用于控制太阳能能量供给系统的布局、系统和方法

专利名称：用于控制太阳能能量供给系统的布局、系统和方法
技术领域：
本文公开的实施方案主要涉及太阳能供给系统领域。具体而言， 所公开的实施方案涉及用于控制太阳能供给系统的系统和方法。
背景技术：
对能源的关注导致对太阳能技术使用的增长，以取代对传统燃料
9的使用。能源价格的上涨以及对"构建绿色"的期望，导致了使用太阳
能电模块(PV)以提供电能，以及使用太阳能热模块(T)来为住宅和其他 建筑物提供供热服务。当前，大多数太阳能系统是孤立的设计，或者 使用PV产生功率，或者为家用热水(DHW)和空间供热提供热能。然 而，可用屋顶空间的局促，出于美学的考虑，以及优化系统运行的现 代化控制能力，已经潜在地需要改进和优化太阳能阵列的性能以及它 们所吸收能量的应用，从而将电和/或热服务于建筑物内的各不同载 荷。除了通过改进的控制策略使传统的太能能阵列得到性能优化和增 强的潜在优势之外，通过组合系统(combi-system)能够实现甚至更有效 率的操作。在传统的工业定义中，组合系统是将DHW生产和空调建 筑空间的加热组合起来的太阳能热系统。近些年这个定义被进一步扩 充以涵盖通过干燥冷却或吸收冷却循环的太阳能辅助冷却的潜在可 能。在对组合系统定义的最终扩充中，光电(PV)阵列可整体制造或物 理地耦合到热(T)阵列，以在电生产之外提供加热和冷却生产。在太阳 能模块阵列之内的这样的PV和热生产的组合，可被称为PVT阵列。
通过将几种能量生成构件进行组合并且使在居住和商业建筑物结 构内热载荷和电载荷的复杂度增大，PVT阵列内的能量生产元件的最 优化操作以及它们和相应载荷匹配的应用，形成了许多可能性和策略 以将所生成的能量耦合到建筑物内适当的载荷需求。需要新的控制结 构和系统实施方式以优化这些系统的性能。
PV模块的阵列通常置于直射阳光下，以将太阳光辐射转化成电。 由于它们置于直射阳光下的特性，PV模块自身也产生大量的热输出。 这是缘于如下事实，大多数PV模块在从日照到电的转换中具有10% 到18%的效率，且剩余的太阳能中的大部分被模块转换成热。从而， PVT阵列可以由PV模块阵列单独组成，并且仍然提供热。还可以通 过添加热模块以增大热生产，以进一步增强所述阵列。
PVT阵列的组合系统系统设计的实施例包括PV模块的集成PV 阵列，其使用阵列的背后强制通风以提供加热的或冷却的通风空气。 此类设计的一个实施例是由出自安大略省多伦多市的Conserval Engineering公司的SONICWALL系统所提供的。在其他设计之中， 也有基于液体的设计，例如以色列的MILLENIUM electric公司的产品。这些实施例仅仅描绘了，有多种多样的太阳能阵列，既有基于空 气的设计也有基于液体的设计(空气和液体均视为"流体")，均可用于 此处。


图1A示出了根据本发明的一个或多个实施方案用于控制太阳能 模块阵列及其在目标位置的使用的控制器。
图1B示出了根据本发明的一个或多个实施方案配置的太阳能模 块阵列。
图2示出了在本发明的一个实施方案下，如何能在目标位置实施 太阳能模块阵列的示意图。
图3示出了根据本发明的一个实施方案，太阳能模块阵列的效率 作为太阳能模块的阵列下方的以体积为度量的流体流的函数的采样
图4示出了根据本发明的一个实施方案，基于单元温度在太阳能 模块阵列中的PV模块的典型运行电压。
图5示出了根据此处描述的实施方案，在太阳能模块阵列中的PV 模块温度的实际运行范围。
图6示出了如本发明的实施方案所描述的控制系统的框示。
图7示出了根据本发明的一个或多个实施方案，可由控制器控制 的不同构件的框图。
图8是在本发明的一个实施方案下，用作用于执行优化操作的系 统的一部分的控制器的输出框的框图表示。
图9示出了一个实施方案，其中空调排气可通过中间热物质(ITM) 传送。
图IO示出了根据本发明的一个实施方案对辅助载荷的处理。
图11示出了一个实施方案，其中太阳能模块阵列被连接到典型的
空气处理单元(AHU)，结合以中间热物质(ITM)。
图12示出了根据本发明的一个实施方案而为PVT阵列配备的配
置，其带有置于空气流中的干燥轮，以为随后的IDEC层级进行空气除湿。
图13示出了根据本发明的一个实施方案，多个载荷与太阳能阵列出口串联和并联放置的一般情况。
图14示出根据本发明的实施方案的温度读数随时间变化的图，作为如下技术的一部分，通过该技术，控制器能够推断目标位置的占用情况以及电/热载荷的使用情况。
图15为示出根据此处提供的本发明的一个或多个实施方案的控制器的硬件图。
具体实施例方式
在此所针对描述的实施方式提供用于控制和/或使用太阳能模块阵列。 一个实施方案提供既使用热能也使用电能，如供之以既输出电能又输出热能的太阳能模块阵列。在此处所描述的多个实施方案之中，提供一种控制器控制系统，其能够基于确定的或预期的能量需求，使太阳能模块阵列的效率波动或变化。
在一个实施方案中，提供了一种控制器或控制系统，用于改进热能和/或电能的分配方式。在此类实施方案中，控制器可针对多方考虑的因素进行配置，例如何种载荷与能量一起最佳地用于最小化使用成本，抑或服务于目标位置的能量需求。
更进一步， 一个或多个实施方案提供控制系统或控制器来实施优化方案以优化成本节约和/或货款。可以通过太阳能模块阵列的效率波动和/或能量消耗资源的能量使用来实现此类优化方案(或计划)。
具体地， 一个或多个实施方案提供用于在目标位置运行太阳能模
块阵列。太阳能模块阵列可以以如下方式操作(i)在目标位置处，通过一个或更多能量消耗源，针对给定时间段，编程确定针对太阳能模块阵列输出的需求；以及(ii)至少部分地基于所确定的需求，影响太阳能模块阵列的效率。
根据一个实施方案，提供了 一种用于运行太阳能模块阵列的系统，该阵列被安装以供目标位置使用。所述系统可包括如下设备，其可操作以在太阳能模块阵列下方导引流体流，在该处流体流充分接近太阳能模块阵列以影响太阳能模块阵列至少 一个区域的运行温度。该系统还可以包括耦合到所述设备的控制器。控制器可以控制设备的运行以影响在太阳能模块阵列下方的流体的流速。该系统还可以包括总线，其将控制器与提供目标位置的有关一个或更多构件的能量消耗信息的一个或更多源互连。控制器可配置为引导流体流时控制设备，从而至少部分地基于能量消耗信息，影响太阳能模块阵列的运行温度。
在另一个实施方案中，控制器被提供用于太阳能模块阵列，其中太阳能模块阵列在运行时安装于目标位置。控制器可以包括控制模块和接口模块。控制模块可被配置为控制可操作以导引在太阳能模块阵列下方的流体流的设备。流体流可充分接近于太阳能模块阵列以影响太阳能模块阵列至少一个区域的运行温度。控制模块控制设备的运行以影响在太阳能模块阵列下方的流体的流速。接口模块可耦合到数据总线，且被配置为处理接收自多个构件中任一个的能量消耗信息。所述多个构件中每一个均被配置为，通过由所述太阳能模块阵列的输出所服务的一个或更多构件，来检测或确定能量消耗。控制模块还被配置为使用能量消耗信息控制所述设备的运行。
在另一个实施方案中，提供一种系统，用于运行被安装以供目标位置使用的太阳能模块阵列。该系统包括如下设备，其可操作以导引在所述太阳能模块阵列下方的流体。该设备可被配置或定位以导致所述流体充分接近太阳能模块阵列而流动，以影响太阳能模块阵列至少一个区域的运行温度，而同时对流体加热。该系统还可以包括分配装置，其组合以将(i)加热的流体，或(ii)产生自加热流体的能量，导引到目标位置的一个或更多能量消耗源。 一个或更多构件被配置为，通过使用太阳能模块阵列而被服务的一个或更多固定设备，来检测或确定能量消耗。控制器可耦合到所述设备以控制该设备的运行。此类控制可以影响在太阳能模块阵列下方的流体的流速。所述系统还可以包括总线，其将控制器与提供目标位置处的有关一个或更多构件的相关能量消耗信息的一个或更多源互连。控制器可以被配置为使用能量消耗信息来控制设备的运行能力。
此处描述的一个或多个实施方案提供，由控制器、控制系统或控制系统所用构件所执行的操作或行为，以编程执行。"编程"意味着使用代码或计算机可执行指令。编程执行步骤可以自动也可以不是自 动。
此处描述的实施方案提供用于模块的使用。如此处所使用的，模 块包括程序、子例程、程序的一部分、或能够执行一个或更多规定的 任务或功能的软件构件或硬件构件。模块可以独立于其他模块而存在 于硬件构件上，或一个模块可以是其他模块、程序或机器的共享的要 素或进程。
此外，此处描述的一个或多个实施方案可以通过〗吏用可净皮一个或更 多处理器执行的指令而实现。这些指令可以承载于计算机可读介质上。 图中所示的机器提供了处理资源和和计算机可读介质的实施例，在该 计算机可读介质上可以栽有和/或执行用于实现本发明的实施方案的 指令。特别地，随本发明的实施方案示出的许多机器包括处理器和各 种形式的用于保存数据和指令的存储器。计算机可读介质的实施例包 括永久记忆存储设备，如个人计算机或服务器上的硬盘驱动器。计算
机存储介质的其他实例包括诸如CD或DVD单元的^f更携式存储单元、 闪速存储器(例如承载在许多手机和个人数字助理(PDA)上)，和 磁存储器。计算机、终端、网络启动设备(例如，诸如手机的移动设 备)都是利用处理器、存储器和存储在计算机可读介质上的指令的机 器和设备的实施例。
此处描述的实施方案提供了关于集成和控制组合PVT阵列的独 特配置，其优化了由这些系统产生的热和电的节约。这些配置中许多 可被应用于通用的PVT阵列设计，有些被特别设计以最优化基于空气 的PVT阵列的性能，诸如在美国专利申请11/332,000中所描述的那些 配置，该专利申请在此处以援引方式全部纳入本文。
虽然此处描述的某些实施方案涉及基于空气的系统，但是许多控 制和集成方法也适用于基于液体的设计。此外，虽然居所被用于描述 典型结构的热负荷和电负荷，但所有概念等价地适用于其他结构，范 围从礼堂到商业设施。
作为此处描述的实施方案的变化或补充，可以使用能够最佳运行 PVT系统的先进的系统控制概念。因为PVT系统能够同时从多个源 (PV和热)产生能量，且可操作以服务于多个负荷(例如，空间加热、水加热、通风及其他)，对这些系统的控制存在许多难题。同样地，不是 结合特定实施方案所描述的每个控制机会都适用于每个所描述的可能 的配置或其潜在组合。同样地，每个控制机会都应该被认为既具有独 立的意义也具有与其他实施方案组合的意义。
如此处所用，术语"方案"指的是计划或行动系统计划。在一个实 施方案中，方案可以通过识别或维持优先级列表并且按照优先级行动 而实现。
图1A示出了根据本发明的一个或多个实施方案的用于在目标位 置控制太阳能模块阵列及其使用的控制器。在实施方案中，可以结合 太阳能模块阵列的安装和使用来设置控制器，例如如图1A或图2的 实施方案所示和所述。在一个实施方案下，诸如所示的实施方案可以 结合混合阵列使用，在混合阵列中阵列的一个或多个太阳能模块服务 于成为热生成器这一主要意图。诸如在图1A中所迷的实施方案提供 用于靠近太阳能模块阵列下方的流体通路，目的在于冷却包含阵列的 单独模块，同时收集作为来自阵列的输出的热能。例如，可在阵列正 下方的管道或封闭(半封闭)空间中导引空气或其他流体，从而从阵列 中单独模块的运行温度加热。
如所描述，控制器IO和对应的太阳能模块阵列可以安装或实施之 处的目标位置，可以对应于使用电和/或热的建筑物、住宅或居所、或 者其他结构。
在一个实施方案中，控制器10由包括接口模块12和控制模块14 的构件形成。接口模块12可以从各种不同的远程和本地源接收关于目 标位置内不同固定设备08的能量消耗的输入。在此处描述的其他实施 方案中，针对此类源描述远程和本地的总线。
