一种分布式建筑立面光伏一体化发电储电集成系统的制作方法

本发明涉及将一种太阳能(光伏)发电装置集成到建筑物体上的技术，是新能源发电设备和建筑材料的结合物。

背景技术：

能源革命的本质是主体能源的更替和能源开发利用方式的根本变革，逐步建立可再生能源为主的能源体系这一根本方向是不可逆转的。实现可再生能源从补充能源向替代能源转变，已经成为我国能源规划发展的主基调。

随着我国经济发展进入新常态，能源电力需求特别是重化工业用电增速放缓，部分地区电力供应显现过剩格局，发电设备利用小时特别是煤电机组设备利用小时快速下降。同时，现有的可再生能源格局也面临新的问题，西南地区弃水、“三北”地区弃风弃光现象加剧。水电、风电、光伏发电等可再生能源就地消纳的市场空间不足，受跨地区送电、调峰能力不足的制约，在西部地区建设大型集中式太阳能地面电站正受到越来越多的质疑，发展分布式太阳能电站、让绿色能源走进千家万户既是当前政策的导向，也是市场发展的必然需求。

截至2015年底，我国分布式光伏电站装机容量占国内光伏累计装机的比重仅为16％，84％都是集中式大型光伏地面电站，2016年上半年这一比重降到仅14％。而在德国分布式光伏发电装机占比近80％，日本则近100％。2016年5月国家对分布式光伏电站将区别对待，政策上给予倾斜。由此可见，分布式太阳能可开发利用的市场极为广阔。

分布式太阳能发电要走进千家万户，让每一座建筑都变成一个太阳能发电站，让千家万户都能用上绿色环保能源，这就要求太阳能发电装置要像家用电器一样，既要品质好、效率高、安全可靠，还要美观大方。太阳能(光伏)建筑一体化是目前分布式太阳能发电的一个重要的技术方向。

太阳能(光伏)建筑一体化的英文是buildingintegratedpv，pv即photovoltaic，简称bipv，是一种将太阳能发电装置与建筑相结合、集成的技术方式。bipv适合于大多数的建筑，目前国内国际流行的bipv的主要安装形式有：平屋顶。从发电角度看，平屋顶的经济性比较好：可以按照最佳角度一次性安装，获得较大的发电量；可以采用传统光伏组件，不用改制现有的生产工艺、设备；除了屋顶需要一些防水处理外，施工后的发电装置与建筑物功能不发生冲突。斜屋顶。南向斜屋顶也可以按照最佳角度或接近最佳角度一次性安装，因此可以获得较大发电量；可以采用传统光伏组件，不用改制现有的生产工艺、设备；施工后的发电装置与建筑物功能不发生冲突。与平屋顶相比，其屋顶利用率较低，只能是朝南的方向。光伏幕墙。光伏幕墙的绿色概念效果和外观的科技感可以为建筑物提升社会价值，但其制约因素在于：要满足幕墙的功能要求，包括外部维护、透明度、力学、美学、安全等，在设计上就会有发电效率和幕墙功能的妥协；要与建筑物同时设计、同时施工和安装，光伏系统工程进度受建筑总体进度制约；光伏阵列通常是依据墙面垂直固定安装，偏离最佳日光照射角度，从而导致输出功率偏低，发电量较小，单位发电成本比较高。其他如遮阳蓬、车棚、农业蔬菜大棚等都是平顶屋、斜屋顶的安装形式在各类建筑载体上的实践。相对于这些建筑载体本身，往往发电系统的成本较高。

平屋顶、斜屋顶及各种类型的棚(蓬)属于建筑物体的水平空间，目前我国占14％-16％的分布式光伏电站装机容量大多数集中在这一领域，但是对于城市内的多(高)层建筑来讲，屋顶资源是有限的，并且不能使建筑内的每一个用户都能共享到绿色能源的机会。光伏幕墙属于建筑物体的垂直空间，其资源的可得性要比水平空间的面积大得多。目前的技术手段主要是采取不可调角的固定式安装方式，通过加大电池片之间的间隔来保持透光性，通风上更是受到限制，因此其功能性妥协设计使得应用上受到局限，不能满足全面推广的要求。综上所述，在垂直空间上发展一种能够得以广泛应用，又能满足维护、透明度、力学、美学、安全等要素的bipv系统，就是本项发明的宗旨。

本发明专注于分布式建筑立面光伏一体化发电储电的集成化设计，是因为在土地面积日趋集约化的今天，向建筑立面要空间，不仅有足够的面积可以提供给光伏系统，而且还能省去传统光伏系统的铝框、支架等辅助性系统材料的成本，无论是从市场的发展规模上看，还是从用户的使用成本上看，这项发明都具有广阔的潜力。

太阳能硅基电池是固态半导体器件，发电时无转动部件，无噪声，对环境不会制造二次污染，也不存在一般化石燃料发电所带来的空气污染，这对于环保要求越来越高的今天和未来都极为重要。分布式建筑立面光伏一体化的集成设计可以使用户自发自用，减少了电力输送过程的费用和能耗，降低了输电和分电的投资、维修成本。而且，装置系统除可以保证自身建筑内用电外，在需要的时候可以向电网供电，舒缓高峰电力需求，对电力布局、能源安全等方面都具有极大的社会效益。

太阳能电池的发电功能和家庭中各种电器的耗电功能形成一个闭环的微电网络。在家庭中引入可再生能源和对用电侧进行电力需求管理是节约能耗、减少对煤电天然气发电等化石能源依赖的两大有效措施。本集成系统的目标就是聚焦于这两项措施的实现。本发明的最终使命是让全社会每一个家庭、每一栋楼宇都能经济、安全地分享到绿色能源的红利。本发明的价值理念是倡导一种可持续的、健康的、自由的能源消费。

