CN202178721U - 分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统，多组铺设在不同建筑当阳面和建筑层的光电池板(9)各自配套对应串联有DC-DC变换器(10)，各个DC-DC变换器(10)各自串联有蓄(供)电控制器(11)，每个蓄(供)电控制器(11)各自并联有蓄电池组(12)，各个蓄(供)电控制器(11)分别串联有DC-AC逆变器(13)，每个优先控制器(14)设有四组端口，每个DC-AC逆变器(13)各自与优先控制器(14)的一组输入端口串联，优先控制器(14)的一组输出端口与冷热源设备(16)电连接，还有两组输入输出混合端口，用来优先控制器(14)之间的相互并联和输出至城市电网(15)。本实用新型既是一种具有良好节能效果的微电网系统，又是一种具有一定参考研究价值的绿色建筑与可再生能源技术综合应用的创新平台。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统。
背景技术
目前国家对建筑节能减排工作以及对新能源和可再生能源的开发和利用给予高度的重视和大力的政策支持，使得中国在太阳能利用的投入不断加大，取得了很好的节能效益，同时也暴露出一些问题：
(1)在民用建筑领域，太阳能仅用于采暖(制热)，太阳能发电仍未在建筑领域大规模投入使用，太阳能综合利用率只有不到40％(太阳能采暖、制热)，仍有近10％的太阳能(太阳能发电)没有得到应用。
(2)在民用建筑领域，冷热源设备使用时不进行适当的分类，笼统地并联在市电网中，并依赖于城市电网。市电网属于高品质电能，而有部分冷热源设备只需要一般的较低品质电能即可驱动，这样浪费了大量的高品质能源，增加了供电和用电成本的同时，也加大了对环境的破坏。另一方面，当并联的冷热源设备或其他负载过多时，尤其是在用电高峰期，城市电网往往因为用电负荷过大而采取分区分时限电的方式，严重影响了用户的正常生活和工作。
(3)在民用建筑领域，由于建筑面积、建筑围护结构形式、建筑高度层次以及建筑不同的当阳面受到的太阳辐射强度不同、能够实现持续性光电的时间也不同的影响，加上不同的光电装置的发电量和发电效率不一致，最终导致光伏发电的电能品质不同，从而传统的光伏发电和应用模式不能直接套用在建筑领域中，加大了光电在建筑领域的应用难度。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种能够有效解决因为各种物理因素造成的光伏发电品质不同而不便于统一并网的问题以及传统光伏发电系统太阳能利用率不充分的问题，最大限度地利用太阳能这种可再生型能源；同时可以对建筑冷热源设备进行准确分类并智能供电驱动的分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供的分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统，多组铺设在不同建筑当阳面和建筑层的光电池板各自配套对应串联有DC-DC变换器，各个所述的DC-DC变换器各自串联有蓄(供)电控制器，每个所述的蓄(供)电控制器各自并联有蓄电池组，各个所述的蓄(供)电控制器分别串联有DC-AC逆变器，每个优先控制器设有四组端口，每个所述的DC-AC逆变器各自与所述的优先控制器的一组输入端口串联，所述的优先控制器的一组输出端口与冷热源设备电连接，还有两组输入输出混合端口，用来优先控制器之间的相互并联和输出至城市电网。
所述的冷热源设备包括：1.5KW级别的空调装置，3-5KW级别的热泵装置、5KW以上级别的冷热源装置。
由优先控制器构成的优先控制系统可以对建筑冷热源进行智能分类和判断然后优先匹配相应电能品质的分布式电源，并且可以根据实际应用情况同城市电网并网。
所述的分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统就是一种微型的电网系统。