固定设备08包括能量生成设备01和能量消耗设备(或"载荷")03。 能量生成设备包括热类型和电类型，并且涵盖太阳能模块阵列。能量 消耗设备将能量(热能或电能)从流体(例如空气流)中除去。能量消耗热 i殳备可以对应于，例如，供热的空间，或加热的水源(例如，室内热水 或游泳池)或者热块构件。能量消耗电设备还包括电设备，其是消耗电 能(DC或AC)的系统。
根据一个实施方案，控制器10从探测器22接收输入数据11。探测器22相当于探知固定设备08的能量需求或消耗的任何设备。这些 设备可以包括，例如，温度传感器、压力传感器、量规、仪表和其他 设备。如关于其他实施方案所述，本地总线可以将控制器IO连接到探 测器，以接收输入数据14。在一个实施方案下，输入数据ll被实时 接收，或者作为反馈被接收以控制实施方式。
接口模块12可以将能量消耗信息32通信至控制模块14。控制模 块14可以配备有编程或其他逻辑，以实施命令16、 18或其他控制。 在一个实施方式下，命令16、 18可以包括设备命令，从而可以采取机 械转换或行为的形式。
在一个实施方案中，控制模块14在控制对太阳能模块阵列的效率 有影响的设备时使用能量消耗信息32。这些设备可以例如包括，送风 机或其他机构52，其在阵列的模块的下方导引空气流。例如，送风机 可以在太阳能模块阵列下方加速或减速空气流(或其他流体流)。作为 替代或补充，影响太阳能模块阵列的效率的设备包括对流体流速的机 电控制(假设流体可为不同于空气的某物)和通风输入(流体是空气)。在 一个实施方案下，控制模块14部分地基于能量消耗信息32，确定针 对阵列运行的效率范围。
作为影响太阳能模块阵列的效率的替代或补充， 一个或多个实施 方案提供了控制模块14控制来自阵列的热输出的入口 54。在一个实 施方式中，太阳能模块阵列通过光电模块和热模块的组合对流体加热。 加热的流体(例如，热空气)被引入目标位置的能量分配系统的速率和 方式可部分基于从能量消耗信息32作出的决定，受控制模块14影响。
再进一步，控制模块14可以配置能量(热能和电能)通过目标位置 的系统分配的方式。具体而言， 一个或多个实施方案提供，控制模块 14在能量消耗设备中做选择，以在给定时段内提供以热输出或电输出。 这种选择可以可选地基于一个或多个优化方案42,也可基于诸如使用 规则的其他标准。使用规则可以例如指定常识度量，例如避免在冷天 对池加热，或者为非高峰时段节约高电负荷。使用规则也可以规定适 应特定目标的优先级或其他公知的度量。更具体地，优化方案42也可 以呈规则形式，但却将基本目标或一系列目标作为标准。在一个实施 方案中，优化方案42可以考虑成本节约标准，以最小化在目标位置的能量消耗的成本。同样地，优化方案42可以例如归因于，与在同一时 段内使用来自公用事业源(utility source)的能量的成本相比，基于所存 在的或期望的光照量，在一天的给定时间内服务于何种固定设备08。
为了实施优化方案42以及关于能量(热或电)如何分配的不同规 则， 一个或多个实施方案提供了 ，控制模块14具有对能量分配设备 56的访问和控制。这些实施方案可以例如包括，接收加热流体并且消 耗其所带来之热的热交换设备、输送管、节流阀、以及用于移动空气 或其它流体的送风机/风扇。此类控制可以提供作为对例如推送抑或导 引在太阳能模块阵列下方的空气流的构件的控制的替代或补充。
在一个实施方案中，控制器IO,或其中的部分，以专用设备的形 式实施，其被安装或置于适当的位置以接收现场的电消耗信息32。从 而，举例而言，控制器10可以通过硬件、固件或软件以盒形式实现， 其直接与例如温度传感器和其他设备通信。然而，在其他实施方案中， 控制器IO可以实施在计算机上，例如在个人计算机(台式机、膝上电 脑、小型尺寸设备等等)或微控制器上。更进一步，可以分配控制器10， 因为包括控制器10或其模块的逻辑可以分配到多个机器或设备并且/ 或者分配于多个位置处。
图1B示出了根据本发明的一个或多个实施方案配置的太阳能模 块组件。在图1B中，太阳能模块阵列110包括多个太阳能模块。太阳 能模块阵列no可以安装在目标位置附近。目标位置可以对应于建筑 物或居所，其用于从阵列IIO接收输出。在一个实施方案中，阵列110 包括热模块(T)125和光电^^块(PV)124的组合。热模块125主要从热 辐射产生热，而PV模块124主要生成功率，热是附带的副产品。一 个或多个实施方案确认，因为PV模块124代表无光泽的集热器，所 以在模块后提供的最大空气流温度仅仅足以提供用于在容量有限的后 继系统中使用的热能。为了达到更高温度，除了 PV模块124,还可以 采用专为产生热而设计的一套热模块125。
流体122可被引入阵列110的下方，并且(i)被从在阵列110中的 热模块125(T)产生的热能加热，和/或(ii)被阵列110中PV模块的运行 产生的附带的热加热。在一个实施方案中，流体122对应于环境空气， 而风扇或其他通风构件被用于将环境空气引入阵列110的底(或入口)
17边134下方。
一个实施方案采用了如下配置，其中，环境空气在通过热模块125 下方之前，先被引到PV模块124下方。此外， 一个实施方案提供， 底边134或者是未密封或者部分密封，从而使环境空气能够作为流体 122进入。阵列110的其余周界可被密封。这样的实施方案确认，允 许环境空气通过阵列110的底边134进入，具有冷却PV模块124且 同时预加热用于热模块125的空气流的双重效果。阵列IIO实施PV 模块124位于阵列IIO底部这一配置，以第一时间接收所引导的环境 空气。热模块125位于PVT阵列110的顶部，以增大出口温度。也可 以采用其他许多配置，其中例如，环境空气在通过热模块125下方之 前被导引到或迫入于PV模块124下方。
加热空气流可以由一个或多个输送管140从阵列收集，并且被提 供给目标位置152之内的各种不同的负荷。目标位置152可以对应于 直接使用来自阵列IIO的输出的建筑物或空间。可选地，输送管140 可以包括空气流控制才几构142,例如折流板，其可以减少输送管140 中接收的空气量。控制器150可以用于控制进入输送管140的流体流 的体积量。在一个实施方案中，控制器150可以控制空气经过阵列110 下方的速率。此外，控制器150可以调节空气流控制机构142。此外， 控制器150可被耦合到能够改变进入阵列的空气的入口配置的构件。 控制器150可以配备有逻辑或其他源，诸如结合图1BA或本申请中其 他地方的一个或多个实施方案所述。
图2示出了根据本发明的一个实施方案，在目标位置如何执行阵 列110的示意图。如所述，可以提供阵列IIO用于在居所、建筑物或 其它封闭的空间或区域中使用。阵列110能够向建筑结构内提供空间 供热和水供热，还能产生功率。
在一个实施方案中，提供了控制器200或控制系统，其控制阵列 IIO的运行，也控制由机械子系统接收并分配的流体122的使用，所 述机械子系统向目标位置152提供加热服务。机械子系统还可以分配 从阵列IIO提供的遍及位置152的电服务。在图2所示的实施方式中， 用于在位置152的热输出的负荷包括调节空间221，以及在热水器217 处的家用热水(DHW)。机械子系统将流体122从其中通过输送管202导引到目标位置152。传感器251可以和引入的流体122互动，并且向控制器200提供温度读数。控制器200被配置为检测阵列出口传感器251何时检测到流体流入温度处于可用水平。在可用的水平，能量可应用于对调节空间221加热，或应用于在热水器217处产生DHW。
当控制器200收到读取自传感器251的温度且该温度指示流体122的出口温度处于可用水平时，控制器启动送风机204。应该注意到，在许多实例中，当由于整个系统进行对流或自然循环而使送风机处于闲置时，阵列出口温度传感器251将直接记录精确的阵列出口温度。然而，如果由于特定配置而不发生这种情况，则可以在离散的时间段使送风机204循环运转，以提供在传感器521处的精确读取。
例如，随着送风机正在被激活，环境空气(作为流体122)被引导经过阵列134的底边，在此处环境空气随着其在PV模块124后侧下方行进而被加热，然后被热模块125直接加热。在这个过程中，随着空气流将热从PV模块124的后侧除去，PV模块124的后侧被冷却。众所周知，PV模块124在较低的温度下运行更有效率，因而冷却PV模块124能够增大电输出，从而增进阵列110的整体效率。
空气被引导过阵列热出口 201，经适合的输送管系统202而至热交换器203。热交换器203可以例如对应于，通用于在空气和水蒸气之间传热的液体循环加热或冷却的风机盘管或类似的热交换器。控制器200可以在热水器217处接收读取自传感器253的温度读数。控制器200可以通过检测由传感器251测量的温度是否高于由传感器253测量的温度，来确定在流体122中是否存在能量可用于产生DHW。如果能量可用，则控制器200可以允许泵216将流体从热水器217经供给管道214和返回管道215循环至热交换器203，从而为目标位置提供DHW生产。
根据一个实施方案， 一旦通过热交换器203从流体122移出热能，在流体122内可能仍然具有热能，如传感器252所测。如果处于取暖季节且热能保持在流体122中，则控制器200可以将流体导引到例如空调空间221。以此方式，可以通过打开和关闭用于导引流体流的风挡来影响流体122的流向。在所提供的配置中，控制器200可以触发风挡206的打开和风挡205的关闭，从而通过通风孔202来导引流体122。替代地，如果在夏季并不希望将热能用于空调，则可通过打开风挡205和关闭风挡206而使空气流经通风孔210排出，来排出热能。
虽然阵列110的明显的潜在应用在于为建筑物提供供热服务，但同样的阵列通过采用凉爽的夜间空气对空调空间221进行清理，也可以在夜间提供冷却能力。为了正确进行冷却操作，在传感器251处的阵列的温度读数，需要低于由传感器256为空调空间221提供的温度读数。可以例如在低日照条件下或更为通常地在夜间提供此类运行模式。当在这些条件下可以具有冷却能力时，可以运行送风机204,风挡205被关闭而风挡206被打开以允许冷却阵列排放流体122经通风孔212导入空调空间221。
此类配置有利于昼暖夜冷一日之内温度强烈变化摇摆的气候。阵列110的特定配置使得它优于标准的夜间通风实践，因为PV模块124在对于夜空的辐射通信中用作黑体表面。虽然在通常的夜间通风期间达到的最冷温度只是环境空气温度，但在阵列110出口 201处可能形成的温度可以低于环境温度5。C或更多，从而提供了更强的冷却能力。通过阵列IIO表面上的夜空辐射就实现了这种局部冷却效应。
一个或多个实施方案确认，例如随图2的实施方案所描述的整体系统可被配置以使得可由阵列110实现的出口温度可以取决于从阵列排出的空气流的通风速率。在例如由图2所描述的一个实施方案中，流速由可被调速的送风机204控制。描述该阵列通风速率的常用变量是VG，其是阵列以立方英尺/分钟(CFM)度量的通风率除以PVT阵列110的以平方英尺度量的表面面积。通常Vo的值为0至4CFM/ft2，但也可以更高。
图3示出了根据本发明的一个实施方案的太阳能模块(热模块和PV模块)的效率作为阵列下方的以体积为度量的流体流的函数的采样图。如所述的图可以应用于例如随图2的一个实施方案描述的系统，因为阵列110被配置为向建筑物提供空间供热和水供热，另外还要提供发电。同样地，在图3的图300描述中，为描述需要，参照图2(以及由此的图1B)的要素。
