建筑集成光伏设备作为智能传感器在智能建筑能源管理系统的应用
【专利说明】建筑集成光伏设备作为智能传感器在智能建筑能源管理系统的应用
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]根据《美国法典》第35篇第119(e)条的规定，本申请主张享有于2013年3月I日提交的美国临时申请N0.61/771，612的权益，该申请的全部内容通过弓I用整体地结合于本文中，并主张享有《美国法典》第35篇第120条规定的优先权。
技术领域
[0003]本发明涉及将光伏设备作为传感器向智能建筑能源管理系统提供关于建筑物环境和状态的反馈，具体涉及将半透明光伏设备，如半透明光伏窗户作为这种建筑集成传感器使用。
【背景技术】
[0004]由于日益加剧的全球能源危机，对改善建筑设计和工程以减少能源消耗并实现能源的“智能”使用的关注仍在持续。此类“智能”建筑可以包含多个能对环境变化做出反应以在维持用户舒适度的同时最大限度地减少能源使用的动态系统。例如，其可包括但不限于:透光率可变的电致变色窗户、自动遮光窗帘、光伏发电和储存系统、热栗系统、顶楼风扇系统以及复杂的HVAC系统。例如，智能建筑能源管理系统可能显示天气为一炎热、阳光明媚的日子，从而触发电致变色窗户进入低透光状态，或是降低自动遮光窗帘，以减少建筑物内获得的太阳能并最大限度地减少建筑物的制冷负荷。
[0005]或者，所述能源管理系统可能记录的外部温度已低于建筑物的内部温度，从而启动热栗或顶楼风扇系统以利用温度差来提供低能耗的建筑物制冷。又例如，建筑物控制系统可感应到阳光充足的日子，但建筑用能需求低，从而直接采集光伏能量存储到能量储存系统中或直接将其送到电网，而不是本地应用。
[0006]为了使建筑能源管理系统能智能响应建筑物环境的变化，需要传感器网络向控制系统提供必要的数据以供其作出反应。为提供充分运行此类智能建筑的所有必要数据，会需要多种传感器，包括但不限于:温度传感器、光强度传感器以及风(例如，方向、强度)传感器。虽然这些传感器是现成的，但需要能确保完整的建筑物地图的传感器的数量很大，并与动态建筑物控制器相结合以创建一大型且复杂的建筑物能源管理系统。任何合并或减少智能建筑物元件(例如，传感器或控制器)的整体数量的方式可显著降低所述系统的整体复杂性及成本。
【发明内容】
[0007]本发明通过示例性实施方式提供了一种利用光伏设备作为智能建筑能源管理系统的传感器的方法，所述方法的步骤包括:将来自于光伏设备的电压输出参数和电流输出参数中的至少一个与在特定基准条件下获得的值进行对比；以及根据该对比步骤，作为输入参数向智能建筑能源管理系统提供关于当前建筑物环境的信息，以确定制热、制冷以及动态节能建筑元件中的一项或多项的最优设置。
[0008]另一示例性实施方式提供了一种智能建筑物能源管理系统，其包括控制器、以及与所述控制器通信的光伏设备，其中，所述控制器将来自于光伏设备的电压输出参数和电流输出参数中的至少一项与在特定的基准条件下获得的预设值进行对比，以确定关于当前建筑物环境的信息，并基于当前的建筑物环境确定制热、制冷以及动态节能建筑元件中的一项或多项的最优设置。
[0009]通过这种方式，所述示例性实施方式可将电力和传感器数据的产生整合成一单一的单元，从而降低了各个部件的数量、复杂性和成本，相对于传统建筑能源管理系统来说，简化了整个智能建筑能源管理系统。
[0010]在更详细地描述本发明的示例性实施方式之前，以及为了更好地理解本发明，本发明将先对传统的建筑能源管理系统的一些问题进行说明。