技术实现要素：

发明目的：在城市人口密集、高楼林立的地区，没有广大的水平空间可供大型太阳能发电装置成片安装，因此，充分利用建筑物体自身的垂直空间，就成了太阳能发电系统的必然之选，本发明提供一种分布式建筑立面光伏一体化发电储电集成系统，在垂直空间上发展一种能够得以广泛应用，又能满足维护、透明度、力学、美学、安全等要素的bipv系统。

技术方案：本发明提供一种分布式建筑立面光伏一体化发电储电集成系统，包括太阳能电池发电装置、智能化机械升降控制装置和发电储电电能管理系统。所述太阳能电池发电装置由单行横向长条形电池板通过外部连接线串联成百叶式结构；所述智能化机械升降控制装置包括固定太阳能电池发电装置的整体外围固定框架、控制太阳能电池板升降的升降组件、控制太阳能电池板随日光运动仰角微调的调角组件，所有升降组件和调角组件都内嵌在整体外围框架的结构内；所述发电储电电能管理系统对外通过wifi实现与手机和互联网电脑的信息交互，对内响应用户对系统的升降、调角操作，以及电能的计算调度。

所述电池板采用双玻璃光伏组件，由两片光面超白钢化玻璃中间用pvb胶片复合太阳能电池片复合而成，电池片之间在复合之前由导线焊接串联，汇集引线端形成整体构件。

所述电池片/板通过光伏专用双层交联聚乙烯浸锡铜线串联。

所述每条电池板两端设有t形夹具，所述t形夹具包括方管、圆管、转角齿轮，所述方管为卡槽结构，包括夹住电池板左右两端的两个夹片和连接夹片的挡片；所述圆管设置在挡片的中部，用于导出串联电池片的引线端，在圆管的外侧出口由专用连接线将电池板并联；所述转角齿轮套在圆管的外端，与调角组件吻合，带动电池板转角。

所述整体外围固定框架包括左、右两个中空立柱，以及两组连接中空立柱的顶横栏和底横栏，每个中空立柱的内部设置两个隔离舱，分别为位于内侧用于设置升降组件的电池板升降舱和位于外侧用于设置调角组件的电池板仰角微调舱，整体外围固定框架还内嵌用于防护太阳能电池板发电装置的玻璃窗框。

所述升降组件包括步进电机、软质升降带、硬质金属活动连杆和夹具套管，所述升降电机固定在电池板升降舱顶部；所述软质升降带一端连接电机转轴上，另一端连接最上面一条电池板的夹具套管；所述夹具套管套在t形夹具转角齿轮与挡片之间的圆管段，夹具套管的内直径与电池板t形夹具的圆管外径相吻合；所述硬质金属活动连杆两端固定在相邻夹具套管上并联电池板；升降电机的转轴通过软质升降带连接最上层的电池板，卷起或释放软质升降带将拉动硬质金属活动连杆上下，从而带动太阳能电池板的升降运动。

所述夹具套管的内径为环形波状，使得其与电池板t形夹具的圆管之间存有一定的咬合度。

所述连杆组为硬质金属活动连杆，包括两块金属薄片和三组铰链，所述两块金属薄片一端通过铰链相互连接，另一端通过铰链与夹具套管连接。

所述调角组件调角电机，控制电池板角度的主齿轮组、齿轮底座、齿轮组运动滑轨、副齿轮组，以及控制齿轮底座开合的底座开合齿轮组、底座开合双轴电机、底座开合滑轨；所述调角电机固定在电池板仰角微调舱的底部；所述齿轮底座是齿轮组运动滑轨和主齿轮组、副齿轮组的承载装置，在左右电池板仰角微调舱内各有一副，前高后低，被固定在一条底座开合滑轨上；所述副齿轮组是一组与电池板t形夹具的调角齿轮对应的短齿轮片，短齿轮片被固定在齿轮组运动滑轨内，齿轮组运动滑轨依托在齿轮底座表面；所述主齿轮组包括一个圆形齿轮和两个直列齿轮条，圆形齿轮固定套在调角电机的传动轴上，直列齿轮条分别于固定在前、后齿轮底座的齿轮组运动滑轨相连；调角电机传动轴带动主齿轮运动，主齿轮驱动齿轮组运动滑轨上下移动，从而带动滑轨上的副齿轮组运动，副齿轮组又驱动太阳能电池板两端的t形夹具做转角调动；所述底座开合双轴电机左右各有一副刚性联轴器；所述开合齿轮组包括一个圆形齿轮和上长、下短两个齿轮片，圆形齿轮被固定套在刚性联轴器的顶端，长齿轮片被固定在较高的前齿轮底座顶部，短齿轮片被固定在较低的后齿轮底座顶部，长短两个齿轮片始终咬合住中间的圆形齿轮；底座开合双轴电机带动圆形齿轮转动，圆形齿轮转动将带动上长、下短两个齿轮片做反向运动，从而带动前高后低的齿轮底座沿着开合底座滑轨进行开合运动。