图300表示处于如下条件的阵列110: (i)低风速(大约5MPH)， (ii)日照处于峰值1000W/m2,以及(iii)环境温度处于25°C。阵列110的实际性能可能受到这些变量或其他变量影响。然而图300示出了效率和在阵列IIO的使用中固有的阵列输出温度的相反趋势。高温度和高效率都是值得期望的，但是在如图2所描述的系统中，鱼与熊掌不可兼得。为了达到高温度，流体122的流速必须为低，这对于热效率和电效率都有负面影响。
进一步详述，图300绘出效率值对照流体122的以体积为度量的流量。在所述条件下，线301示出阵列110中模块125的热效率("热
效率T]thermal")，线302示出阵列110中的PV模块124的电效率("电效率"electrical")，线303示出热模块124的出口温度("Tarray")，而线304
示出阵列110中的PV模块124的平均运行温度("Tcen，，)。在流体122
以体积为度量的流速的增大，可以通过例如使用送风机以导引在阵列
110下方的环境空气来实现。线301和302的热效率和电效率净皮分别定义为，PVT阵列产生的热产量除以在阵列上入射的太阳能辐射量，和PVT阵列的电产量除以在阵列上入射的太阳能辐射量。这些变量是风速、太阳能辐射量、环境温度以及阵列的物理结构的函数。同样地，图3仅仅表示在如所述条件下运行的通常的PVT阵列110的趋势。
图3示出了通风速率(V。)对于阵列的关键运行参数的影响，阵列的关键运行参数包括将由传感器251所测量的阵列的出口温度Tarray303，和在PV模块124内的单元平均运行温度Tceu。阵列的电效率iielectrkal 302和热效率i]thermal301均随着通风速率(Vo)
的逐渐增大而增大。关于电效率lle，eetr^302，效率的增大缘于在较高的通风速率之下发生的单元温度304的降低。TeeU每降低l。C,晶体硅
PV模块的效率就增加0.5%之多，这是众所周知的现象。关于热效率
!]thennal301，效率的增大可归因于PV模块124和热模块125的运行温度的降低，如出口温度Tarray303的降低所示。这就随之降低了从阵列IOO到环境的热损耗。另一个增大热效率11thermal301的效应在于，在高流量下空气流(也即，流体122)的紊流的增加，其促进了在模块和空气流之间的传热。
来自阵列IIO的能量生产的优化，要求取自阵列的处于Tarray303形式的服务温度对照热构件和电构件的效率(llthermal和tlde"r^)进行平衡。然而，此处描述的实施方案确认，单独优化效率的尝试将低得不
足以服务于目标位置152处的任何热载荷。更确切地说，实施方案归因于包括如下各项的标准整体效率、在对目标位置152的能量载荷进行服务的成本(或成本节约)、以及期望的热能或电能的总额。控制器150可能对此类标准加权，以在确定运行阵列的通风速率(Vo)时，平衡可利用的温度水平和运行效率。
图4基于如图3所示的单元温度Tceu,示出阵列110中PV模块124的通常的运行电压Vm。a咖401。在图3中示出的在高运行温度下PV模块124的效率降低的一部分，涉及模块电压V^的降低。
关于图3,在PV模块温度Tce 304和运行效率Tielectrical 302之间存在连续且接近于线性的关系。然而，在PV模块124上也有绝对的运行极限，若超过该极限，阵列输出就会明显地降低或完全地消失。PV模块124的阵列的运行极限的一个实施例是用于反相器的电压窗，其将从PV模块产生的直流电转换成公用电网的交流电。大多数反相器具有电压范围，这些反相器可在该范围内运行，且不能在该范围之外运行。
在图4中示出形式为Tcell的PV模块温度对PV模块电压Vm。dule401的影响。对于不同类型的PV模块结构，这种影响也有所不同，但是
代表性的趋势是，温度TeeU增大，则模块电压V咖duk降低。
在高度的太阳能辐射和升高的环境温度下，模块运行电压Vm。dule可下降而低于使用来自PV模块124的电能的反相器或其他载荷的运行电压范围。在这样的情况下，PV模块的运行效率 electrical 可非线性地降低到由于从PV模块124供应的低电压而导致它们的输出不可用的一点。理想地，PV模块的选择、尺寸测量、以及并联或串联连线，确保这些低电压电平绝不发生。然而，特定的模块设计和阵列布线，有时使得低于期望的电压配置成为必要。这样的低电压配置可由于太阳能辐射峰值下的高环境温度而下降，且当阵列被部分地遮蔽时电压可能会更低。
在缺乏空气流控制或使用的传统阵列中，没有可用来补偿Vm。dule降低的机制，而唯一的解决方案就是避免会导致低电压或部分遮荫的阵列配置或布置。然而，在如图1B所描述的实施方案中，PVT阵列
22110中，PV模块温度Tceu304(图3)可以通过改变阵列的通风速率V0
而调节。因此，如果PV模块运行电压Vm。d氽即将接近下运行极限，
就可以进行具体操作来增大通风速率VD，从而将V自d氽保持在适合且
期望的运行范围内。
图5示出PV模块124的阵列中PV模块温度Tceu的实际运行范围。
在传统的方式下，模块温度TeeH基本主要受环境温度和太阳能辐射支
配(而不是受例如下方空气流影响)。图5表示环境温度25。C下针对三 种不同情况Teell对照太阳能辐射的图表。
PV模块温度的上限由线501定义，其表示光伏建筑一体化(BIPV)， 其中PV模块直接靠着建筑物表面安装。通常，在这种安装方案中， 在PV模块后侧上无通风设备。PV模块温度的下限由线502定义，其 表示自由无支撑的PV模块，其两个表面均被环境风所通风。这些配 置代表传统P V模块阵列的实际限制温度场景。在这两条线之间的差 504定义在提供的场景下的实践范围。
基于阵列被驱动以供应DHW和空间供热这一运行环境(例如，如 图2的实施方案所述)，由运行点503示出VT阵列的PV模块温度Tcd， 的运行范围。PV模块运行温度Teen保持为高，且遵循BIPV曲线501, 直到达到约400W/m2的太阳能辐射。在这一点上，鼓风机204(见图2) 可被启动以从阵列IIO传递热能，从而开始冷却PV模块124。随着太 阳能辐射增加，PV模块124的运行温度503继续偏离BIPV曲线501， 并且趋向于自由而无支撑的曲线502，且送风才几204增加通风速率(Vo)， 以恢复来自阵列IIO的附加的热能。
虽然BIPV的运行温度曲线501和自由而无支撑的运行温度曲线 502由它们的物理结构决定，但是在阵列110之内的PV模块124的运 行点503主要受阵列的通风速率V。支配。对通风速率V。的^f吏用，允 许阵列110中PV模块的热响应不受阵列的物理配置干扰，并且允许 送风机204在由504定义的宽范围内调整PV模块温度Tcell，以实现温 度Teell的期望概况，从而实现PV模块124的电压Vcell和电效率iieleetrical 的期望概况。
一个或多个实施方案确认，用于阵列110的控制器或控制系统(例 如如图IB所示)，需要既考虑热输出也考虑电输出。虽然仅PV阵列(也即，电阵列)的传统的控制器通常运行在一个单独的目标上，例如使得
PV模块输出最大化的目标，但是PVT系统控制器必须在多种潜在的 运行模式之中和之间进行优化。在某些情况下，例如提供空间加热或 DHW生产时，所述模式是离散和分离的，但是在许多情况下它们直接 耦合。
耦合运行模式的一个实施方案可以是，参照图2的系统，在通过 空调通风孔212提供空间供热的同时，该系统通过热交换器203执行 DHW生产。根据送风机2(M的速度、泵216的操作和风挡(205,206) 的位置，控制器200能够改变DHW或空间供热的相对产量。
根据一个实施方案，可以对阵列110进行额外耦合，其中热能生 产影响PV模块温度Teen304，从而影响电效率
electrical 和产量。在一
个实施方案中，控制器200基于诸如成本节约或能量生产的标准来优 化PVT阵列110的运行。关于成本节约，例如，所述成本节约可以涉 及阵列110的运营商从必须从公用事业公司或其他资源购买能量所能 够实现节约多少成本。这样的优化可以进一步延伸到整个能量生成之 外，因为设备的能量成本在一天内可以有所不同，并且受到其他运行 参数影响。
在能量或成本节约方面优化来自PVT阵列IIO的整体净生产是一 项复杂的任务。为了正确地服务于可能与目标位置相关联的各种不同 的热载荷，所述控制器可能需要确定服务于任何特定载荷所需的必要
的阵列出口温度Tarray，以及从阵列110到各种不同载荷的热能输出的 先后顺序和调节。
在阵列能量的优化生成方面对阵列IIO的进一步优化，以及对各
种不同载荷的输出能量的分配，可受到下列参数影响，包括(i)所安装
系统的操作硬件，(ii)在空调空间内个人的存在，(iii)针对DHW的使 用图案，(iv)功率需求，(v)非阵列产生的能量的成本，(vi)当前的和预 测的天气数据。其他实施方案提供用于其他相关信息的使用，这些信 息的使用以最小化能量成本为目的，能够编程确定在PVT阵列110的 运行中的控制判定。
图6是根据本发明的实施方案所描述的控制系统的框图。系统包 括控制器601和控制设备621,它们组合以管理从阵列IIO到任何一个或多个热载荷606的热能输出的分配和使用。控制设备621包括可 由控制器601控制的硬件、固件和/或软件。如图2的实施方案所描述 的，控制设备621的实施例可以包括(i)导致空气流122处于太阳能阵 列110下方的的设备(例如，送风机204), (ii)传感器，包括温度传感器 (例如，传感器251),用于读取关于引入流体122的信息或关于由所述 系统使用的下游的流体的信息，(iii)热交换，以及(iv)用于在内部导引 流体122的风挡和其他设备。此外，控制器601可被配置以与阵列110 的系统和目标位置之内的功率系统、热构件、用户数据以及宽范围的 输入相交互。
在一个实施方案中，阵列IIO产生来自PV模块124的功率617, 其被馈入DC功率系统604。 DC功率系统604输出DC功率623,其 然后可以被直接馈入以DC电力运行的电载荷605，或馈入替代的电流 反相器603。反相器603可以将DC电力623转换成AC电力627。 AC 电力627可被供应到AC功率系统602。 AC电力627可被提供给AC 功率系统602。然后，AC电力627可以或者直接馈入可以AC电力运 行的电载荷605，或者回馈给公用电网。DC功率系统604、反相器603、 以及AC功率系统602，均可与控制器601相交互。根据反相器的电容， 与DC功率系统604和AC功率系统602均相关的信息可由控制器601 从反相器603请求。替代地，可将换能器置于DC功率系统604或AC 功率系统602之上，以确定来自阵列IIO的功率生产，或来自各种不 同电载荷605的消耗。
控制器601也与热载荷606交互，热载荷606包括加热、冷却、 水加热、通风系统以及辅助的热力系统614,例如锅炉、熔炉、空调、 加热元件以及可以协助PVT阵列IIO设备来供给热载荷606的其他设 备。
本地输入608可以包括，例如，湿度、温度、流速、建筑物占用 期、电需求以及建筑物本地的其他属性信息，其可以通过适当的控制 策略来协助对阵列110的性能和载荷管理进行优化的能力。该系统还 可以拥有本地用户接口 609，用于和控制器601或交互设备进行通信， 所述交互设备例如为反相器603、功率系统602、 604、以及辅助热力 系统614。远程数据总线610允许所有远程输入和远程用户接口通过任意远 程通信协议进行通信。远程通信协议的实施例包括，有线和无线以太 网、移动电话网络、卫星、以及其他通信协议。本地数据总线611为 本地输入608和用户接口 609到控制器601以及在设备之间提供通信 路径。远程和本地总线610和611可以4吏用相同的通信协i义。总线610、 611中任一个可以包括一个或多个协同运行的协议以创建与独立设备 的通信。