[0011]如上所述，由于日益严峻的全球能源危机，改善建筑设计和工程以减少能源消耗并实现能源的“智能”使用的关注仍在持续。为使得建筑能源管理系统能智能响应建筑物环境的变化，需要传感器网络向控制系统提供必要的数据以供其作出反应。为提供充分运行此类智能建筑的所有必要数据，需要多种传感器，包括但不限于:温度传感器、光强度传感器以及风(例如，方向、强度)传感器。虽然这些传感器是现成的，但需要传感器的数量很大以确保完整的建筑物地图，与动态建筑物控制器相结合可创建一大型且复杂的建筑物能源管理系统。任何合并或减少智能建筑物元件(例如，传感器或控制器)的整体数量的方式可显著降低所述系统的整体复杂性及成本。
[0012]光伏(PV)模块被越来越多地添加或集成到建筑物中以提供清洁、可再生的能源来平衡建筑物的能源需求。光伏设备(例如，阵列、模块或单元)的输出包括一定的电压和电流，其结果确定了所述设备的总输出功率。将设备输出的具体电压和电流与特定条件(即，理想的AM1.5G1-太阳照射)下获得的基准值进行比较，可用于提供关于当前光强度和温度条件的信息。例如，PV设备根据入射光所产生的电压和电流，但对于每一参数来说，此依赖关系是不同的。相比之下，电流对温度不敏感，而所产生的电压与温度成比例。通过使一具体的PV设备的响应与各种光照和温度条件对应，除了提供电力外，设备的输出参数可作为光强度和环境温度数据输入到智能建筑能源管理系统中。该对应关系可方便地并入PV设备制造商的质量保证测试程序中。由于大多数的PV阵列包含了覆盖相对较大区域的大量模块，此类系统可取代大量独立传感器的需求。少数辅助性的传统(非-PV)传感器可作为PV设备传感器数据的备份或动态校准。此外，小型的PV设备，如单个单元或模块，可用于在传统模块或阵列不可取的区域如出于美观、经济或能源的原因需要低光照强度的位置提供传感器数据。这些小型的PV传感器还可提供一些边际电力以助于抵消所述建筑能源管理系统的能量需求，如，为向所述管理系统发送传感器数据的无线发射器供电。
[0013]尽管传统的屋顶PV阵列在某些情况下具有意义，可向智能建筑能源管理系统提供基于PV设备的传感器数据的便利来源，但在其它情况(如，有限的屋顶面积)下，此类阵列可能不具备经济或能源利用意义。在这些情况下，建筑集成光伏(BIPV)设备提供了另一种提供能源管理传感器数据以及(可选)电源的机会。一种最具吸引力的建筑集成光伏设备形式为集成到建筑物窗户上的半透明PV设备。这些应用中已探索了大量的太阳能技术，包括但不限于:传统的晶体硅和无机薄膜技术(例如，碲化镉或铜-铟-镓-砸[CIGS])，其是通过有源区部分的激光烧蚀来形成半透明；非晶硅和有机光伏(OPV)技术，其是通过利用双重透明接触和低带隙吸收材料来形成半透明。尽管这些技术均可用于向智能建筑能源管理系统提供基于BIPV设备的传感器数据，但是基于OPV的BIPV提供了用于发电和传感器数据应用的多种有吸引力的特性。
[0014]由于具有高达70%的可见光透过率(VLT)，可调吸收谱以及其潜在的低成本、大规模生产的能力，OPV设备是唯一适合于BIPV应用的设备。OPV设备中对吸收材料的独特的吸收谱调节能力对于半透明窗户BIPV应用具有巨大效益。这使得OPV设备的颜色、VLT以及光谱响应可为了不同的应用、市场及视觉效果而变化。这增加了技术的灵活性和实用性，并为设计和终端用户提供了更多的选择。如同所有的太阳能技术，成本是主要关注点。通过低温和常压高通量溶液涂布技术来生产OPV设备的能力使得其具有非常低成本制造的潜力，而这是确保大规模采用该技术的关键。利用该技术来进行发电是商品名为SolarWindow?的几项申请的主题。该技术也可用于传感器数据应用、以及，包括或不包括发电。相同的性质，即其高VLT、颜色可调以及潜在的低成本生产，使得OPV设备对于BIPV发电应用以及BIPV智能建筑传感器应用具有吸引力。
[0015]本发明意识到，智能建筑能源管理系统中使用传统的建筑传感器增加了额外的成本、复杂性以及复杂系统的设计限制。大量