一种光伏遮阳装置及其控制方法与流程
本发明涉及建筑领域，特别涉及一种光伏遮阳装置及其控制方法。
背景技术：
建筑采光天窗普遍应用于商业建筑、展览建筑、交通建筑以及多层办公建筑等多种类型公共建筑的展厅及屋面层，其具有改善建筑内区自然采光、节约照明能耗、增加建筑热压通风潜力等优势。但天窗的设置，在夏季会增加进入室内的太阳辐射得热，造成空调能耗增加；在冬季则会由于冷风入侵和室内散热的增加，造成采暖能耗的增加；此外，在室外直射光较强时，也易引起眩光，影响室内舒适性。
现有的关于应用于建筑天窗的光伏遮阳装置的专利基本上均采用固定式结构，其无法实现光伏遮阳装置依据太阳辐射参数变化进行优化调节。例如，申请公布号为cn103669740a、名称为“采用太阳能光伏玻璃的天窗遮阳装置”的专利申请，通过直接在天窗框架内安置光伏玻璃的做法实现遮阳和光伏发电功能的兼顾，但其不具备依据室外辐射参数变化而进行自动调节的功能。
技术实现要素：
本发明提供了一种光伏遮阳装置及其控制方法，以解决现有的光伏遮阳装置不具备依据室外辐射参数变化而进行自动调节的功能的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种光伏遮阳装置，所述装置包括设备框架、光伏遮阳一体化面板、驱动电机、蜗杆传动机构和控制器；
所述设备框架由型材围合而成，所述设备框架的中间为中空结构；；
所述光伏遮阳一体化面板安装在所述中空结构中；
所述驱动电机安装在所述设备框架上；
所述蜗杆传动机构安装在所述中空结构中，并与所述光伏遮阳一体化面板和所述驱动电机连接；
所述控制器与所述驱动电机连接。
可选的，所述光伏遮阳一体化面板包括太阳能电池面板和固定在所述太阳能电池面板两端的旋转轴；所述蜗杆传动机构包括蜗杆、蜗轮和联轴器；所述设备框架的内侧安装有轴承；
所述驱动电机与所述联轴器连接；所述联轴器与所述蜗杆连接；所述蜗杆与所述涡轮啮合连接；所述旋转轴穿过所述轴承并与所述涡轮连接。
可选的，所述设备框架的形状为中空的方体结构。
可选的，所述中空的方体结构包括第一边框、第二边框、第三边框和第四边框，所述第一边框与所述第二边框平行，所述第三边框与所述第四边框平行；；所述第一边框、所述第二边框、所述第三边框和所述第四边框均为中空的型材；所述蜗杆传动结构安装在中空的所述第一边框的内部；所述第一边框、所述第三边框、所述第二边框和所述第四边框顺次连接，围合形成所述中空结构；
所述蜗杆、所述蜗轮和所述联轴器均安装在所述第一边框的内侧；所述轴承对称安装在所述第一边框的内侧和所述第二边框的内侧；所述控制器安装在所述第四边框的内侧；所述驱动电机安装在所述第一边框与所述第四边框相交的位置。
可选的，所述光伏遮阳一体化面板的个数为多个，多个所述光伏遮阳一体化面板均匀分布在所述中空结构中。
可选的，所述驱动电机为步进电机。
本发明还提供了一种控制光伏遮阳装置的方法，所述方法包括以下步骤：
s1：初始化上述任一项所述的光伏遮阳装置的初始化参数；
s2：获取本地时间信息，根据预设的第一计算公式、所述初始化参数和所述本地时间信息，判断当前是昼间模式还是夜间模式，如果是昼间模式则执行s3；
s3：按照预设的时间间隔，根据预设的第二计算公式、所述初始化参数和所述本地时间信息，计算实时的最佳倾角数值，并将所述光伏遮阳一体化面板调整到所述最佳倾角数值，其中，所述最佳倾角是指所述光伏遮阳一体化面板采光效率最高时对应的倾斜角度。
可选的，所述步骤s2还包括：获取空调系统所处的运行模式以及空调系统的开启与关闭信息，如果所述空调系统处于采暖模式且为夜间模式，则将所述光伏遮阳一体化面板调整到与所述设备框架所在的平面相平行的面；如果所述空调系统处于非采暖模式且空调系统为开启状态且为夜间模式，则将所述光伏遮阳一体化面板调整到与所述设备框架所在的平面相平行的面；如果所述空调系统处于非采暖模式且空调系统为关闭状态且为夜间模式，则将所述光伏遮阳一体化面板调整到与所述设备框架所在的平面相垂直的面。
