发电单元组 之间的平均导线长度为/>

以

和/>

作为控制目标， 利用NSGA-II多目标优化算法获得优化的温差发电单元连接方式。

为进一步提高温差发电效率，该方法进一步包括如下步骤：

判断各温差发电单元组的所述温度差ΔT是否小于3℃，若小于 3℃，则认为利用这个温差发电单元组进行发电的效率过低，剔除相 应温差发电单元组后计算剩余各单元组之间的平均温度差

同时 利用该剩余的温差发电单元组计算各单元组的平均导线长度/>

S5、根据优化的温差发电单元连接方式，连接相应的温差发电单 元；具体的，基于步骤S4中所获得的温差发电单元连接方式，调节 对应导线上的可控硅继电器，实现阴影区与直射区温差发电单元之间

S6、接收并存储所述温差发电单元组输出的电能；

在温差发电单元组之间连接负载，输出电能；

具体的，负载可以是带有超低静态电流升压充电芯片的锂电池蓄 电装置，通过低阻导线连接在温差发电单元组之间。

该实施例的发电控制方法利用建筑外墙表面温度分布随室外太 阳高度角及辐射量呈现日周期变化的特性，将温差发电单元布置在建 筑外墙表面，以建筑外墙阴影区和直射区温差发电单元组之间的最大 平均温差以及最小导线长度为控制目标进行多目标优化，得到优化后 的温差发电单元连接方式，按照上述连接方式进行温差发电单元间的 连接，能充分利用建筑群不同空间位置之间的最大温差，实现温差发 电量最大化，即提高了温差发电效率，同时保证了温差发电量在时间 上的均匀性与持续性。

实施例2

本发明的另一个具体实施例，提供了一种基于建筑外墙的温差发电 控制装置，如图4所示，该装置包括：若干布置在建筑外墙表面的温差 发电单元、日射模拟计算机1、温度传感器2、主控芯片3，蓄电装置4， 可控硅继电器5；

日射模拟计算机1用于获取建筑外墙阴影区及直射区的坐标范 围，并将该坐标范围发送至主控芯片；

具体的，日射模拟计算机1可采用Ecotect对日射情况进行数值 模拟；在Ecotect中依据建筑结构建立建筑模型，并输入所在地经度、 纬度，以及当前时刻数据，对建筑在该时刻下的日射情况进行数值模 拟，获得相应建筑外墙表面的太阳辐射数据。对于建筑外墙表面任一 点，若模拟得到的直射辐射量为0，则判断其为阴影区，否则认为其 为直射区，据此，可以得到建筑外墙表面阴影区以及直射区的坐标范 围。

主控芯片3基于获得的阴影区及直射区的所述坐标范围，将温差 发电单元划分为阴影区单元和直射区单元；

具体的，为便于温差发电器的连接控制，按照竖直方向的高度对 温差发电器划分单元，竖直高度相同的所有温差发电器相互并联，定 义为一个温差发电单元。

对于任一温差发电单元，其内部包含了多个温差发电器，每个温 差发电器的坐标分别表示为(x_i,y_i)，i＝1,2...n，n为一个温差发电单元 中包含的温差发电器数量；

根据温差发电单元所处竖直高度，对其进行顺序编号，构建单元 数据集。每个温差发电单元的位置坐标以该单元所处位置的竖直高度 Y来表示，其中，Y＝y_i，即温差发电单元的位置坐标为该单元中各温 差发电器的纵坐标y_i。例如，距地面8m高度处的温差发电单元的编 号为NO8，坐标为Y＝8m。

根据温差发电器的坐标位置以及步骤S1得到的直射区和阴影区 的坐标范围，判断该温差发电器是处于直射区还是阴影区，若对于一 个温差发电单元，处于阴影区的温差发电器数量为n₁，处于直射区的 温差发电器为n₂，n₁+n₂＝n；若n₁＞n₂，则判断该温差发电单元处于阴 影区，将该单元划分为阴影区单元，否则判断温差发电单元处于直射 区，将该单元划分为直射区单元；

上述阴影区单元形成的数据集称为阴影区单元数据集，上述直射 区单元形成的数据集称为直射区单元数据集。

温度传感器2采用K型热电偶，对阴影区、直射区内的各温差 发电单元所处建筑外墙表面的实时温度数据T进行采集，并分别记录 在阴影区单元数据集和直射区单元数据集中。

主控芯片4以阴影区中任一单元和直射区任一单元形成的各温 差发电单元组6的平均温差最大值和平均导线连接长度最小值作为 控制目标，获得优化的温差发电单元连接方式；

具体的，设阴影区单元数据集为Shadow(Y,T)，直射区单元数据 集为Sunny(Y,T)，其中Y表示温差发电单元所处的竖直高度，T表 示温差发电单元处建筑外墙表面的温度；利用遍历算法，求取阴影区 单元数据集Shadow(Y,T)与直射区单元数据集Sunny(Y,T)中任意两 个温差发电单元之间的温差ΔT，ΔT＝T_sunny-T_shadow，然后，求取两个单 元之间的导线长度Δz，设温差发电单元组之间平均温差为