所述发电电能管理系统由智慧发电物联网芯片组和锂电池组两个部分整合在一个硬体框架内组成，所述智慧发电物联网芯片组包括一个中心控制单元、一个感光传感器模块、三组直流电机驱动模块以及由稳压器、逆变器、若干个继电器组成的电源分配模块，所述中心控制单元由inteledison微处理器加arduino扩展板构成，用于对太阳能电池板的升降、调角等机械运动驱动做智能化控制，对电池板发电、家用电器耗电和锂电池储电构成的微电网实施电能计算调度；所述感光传感器模块用于测量阳光在不同时间段的移动射角信息；所述直流电机驱动模块用于接收中心控制单元的升降和调角指令，驱动对应电机运作；所述电源分配模块用于接收中心控制单元的电量分配指令，驱动对应电器运作和锂电池充放电。

有益效果：本发明有了升降和调角，太阳能发电装置可以在建筑立面上大做文章，由太阳能电池板电机驱动模块控制的机械装置不仅能使光伏发电效率最优化，而且使建筑的透光、通风、节能等问题得到解决。

此外，锂电池组的蓄电功能和微电网电能调度控制的电能匹配、分配功能使得光伏发电不再只有上网这一种选择，用电消费的灵活性大大提高。

附图说明

图1为本发明的系统总体结构图；

图2为本发明的太阳能电池发电装置的结构示意图；

图3为本发明的整体外围固定框架的结构示意图；

图4为本发明的太阳能电池发电装置与整体外围固定框架的组合效果图；

图5为本发明的升降组件的结构示意图；

图6为本发明的电池板降落时硬质金属活动连杆的状态图；

图7为本发明的电池板升降状态的主视图、左视图和立体图；

图8为本发明调角组件的结构示意图；

图9为本发明edison加载到arduino扩展板的示意图；

图10为本发明的微电网电能调度逻辑关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，分布式建筑立面光伏一体化发电储电集成系统由三个部分组成：(1)太阳能电池发电装置；(2)智能化机械升降控制装置；(3)发电储电电能管理系统，下文对本实施例的各组成部分进行详细的论述。

1、太阳能电池发电装置

如图2所示，本系统的太阳能电池发电装置由单行横向排列电池板，在纵向由外部连接线串联而成。单行横向排列电池板是双玻璃光伏组件，由两片光面超白钢化玻璃(22)，中间用pvb胶片复合太阳能电池片(21)复合而成，电池片(21)之间在复合之前由导线焊接串联，汇集引线端形成整体构件,在每条电池板两端设有t形夹具。具体的电池片(21)采用的是十六片125规格电池片，光面超白钢化玻璃(22)长2100mm*宽135mm*厚3mm；t形夹具(23)为方管、圆管、转角齿轮组成一体化的中空部件，方管为卡槽结构，包括夹住电池板左右两端的两个夹片和连接夹片的挡片；圆管设置在挡片的中部，用于导出串联电池片的引线端，在圆管的外侧出口由专用连接线将电池板并联，圆管的内直径为15mm；转角齿轮套在圆管的外端，被设计为60齿，与调角组件的副齿轮组(16)相吻合，转动一齿轮，可以带动电池板做6度调角。

采用本系统设计的太阳能电池发电装置的理由罗列如下：

(1)硅基太阳能电池片的光伏转换率目前普遍在20％左右。未来，随着钙钛矿太阳能电池技术的突破和其他薄膜太阳能电池转换效率的不断提高，本系统的太阳能电池也可以采用非硅基太阳能电池片。非硅基太阳能电池片将会使得本系统发电装置的外形更美、重量更轻、效率更高、成本更低，因此本系统采用的是目前市场主流的硅基太阳能电池片。

(2)传统的太阳能电池板制造流程是将电池片排列成6*10或6*12的矩形阵列，一块电池板由60或72块太阳能电池片串并联成。本系统采用的是百叶式结构太阳能电池板，先将16块电池片串联焊接、复合层压成单行横向长条形电池板，再将电池板并联安装在外围固定框架内的轨道后即呈百叶窗叶片状。由于硅基太阳能电池片一律采用单晶高效能电池片，其主要规格有两种：125mm*125mm和156mm*156mm。因此，有两种规格的电池板并组方案，两种方案发电的输出功率和板与板间隔距离略有不同。

方案一：采用125规格的电池片。每一条电池板单行横向串联16片，长度2000mm，宽度125mm，层压两片钢化玻璃后的长度是2100mm，宽度是135mm。一个发电系统单元组可以并联19条电池板，这样总计电池片数量是16*19＝304块。以单晶125电池片每片3瓦的功率计算，采用125规格单晶电池片的发电单元组可以输出912瓦的功率。水平状态下，19条电池板的间距是135mm。因此电池板组成的总高度会是2565mm。

方案二：采用156规格的电池片。每一条电池板单行横向串联13片，长度2028mm，宽度156mm。层压两片钢化玻璃后的长度是2128mm，宽度是166mm。一个发电系统单元组可以并联16条电池板，这样总计电池片数量是13*16＝208块。以单晶156电池片每片5瓦的功率计算，采用156规格单晶电池片的发电单元组可以输出1040瓦的功率。水平状态下，16条电池板的间距是166mm。因此电池板组成的总高度会是2656mm。

两个方案的比较可以发现：(1)采用156规格电池片的方案二，其总面积比采用125规格电池片的方案一略大，因此输出的功率也高一点。反过来讲，在总面积相同的情况下，两者的发电效率相差并不大。(2)125规格电池片板的宽度较窄，在和外围框架集成时会更为便捷、美观。因此，在本实施例采用125规格单晶高效能电池片为说明对象。