可选的，所述s1与s2之间还包括：获取所述光伏遮阳装置所在建筑的火灾报警信息，并判断是否存在火灾风险，如果不存在，则执行所述s2；如果存在，则将所述光伏遮阳一体化面板调整到与所述设备框架所在的平面相垂直的面，并且切断所述光伏遮阳一体化面板对应的光伏电路。
可选的，所述初始化参数包括当地经度λ和纬度
本发明提供的一种光伏遮阳装置及其控制方法，控制器可以根据遮阳、采光、通风、保温、火灾报警等实时情况以及光伏组件发电效率的最大化进行实时的自动优化调节，从而提高产品的性能和用户的舒适度；本产品中不需要使用光敏传感器或温度传感器，这样可以使产品的性能更稳定，也相应地降低了设备初投资成本及后续的运营维护成本；并且蜗杆传动机构安装在设备框架的内侧，这样设备框架可以保护蜗杆传动机构，从而提高产品的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种光伏遮阳装置的俯视结构示意图；
图2是图1中a部位的设备框架内侧的结构示意图；
图3是图1中b部位的设备框架内侧的结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种控制光伏遮阳装置的方法的流程图；
图5是本发明另一实施例提供的一种控制光伏遮阳装置的方法的流程图。
[附图标记说明如下]：
1-设备框架；2-光伏遮阳一体化面板；3-驱动电机；4-旋转轴；5、6-轴承；7-蜗杆；8-蜗轮；9-控制器；10-联轴器。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明提出的一种光伏遮阳装置及其控制方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1-图3所示，本发明提供的一种光伏遮阳装置，所述装置包括设备框架1、光伏遮阳一体化面板2、驱动电机3、蜗杆传动机构、以及控制器9；所述设备框架1由型材围合而成，所述设备框架1的中间为中空结构；所述光伏遮阳一体化面板2安装在所述中空结构中；所述驱动电机3安装在所述设备框架1上；所述蜗杆传动机构安装在所述中空结构中，并与所述光伏遮阳一体化面板2和所述驱动电机3连接；所述控制器9与所述驱动电机3连接。
本发明提供的一种光伏遮阳装置，控制器9可以根据遮阳、采光、通风、保温、火灾报警等实时情况以及光伏组件发电效率的最大化进行实时的自动优化调节，从而提高产品的性能和用户的舒适度；本产品中不需要使用光敏传感器或温度传感器，这样可以使产品的性能更稳定，也相应地降低了设备初投资成本及后续的运营维护成本；并且蜗杆传动机构安装在设备框架1的内侧，这样设备框架1可以保护蜗杆传动机构，从而提高产品的使用寿命。可选的，如图1所示，所述设备框架1的形状为中空的方体结构。具体的，所述设备框架1可以为中空的长方体，这样便于加工。
可选的，如图1-图3所示，所述中空的方体结构包括第一边框、第二边框、第三边框和第四边框，所述第一边框与所述第二边框平行，所述第三边框与所述第四边框平行；所述第一边框、所述第二边框、所述第三边框和所述第四边框均为中空的型材；所述蜗杆传动结构安装在中空的所述第一边框的内部；所述第一边框、所述第三边框、所述第二边框和所述第四边框顺次连接，围合形成所述中空结构；所述蜗杆7、所述蜗轮8和所述联轴器10均安装在所述第一边框的内侧；所述轴承对称安装在所述第一边框的内侧和所述第二边框的内侧；所述控制器9安装在所述第四边框的内侧；所述驱动电机3安装在所述第一边框与所述第四边框相交的位置。图1中上下边分别为第二边框和第一边框，左右边框分别为第三边框和第四边框。所述内侧是指所述中空结构的一侧。
可选的，如图1-图3所示，所述光伏遮阳一体化面板2包括太阳能电池面板和固定在所述太阳能电池面板两端的旋转轴4；所述蜗杆传动机构包括蜗杆7、蜗轮8和联轴器10；所述设备框架的内侧安装有轴承5和6；所述驱动电机3与所述联轴器10连接；所述联轴器10与所述蜗杆7连接；所述蜗杆7与所述涡轮啮合连接；所述旋转轴4穿过所述轴承并与所述涡轮连接。
本发明实施例中的蜗杆7、蜗轮8、联轴器10、轴承和控制器9均安装在设备框架1的内侧，这样可以保护这些器件，提高产品的使用寿命。