采用上述技术方案的分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统，根据建筑的外围护结构形式和不同的建筑空地，在不同的当阳面铺设太阳能光电池板，并在不同的建筑空地处设置光伏发电装置；然后，不同当阳面、不同建筑层以及不同的光伏发电装置的太阳能光电池板单独连接逆变器，转换成为负载可直接使用的市电。这样，实际上不同当阳面、不同建筑层或不同发电装置的太阳能光电池组便是一个相对独立的分布式电源。最后，由同用户负载连接的优先控制器来判断建筑冷热源设备或其他负载的用电需求，并优先同不同的分布式电源进行匹配，自适应选择不同的分布式电源进行供电驱动。由此，每个独立的分布式电源与负载就构成了一种微型的电网。富裕的光电则可以对蓄电池进行充电，以满足应急要求以及晚上无法产生光电时的用电需求。
本实用新型是一种微型的电网系统，采用了分布式电源供电的理念，不仅能够有效解决因为各种物理因素造成的光伏发电品质不同而不便于统一并网的问题以及传统光伏发电系统太阳能利用率不充分的问题，最大限度地利用太阳能这种可再生型能源；同时可以对建筑冷热源设备进行准确分类并智能供电驱动，减小建筑冷热源设备对用电高峰期城市电网的压力，有效缓解当今社会的能源压力、用电压力和用户的使用费用。
本实用新型成功解决了太阳能发电在建筑中不能批量集中应用的难题，为建筑、光电一体化技术提供了一个良好的发展方向，为建筑绿色节能技术提供了一种新的模式。此项技术的应用可以带来较好的生态效果以及显著的节能效果，在不影响建筑美观的情况下，有效利用建筑围护结构和空间，为建筑冷热源设备或其他负载提供独立的电力支持，在用电高峰期减少建筑冷热源设备对市电网的依赖，起到一定的电力调峰作用，可以有效减少20％的电力负荷。
综上所述，本实用新型是一种能够在不影响建筑美观的情况下，充分合理利用太阳能这种绿色可再生能源，可以为建筑冷热源设备提供辅助电力支持并可适当进行电力调峰的微型电网系统。
附图说明
图1是本实用新型太阳能电池板布置建筑物左视图；
图2是本实用新型太阳能电池板布置建筑物前视图；
图3是本实用新型太阳能电池板布置建筑物后视图；
图4是本实用新型太阳能电池板布置建筑物右视图；
图5是本实用新型建筑空地一种形式的太阳能发电装置示意图；
图6是本实用新型耦合系统示意图；
图7是本实用新型耦合系统独立运行模式示意图；
图8是本实用新型耦合系统脱网运行模式示意图；
图9是本实用新型耦合系统并网运行模式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统，由以下各部分系统或组件构成：太阳能电池板、蓄电系统、DC-AC逆变器、优先控制器，下面对其进行具体说明：
(1)太阳能电池板
由于每块太阳能电池板地功率一般在50w左右，电压在17v左右，无法提供给用户直接使用。因此，在传统的太阳能发电系统中，为了获得相对稳定可靠的电压以及足够的功率，把很多块型号太阳能电池直接进行串联和并联，组成光伏矩阵。而串并联的光电池板越多，其控制越复杂，产生的电能也越不稳定。
本实用新型中，在原有太阳能电池发电系统的基础上，引入了分布式电源的理念，因此不必为了一定的电压、功率要求而刻意地增加光电池板串联和并联数量。完全根据实际的建筑围护结构和太阳能电池板铺设情况，来确定太阳能的发电品质并确定太阳能电池板的连接方式。
如图1建筑物左视图中所示：红色的网格即为铺设在建筑外围护结构上的光电池板9。对于第一区域1，其受太阳辐射强度以及持续时间一致，因此可以将该区域的所有太阳能电池板串并联在一起作为一个分布式电源。
如图2建筑物前视图中所示：对于第二区域3和第四区域5区域，分别属于建筑物的第一层和第二层，由于第二层有阳台，对第一层起到一定的这样作用，因而一二层前视面受太阳辐射强度以及持续时间不一致，所以每一层单独作为一个分布电源。而第三区域4是第二层阳台区域，第五区域6是坡屋面，当阳面不同，所受太阳辐射强度亦不同，都要单独设置为分布电源。
同样，在图3建筑物后视图和图4建筑物右视图中，第六区域8、第七区域7和第八区域2区域都应该设置为分布电源。
按照不同的区域划分，设置好太阳能电池板地连接方式之后，不同的分布电源再同各自相对应的DC-DC变换器连接。