(3)用做幕墙面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。目前高层建筑的双层幕墙采用的传统光伏组件，一般需要两块至少6mm厚的钢化玻璃夹胶而成，成本较高。本系统创新性地采用双面玻璃窗户中间夹空的框架结构，不仅可以有效保护光伏组件免受自然环境、气候的破坏影响，延长使用寿命，而且能够节约传统光伏组件制造所需的辅助材料、安装的额外费用，并且在安全、美观、透光、通风上也大大超越了传统光伏组件的性能。(4)传统光伏组件结构是正面玻璃，反面背板，中间夹住电池片，并且组件的封装用胶一般为eva，由于eva的抗老化性能不强、使用寿命达不到50年，不能与建筑同寿命，而且eva发黄将会影响建筑的美观和系统的发电量。本系统设计使用的是双玻璃光伏组件，由两片光面超白钢化玻璃(22)，中间用pvb胶片复合太阳能电池片(21)复合而成，电池片(21)之间在复合之前由导线焊接串联，汇集引线端形成整体构件。pvb有良好的粘结性、韧性和弹性，具有吸收冲击的作用，可防止冲击物穿透，即使玻璃破损，碎片也会牢牢粘附在pvb胶片上，不会脱落四散伤人，从而使产生的伤害可能减少到最低程度，提高建筑物的安全性能。

此外，用在大型集中式地面光伏电站或者分布式屋顶电站的传统光伏组件，一般需要通过iec61215的检测，满足抗130km/h(400pa)风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击要求。因此，传统光伏组件除了采用钢化玻璃外，还要加铝合金边框和强壮的固定支架系统。本系统不需要加装铝合金边框，也不需要地面电站和屋顶电站必须的光伏支架系统。

2、智能化机械升降控制装置

智能化机械升降控制装置包括固定太阳能电池发电装置的整体外围固定框架、控制太阳能电池板升降的升降组件、控制太阳能电池板随日光运动仰角微调的调角组件，所有升降组件和调角组件都内嵌在整体外围框架的结构内。

2.1整体外围固定框架

如图3-4所示，整体外围固定框架包括左、右两个中空立柱(1)、(2)，以及两组连接中空立柱的顶横栏(3)和底横栏(4)，每个中空立柱的内部设置两个隔离舱，分别为位于内侧用于设置升降组件的电池板升降舱(5)和位于外侧用于设置调角组件的电池板仰角微调舱(6)，整体外围固定框架还内嵌玻璃窗框(7)，其里外两面各安装一副玻璃窗户，形成中间夹空的框架结构，在两副玻璃窗框(7)的夹空中，将安装可以升降、调角的单行横向长条形组成的太阳能电池板发电装置，玻璃窗框(7)的隔断结构可以根据建筑设计的要求进行布局，对于平时没有开窗要求的高层商业楼宇来讲，可以采用无隔断、整块玻璃的框架。具体的，立柱高2830mm，宽150mm，厚320mm；电池板升降舱(5)宽70mm，电池板仰角微调舱(6)宽80mm；顶横栏(3)长2100mm，宽120mm；底横栏(4)长2100mm，宽150mm.；玻璃窗框(7)的厚度为60mm，当两副窗框都安装时，中空的厚度是200mm，根据前文所述，125规格和156规格的电池片组成的电池板，其宽度分别是135mm和166mm，在200mm的中空框架内升降、转角应该不会有问题。

2.2升降组件

如图5所示，升降组件由位于电池板升降舱(5)顶部的升降电机及连接电池板的连杆组组成，其作用是将太阳能电池板水平地升起和降落。升降电机及连杆组由下列部件构成：升降电机(8)两台，软质升降带(9)两条，硬质金属活动连杆(10)三十八对，夹具套管(11)三十八个。具体的，升降电机(8)在整体外围固定框架顶部的左右两侧各安装一部；软质升降带(9)一端连接在电机转轴上，另一端连接在19条电池板中最上面的一条电池板的夹具套管(11)上；每一条单行横向长条形电池板两端都各有一副t形夹具，夹具套管(11)就套在t形夹具转角齿轮与挡片之间的圆管段，它的作用是不影响升起后的电池板随后的仰角微调运动，夹具套管(11)的内直径为27mm，与电池板t形夹具的圆管外径相吻合，为保持电池板上升过程的水平稳定，夹具套管(11)的内径被设计为环形波状，使得其与电池板t形夹具的圆管之间存有一定的咬合度，夹具套管(11)的宽度为55mm，可以在70mm宽的升降舱内上下自由移动；长条形太阳能电池板之间由固定在电池板两端的夹具套管(11)上的硬质金属活动连杆(10)相互连接，19条电池板共需38对，分别连接夹具套管(11)的两侧，带动电池板的升起和降落，硬质金属活动连杆(10)由两块金属薄片和三组铰链组成，两块金属薄片一端通过铰链相互连接，另一端通过铰链与夹具套管连接，金属薄片的宽度为50mm，长度66mm，厚1.5mm。图5中(10)是当电池板升起时硬质金属活动连杆完全张开的图样，当电池板降落时硬质金属活动连杆(10)将依次向两旁折叠，如图6所示。在左右升降舱(5)内对应的一组升降连杆组串联起水平状态的电池板，对应的升降电机的转轴通过卷起或释放软质升降带，拉动连杆组上下，从而带动太阳能电池板的升降运动，升降状态参如图7所示。