本发明的传动机构采用蜗杆传动方式，由于蜗杆传动具有结构紧凑、冲击荷载小、传动平稳、噪声低且具有自锁性的特点，故而可有效减少间歇性运转引起的冲击荷载、降低运行噪声并大幅提高光伏遮阳一体化面板2在静止状态下的稳定性。此外，结构紧凑的特点使整个传动机构可隐藏于设备框架1的内侧，从而提高美观性。
可选的，所述轴承为滚动轴承。使用滚动轴承可以减小摩擦。
可选的，如图1-图3所示，所述光伏遮阳一体化面板2的个数为多个，多个所述光伏遮阳一体化面板2均匀分布在所述中空结构中。在一个设备框架1中按照阵列式分布的方式安装多个光伏遮阳一体化面板2，可以提高采光效率，并提高各光伏遮阳一体化面板2调节的灵活性。
可选的，所述驱动电机3为步进电机。采用步进电机与蜗杆传动相结合的方式，基于动力传动中蜗杆传动比可达5～80，且步进电机可按固定步距角旋转的特点，可大幅降低光伏遮阳一体化面板2的倾角调节误差，相比于齿轮传动方式等可降低80％以上的调节偏差。
基于与上述一种光伏遮阳装置相同的技术构思，本发明还提供了一种控制光伏遮阳装置的方法，所述方法包括以下步骤：
s1：初始化所述的光伏遮阳装置的初始化参数；
s2：获取本地时间信息，根据预设的第一计算公式、所述初始化参数和所述本地时间信息，判断当前是昼间模式还是夜间模式，如果是昼间模式则执行s3；其中，第一计算公式可以为下文中的式1-式4，在具体实施时，可以根据实际值与理论值之间的偏差对各公式中的参数进行适当调整；
s3：按照预设的时间间隔，根据预设的第二计算公式、所述初始化参数和所述本地时间信息，计算实时的最佳倾角数值，并将所述光伏遮阳一体化面板调整到所述最佳倾角数值，其中，所述最佳倾角是指所述光伏遮阳一体化面板采光效率最高时对应的倾斜角度；第二计算公式可以为下文中的式5。
在白天时，根据太阳的位置实时变化光伏遮阳一体化面板的角度，可以提高发电效率，并且遮挡室内的直射光线。
可选的，所述步骤s2还包括：获取空调系统所处的运行模式以及空调系统的开启与关闭信息，如果所述空调系统处于采暖模式且为夜间模式，则将所述光伏遮阳一体化面板调整到与所述设备框架所在的平面相平行的面；如果所述空调系统处于非采暖模式且空调系统为开启状态且为夜间模式，则将所述光伏遮阳一体化面板调整到与所述设备框架所在的平面相平行的面；如果所述空调系统处于非采暖模式且空调系统为关闭状态且为夜间模式，则将所述光伏遮阳一体化面板调整到与所述设备框架所在的平面相垂直的面。
本发明提供的光伏遮阳装置可以应用于天窗外侧，光伏遮阳一体化面板与天窗玻璃之间存在一定通风间隙，故而光伏组件的通风散热效果较好；相比较于直接将光伏透光组件作为天窗玻璃使用的技术方案，可将光伏组件的发电效率提升20％以上并有效避免光伏组件散热对室内空调负荷的影响。在冬季的夜晚，空调系统处于采暖模式，但由于室内可能没人，所以空调设备可能不运行，但这个时候光伏遮阳面板需要保持0度倾角，以达到加强室内保温的目的，从而减少第二天空调设备在运行时的初始采暖能耗。如果空调系统处于非采暖模式且空调系统设备为开启状态且为夜间模式，则将光伏遮阳一体化面板调整到与设备框架所在的平面相平行的面，以达到增加天窗辐射热阻进而减少空调冷量损失的目的；如果所述空调系统处于非采暖模式且空调系统设备为关闭状态且为夜间模式，则将所述光伏遮阳一体化面板调整到与所述设备框架所在的平面相垂直的面，以达到加强室内的辐射散热与自然通风效果。可选的，所述s1与s2之间还包括：获取所述光伏遮阳装置所在建筑的火灾报警信息，并判断是否存在火灾风险，如果不存在，则执行所述s2；如果存在，则将所述光伏遮阳一体化面板2调整到与所述设备框架1所在的平面相垂直的面，并且切断所述光伏遮阳一体化面板2对应的光伏电路。
所述光伏遮阳装置可以通过有线或无线的方式与建筑设备管理系统建立数据连接，建筑设备管理系统可以将本建筑的火灾报警新型发送给光伏遮阳装置，如果发生火灾情况，光伏遮阳装置可以将光伏遮阳一体化面板2调整到完全敞开的状态，并切断光伏电路，这样加快室内的烟气流通，防止光伏遮阳装置起火。
可选的，所述初始化参数包括当地经度λ和纬度