如图5所示，该图是本实用新型中布置在建筑空地处的一种形式的太阳能发电装置示意图。其设置在建筑物周围的空地处。该装置的结构较为简单和任意，可以根据建筑空地的实际面积等因素，选择不同的结构形式，例如：可以智能地旋转跟踪太阳或者简单方便地固定在空地上。其结构形式不在本实用新型之列，本实用新型以跟踪式的为例。由该光伏装置发出的电，同上述一样，经过连接导线送至各自适配的DC-DC变换器。
(2)蓄(供)电系统
蓄电系统是本系统中重要的组成部分，具体由DC-DC变换器、铅蓄电池组、蓄(供)电控制电路组成。
由图6系统示意图可以看出：铺设在不同建筑当阳面和建筑层的光电池板9以及不同位置的光伏发电装置与各自配套对应的DC-DC变换器10串联，各个所述的DC-DC变换器10各自串联有蓄(供)电控制器11，每个所述的蓄(供)电控制器11各自并联有蓄电池组12，各个所述的蓄(供)电控制器11分别串联有DC-AC逆变器13，每个优先控制器14设有四组端口，每个所述的DC-AC逆变器13各自与所述的优先控制器14的一组输入端口串联，所述的优先控制器14的一组输出端口与冷热源设备16电连接，还有两组输入输出混合端口，用来优先控制器14之间的相互并联和输出至城市电网15。
在本实用新型中，由于引入了分布式电源的概念，因而光电板的组合并不是按照电压、电流和功率需求进行简单的串联或并联的。因而，为了得到足够的电压，引入了直流升压电路，此电路的作用就是将直流电升压到一定的电压，如400V左右。然后再进行逆变，得到工频50Hz的交流电，再供给负载或并网使用。
在本实用新型中，蓄电系统一方面可以将富裕的光伏电能储存起来，最大限度提高太阳能的有效利用效率；另一方面又可以作为独立的电源，在无法进行光电转换或光电不足时使用，或者作为备用应急电源，满足用户紧急需求。
(3)DC-AC逆变器
由光电池板9光伏作用发出的电能和蓄电池组12提供的电能都是直流电，一般是无法直接用于生活和工作用电的，而且无法同市电网进行并网，此时就需要将直流电转换为交流电。由图6可以看出，DC-AC逆变器13串联在蓄(供)电系统和优先控制器14之间，用以将蓄(供)电系统输出的直流电转换成为工频50H z的交流电，然后经过优先控制器选择输出到相应的负载端或者市电网。
(4)优先控制器
如图6所示，在本实用新型中，优先控制器14串联在DC-AC逆变器13之后，优先控制器14之间相互并联。每个优先控制器14都有一组输入端口、一组输出端口，两组输入输出混合端口。其中优先控制器14的输出端口接建筑冷热源设备16，混合端口分别接城市电网15和另一组优先控制器；其他优先控制器的输出端口接如：1.5KW级别的空调装置，3-5KW级别的热泵装置、5KW以上级别的冷热源装置，混合端口用于优先控制器14之间的并联。其主要作用是：判断冷热源设备的用电需求，并优先同蓄(供)电系统提供的电能进行匹配。低品质需求的负载匹配低品质电源，高品质需求则匹配高品质电源或者混合电源，多余的电能则并网使用。
在本实用新型中，分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统存在以下三种工作模式。
模式1，耦合系统独立工作模式。此种模式，一般运行在光照充足的条件下，此时光伏发电系统脱网运行，分布式光伏电源独立供电时就是一个微型的电网系统。其运行示意图如图7所示。
耦合系统的优先控制器首先对用户侧的建筑冷热源进行分类判断，例如：1.5KW级别的空调装置，3-5KW级别的热泵空调装置以及5KW以上级别的冷热源辅助驱动设备等。然后，控制器将其优先与不同品质的分布式光伏电源进行匹配。
经优先控制器判断不匹配的电源，其判断信号反馈至蓄(供)电控制器，由蓄(供)电控制器再对蓄电池组进行判断，并做出控制是否对蓄电池组进行充电。
如果经过优先控制器的判断，电能品质仍然较低，单一电源无法满足用户需求，则此时优先控制器开启多电源联合供电，在进行太阳能光伏发电直接供电的同时，蓄(供)电控制器控制光电板断开对蓄电池充电并开启各蓄电池组进行辅助供电。