根据一个实施方案，可以为远程总线610提供专用远程输入612, 以允许访问诸如天气数据或公用事业收费费率的信息。远程输入612 可以提供自动的和编程的机制，以将此类信息与其他相关信息一起提 供给控制器601。
更进一步， 一个或多个实施方案提供其他类型的数据，此类数据 通过远程用户接口 613被访问或提供给控制器601。远程用户接口 613 可以允许用户将数据或参数输入系统控制器或其他和控制器601相通 信的设备。
图7示出了根据本发明的一个或多个实施方案，可被控制器访问 的构件的框图。参见图6的一个实施方案，控制器601从多个本地传 感器并通过远程和本地总线610、 611，接收许多输入。对系统数据和 信息的访问可涉及创建优化系统性能的控制策略以及算法的能力。如 所描述，输入可以采用信息的形式，包括用户输入/设定点701、湿度 输入702、占用信息703、温度信息704、流信息705、电输入706以 及反相器数据707。
在一个实施方案中，控制器601通过本地用户接口 609或远程用 户接口 613接收用户输入/i殳定点701。用户输入/i殳定点701的实施例 可以包括占用状态、热水器设定点、用于空调空间的加热和冷却设定 点、以及其他操作设定点。
可以通过被放置以从例如在系统之内的环境空气、空调空间和/或 空气流中检测湿度的传感器提供湿度输入702,所述系统可以包括热 存储器、热交换器、除湿轮或热回收系统。
占用信息703可以被在动作检测器中常用的超声或红外传感器自 动感知。系统可被分成若干区域，且可以分区域向控制器报告占用信息。作为替代或补充，占用信息603可以通过对电载荷605的监测例 如从应用设备的使用来推断。
温度信息704可以收集自多种不同的源。 一个或多个实施方案提 供如下，可以通过为所述系统的确定的优化操作而制定的测量方法来 提供温度信息。参见图7的实施方案，温度信息704例如包括如下各 项的报告通过传感器255(图2)所报告的环境空气温度、通过传感器 215(图2)所报告的阵列输出温度、流体122经过热交换器之后在传感 器252(图2)处所报告的温度、通过传感器256(图2)所报告的在空调空 间221中的空气温度、通过传感器253、 254(图2)所报告的在热水器中 的温度、以及其他可能由系统所需要的温度测量结果。
流信息(和/或输入)705可以包括识别或指示流经所述系统的特定 输送管或部分的空气体积以及在液体循环加热或冷却的环路之中的液 体流量的信息。流信息705可以处于多种形式，例如处于实际质量或 体积流量的形式，和/或处于指示流存在与否的筒单的开/关指示标记的 形式。
电输入706包括，例如，由PV模块124(图1B)提供的电流和电压、 来自DC功率系统604(图6)的输出、来自AC功率系统602的输出、 建筑物的主要测量值、以及用于单个或多个子载荷605的载荷需求。 子栽荷605的实例包括空调、水池泵、照明设备、热水器和/或其功率 消耗将被测量的任何设备。
控制器601也可以和反相器603交互，以获得关于反相器电性能、 连接到反相器603的PV模块124的电流和电压特性、以及从反相器 603到AC功率系统602的功率输出的运行信息。
此外，控制器601可以从远程输入接收数据。来自远程输入的数 据可以包括，例如，天气数据、能源价格、以及公用事业能源费率表。 这些和其他数据集合可通过远程总线610、用户输入601或者潜在的 本地总线611提供给控制器。
图8是表示针对控制器601(图6)的输出框的框图，控制器601对 应于可被用于执行优化操作的系统的实体元件。这些实体元件不仅可 以优化PVT阵列IIO的生产，还可以促进或允许对任意电载荷805或 热力系统6814的构件的控制和调整。在一个实施方案中，控制器601被连接以调整或调节连接到DC 功率系统604(图6)或AC功率系统602(图6)的任意电载荷805,如输 出方框805所示。控制器601也可以运4亍送风机803和风挡802的任 何组合，为传递热能而移动和导引空气流。也可以通过输出框804对 泵804进行操作。对辅助热力系统805的控制也可行，且允许对阵列 IIO和这些候补能量系统的发生进行协调。可以根据需要提供额外的 输出框供控制器601以与之交互，并对任何可能破坏建筑物内能量的 生成和使用的系统构件产生影响。
一个或多个实施方案提供用于对控制器601的使用，目的是为不 同标准实施策略或优化方案。在一个实施方案中，控制器601可以同 时访问在目标位置内的各种不同的载荷的需求。这些载荷可以包括， 例如，水加热、空间加热、通风以及电消耗。对所述栽荷的访问可以 结合(i)阵列IIO提供电功率和热功率输出以服务于这些栽荷的能力， 以及可选地结合(ii)用于优化电/热输出的标准或参数。
在一个实施方案中，由控制器601要求的优化可被分成几个组成 部分。优化的第一部分使控制器为阵列IIO设定通风速率Vo,其指示
热运行效率和电运行效率(1]ther^和llelectrical)，并且因此指示在给定的
一套环境条件下的阵列输出。通风速率Vo的设置可以包括下列考虑因 素中的一个或多个
(i)对于任何热载荷，控制器601应该评估在阵列出口201(图2) 处在传感器251(图2)处为必要的温度，其被要求以服务于特定载荷。 为了实用目的，在251处的阵列出口温度应该超过载荷温度一个合理 的裕度，以促进热传递。代表性的载荷温度的实例将会是在传感器253 (图2)处的热水器的温度或空调空间221(图2)的温度，但也可能是
任何载荷的温度。
(ii)控制器可以评估是否它能够在主要的环境条件下提供此阵 列输出温度251,所述主要的环境条件例如太阳能辐射、环境温度255 以及其他可能影响PVT阵列IIO的性能的条件，例如风速。 一个实施 方案中，这种评估根据对热载荷的评估作出。可以通过改变通风速率 Vo并且监测传感器251处的出口温度，或者通过参考阵列110的已知 的性能特性曲线图，来执行在阵列251处对于阵列出口温度的评估，所述曲线图存储在控制器中，描述了在各种各样的环境条件下的运行。
(iii)控制器601可随后或随之评估支配整体效率的组合的热运行
效率和电运行效率(1]ther，，和l!e,eetr^)，以及在由阵列110所能够服务 于的载荷所要求的运行温度下阵列110的输出。
在一个实施方案中，优化的第二部分涉及，控制器601如何排序
或调整在阵列出口 201处在各个不同的热负荷之间提供的热能。在栽 荷的大多数物理布线中，例如图2中所示的那些，该系统能够同时提 供DHW服务和空间加热。关于图2，控制器601可以通过调整泵216 的运行和速度来调节提供给热水器217的能量，以通过热交换器203 从空气流中吸取不同量的能量。使用热交换器203从用于热水器217 的空气流中吸出更多的能量，就为通过风挡206和通风孔212向空调 空间221之中提供的空间调节留下了更少的能量。
随后控制器可以决定对能量的哪种用途在确定在栽荷之间的能量 调整中更为重要。在图2所描述的实施方案的情况中，其中针对热水 器217的后备加热由电元件220提供，则可能更为关键的是，将该栽 荷以第一优先级供给，从而防止由于电元件220的电消耗。如果用于 空调空间221的后备加热系统由使用低成本天然气的高效率熔炉提 供，则这种优化方案为最优。然而，如果用于热系统的后备装置通过 电阻加热而设置，则提供能量给热水器217或空调空间221的成本就 会基本彼此相同。然后控制器601可以确定服务于哪个栽荷来最大化 阵列输出。
另一个优化方案或子方案可以结合阵列110的热生产和电生产而 提供。实施方案确认，以热生产为代价来最大化PV生产，在许多情 况下将要求由送风机204 (图2)提供至少对于一实际点的最大化的通 风速率V0,在该点处由送风机204中的寄生消耗来减轻电输出的增益 和效率t]eleetrkal。然而，以高通风速率Vo运行送风机204，导致了针对 阵列的相对低的出口温度。在这些情况下，在传感器251处的阵列出 口温度可能低于空调或DHW生产可利用的温度。例如，设想情况可 为，环境温度为5。C且送风机204以全速运行以最大化PV输出。在 这样的场景下，在传感器251处的阵列出口温度可为18°C，其不足以 提供空间供热。通过略微降低送风机204的速度，传感器251处的阵列出口温度可达到26°C,其仅仅略微降低PV模块124的效率和生产， 但是对空调空间221的取暖和通风提供了显著贡献。
在一个实施方案中，控制器601可以被配置以在对送风机204、 泵216和/或风挡205与206运行的速度的控制中执行多元优化。这样 的控制可以用来最大化阵列IIO在热能生产和电能生产方面的能量净 生产。应该注意到，控制器并不无必要在各种模式的100%服务之间 分立地改变运行模式，而可以同时调整和优化所有三种运行模式的能 量增益的形式，执行三重生产(triple-generation)。这缘于阵列110能 够向DC功率系统604、 DHW生产、以及空调同时提供功率。通过送 风才几204和泵216的可变速度运行，以及影响风挡205和206的位置， 可以构造控制器601以使其优选某种生产模式而优于其他模式。
关于控制器601的运行，可以装备该控制器以实施以各种不同的 优先级和变量为因素的各种不同方案。这些方案范围可以从系统上每 个载荷的简单的加权优先级到如下因素的复杂多元分析，即，系统效 率、提供辅助能量的成本、建筑物的包括占用率在内的物理特性、载 荷概况以及建筑物的热响应。此外， 一个或多个实施方案提供，天气 数据被用于预测和估计来自阵列IIO的能量生产，以及栽荷的需求， 载荷可以包括对天气敏感的电栽荷605和热载荷606。
下文提供了 一些代表性的实施例，在如何优化系统操作方面对这 些输入和因素如何加权而纳入控制器决策。
实施方案确认，控制器601得益于辅助热力系统614的源和效率， 辅助热力系统614协助阵列IIO向载荷提供能量。关于图2，例如， 热水器217的辅助热系统是电热元件220，但也可以采用其他形式。 在这些情况下，可以操作控制器601以避免或减少辅助热力系统614 的运行对电、天然气、丙烷或其他基础燃料的消耗。控制器601的优 化方案可以包括识别辅助热力系统的信息，以及它们的运行特性和能 量消耗成本。此外，结合设备效率了解运行后备系统的燃料的成本， 可以帮助控制器601确定向任意载荷提供辅助动力的成本。辅助热力 系统614的类型、它们的效率以及燃料源，均可使用任意远程用户接 口 613、本地用户接口 609或其他装置而编程到控制器601之中。类 似地，可以通过类似的装置将用来运行这些系统的燃料的成本编程到
30控制器601之中，或者将所述成本作为远程输入612查询。
除了燃料基本成本，燃料成本还可以包括随时间改变的组成部分， 其中能量成本随一天内的时间或者一年内的时间而变化。例如，几种 电力公用事业提供了使用费率时间，其中从12:00到19:00高峰期间电 力收费S0.29/kWh，但是在其余非高峰时间电力收费S0.09/kWh。在夏 季和冬季期间，基本功率成本中的偏差可以叠加在上述费率表上。诸 如此类的费率表通常被采用于在高峰时间产生功率的PV模块124的 安装且对之有利。
一个或多个实施方案配置了控制器601，使之意识到建筑物(或目 标位置152)在利用这样的随时间而变化的费率。在这样的实施方案中， 控制器6 01可被配置为优化以便在高峰时间内最大化来自P V模块的 电生产，并且致力于延迟任何载荷对电的使用，直至高峰过后。例如， 如果辅助热力系统614包括(i)用于以天然气加热空调空间221的炉子， 以及(ii)以电元件供给动力的热水器217，则控制器601可被配置以在 高峰时间优化DHW生产以免电元件消耗高峰电力，同时允许以天然 气加热空调空间221的辅助系统运行(传统上其不具有明显的随时间变 化的费率)。