具体的，本发明另一实施例提供了一种控制光伏遮阳装置的方法的流程图，参见图2和图5所示，控制器9可同步获取建筑设备管理系统反馈的本地时间信息、火灾报警信息以及空调系统的运行工况信息；并依据接收到的本地时间信息和初始化设置时输入的当地经度λ和纬度
(1)太阳赤纬角δ表达式：
其中，δ—太阳赤纬角，单位为°；n—建筑设备管理系统反馈的当天日期在一年中的日子数，例如，1月1日为1；
(2)太阳时角ω表达式(式2-式5仅适用于标准时间采用北京时间的中国地区)：
ω＝15×t+λ-300(式2)
其中，ω—太阳时角，单位为°；t—建筑设备管理系统反馈的当地标准时，单位为h；λ—初始化设置时输入的当地经度，单位为°；
(3)日出时间tr表达式：
其中，tr—日出时间，单位为h；δ—由(式1)计算得到的太阳赤纬角，单位为°；
(4)日落时间ts表达式：
其中，ts—日落时间，单位为h；δ—由(式1)计算得到的太阳赤纬角，单位为°；
(5)昼间模式下任意时刻光伏遮阳一体化面板2的最佳倾角βm表达式：
其中，βm—昼间模式下任意时刻光伏遮阳一体化面板2的最佳倾角，单位为°；δ—由(式1)计算得到的太阳赤纬角，单位为°；
本实施例提供的式5可以精确的计算出昼间模式下任意时刻光伏遮阳一体化面板2的最佳倾角，从而提高发电效率。对于不采用北京时间的地区，式2-式5需要做相应调整。
本发明实施例的不同运行模式及运行切换条件具体如下所述：
1、昼间模式：
当控制器9未接收到建筑设备管理系统反馈的火灾报警信号且当地标准时t处于当天日出时间tr与日落时间ts之间时，本发明实施例切换为昼间模式运行；控制器9每隔半小时(或其他时间间隔)反馈一次该时刻光伏遮阳一体化面板2的最佳倾角βm，并控制驱动电机3通过蜗杆7、蜗轮8以及旋转轴4将光伏遮阳一体化面板2的倾角β调整为βm；在昼间模式下，重复执行上述过程以实现光伏遮阳一体化面板2的倾角β的实时优化调节。
2、夜间模式：
当控制器9未接收到建筑设备管理系统反馈的火灾报警信号且当地标准时t小于当天日出时间tr或大于日落时间ts时，本发明实施例切换为夜间模式运行。且夜间模式的具体运行工况如下：
1)当建筑设备管理系统反馈空调系统处于采暖模式时，控制器9控制驱动电机3通过蜗杆7、蜗轮8以及旋转轴4将光伏遮阳一体化面板2的倾角β调整为0°，以达到加强天窗保温性能的目的；
2)当建筑设备管理系统反馈空调系统不处于采暖模式且此时空调末端设备为开启状态时，控制器9控制驱动电机3通过蜗杆7、蜗轮8以及旋转轴4将光伏遮阳一体化面板2的倾角β调整为0°，以达到增加辐射热阻进而减少空调冷量损失的目的；
3)当建筑设备管理系统反馈空调系统不处于采暖模式且此时空调末端设备为关闭状态时，控制器9控制驱动电机3通过蜗杆7、蜗轮8以及旋转轴4将光伏遮阳一体化面板2的倾角β调整为90°，以达到加强室内的辐射散热与自然通风效果。3、消防模式：
当控制器9接收到建筑设备管理系统反馈的火灾报警信号时，切换为消防模式运行；控制器将向建筑设备管理系统发出断开光伏组件电路的控制信号并控制驱动电机3通过蜗杆7、蜗轮8以及旋转轴4将光伏遮阳一体化面板2的倾角β调整为90°，从而起到不影响天窗排烟和防止光伏组件电路起火的作用。
综上所述，本发明提供的一种光伏遮阳装置及其控制方法，控制器可以根据遮阳、采光、通风、保温、火灾报警等实时情况以及光伏组件发电效率的最大化进行实时的自动优化调节，从而提高产品的性能和用户的舒适度；本产品中不需要使用光敏传感器或温度传感器，这样可以使产品的性能更稳定，也相应地降低了设备初投资成本及后续的运营维护成本；并且蜗杆传动机构安装在设备框架1的内侧，这样设备框架1可以保护蜗杆传动机构，从而提高产品的使用寿命。
本方案提供的光伏遮阳装置特别适用于建筑天窗，对于空旷的位置和建筑侧窗，本方案也适用，但是有的细节结构和计算公式可能要做适应性地调整。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明的权利要求书的保护范围。
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