当开启蓄电池组供电的时候，蓄(供)电控制器对蓄电池组的电压、电量参数进行跟踪和判断，当所监控参数在设定安全值之外的时候，报警提示管理人员切换电源，并自动断开蓄电池供电系统，以达到系统的自我保护。
模式2，耦合系统脱网工作模式。这种模式下，通常是处在阴雨天气或者夜晚，光伏发电无法正常工作，此时只能靠蓄电池组工作为冷热源设备辅助供电。其运行示意图如图8所示。
这种模式下，优先控制器同样对用户侧的建筑冷热源进行判断并同供给的电能进行匹配。同时，蓄(供)电控制器切断光电板、DC-DC变换器和蓄电池组之间的联系。
如果经过优先控制器的判断，电能品质仍然较低，单一电源无法满足用户需求，则此时优先控制器开启多蓄电池组进行多电源联合供电。在蓄电池组进行供电的同时，蓄(供)电控制器时刻对蓄电池组的电量、电压进行监控，当所监控参数在设定安全值之外的时候，报警提示管理人员切换电源，并自动断开蓄电池供电系统，以达到系统的自我保护。
模式3，耦合系统并网工作模式。这种模式同模式1类似，工作在较好的光照条件下。
光伏发电系统可以发出充足的电能，既可以满足所有的负载，又有富裕的电能给蓄电池充电；当蓄电池组充电完成的时候，又可以并网运行。其工作示意图见图9所示。
首先，优先控制器对用户侧负载的实际用电需求进行判断，然后将其同不同品质的电源进行匹配。
经过优先控制器的判断筛选，不匹配的电源，其判断信号反馈至蓄(供)电控制器，由蓄(供)电控制器再对蓄电池组进行判断，并做出控制是否对蓄电池组进行充电。如果蓄电池组需要充电，则蓄(供)电控制器开启蓄电池组充电电路，关闭蓄电池组供电电路。如果不需要充电，则可以关闭蓄电池组充电电路和供电电路，直接将光伏发电进行升压和逆变，然后再并网运行。
如果经过优先控制器的判断，电能品质仍然较低，单一电源无法满足用户需求，则此时优先控制器开启多电源联合供电，并断开并网电路，在进行太阳能光伏发电直接供电的同时，蓄(供)电控制器控制光电板断开对蓄电池充电并开启各蓄电池组进行辅助供电。
当开启蓄电池组供电的时候，蓄(供)电控制器对蓄电池组的电压、电量参数进行跟踪和判断，当所监控参数低于设定安全值的时候，报警提示管理人员并自动断开蓄电池供电系统，以达到系统的自我保护。
Claims (4)
1.一种分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统，其特征是：多组铺设在建筑当阳面和建筑层的光电池板(9)各自配套对应串联有DC-DC变换器(10)，各个所述的DC-DC变换器(10)各自串联有蓄(供)电控制器(11)，每个所述的蓄(供)电控制器(11)各自并联有蓄电池组(12)，各个所述的蓄(供)电控制器(11)分别串联有DC-AC逆变器(13)，每个优先控制器(14)设有四组端口，每个所述的DC-AC逆变器(13)各自与所述的优先控制器(14)的一组输入端口串联，所述的优先控制器(14)的一组输出端口与冷热源设备(16)电连接，还有两组输入输出混合端口，用来优先控制器(14)之间的相互并联和输出至城市电网(15)。
2.根据权利要求1所述的分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统，其特征是：所述的冷热源设备包括：1.5KW级别的空调装置，3-5KW级别的热泵装置、5KW以上级别的冷热源装置。
3.根据权利要求1或2所述的分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统，其特征是：由优先控制器(14)构成的优先控制系统可以对建筑冷热源进行智能分类和判断然后优先匹配相应电能品质的分布式电源，并且可以根据实际应用情况同城市电网并网。
4.根据权利要求1或2所述的分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统，其特征是：所述的分布式光伏发电与建筑冷热源耦合系统就是一种微型的电网系统。
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