虽然当前的随时间变化的费率通常是以一天内的固定时间安排， 但市场趋势倾向于"实时定价"，其中现货市场途径被用来实时地设 定费率。在这样的情况下，控制器601可被配置为沿远程总线610访 问作为远程输入612的实时费率，并且在对来自阵列IIO的热能生产 和电能生产总和的优化过程中将所述实时费率纳入考虑。这可以作为 优化方案的一部分而完成，以最小化实时地服务于载荷的辅助热力系 统614和AC功率系统604的运4亍成本的。
更进一步，可以如下提供另一种优化方案。在某些公用事业收费 建筑物中，能量成本是"层级"形的，因其建立了基线费率，在基线 之上有逐步升高的费率层级。如果控制器601 了解这种层级结构以及 建筑物的能量消耗，那么控制器可以基于对层级定价的使用，以最小 化能量成本为目标，实现优化控制。这可以通过在阵列110的生产上 针对如下载荷给出优先级而完成，其中所述载荷的辅助能源系统使用 的是接近于较高收费率的燃料。控制器601可以使用远程用户接口613、远程输入612、本地用户接口 609或其他装置来获知层级费率结 构。可以通过监测形式为主载荷(仪表)的电输入706或监测子载荷， 向控制器提供能量消耗与收费层级相比较的讯息。
在确定另一种优化方案的过程中， 一个或多个实施方案可以归因 于公用事业源具有电费要求的情况，这是基于在目标位置152的每月 高峰功率消耗的固定收费。这样的需求收费可以构成对目标位置152 的总公用事业收费中的主要部分。因为控制器601有能力通过输入框 706监控来自阵列110的电生产以及各种不同载荷的消耗，所以控制 器601可被配置为最小化同时发生的净功率消耗。这导致了需求收费 降低，因此整体能源成本降低。
关于阵列IIO的电力输出，建筑物的物理特性通常不影响能量生 产，只是物理地支撑阵列。关于阵列IIO的热能输出，建筑物和栽荷 的物理特性可明显地影响到阵列110的能量生产以及来自辅助热力系 统614的燃料消耗。这些特性范围从空调空间221的热物质到所述建 筑物的占用概况，以及来自热水器217的消耗概况。关于控制器601 可以如何利用这些物理特性作为实施策略或优化方案的一部分的几个 实施例概括如下
空间占用多种机制和装置可被用于检测目标位置152的占用情 况。在住所或楼房的结构中，可以用例如占用传感器703检测占用情 况，尽管其他测量方式(例如，应用设施或照明设备的使用)也可以进 行检测和使用。如果建筑物被确定为未占用，控制器可以允许由传感 器256所监测的空调空间221的温度在通常范围之外浮动。此外，可 减少或甚至停止DHW生产。因此，控制器601可以将空间维持在较 宽但合理的温度范围之内，该温度范围将最小化来自任何用于空调的 辅助热力系统614的能量需求。以相似的方式，控制器601可以完全 避免来自阵列110以及来自任何辅助热力系统614的DHW生产。因 为来自阵列110的电力生产通常可以存储在公用电网上作为有价值的 储备以供随后消耗，所以控制器601可被配置以优化PV模块的效率
^!electrical ，
以形成用于随后电力需求的储备。 除了建筑物被占用或未被占用两种状态之外，实施方案还确认实 际的占用情况和载荷概况可以在一天内和/或季节性地偏移。例如，在目标位置152(图1B)是在其他地方工作的占用者的居所的情况下，则 会在早晨和晚间有高需求而午间需求几乎没有，因为占用者可能在上 班。因此，存在空调空间221空置的预期时期。在商业设置中，占用 和载荷通常与住宅情况相反。因此，针对住宅设定，可以在中午减少 热载荷，例如来自热水器217的DHW生产。相似地，由传感器256 监测的空调空间221的温度，可被允许在狭小受控的范围之外摇摆， 而热水器217也不需要处于用于DHW服务的设定点的满额温度(如上 水箱温度254所监测)。通过允许使严格的设定点进行变化，可以通过 增加这些载荷可存储的能量来进一步优化来自阵列110的能量生产， 而对辅助热力系统614的使用也通过减少设定点而减到最少。
作为载荷概况策略的一个实例，可以假设热水器217具有足够的 热容量以便为占用者提供早晨淋浴。然而，在早晨的淋浴之后，如传 感器254所监测的在热水器217顶端的温度变得低于用户提供的设定 点701。实施方案确认，并不在来自阵列110的能量可用之前就在清 晨使用电元件220对热水器217进行再充能，而是使控制器601可能 被配置为推断建筑物的占用习惯。具体而言，控制器601可以确定， 何时目标位置(例如，住宅)未被占用(例如，起始于上午中段时间)，然 后停用电元件220，以预测来自阵列110的能量在数小时之后将可用 来对热水器217加热。从而，控制器601可以被配置以确认热水不需 要被立即补充，而是可在一天中的晚些时候在来自阵列IIO的更多能 量可用时再行补充。以类似的方式，控制器601可以允许由传感器256 监测的空调空间221的温度在空间未被占用期间降低。
作为替代或补充，如果已知如传感器256所监控的空调空间221 中的温度在占用者返回时将会达到适合的程度，则在中午，控制器601 可以允许把空调空间221加热到期望i殳定点温度之上。以此方式，控 制器601可以将空调空间221用作热能存储器。如果空调空间221的 温度的严格的设定点一直得到保持，则通常不可能进行此类使用。
推断建筑物的占用情况的最直接的方法是通过使用占用传感器 703，其可以沿本地总线611与控制器通信。然而， 一个实施方案确认， 占用情况和使用可以由其他可被控制器601例如经由本地总线611访 问的系统参数来推断。 一种此类方法将是评估任意电载荷605的功率需求的变化，任意电载荷例如照明设备或大型应用设施(例如洗衣机)
的使用，其可与占用相关联，并且通过电输入706监测。
图14示出了随着时间读取的温度的曲线图，这作为如下技术的一 部分，通过该技术，控制器601能够推测目标位置152的占用情况以 及电载荷和热载荷的使用情况。具体而言，图14提供了来自热水器 217的上温度传感器254和下温度传感器253的读数曲线。这些读数 由趋势线1402和1401("水温趋势线，，)分别示出。从热水器217取出 的热水的使用概况图可以通过监测作为时间函数的热水器温度来进行 推断，如趋势线1401、 1402所示。图14绘出在热水器217使用的典 型一天内的这些趋势。
由1403指示的时期，指示了在清晨时段几乎没有或完全没有从热 水器217中取水。这可以通过水温趋势线1401和1402稳定且最小限 度的改变推断，这种改变可以由温度(dT)关于时间(dt)的改变或者说 dT/dt来描述。在时期1403中DT/dt的最小衰减，指示了来自热水器 217的通过其绝缘套的备用热损耗。
时期1404初始时陡峭的dT/dt,指示由占用者将热水从热水器217 中取出。此处，从城市主要管道或水井将冷水引入热水器入口 218， 导致水温趋势线1402和1402的急剧下降，因为热水是在出口 219提 供的。这种取出过程大得足以触发加热元件220，使得能够满足占用 者对于热水器温度的设定点(在此情况下是60°C)。随着元件220对热 水器217的上部加热，加热元件220的启动触发了水温趋势线1402的 正的dT/dt。紧接着的是这个取水曲线图的另一个循环，之后，PVT 阵列110开始对热水器217的底部加热，如水温趋势线1401的正值 dT/dt所示。在发生在中午的整个时期1404中，从热水器217取水多 次，如两条水温趋势线的高比率的负值DT/dt所示。在同一时期内， 我们看到了来自阵列110和加热元件220的加热，因为水温趋势线1401 和1402分别具有dT/dt的正值比率。
时期1405发生在阵列110已经停止向热水器217充能之后，如水 温趋势线1401的dT/dt的上升终止所示，而两次较小的取水事件则由 水温趋势线1401和1402的短暂的负值dT/dt时期所示。
时期1406指示几乎没有或完全没有从热水器217取水，类似于时期1403。
短暂的时期1407指示两次连续相接的取水，由两条水温趋势线 1401、 1402的DT/dt的负比率表示，而加热元件220在此时期的末尾 被启动以满足设定点。
时期1408指示几乎没有或完全没有从热水器取水，类似于时期 1403和1406。
时期1409指示两次连续相接的取水，由两条水温趋势线1401、1402 的DT/dt的负比率表示，而加热元件220在此时期的末尾被启动以满 足设定点。这最可能表示次日的早晨淋浴取水概况。
如先前的说明书所描述，控制器601可被配置为，通过估计置于 热水器217上的传感器253、 254的温度关于时间的变化(dT/dt), 以估计来自热水器217的热水需求时期。这不仅在对热水需求的评估 和作为载荷调整其优先级方面帮助了控制器601,也可被控制器使用 以推断建筑物的占用情况。如果热水正在被消耗，则控制器601可以 推断目标位置152被占用。反之亦然，若没有热水取出，则控制器601 可以推断目标位置未被占用。对热水器217的取水的这种利用可以补 充或替代专用占用传感器703的需要。除了从水温趋势线1401、 1402 推断热水器217的取水之外，也可以使用作为输入框705的一部分的 流量计。
除了从热水器217取水时期的推断之外，水温趋势线1401、 1402 的dT/dt也可被用于推断取水的速率和持续时间。取水速率可以对应 于冷水通过入口 2183皮引入和热水通过出口 219被取出热水器217的 流速。因为热水器217容纳质量相对固定的水，所以可以通过传感器 253、 254所监测的形式为dT/dt的温度变化率推断出通过取水取出或 除去能量的速率。若dT/dt为较高负比率，则指示从热水器217的取 水速率较高。也可以从任一水温趋势线1401、 1402的dT/dt保持为负 的时期推断出取水的持续时间。
从而，从一个或多个传感器的读数提供的水温趋势线可以用于推 断热水器217的使用曲线图，其接着也可用于推断目标位置152的占 用概况图。此外，取水速率和取水持续时间也可以由这些同样的趋势 推断，且可以允许控制器601优化来自阵列IIO对热水器217的加热，以及来自形式为加热元件220的辅助热力系统614对热水器217的加热，或来自组合以别处概述的控制器优化方案的各种不同方面的源对热水器217的加热。
作为替代或补充， 一个或多个实施方案提供如下，控制器601能够识别抑或使用即将到来的天气的预测，形式为预期日照、环境温度或可在控制器运行逻辑方面有帮助的其他因素。举例而言，控制器601可具有默认设置，其排除或禁用热水器217中的加热元件220，以预测阵列110提供热能。然而，控制器601可被配置以使用天气预报来改变其默认设定。如果例如预报了多云或下雨，则即便在日出之前控制器601也可触发加热元件220。当考虑随时间变化的费率时，这样的编程判定将会在向加热元件220提供以S0.09/kWh非高峰功率或$0.29/kWh高峰功率之间作出区别。在天气不仅影响来自阵列110的可能的能量生产而且影响载荷本身的情况下，类似的实施例适用于空间加热、冷却或其他载荷中。对于天气敏感的加热和冷却栽荷而言尤其如此。
所述控制器通过将天气数据作为远程输入612经由远程总线610来进行评估，可以获取对当前和未来天气数据的评估。