图7中，左侧自上而下的三幅图分别是电池板降落状态的主视图、左视图、立体图。这时，升降电机(8)未开始工作，太阳能电池板呈水平叠加静止状态，软质升降带(9)呈完全拉开状态，连接着升降电机转轴和最上面一条电池板的夹具套管(11)，硬质金属活动连杆(10)依次向两旁折叠，19条电池板水平叠加的总高度等于19个夹具套管(11)的外直径之和(19*35mm＝665mm)。右侧自上而下的三幅图分别是电池板升起状态的主视图、左视图、立体图。升降电机(8)开始工作，其转轴卷起软质升降带(9)，升降带大部分缠绕在电机转轴上，将电池板依次升起，硬质金属活动连杆(10)依次打开呈垂直状态，电池板仍然保持水平状态。所有电池板到达预定位置后，升降电机(8)停止工作。下面将由太阳能电池板的调角组件开始工作。

2.3调角组件

如图8所示，调角组件由位于电池板仰角微调舱(6)底部的调角电机及调角齿轮组组成，它的作用是将电池板的角度调校到与太阳的照射呈最佳射角状态，以使电池板的发电效率达到最优。调角组件由下列部件构成：调角电机(12)两个，主齿轮组(13)两对，齿轮底座(14)两对，齿轮组运动滑轨(15)两对，副齿轮组(16)三十八对，底座开合齿轮组(17)两对，底座开合电机刚性联轴器(18)两副，底座开合双轴电机(19)一个，底座开合滑轨(20)两条。

当单行横向长条形太阳能电池板在升降组件的作用下依次完全升起后，其相对于地面呈水平0度角，因此，需要将电池板的角度朝建筑墙体的外侧，即阳光照射进来的方向做0～90度之间的转动。这个功能将由安装在仰角微调舱(6)的调角组件齿轮组、整体框架底部的步进电机来驱动完成。但首先，需要将仰角微调舱(6)内的调角组件齿轮组咬合到电池板两端的t形夹具齿轮上，因为当电池板上下升降的时候，仰角微调舱的齿轮组与电池板t形夹具的齿轮是处于分离状态的。顶部两侧的升降电机(8)将电池板全部水平升起后，底部的调角电机(12)还没有开始工作。首先工作的是顶部中央的底座开合双轴电机(19)，驱动仰角微调舱(6)内的副齿轮组(16)与电池板t形夹具的齿轮做咬合运动。

副齿轮组(16)是一组自上而下排列的短齿轮片，被固定在齿轮组运动滑轨(15)上，齿轮组运动滑轨(15)依托在齿轮底座(14)表面做上下滑动。齿轮底座(14)是齿轮组运动滑轨(15)和主齿轮组(13)、副齿轮组(16)的承载装置，在左右仰角微调舱(6)内各有一副，前高后低，被固定在一条底座开合滑轨(20)上。两条底座开合滑轨(20)纵向固定在整体框架左右调角舱(6)的底部，齿轮底座(14)带着主齿轮组(13)、副齿轮组(16)沿着开合滑轨(20)对电池板t形夹具的齿轮做分离、咬合的运动。

齿轮底座(14)的开合由底座开合齿轮组(17)控制。开合齿轮组(17)由一个圆形齿轮和上长、下短两个齿轮片组成，长齿轮片被固定在较高的前齿轮底座(14)顶部，短齿轮片被固定在较低的后齿轮底座(14)顶部，长短两个齿轮片始终咬合住中间的圆形齿轮，当圆形齿轮转动时，就会带动上长、下短两个齿轮片做反向运动，从而会带动前高后低的齿轮底座(14)沿着开合滑轨(20)进行开合运动。开合齿轮组(17)的动力来自底座开合双轴电机(19)，该电机左右各有一副刚性联轴器(18)，开合齿轮组(17)的圆形齿轮被固定套在刚性联轴器(18)的顶端，当左右电机轴分别做顺时针和逆时针转动时，刚性联轴器(18)顶端的圆形齿轮驱动开合齿轮组(17)的上下两片长短齿轮做相对运动，由此带动齿轮底座(14)的开合。

主齿轮组(13)由一个圆形齿轮和两个直列齿轮条组成。圆形齿轮固定套在调角电机(12)的传动轴上，随电机轴的转动而输出转矩和转速。圆形齿轮被设计为30齿，每个齿的运动可以调动12度角。主齿轮组(13)与副齿轮组(16)被固定在同一副齿轮组运动滑轨(15)上，做同向同步运动。副齿轮组(16)的齿轮距离被设计为6度角一齿，由其传动电池板t形夹具(23)圆管末端的转角齿轮，转动一齿可调动电池板6度角移动。当齿轮底座(14)上的副齿轮组(16)咬合住电池板t形夹具齿轮时，副齿轮组(16)的上下运动就能够调动电池板做仰角微调运动，其动力来自调角电机(12)，两部调角电机(12)分别被安置在整体框架的底部，电机传动轴带动最下面的主齿轮组(13)，由主齿轮(13)驱动运动滑轨(15)上下移动，从而带动滑轨上的副齿轮组(16)的运动，副齿轮组(16)又驱动太阳能电池板两端的t形夹具做转角调动。

升降组件及调角组件的工作原理：当升降电机(8)工作带动19条电池板做上下运动时，主齿轮组(13)、齿轮底座(14)、齿轮组运动轨道(15)、副齿轮组(16)全部处于分离状态；当升降电机(8)停止工作，所有电池板都水平升起时，底座开合双轴电机(19)开始工作，主齿轮组(13)、副齿轮组(16)在齿轮底座(14)带动下沿开合滑轨(20)运动，咬合住电池板t形夹具(23)圆管末端的转角齿轮，然后，在整体框架底部的调角电机(12)的驱动下，对电池板做0～90度范围内的仰角调整。