温差 发电单元组之间的平均导线长度为

以/>

和/>

作为 控制目标，利用NSGA-II多目标优化算法获得优化的温差发电单元 连接方式。

为进一步提高温差发电效率，主控芯片3用于判断各温差发电单 元组的所述温度差ΔT是否小于3℃，若小于3℃，则认为利用这个温 差发电单元组进行发电的效率过低，剔除相应温差发电单元组后计算 剩余各单元组之间的平均温度差

同时利用该剩余的温差发电单 元组计算各单元组的平均导线长度/>

主控芯片3根据优化的温差发电单元连接方式，控制相应的温差 发电单元连接；

具体的，主控芯片3基于优化的温差发电单元连接方式，控制对 应导线上的可控硅继电器5，实现阴影区与直射区温差发电单元之间 的串联组合。

蓄电装置4用于接收并存储所述温差发电单元组输出的电能；

具体的，该蓄电装置4是带有超低静态电流升压充电芯片的锂电 池蓄电装置，通过低阻导线连接在温差发电单元组之间。

以西安市某小区8号楼为例进行阐述说明。8号楼南向外墙表面 布置数个温差发电器，温差发电器冷端与热端表面尺寸均为50mm*50mm，水平与竖直方向呈等间距阵列布置，水平方向两发电 器间距0.5m，竖直方向间距1m。为便于温差发电器的连接控制，按 照竖直方向高度对温差发电器划分单元，竖直高度相同的所有温差发 电器相互并联，定义为一个温差发电单元。以该建筑为例，建筑高度 100m，则包含99个温差发电单元。温差发电器冷端与热端表面尺寸 为50mm*50mm，每个温差发电器由PN半导体结组成，半导体材质 为碲化铋Bi2Te3。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范 围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技 术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围 之内。

Claims (10)

1.一种基于建筑外墙的温差发电控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取当前时刻建筑外墙阴影区及直射区的坐标范围；

基于获得的阴影区及直射区的所述坐标范围，将温差发电单元划分为阴影区单元和直射区单元；其中，所述温差发电单元均布置在所述建筑外墙上；

逐时采集阴影区及直射区各温差发电单元处的外墙表面温度；

以阴影区中任一单元和直射区任一单元形成温差发电单元组，以各组中阴影区与直射区温差发电单元之间的平均温差最大值和平均导线长度最小值为控制目标，获得优化的温差发电单元连接方式；

根据优化的温差发电单元连接方式，连接相应的温差发电单元，接收并存储各温差发电单元组输出的电能。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述获得优化的温差发电单元连接方式，包括如下步骤：

获取阴影区中任一温差发电单元和直射区任一温差发电单元形成的各温差发电单元组的温度差ΔT；

基于各单元组的所述温度差ΔT，计算各单元组之间的平均温度差

获取各单元组之间的导线长度Δz，计算得到各单元组的平均导线长度

以

和/>

作为控制目标，利用多目标优化算法获得优化的温差发电单元连接方式。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，该方法还包括：判断各温差发电单元组的所述温度差ΔT是否小于3℃，若是，则剔除相应温差发电单元组后计算剩余各单元组之间的平均温度差

所述计算各单元组的平均导线长度/>

为获取剩余各单元组之间的平均导线长度。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述多目标优化算法为NSGA-II算法。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的控制方法，其特征在于，根据优化的温差发电单元连接方式，调节对应导线上的可控硅继电器，连接相应的温差发电单元。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的控制方法，其特征在于，利用热电偶温度传感器测量各温差发电单元处的外墙表面温度。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的控制方法，其特征在于，利用蓄电池存储温差发电单元组输出的电能。

8.一种基于建筑外墙的温差发电控制装置，该装置包括若干布置在建筑外墙表面的温差发电单元、日射模拟计算机、温度传感器、主控芯片和蓄电装置；

日射模拟计算机用于对建筑外墙进行日射模拟，获取建筑外墙阴影区及直射区的坐标范围，并将该坐标范围发送至主控芯片；

温度传感器用于测量各温差发电单元处的外墙表面温度，并发送给主控芯片；

主控芯片基于获得的阴影区及直射区的所述坐标范围，将温差发电单元划分为阴影区单元和直射区单元；以阴影区任一单元和直射区任一单元形成的各温差发电单元组的平均温差最大值和平均导线连接长度最小值作为控制目标，获得优化的温差发电单元连接方式；根据优化的温差发电单元连接方式，控制相应的温差发电单元连接；

蓄电装置用于接收各温差发电单元组输出的电能。

9.一种基于权利要求8所述的装置，其特征在于，所述温度传感器为热电偶。

10.根据权利要求8或9所述的控制装置，其特征在于，该装置还包括可控硅继电器，主控芯片根据优化后的温差发电单元连接方式，调节对应导线上的可控硅继电器，使得相应的温差发电单元连接。

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