如果不能经由远程总线610或本地总线611来评估天气数据，则一个或多个实施方案提供用于在夜间运行阵列110，以提供日出之前多云的指示。因为阵列IIO与夜空的辐射耦合取决于它"看到"了晴朗的夜空，所以在红外(IR)区中不透明的任何多云或环境空气中过多的湿气均将部分地损害阵列IIO在夜间运行时的预冷却效果。因此，完美的晴朗低湿度夜晚将能形成如传感器251所监测的阵列出口和如传感器255所监测的环境空气温度之间最大的温差。相反地，多云湿润的夜晚仅能够形成在这些温度之间很小的差异。通过在黎明之前送风机204运行的一个短时期，这个效应可,皮控制器601采样和纪录。这样的记录可以允许控制器601作出关于次日可能是晴朗还是多云的引导性推断。
根据一个或多个实施方案，控制器601的主要优化目标是将阵列110的热生成和电生成方面(即生产的固定设备)与建筑物的各种热载荷606和电栽荷605 (即消耗能源的资源)相匹配，以便最大化来自阵列110的生产，最小量使用来自辅助动力系统的燃料，并保持占 用者的舒适。控制器601可被配置或编程为，通过访问阵列110上的 宽范围的输入数据，载荷605、 606，以及从本地和远程数据总线610、 611聚集的辅助数据，来达到上述目标。基于这些输入和对物理系统 的认知， 一个或多个实施方案提供了，控制器601能够运行多个输出 605、 614、 802至804 (图8)，以达到这样的基本目标。
如所描述，控制器601可被配置或编程为，基于多种因素以优化 系统运行，这些因素包括公用事业费率、占用概况，载荷的热特性、 和天气数据。虽然此类多元优化为控制器提出了明显的困难，但是现 今的控制器能够被专业地编程以响应于这些因素。此外，存在如下算 法和编程技术(例如神经网络)，通过这些技术，诸如控制器601的编 程元件可被设计为获知并且适应于输入和期望目标的范围。优化控制 方案所提供的一个好处是，能量生产可被增加或最大化，而辅助能量 消耗和成本可被最小化或减少。
除了提供图2所概括的空调和水加热等基本热服务之外， 一个实 施方案还提供了可以有效地耦合到阵列IIO(图1B)并且被控制器601 运行的其他系统。图9到图13示出了这样的替代性的系统和实施方式。
图9示出了可以通过中间热物质(ITM)发送空调排气的实施方案。 在一个实施方案中，空调排气可以经由风挡206经过通风孔212,然 后4皮传送通过例如以坑式配置的ITM,之后^^皮排到空调空间221。在 图9中所示的坑式配置包括上表面901，其悬置于下表面902上方。 例如，上表面901可以对应于地板，而下表面可以对应于混凝土板。 这两个表面可以组合以限定空气腔903。在一种实施方式下，空调排 气(穿过通风孔212)经由输送管卯6引入空气腔卯3。输送管卯6可 以将通风孔212连通到空腔903，从而提供让源自PVT阵列下方的空 气流的排气进入空气腔卯3的管道。随着空气流通过空气腔向排气通 风孔904前进，热能从空气流传递到表面901、 902。以此方式，可将 热能存储在表面901、卯2中，随后释放到空调空间221。
如果建筑物本身是诸如木结构房屋的低热质量结构，那么这样的 ITM是有益的。如果没有ITM且建筑物本身具有低热质量，则由阵 列IIO提供的热能会使空调空间221过热。因此，ITM的一个目的在于存储来自阵列IIO的热能，并且随后当空调空间221的加热需求较高时将其释放。
坑式配置是仅有的一种可达到上述目标的ITM。也可使用其他类型的存储机制，例如卵石床。在ITM的任意配置中，控制器601均可被编程以获知热存储构件的热特性，并且随后据此调整系统运行和控制。例如，控制器601可以编程获知，大量的热可能被导入ITM，而如传感器256所监测的，在空调空间221中却不会立即出现明显的温度响应，因为热可被坑的具有热物质的上表面901和下表面902存储。通过估计为向ITM输入能量和温度所需的时延，并且通过估计随后对空调空间221中温度的改变，控制器601可以获知在对热物质的充能和放能之间的时间滞后。
图10示出了根据本发明的一个实施方案对辅助载荷的处理。辅助栽荷的一个实施例可以对应于水池1005。类似于热水器217的栽荷，水池1005可以通过热交换器1001方式来加热。在一个实施方案中，热交换器1001可被串联置于在DHW热交换器203之后。控制器601可以使用例如由传感器252所读取的温度，感知有足够的能量可用于对水池加热。例如，如果传感器252读取的温度大于从水池传感器1007读取的温度，则控制器601可以启动泵1004以通过通向热交换器1001的供给和返回管1002和1003循环水。这导致了从空气流到池1005的能量传递。
虽然水池被用于描述辅助栽荷，但预期也可用于多种其他种类的辅助载荷。对附加的载荷或热交换器的串联放置，例如由热交换器203和1001的布置所展现的放置，允许在通过排气通风孔210排到空调空间221或环境中之前，从空气流之中取出更多的热能。
虽然PVT组合系统能够独立于传统加热通风和空调(HVAC)系统运行，但实施方案确认在这两个系统交互而协同运行是有益的。许多HVAC系统属于基于空气的设计。这允许它们调节、循环并且过滤空调空间221，如有必要也可提供外部通风空气。随着具备这些功能的空气处理单元(AHU)的安装，出现了一个由管道和可能的机动化风挡组成的分配系统，以对建筑物中的独立区域进行单独调节。通过利用这些已有的内部构造，可向阵列IIO提供自由且可控的分配系统，以便将其所希望的热输出传递给空调空间221。
图ll示出了阵列110连接到典型AHU 1106并结合以中间热物质(ITM)1108的实施方案。此配置的一些可能的合作运行模式描述如下。
PVT阵列到空调空间如果控制器601决定阵列的热输出应该直达空调空间221,那么控制器601可以关闭风挡205和1103，而同时打开风挡206和1102。这种配置允许排气从阵列110经过AHU 1106并通过分配管网1107排出。这种配置可以实现为，安装在AHU1106内部的送风机保持关闭，而空气流完全由送风机204提供。替代地，在AHU 1106内部的送风机可以和送风才几204协作以在这个相同的运行模式下提供较高的流速。此外，风挡1102和1103的组合可被调节以将来自空调空间的再循环空气和来自阵列IIO的空气流混合。甚至可以将送风机204保持禁用，而AHU1106背面的反向吸取压力将会通过PVT阵列110建立期望的通风空气流V0。
图11示出了处于垂直卵石床形式的ITM 1108,其通过风挡206和1102耦合到组合系统管网。通过关闭风挡205和1102并开启风挡206来操作送风机204,可以对ITM1108充能。在这种配置中，来自阵列110的排气将进入ITM 1108，将热传递到ITM1108上段，并且通过通风孔1109在底部排出。
家用水加热在上文所提两种阵列运行模式的任一种中，控制器601均可启动泵216以通过热交换器203从用于热水器217的空气流中取出热，如前所述。
从ITM到AHU:存储在ITM 1108中的能量可在任何时候被AHU1106通过启动在AHU 1106内部的送风机、开启风挡1102并且关闭风挡206和1103来利用。在这种配置中，AHU 1106将从ITM 1108的底部取出空气，向上通过通风孔1109，在此，空气离开顶部，其已经在先前的充能循环中恢复所存储的热能。然后来自ITM1108的恢复的热能可由AHU1106通过分配网络系统1107分配到空调空间221。
达到冷却能力除了提供热服务之外，PVT阵列110和AHU 1106的协同互动也可以用来向空调空间221提供冷却服务，或者通过ITM1108存储热并且释放热，方式与前述模式实质上相同。
如前文所述，可以用阵列110的相同的夜间操作来达成冷却功能，来为空调空间221或ITM 1108预冷却环境空气。在特定情况下，可 以在冷却模式期间在ITM 1108内形成这样的低温，当来自空调空间 221的空气在释放能量模式下被引过ITM 1108时，空气达到露点并且 在ITM 1108内凝结。这可以导致霉菌生长以及可能的空气质量问题。 这样的情况，虽然可能很稀少，但可以通过在通过传感器256除监测 温度之外还监测空调空间221中的空气相对湿度来避免。通过在充能 模式期间获知如传感器252所监测的ITM 1108的充能温度概况图， 控制器601可以确定ITM 1108内的温度概况图的下界和上界。这个 温度范围可以和空调空间221中空气的露点相比较，如传感器256所 监测。如果ITM 1108的红外温度概况和空调空间221的露点温度过 于接近，则控制器601可被配置以将ITM锁定，防止其将释放能量并 且可能地将湿气沉积到里面。
ITM的热净化实施方案确认，沉积作用可进行热净化。例如通 过夏季冷却操作期间的积累，所述沉积作用可发生于ITM 1108中。 通过在日间采用来自阵列110的热对ITM 1108进行加热，可以实现 热净化。因为这种模式可能对空调空间221施加不期望的热，故可在 空间未占用时运行之。
热飞轮效应即^f更在阵列110和AHU 1106通过风挡位置(例如， 参见205、 206、 1102和1103)完全解耦合的情况下，仍然可以进行功 能性的协作。对此的一个实例即是ITM1108用于夏日日间使用的可 能应用。在夏日，阵列110通常仅仅服务于热水器217,并且通过风 挡205和排气通风孔210排气，而与AHU 1106没有用于空调的互动。 在此情况下，风挡206和1102通常^皮关闭，而AHU 1106完全独立地 运行。在这样的独立运行中，对于典型的新建筑的轻质结构而言常见 的是，迅速升温以产生在下午早些时候对空调空间221进行冷却的需 要。诸如砖坯和混凝土的高质量被动结构通过在建筑材料中具有较大 热物质避免了这个问题，较大的热物质在随后傍晚时候补偿这种热增 益。轻质建筑物没有将这样的保护建入其结构中，而将保护建入其中 的成本可能高得吓人。将ITM 1108和AHU 1106集成而达到的一种有 利的性质在于如下能力，即组合而为轻重量结构建筑物提供如高质量 建筑物一样的热响应。如果不像通常那样通过风挡1103牵引返回空气，而是在AHU 1106运行期间关闭风挡1103并打开风挡1102,则返回空气将会被牵引过ITM 1108的底部通风口 1109,并且有效地将其热物质和空调空间221的热物质耦合起来。
虽然阵列110主要被设计为传递热，但一个实施方案提供，用于使用阵列110的系统可被配置为通过将阵列110和吸收冷却系统耦合起来而将其加热能力转化为冷却能力。这样的耦合被图12的系统所描述。吸收系统利用了一种干燥剂，其与增湿过程相组合以达到冷却效应。通过增湿/蒸发过程冷却空气是众所周知的，并且在遍及美国的沼泽冷却器(swamp cooler)中得以利用。
通过将间接蒸发冷却器和直接蒸发冷却器耦合到一起，可以进一步增强蒸发冷却效应。参见图12，系统以虚线方框内示出间接直接蒸发冷却器(IDEC) 1223。包括直接蒸发部分的下方IDEC层，由增湿器1210和送风机1216组成，且其表示一种传统的蒸发冷却器。间接部分包括送风机1208、增湿器1211以及热回收轮1209，用作对进入直接部分的空气进行预冷却。非直接部分，通过用增湿器1211使得来自空调空间221的排气饱和，来达到这种预冷却，以达到蒸发冷却到排气湿球温度计的温度附近，这个温度将会明显低于环境温度。热回收轮1209然后在点1224在离开增湿器1211的冷的排气和进入IDEC系统的较热的输入环境空气之间传输热但是不传输湿气，从而为直接蒸发部分预冷却空气。