此外，本系统中的升降电机(8)、调角电机(12)、底座开合电机(19)采用的是直流无刷混合式步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机件。电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本系统中无论是升降还是转角，对速度的要求并不高，但要求比较精确的角位移量，以使电池板能够升降到准确的位置或者有精确的面向阳光的仰角。混合式步进电机的定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。本系统采用的是两相混合式步进电机，其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，基本步距角为1.8°/步，配上半步驱动器后，步距角为0.9°/步，完全能够满足电池板转角精度的要求。本系统中的升降电机(8)、调角电机(12)、底座开合电机(19)在工作时对应的动态力矩各不相同，因此三种电机选型时可以根据各自电机的工作负载，确定电机的静力矩。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。升降电机(8)和底座开合电机(19)因为安装在框架顶部，其几何尺寸的高度不能超过100mm；调角电机(12)因为安装在框架底部，其几何尺寸的高度不能超过130mm。由于没有电刷，混合式步进电机的可靠性较高，电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命。电机的响应完全由数字输入脉冲确定，具有优秀的起停和反转响应。开环控制使得电机的结构比较简单而且成本较低。本系统中的升降、调角、底座开合都是将负载直接连接到电机的转轴上，因此可以以较低速同步旋转，振动、噪音都比较低。

采用本系统，白天当太阳升起时，升降电机会启动太阳能电池板升起，上升过程中电池板呈水平180度角，电池板之间相隔一条电池板宽度的距离(根据太阳能电池片的规格，这个间隔距离在135～166mm之间)。当所有电池板上升到预定位置并保持水平静止后，仰角微调电机工作，带动齿轮组和齿轮组轨道，驱动电池板在相对于水平地面夹角0～90度范围内微调。根据不同的地理纬度和每日的日照时间，仰角在45～87度之间的动态微调，可以获得比固定仰角更佳的发电效率。夜晚当太阳落下时，仰角微调电机驱动电池板回复水平位置，升降电机驱动水平的电池板降落到阳台或窗台下方的隐蔽位置。本装置设计的核心一是可升降，二是可调整面向阳光照射的仰角角度。升降和调角功能的实现一方面使单位面积的太阳能电池板的发电功率最大化，另一方面也使得发电装置与建筑物体的通风、照明需求不发生冲突。即便白天室内有人，升起的电池板因为仰角而存在的间隙仍然可以提供充足的通风和日照。

采用本系统设计的智能化机械升降控制装置的理由罗列如下：

(1)对建筑物来说光线就是灵魂，设计中对光影的要求甚高。光伏发电之所以迟迟不能进入寻常百姓家，其中一个重要的制约因素是：安装在建筑立面的光伏固定幕墙不能满足透光、通风的要求。传统的bipv建筑用光伏组件是通过调整电池片的排布或采用穿孔硅基电池片的方法来达到特定的透光率，因此，光伏组件透光率越大，电池片的排布就越稀，其发电功率也会越小。本系统的升降和仰角微调设计，从根本上解决了百分百透光率和全面积发电之间的矛盾问题，不仅满足建筑物对光影的要求，同时保持了电池片排布最大化，发电功率最优化的效果。

(2)传统光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易造成视觉污染，破坏整体装置的协调感。本系统的百叶式结构太阳能电池板将接线盒省去，没有了接线盒保护的旁路二极管和电池板之间的连接线全部被隐藏在外围整体框架的立柱(1)、(2)外侧的仰角微调舱(6)内，这不仅能避免旁路二极管受阳光直射和雨水侵蚀，也使得装置的外观看上去更加协调美观。此外，单行横向排列电池板不需要传统光伏组件的铝质边框材料，以及传统的支架系统，这无疑会大大减少光伏发电的整体系统成本。

3、发电储电电能管理系统

发电储电电能管理系统是一个集成化的软硬件结合装置，该装置将物联网技术(internetofthings,iot)、电能管理技术(energymanagementsystem,ems)与功能强大的intel开源硬件微处理器edison融合起来。一方面，利用感光传感器、直流电机驱动器的加载模块实现对太阳能电池板机械升降、调角运动的智能化控制；另一方面，利用后台算法，通过建立发电量模型、家用电器用电量模型、蓄电池充放电模型，对微电网中的电能调度实施优化控制，以最小化用户额外购电费用和蓄电池组切换次数少为调度目标。在edison的i/o传感器扩展板上，还留有丰富的模块接口，用于为用户添加个性化的服务，比如加装温度、湿度传感器，可以实时显示室内室外的温度和湿度；加装监控摄像头模块，可以对室内外实施24小时监控；加装无线模块和继电器，可以对特定的电器如鱼缸电机、空调、热水器、电饭煲、电子门锁等实施远程开关控制调解；加装甲烷浓度传感器，可以灵敏地检测到空气中的甲烷、天然气等气体。总之，发电储电电能管理系统是一个基于物联网技术环境下的开放式系统，是从能源管理端为家庭、企业提供服务的门户式增值系统。

发电储电电能管理系统由智慧发电物联网芯片组和锂电池组两个部分整合在一个硬体框架内组成。智慧发电物联网芯片组包括一个中心控制单元、一个lcd显示屏模块、一个感光传感器模块、三组直流电机驱动模块以及由稳压器、逆变器、若干个继电器组成的电源分配模块。锂电池组选用安全可靠的聚合物锂电池。目前市场流行的钴酸锂电池在能量密度、经济成本方面具有一定的优势，钛酸锂电池在充电速度、安全稳定、循环寿命及低温性能上具有一定的优势。前者更适用于对充电速度要求不高的家庭蓄能储能上，而后者更适用于公交车、客车等新能源电动汽车上。因此，本系统将采用技术比较成熟的钴酸锂电池组。下面就智慧发电物联网芯片组的构成作详细说明。