基于IDEC理论的冷却系统受限于和相对湿度有关的环境空气条件，也受限于空调空间221可能需要的湿度限制。首先要求IDEC系统1223必须在相对低湿度空气的气候下运行，以通过用增湿器(1210，1211)的蒸发而达到显著的冷却能力。在干燥的沙漠气候中这很自然地发生，但是在夏季制冷季节中对于可能经受75~90%的相对湿度的其他更为温和的气候来说并不典型。另一个限制因素是，IDEC系统1223不仅提供了冷却和通风空气，还通过增湿器1210的运行将湿气带入空调空间221以达到蒸发冷却。如果由IDEC系统1223通过通风孔1217供给的空气被过度地湿润直到接近于饱和，则在空调空间221之内会发生凝结。如果输入空气在进入IDEC系统1223之前能被除湿，则对IDEC系统1223的运行的这些可能的限制就可减弱。对环境空气的除湿将IDEC系统1223的运行拓展到湿润气候。阵列110可 以提供加热的空气流，以通过干燥系统对环境空气除湿，而阵列110 的热生成匹配干燥系统的在夏季制冷季节期间的载荷要求。
图12示出给阵列110安排置于空气流中的干燥轮1205的一种配 置，以便随后为用于IDEC系统1223的空气除湿。干燥轮1205用于 从由阵列IIO提供的流体122以及通过入口 1220纳入用于IDEC系统 1223的环境空气来传递热和物质，流体122通常通过通风孔210排出， 而。干燥轮1205通常装填以例如硅胶的干燥剂，且在两种气流之间转 动。随着干的干燥剂通过经由通风孔1220接纳的输入环境空气流，其 将湿气从空气中除去并且变得饱和。随着干燥轮1205旋转到由阵列 IIO提供的流体122中，热流体122将来自干燥轮1205的湿气驱入空 气中，空气通过通风孔210排出，从而再生干燥轮1205。
图12中示出的系统配置，仅仅通过禁用IDEC系统1223的部件 1208、 1209、 1210和1211，并禁用干燥轮1205，同时开启风挡1206, 就可从冷却模式改变到加热模式。用于PVT阵列110的通风速率V0 可通过运行IDEC送风机1216提供。这允许了该系统在直接加热模式 下使用IDEC系统1223的已有构件来运行。
图12中绘出的基本的太阳能辅助IDEC(SA-IDEC)系统，可被组 合到不同配置中，并组合以在本文中其他实施方案所示的构件，从而 纳入热物质、耦合到空气处理单元、耦合到热水器，以及将SA-IDEC 操作和夜间冷却操相组合以进一步增强太阳能冷却。SA-IDEC模式可 以在几种局部模式下运行，如下文提供的实施例所述。
仅仅除湿在某些情况下，可能不必要或者不期望通过蒸发冷却 来减少空调空间221的可传感的栽荷(例如，温度的降低)，而仅仅通 过对通风空气的除湿来减少潜在的载荷(例如湿度)。这可以通过仅仅 运行干燥轮1205并且禁用或简单除去IDEC系统1223来实现。
除湿+间接蒸发冷却如果除了除湿还需要可传感的冷却，则干燥 轮1205可以和IDEC系统1223的间接蒸发构件相继运行，以提供对 可传感且潜在的载荷的减少，而不进行和直接除湿器1210相关的除湿 过程，其中IDEC系统1223的间接蒸发构件包括送风机1216和1208、 热回收轮1209以及间接除湿器1211。虽然特定的实施方式已经用来描绘阵列110将与干燥轮1205耦合 的潜在可能，但也可使用液体吸收剂以及固体吸收剂进行其他由干燥 剂助力循环的组合。 一种此类变化方式将是用分离的再生器和调节器 来替代干燥轮1205，它们利用了诸如Li- Cl或Ca-Cl的液体干燥剂以 在空气流之间传递热和物质。
图2和图9-图12描绘了阵列110可能被用于服务的现实世界的载 荷(real world load )的各种不同的配置。这些配置应该理解为仅仅是 代表性实施方案的有限集合，用于描述结合载荷的阵列运行，而不是 对载荷类型或其配置的限制。
图13表示一种普通情况，其中多个载荷1308-1313和阵列110的 出口串联和并联放置。载荷1308-1313可以采用连接到诸如热水器217 或水池1005的远程载荷的热交换器的形式，这种形式改变了空气流的 温度，或者它们可以采用干燥轮1205的形式，这种形式对空气流的温 度和湿度均进行改变。替代地，这些栽荷可以包含内在的热物质，例 如处于填料床形式的中间热物质(ITM)1108,其能够从空气流中增加和 移除能量，并且将其传递到内部物质。同样，各种不同的载荷可以被 描述为能量消耗资源。
由于系统控制器601带来的益处，所有这些载荷均可与它们的物 理结构分离并且通常被定义为在目标位置152处的具有独特性质和属 性的能量消耗资源。在放置和安排载荷1308-1313以形成系统的过程 中，它们可被配置为串联或并联的组合。载荷1308-1310的配置代表 了串联配置，而载荷1311-1313的配置代表了并联配置。
在由例如载荷1308-1320表示的串联配置中，每个载荷经历由阵 列110提供的同样的流体122(例如空气流)的流动，但空气流在每个后 继载荷之后将具有不同的温度和/或湿度，如传感器1302-1304所测。 在载荷可被调节的情况下，例如采用在另一侧(图13中未示出)的流可 被泵或其他设备调节的热交换器，由任何特定载荷(1308、 1309、 1310) 吸取的能量的数额可变化，以允许更多或更少的能量通过而到达其余 下游栽荷。控制器601可以最佳地对这些载荷作为一个集合进行排序 或调节，以最大化从空气流进行的能量吸取。载荷的串联分级对于能 够利用来自空气流的温度和湿度的不同等级的载荷是有好处的。这些载荷通常被配置有对来自阵列的温度的逐渐减少的需求。图IO中水池 热交换器1001被串联放置在DHW热交换器203下游的配置，是一种 配置实施例，其中传统上在30°C工作的较低温度的水池能够利用离开 传统上在50°C工作的较高温度热水器的空气流中的剩余的热。
在诸如由载荷1311-1313表示的并联配置中，每个载荷经历相同 等级的温度和湿度，因为它们源自相同的空气流，但是该空气流随着 被每个并联分支中放置的风挡1315-1317调节，将会不同。载荷的并 联分级有利于，可能需要来自空气流的类似等级的温度和湿度以进行 运行的载荷、诸如空调空间221之内不同区域的栽荷、或不能被内部 调制的诸如中间热物质(ITM)的载荷。在每个并联支路上的风挡允许空 气流在载荷之间被调节，或者以关闭到其他支路的风挡的方式排序到 任意特定载荷。图ll绘出了载荷的并联配置，其中ITM1108代表其 中一条并联路径，而AHU1106代表另一并联路径。因为ITM1108不 能被调节，故期望创建通过AHU1106的并联支路，以在需要时更为迅 速地向空调空间221供给热能。
各种不同的以串联或并联配置的栽荷的实际配置可在对系统的构 造过程中设定，且可以用良好的设计实践和对栽荷的热特性和物理特 性的知识对之进行优化。 一旦已经设定载荷的物理配置，控制器即可 通过在载荷之间调制和排序，最优地将阵列IIO的热生产匹配于载荷 1308-1315。
将PVT阵列空气入口耦合到第二源的设定在先前的实施方案 中，阵列入口是通过将阵列110的前缘134保持打开而提供的，因此 阵列总是供以环境空气。在图13中，阵列110的入口设定已经被修改 为，将前缘以帽1222密封以及安装以一个或多个通风孔1221形式的 专用空气入口。在此配置中，可通过打开风挡1202并关闭风挡1203, 使环境空气准入阵列110。替代地，可通过关闭风挡1202并打开风挡 1204,从诸如顶层平台的替代空间213提供入口空气。
增加如上所述的机械复杂度的一个原因在于，当阵列入口被连通 到替代空间213时(形式例如为顶层平台或其他半调节位置)，获得了 对替代空间213有益的通风，作为对阵列IIO通风的副产品。
监控能量流日益普遍的是，对诸如阵列IIO的来自太阳能模块的阵列的能量生产作测量。对于信息的期望不仅来自希望了解系统状 态的消费者，也来自为进行故障排除的承办人，以及为了验证阵列正 在产生他们预测的能量产量的诸如公用事业和国家机构的动力提供者
(provider of incentives )。
基于空气的系统中的热能，可以通过获知和空气的能含量耦合的 空气的流速来计算，其中空气的能含量如作为空气的温度和湿度的函 数的焓所确定。空气流测量站1321可被置于空气流中，以使用多种方 法测量流速，多种方法包括静压力和动压力的微分以及热线风速仪。 可用传感器1301-1307测量在空气流中任意点处的能含量，以监控在 系统输送管中的温度和湿度，或者用传感器255-256分别测量环境空 气和空调空间的能量。 一旦提供了流速和来自一个或多个传感器的能 含量，即可计算各种不同的能量，其包括
(i) 阵列输出通过由阵列出口传感器251确定的能量减去环境传 感器255确定的能量来测量。这是阵列110的热生成。
(ii) 传递到串联层级载荷的能量去向任意串联层级载荷的能量可 被计算为在穿过载荷的空气流中的能含量的变化。作为实例，发送到 载荷1308的能量可通过从由传感器251确定的能量减去由传感器1302 确定的能量来确定。以类似的方式，传递到载荷1309的能量可通过由 传感器1302确定的能量减去由传感器1303确定的能量来确定。
(iii)传递到并联层级载荷的能量去向并联层级载荷的能量可 被计算为在穿过载荷的空气流中的能含量的变化。例如，传递到载荷 1313的能量可由从由传感器1304确定的能量减去由传感器1307确定 的能量来确定。这样的计算假设，通过载荷的流是已被空气流测量站 1321所知的。仅当并联载荷被排序以使得整个流在一个时刻仅仅提供 给单一载荷时，这种情况才成立。在空气流可在并联载荷之间调节或
分离的情况下，每个支路将需要监控空气流的装置，类似于空气流测 量站1321。
可以用类似方法为本文中其他处所讨论的其他流和运行模式计算 许多其他热能，但是易于发现，控制器601能够怎样以所描述的方式 精确测量并且记录系统内的各种不同的热能流。
此处描述的多种实施方案提供用于结合阵列对控制器的使用，以200780029461.X 及用于利用来自阵列的输出的系统的使用。图15是硬件示意图，其根 据此处提供的一个或多个实施方案，示出控制器1500。控制器1500 可被用于实现此处描述的功能，包括利用控制器601的实施方案描述 的功能。虽然下文针对控制器1500描述了多个构件和功能，应明了的 是，对于具体的实施方案或实施方式，并非所有构件和功能均为必需。
在一个实施方案中，控制器1501包括处理器1501，其能够执行 必要的计算和逻辑以执行别处概括的程序和优化。为了对这些任务和 其他任务有所帮助，控制器可以包括I/0模块1506和非易失型的存储 器1502,其用于存储操作系统1503、指令集1504、数据结构1505以 及I/0模块1506。存储器1502还可以包括易失性构件，用于由存储器 1501所需要的临时存储。控制器可以采取的形式有计算机系统、专用 微控制器或其他能够达到此功能或类似功能的设备等。
指令集1504可以包含用于执行控制器1500所要求的各种不同操 作所必需的代码，例如，对I/O模块1506的各种不同输入和输出的优 化例程以及管理。数据结构1505能够存储来自系统的运行数据，包括 传感器数据、计算的能量值、设定点参数以及其他由控制器1500所需 的数据。
1/0模块1506提供了在控制器之外的系统、构件和服务的通信。 1/0模块可以通过远程或本地数据总线1517、 1519和这些项交互。
通过远程总线1521的通信可以被一个或多个协议支持，包括但不 仅限于以太网1507、卫星1508、蜂窝网络1509或电话网络1510。实 现这些协议的硬件和软件可作为I/O模块1506的一部分嵌入到控制器 中，或者作为分离构件存在以通过I/O模块1506与控制器1500通信。 控制器1500可以在远程总线1521上同时4吏用多种协i义(1507-1510)通