本系统的智慧发电物联网芯片组的中心控制单元由inteledison微处理器加arduino扩展板构成，对太阳能电池板的升降、调角等机械运动驱动做智能化控制；对电池板发电、家用电器耗电和锂电池储电构成的微电网实施电能计算调度。

inteledison的硬件配置如下：edison采用双核500mhz的atom处理器，搭载wi-fi功能，在目前各种开源硬件和传统单片机开发板中是属于比较先进的、运算能力强大的中心控制芯片设备。在35.5mm*25.0mm大小的模块中集成了1gb的ddr内存、4gb的emmc存储器、wi-fi、蓝牙等设备，另外还有嵌入式开发中的i²c、spi、uart接口。atom的cpu内核允许很多传统为pc开发的程序不用修改就可以在edison中运行。此外对于本系统来讲重要的是，edison设置4组原生的pwn输出支持，相比大多数单片机需要采用外部pwn芯片模拟的手段，直接使用atomsoc芯片的pwn信号在性能上对于步进电机的驱动会更好。

arduino扩展板。各类基于arduino接口的外围模块及传感器可以通过扩展板直接应用在edison上面。edison模块安置在扩展板左下角，具体如图9所示。

由于edison中的gpio采用的是1.8v电平规范，无法直接与arduino兼容系统的5v直接相连，因此arduino扩展板使用了大量的电平转换芯片用以实现i/o信号的隔离，保护edison核心不被破坏。edison中的调试串口通过一块ft232usb转串口芯片引出了标准的usb接口，这样用一条usb连线接至pc，就可以通过串口登录到edisonlinux终端中进行操作。arduino扩展板带有单节锂电池充放电控制芯片，可以直接将一块锂电池连接在arduino扩展板的batt接口上实现通过电池给edison供电，并且不用担心锂电池会过度放电而报废，也不用考虑电池的充电问题。

配置wi-fi连接。在edison的linux终端内，使用“configure_edison_wifi”命令，可以进入交互式的wi-fi配置模式，在输入命令后，edison会扫描附近的wi-fi信号，10秒钟后会列出一个清单以供连接选择；使用“systemctlstarthostapd”命令，可将edison的wi-fi设备切换到ap模式，这时，edison将表现得像一个路由器，可以用手机等设备连接。

中心控制单元对外通过wi-fi实现与手机和电脑的信息交互；对内通过i/o扩展板连接的模块实现对各个节点的信息统一处理，响应用户对系统的操作。这些节点包括：太阳能板升降和仰角电机及其驱动器、感光传感器、冰箱空调电灯等电器、锂电池充电放电切换、稳压器、逆变器、继电器等等。在中心控制单元的arduino扩展板上添加一个lcd12864显示屏模块、一个感光传感器模块、三组直流电机驱动模块以及一组电源分配模块，就构成智慧发电物联网芯片组的硬件。

首先，要搭建一个网页服务器，实现网页对硬件端口的控制。这一步可以在arduinoide下完成。通过usbslave端口连接线，打开arduinoide，在控制板的选项中选择inteledison，tools菜单下的串口(serialport)也要做出相应调整。在针对edison的arduinoide中，能够直接通过调用wi-fi的库文件实现搭建网页服务器的功能。用html输入代码并嵌入到ide中编译，下载到edison当中，打开浏览器，输入ip地址，打开8001端口，就可以看到html编写的网页。其次，要在edison的arduino扩展板上添加一个i/o扩展板，将dfrobotshieldv7.1扩展板接插到“arduinoi/o接口”上，dfrobotshieldv7.1i/o扩展板具有丰富的通信模块接口，可以添加多种模块。i/o扩展板的功能是将arduino的端口扩展为3芯接口，方便各种传感器及其他驱动模块的连接，接口用颜色表示信号线，防止插错。接下来，在i/o扩展板的三色芯接口上插接显示屏模块、感光传感器模块、电机驱动模块、电源分配模块。

智慧发电物联网芯片组的工作流程：(1)计算阳光在不同时间段的移动射角信息(感光传感器模块→edison中心控制单元)；(2)太阳能电池板驱动控制(edison中心控制单元对阳光射角和最优发电姿态进行比较计算或者接受外部升降、调角命令→指令电机驱动模块→步进电机→太阳能电池板)；(3)微电网电能调度控制(edison中心控制单元计算太阳能电池板发电量、电器用电量、锂电池组蓄电量→edison中心控制单元根据以上计算指令电源分配模块分配电器用电，或者分配锂电池组蓄电，或者指令锂电池组放电)。电源分配模块是微电网电能调度控制的子系统。太阳能发电受气候影响大，电压、电流、电量都可能出现波动，并且太阳能电池设备输出的是直流电，需要直流变交流后才能供给家庭中的大多数电器使用。电源分配模块有稳压和逆变两个子模块，它们的功能是升压、降压、逆变、分配。

智慧发电物联网芯片组的功能还包括：(1)手机电脑实时监测。随时随地可以用手机或电脑查看发电量、用电量、储电量、电池板仰角、阳光辐射强度、电机工作状态等，不受距离的限制。(2)手机电脑远程控制。当遇到天气变化用户需要关闭发电系统，或者阳光强烈用户需要用百叶电池板遮阳，或者用户临时需要向室内输送微风通风换气时，通过手机上的应用软件app对系统的中心控制单元发去指令，远程遥控系统电机做出相应的降落、90度直立、45度翻转等动作。(3)设备自行运转模式。用户可以在手机电脑应用软件上设定系统的升降时间，跟踪日光的转角频次，然后让系统自行运转，到点收放。也可以采取系统自带的快捷模式，系统设备自行按照模式设定的参数运行。(4)数据分析，异常报警。当发电设备的电机、齿轮组、传动带等硬件发生异常或者家用电器等用电装置发生异常，会及时将报警信息发送到手机或电脑上提示。

edison是基于yocto编译环境的linux系统，对于本系统的软件来说，既可以将在linux中开发的现成软件直接移植到edison中运行，也可以直接操作edison中的linux系统，将各类软件文档在linux系统下完成。在edison的linux内核中有3条通过usb实现的虚拟通道：usb虚拟网卡、usb虚拟串口、usb虚拟磁盘设备。方法一：通过ft232usb串口连接。用户将usb连接线对应至ft232转串口芯片控制的usb串口上，就可以连上外部pc。在pc中识别出一个usb串口设备，记下串口号，比如com3，随后可以使用串口终端的软件，比如putty，使用115200bit/s速率，即可登录到edison上的linux终端。方法二：通过usb虚拟网卡连接。使用ssh通过edison虚拟的usb网卡设备建立连接。在默认配置下，edison自己使用192.168.2.15作为虚拟网卡另一头的地址，由于usb虚拟连接不具备自动分配ip地址的能力，因此需要手工为其分配一个pc的ip地址，比如192.168.2.10。同样可以使用scp命令、windows上的winscp等软件，通过ssh向edison系统传送文件，或者将edison中的文件传送至pc端。当然，edison同样支持使用arduinoide、intelxdkiot、wyliodrin、eclipse等工具进行软件开发。

本发明涉及的软件开发包括：

1)太阳能电池板升降驱动控制软件：

edison的cpu接收定时升降命令或来自手机或网络pc端的临时升降命令，然后计算太阳能电池板当前状态，确认主、副齿轮组(13)(16)全部分离，计算升降命令的行程，再将升降命令行程发给pwn端口的直流步进电机驱动模块，接着驱动模块向升降电机(8)发出脉冲信号，电机(8)根据脉冲频率和脉冲数做出相应的角位移，最后太阳能电池板在升降带和连杆的带动下，做出升降运动。

2)太阳能电池板调角驱动控制软件：

感光传感器接收阳光射角信息，然后edison的cpu计算射角信息与太阳能电池板最优发电仰角的差异，形成调整仰角度数的命令，再将仰角度数调整命令发给pwn端口的直流步进电机驱动模块，接着驱动模块向调角电机(12)发出脉冲信号，调角电机(12)根据脉冲频率和脉冲数做出相应的角位移，最后太阳能电池板在齿轮组的带动下，做出仰角调整，感光传感器确认仰角最优。

3)微电网电能调度控制软件

微电网电能调度控制软件是一个嵌入式能源匹配、电能输入输出的控制系统，软件本质上是一种电能管理系统技术(ems)在微电网环境中的应用，它嵌入在智慧发电物联网芯片组的edison中心控制单元中，同时管理着太阳能电池板、电源分配器、锂电池组和室内所有电器的工作用电状态，匹配太阳能电池的发电量、锂电池组的储电量与室内各个电器的用电需求之间的差异，通过制定相关策略优化家用电器的电能消耗结构，在实时电价的背景下对家庭的能耗、锂电池的切换及并网输电做出管理，从而达到能耗节约的目的。软件的架构包括：

3.1)微电网电能调度逻辑关系如图10所示。

3.2)微电网能耗条件分析如下：

安装了光伏发电系统和蓄电池且具有各种家用电器的家庭微电网；

太阳能电池板和蓄电池分别通过并网逆变器并入电网运行；

市电采用实时电价进行计费并且用户可以向电网有偿馈电；

电网公司的电价信息是公开的；

光伏发电系统在各个时段的发电量是能够被预测的；

系统以每天零点至24点为一个家庭微电网能调度周期，以0.5小时为一个时段，时段总数l＝48。

3.3)用电侧能耗建模：

模型1：蓄电池模型-蓄电池充电动态与约束-蓄电池放电动态与约束-蓄电池自放电动态与约束；

模型2：家用电器模型-运行时段可调度的电器模型-运行功率可调度的电器模型-不可调度的电器模型；

以上两组模型的数学表达式可以参考《接入可再生能源家庭能耗优化策略研究》一文，作者是同济大学电子与信息工程学院的林峰、宋楠、舒少龙，文章发表在《系统仿真技术》feb.2016,vol.12,no.1,page1-3。该文将家庭内所有家用电器分为三类：①运行时段可调度的电器，如洗衣机、电饭煲、洗碗机、烘干机、电动汽车等，这类电器可在设定的调度时段区间内选择用电时间；②运行功率可调度的电器，如空调、热水器，这类电器运行时段比较固定，如若发生改变，会对用户的舒适度或生活习惯产生较大影响，但可以调节这类电器的运行功率；③不可调度的电器包括电冰箱，需24小时运行，节能灯、电视机、电脑的使用具有较大的随机性。

在以上两组模型的基础上，以用电费用少和蓄电池切换次数少为调度目标可以得到优化控制模型。其中，因为蓄电池的切换次数对寿命影响较大，考虑到成本问题，希望寻求的最优解能够保证蓄电池切换次数在4次以内。关于用电费用少，是指家庭在太阳能发电不足情况下的并网购电费用。实际上，本系统设计的建筑立面光伏一体化发电系统基本可以满足普通家庭的用电需求，而且，对于低耗电用户来讲，还能够将多余的电能向网上输送，从而获得太阳能发电的额外收益。