本地数据总线1517主要作为和本地传感器、输入以及构件进行通 信的装置而存在。通过本地总线的通信可以通过一个或多个协议启动， 包括但不限于下列协i义。无线接口 1511,例如IEEE 802.11、 IEEE 810.15.4或其他。有线接口，例如以太网、串行通信、并行通信、诸 如X-10的功率线载波、或其他。模拟I/O 1513,例如电压输入和输出、 电流输入和输出、或其他。数字I/O 1514包括低层级二进制输入&输出、功率继电器、脉宽调制、或其他。实现这些协议的硬件和软件可
作为1/0模块1506的一部分嵌入到控制器中，或者作为分离构件而存 在，通过I/O模块1506与控制器1500通信。控制器1500可以在远程 总线1521上同时4吏用多种协i义(1507-1510)通信。
总结
虽然上述说明包括了许多具体细节，但这些细节不应被理解为限 制了本发明的范围，而应被理解为仅仅提供了某些实施方案的例证。
权利要求
1.一种在目标位置运行太阳能模块阵列的方法，所述方法包括针对给定时间段，通过在目标位置处的一个或更多能量消耗资源来编程确定所述太阳能模块阵列的输出的需求；至少部分地基于所确定的需求，影响所述太阳能模块阵列的效率。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中通过一个或更多能量消耗资源来编程确定所述需求包括，通过利用来自太阳能模块阵列的热输出或电输出的多个构件来确定所述需求。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中影响所述太阳能模块阵列的效率包括，控制影响太阳能模块阵列中一个或更多模块温度的一个或更多设备。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中控制影响一个或更多模块温度的一个或更多设备包括，控制影响太阳能模块阵列下方以体积为度量的空气流的设备。
5. 根据权利要求2所述的方法，其中影响所述太阳能模块阵列的效率包括，控制在所述太阳能模块阵列下方的流体流。
6. 根据权利要求3所述的方法，其中控制空气流速包括，控制将空气从环境通过太阳能模块阵列的前缘引入的设备。
7. 根据权利要求3所述的方法，还包括，至少部分地基于优化方案来改变所述太阳能模块阵列的效率，所述优化方案区分优先级对来自公用事业源的目标位置的一个或更多构件的能量引入量进行最小化。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中改变所述太阳能模块阵列的效率包括，基于下列任一或更多因素针对给定时间段确定期望的效率范围(i)所述给定时间段在一天内的时刻，(ii)外部环境条件，(iii)目标位置的占用情况。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中改变所述太阳能模块阵列的效率包括，基于在给定时间段内从公用事业源获得能量的成本，针对给定时间段确定期望的效率范围。
10. 根据权利要求7所述的方法，其中改变所述太阳能模块阵列的效率包括，基于对能量消耗资源进行区分优先级选择，针对给定时间段来确定期望的效率范围，所述能量消耗资源将在给定时间段内优先于在目标位置的其他能量消耗资源而服务。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，在给定时间段内对将要服务的能量消耗资源区分优先级选择包括确定下列一个或更多因素(i)每个能量消耗资源的种类，(ii)每个能量消耗资源的需求程度，或(iii)服务于每个能量消耗资源所需的能量数额。
12. 根据权利要求3所述的方法，还包括，至少部分地基于优化方案来改变所述太阳能模块阵列的效率，所述优化方案区分优先级最大化所述太阳能模块阵列的能量输出。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中编程确定所述需求包括，针对即将到来的时间段确定预期需求。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中编程确定所述需求包括，针对过去的时间段确定实际需求。
15. 根据权利要求3所述的方法，还包括从一个或更多系统传感器或远程源接收天气数据，并且至少部分地基于天气数据，改变所述太阳能模块阵列的效率。
16. —种运行太阳能模块阵列的系统，该阵列被安装以供目标位置使用，所述系统包括可操作以在所述太阳能模块阵列下方导引流体流的设备，所述流体流充分接近太阳能模块阵列以影响所述太阳能模块阵列至少 一 个区域的运4亍温度；耦合到所述设备的控制器，其中所述控制器控制设备的运行以影响在太阳能模块阵列下方的流体的流速；总线，将所述控制器与提供有关在目标位置的一个或更多构件的能量消耗信息的一个或更多资源互连；其中所述控制器被配置为，至少部分地基于所述能量消耗信息，控制所述设备以导引所述流体流，从而影响所述太阳能模块阵列的运行温度。
17. 根据权利要求16所述的系统，其中所述一个或更多资源包括，用于确定从所述阵列输出流体的温度的温度传感器，以及用于使用热能的载荷的温度传感器。
18. 根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器通过实施使用所述能量消耗信息的优化方案，控制所述设备的运行能力。
19. 根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器被配置为，通过归因于消耗来自公用事业的能量而不是从所述阵列接收热能或电能的一个或更多构件的成本，来实施所述优化方案。
20. 根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器被配置为，使用所述能量消耗信息以确定一个或更多构件在给定时间段内的预期能量消耗。
21. 根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器被配置为，实施一优化方案，其确定所述设备如何被控制来导引流体流，从而影响所述太阳能模块阵列的运行温度。
22. 根据权利要求21所述的系统，其中所述控制器还被配置为，确定并导致实施在对太阳能模块阵列的热输出或电输出的接收中对一个或更多构件的排序或选择。
23. 根据权利要求21所述的系统，其中所述控制器还被配置为，确定并导致实施太阳能模块阵列到一个或更多构件的热输出或电输出的分配。
24. 根据权利要求21所述的系统，其中所述控制器被配置为使用所述优化方案，将一个或更多构件从公用事业需要的服务能量的成本纳入考虑，从而对使用太阳能模块阵列的成本进行区分优先级。
25. 根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器还被配置为，传送对于将热输出或电输出分配给一个或更多构件的一个或更多设备的控制。
26. 根据权利要求16所述的系统，还包括热物质，其在给定持续时间内存储来自所述阵列的热能，且其中所述控制器还被配置为，对热能的使用进行预期，所述热能至少在给定持续时间之后的 一段时间中由所述热物质提供。
27. 根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器导致由所述太阳能模块阵列产生的能量被导引到干燥或热回收系统，从而减少所述一个或多个构件对能量的需求。
28. 根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器被配置为实施优化方案，在该优化方案中，天气数据被用于确定所述设备的一种或更多操作能力和/或用于在给定时刻接收能量的构件。
29. —种用于在目标位置安装以运行的太阳能模块阵列的控制器，包括控制模块，其被配置为控制一设备，该设备可操作以导引在所述太阳能模块阵列下方的流体流，其中流体流充分接近太阳能模块阵列以影响所述太阳能模块阵列至少 一个区域的运行温度，其中所述控制模块控制设备的运行以影响在太阳能模块阵列下方的流体的流速；接口模块，其耦合到数据总线，且被配置为处理接收自多个构件 中任一个的能量消耗信息，所述多个构件中每一个均被配置为，通过 一个或更多由太阳能模块阵列的输出来服务的构件来检测或确定能量 消耗；其中所述控制模块还被配置为，使用能量消耗信息控制所述设备 的运行。
30. 根据权利要求29所述的控制器，其中所述控制模块被配置为， 控制所述设备使流体流加速或减速。
31. 根据权利要求29所述的控制器，控制模块被配置为控制一设 备，所述设备可操作以通过控制送风机来增加或减少在太阳能模块阵 列下方的空气流，来导引在所述太阳能模块阵列下方的流体流。
32. 根据权利要求29所述的控制器，其中所述接口模块与所述总线 耦合，以接收来自一个或更多传感器的温度读数，且其中所述能量消 耗信息对应于下列一项或更多项的温度读数(i)在所述流体流离开太 阳能模块阵列之后紧接着的流体流，或(ii)在所述流体流离开太阳能模 块阵列并且被至少 一个构件使用之后的流体流。
33. 根据权利要求29所述的控制器，其中所述控制模块被配置为， 使用所述能量消耗信息以在给定时间段内确定一个或更多构件的预期 能量消耗。
34. 根据权利要求29所述的控制器，其中所述控制模块被配置为实 施优化方案，该优化方案确定如何控制所述设备以导引所述流体流， 从而影响所述太阳能模块阵列的运行温度。
35. 根据权利要求34所述的控制器，其中所述控制模块还被配置 为，确定并导致实施在接收太阳能模块阵列的热输出或电输出中对所述一个或更多构件的排序或选择。
36. 根据权利要求34所述的控制器，其中所述控制模块还被配置 为，确定并导致实施太阳能模块阵列到一个或更多构件的热输出或电 输出的分配。
37. 根据权利要求34所述的控制器，其中所述控制模块被配置为， 使用所述优化方案，以归因于所述一个或更多构件从公用事业能量源 需要的服务能量的成本，从而对使用太阳能模块阵列的成本进行区分 优先级。
38. 根据权利要求29所述的控制器，其中所述控制模块还被配置 为，传送对于将热输出或电输出分配给一个或更多构件的一个或更多 设备的控制。
39. 根据权利要求29所述的控制器，其中所述控制器被提供为在所 述目标位置处的专用设备。
40. 根据权利要求29所述的控制器，其中所述控制器的至少一部分 设置在个人计算机上。
41. 一种运行被安装以供目标位置使用的太阳能模块阵列的系统， 所述系统包括一设备，其可操作以导引在所述太阳能模块阵列下方的流体，所 述设备导致流体充分接近所述太阳能模块阵列而流动，以影响所述太 阳能模块阵列至少一个区域的运行温度，同时对所述流体加热；分配装置，其组合以将(i)经加热的流体，或(ii)产生自经加热流体 的能量，导引到所述目标位置的一个或更多能量消耗资源；一个或更多构件，其被配置为检测或确定通过使用太阳能模块阵 列而被服务的一个或更多固定设备的能量消耗；耦合到所述设备的控制器，其中所述控制器控制设备的运行以影 响在太阳能模块阵列下方的流体的流速；总线，将所述控制器与提供有关在目标位置的一个或更多构件的能量消耗信息的一个或更多资源互连；其中，所述控制器使用能量消耗信息来控制所述设备的运行能力。
全文摘要
一种太阳能模块阵列控制系统或控制器，可以以如下方式操作(i)针对给定时间段，通过在目标位置由一个或更多能量消耗资源编程确定所述太阳能模块阵列的输出的需求；以及(ii)至少部分地基于所确定的需求，影响所述太阳能模块阵列的效率。
文档编号H01L31/058GK101681951SQ200780029461
公开日2010年3月24日 申请日期2007年8月8日 优先权日2006年8月8日
发明者J·R·普莱斯特德 申请人:Pvt太阳能有限公司