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CN116111946A - 一种风光热储直柔产能建筑系统 - Google Patents

一种风光热储直柔产能建筑系统 Download PDF

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CN116111946A
CN116111946A CN202310376758.4A CN202310376758A CN116111946A CN 116111946 A CN116111946 A CN 116111946A CN 202310376758 A CN202310376758 A CN 202310376758A CN 116111946 A CN116111946 A CN 116111946A
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heat
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photovoltaic
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崔永祥
张文博
柯源
王开师
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Helio New Energy Feicheng Co ltd
Helio New Energy Co ltd
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Helio New Energy Feicheng Co ltd
Helio New Energy Co ltd
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Abstract

本发明涉及产能建筑技术领域，且公开了一种风光热储直柔产能建筑系统，包括铺装于建筑屋面和墙面的光伏与空气能热利用新型产能建材和智能控制系统，以及安装于建筑上的微风发电设备；所述光伏与空气能热利用新型产能建材能够代替传统建筑屋面和外墙材料，提供电能和热能，并将电能和热能传回智能控制系统。该风光热储直柔产能建筑系统，能够将光伏发电和发热技术、微风发电技术以及储能和储热结合，通过新型产能建材提供的电能和热能，通过微风发电提供电能，配合储能和储热，能够极大提高太阳能的利用率，再加上风能的利用，能够为建筑产能，同时本系统易于实现，符合实际，能够满足建筑用电和用热需求，实现产能建筑，零碳建筑。

Description

一种风光热储直柔产能建筑系统
技术领域
本发明涉及产能建筑技术领域，具体为一种风光热储直柔产能建筑系统。
背景技术
在“碳达峰、碳中和”的国家战略下，建筑节能是大势所趋。建筑能耗占社会总碳排放量的51%，是最大的碳排行业。从节能降耗转向建筑发电成为必然趋势。建筑光伏一体化作为建筑节能增效、降低碳排放的基础工具，越来越受到国家的重视。
为了实现建筑零能耗，就需要建筑自身能够产生能量，最直接的方式就是对太阳能、空气中各类能源的高效利用，目前太阳能的利用主要分为太阳能发电利用以及太阳能聚热利用，空气能主要是空气焓能、雨水能、风能等的直接或间接升级利用。
其中太阳能发电利用的光伏技术目前应用广泛，主要用于大型地面电站，简称PV，近些年随着建筑节能的发展，光伏技术开始在建筑上的附着式应用，简称BAPV，又进一步发展出光伏与建筑面材的结合形成发电建材，简称BIPV。但由于传统光伏技术并非针对建筑设计，所以无论从光伏组件还是光伏系统都无法实现和建筑的完美融合，传统光伏技术应用于建筑不具备保温、防水、防火功能，不能直接作为建筑结构或建筑材料，造成有很多安全风险，增加屋面荷载，加大火灾隐患，不符合建筑电气安全，给建筑使用者带来安全风险；同时也因为难以应对灾害天气等，同时还存在很多技术痛点问题，例如民用化成本较高，利用率不高，高压直流拉弧，热斑效应，PID效应，光伏屋面温度高影响光伏发电效率，散热问题难以解决，影响光伏发电效率；
太阳能聚热利用的空气能中的多元态能量，包含阳光热辐射能、焓能、雨水能、风能等，是将这些多元态的能源和压缩机热泵技术结合的领先技术，将多元态的能源提升为建筑需求的热能或冷能，简称PVT。目前也同样存在安装铺设占地、利用率不高等问题，普通聚热材料例如真空玻璃热管等难以实现和建筑的结合，只能附加于建筑上，无法直接作为建材使用，近几年随着热泵技术的发展，空气能（也有叫异聚态，太空能）等多元能利用可以提高效率，大大提升从宏观环境获取能源效率，但其产品各自独立，难成功能全面，智能易用的产品，有很高的环境局限性，安装复杂，成本高，运行管理专业分工多，无法大范围推广使用。
风能发电目前虽然已经成熟应用于陆地风力发电机和海面风力发电机，但尚未在建筑上得到大范围应用，随着微风发电技术的发展，将微风发电技术应用于建筑产能已经成为可能，通过多个微风发电机组，可以为建筑提供电能。
为此，我们设计了一种风光热储直柔产能建筑系统，将这三条技术路线进行结合统一，这样能有效互补，解决三套系统的很多问题，有效提高太阳能的利用率，为建筑提供电能和热能，能使建筑更好的实现产能，真正实现零碳建筑，更加适用于实际生产生活应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种风光热储直柔产能建筑系统，可以用于建筑产能，在建筑外表面通过安装产能建材将太阳能光伏发电产生的电能、太阳能光热聚热的方式产生的热能和微风发电设备产生的电能传导到专用的储电和储热装置中，对电能和热能进行智能控制管理，为建筑提供电能和热能的整套系统。通过本系统提供的电能和热能，能够提供给建筑内的照明、设备用电、采暖、制冷、热水等使用，从而实现产能建筑，零碳建筑。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种风光热储直柔产能建筑系统，包括铺装于建筑屋面和墙面的光伏与空气能热利用新型产能建材和智能控制系统，以及安装于建筑上的微风发电设备；
所述光伏与空气能热利用新型产能建材能够代替传统建筑屋面和外墙材料，提供电能和热能，并将电能和热能传回智能控制系统；
所述智能控制系统由智能逆变系统、电化学储能系统、热泵热交换智能控制系统、相变储热系统组成，并对这四大系统进行统一管理控制；
所述微风发电设备由多台微风发电机组成，可以在小微风环境中产生电能，可根据实际情况将所产生的电能直接或间接或与产能建材所产生的电能一起传回智能控制系统；
所述智能逆变系统，用于将产能建材产生的直流电逆变为交流电供建筑照明、设备用电使用；将产能建材产生的直流电进行调压稳压，供储能系统储存，同时还能提供多种电压等级的直流电供建筑使用，也与光伏+电池一起向交流侧输出交流电；且智能监测控制产能建材系统工作状态，调节产能建材的发电状态；并与电化学储能系统进行交互，实现电能的存储；可并网/离网控制，根据使用需要设计为与电网并网系统或独立运行的离网系统；
所述电化学储能系统是结合储能技术，配备适用建筑储能需求的电池包，可适配多种电池类型，不限电池包种类，以安全为首要要求，通过储能控制电路将产能建材发电时产生的多余电能进行存储，在产能建材发电不足时将所存储的电能进行释放，通过智能逆变系统提供给建筑交流和直流用电；
所述热泵热交换智能控制系统用于控制调节产能建材的聚热工作状态，通过对压缩机或者阀门来控制导热管内导热流体的压力和流速；且通过热交换控制建筑用空调系统和热水系统以及其他用热设备和系统的制热和制冷；并与相变储热系统进行热交换，实现空气中焓能的存储；
所述相变储热系统含有相变储热材料，通过与热泵热交换智能控制系统的配合，将产能建材产生的多余热量进行储热，在产能建材产热不足时让储热系统放热；同时还能给电化学储能系统的电池包提供一个恒温热交换，让电池包处于恒温环境，当电池包高温时吸热、低温时放热，这样可以解决电池包高温下的危险问题和低温下的低效甚至失效问题。
优选的，还包括N路DC智能控制器，当需要多路电能，例如多路产能建材的电能，微风发电设备的电能同时回传会智能控制系统时，可以选择先将多路电能传入N路DC智能控制器（N>=需要传回的电能路数），由N路DC智能控制器对各个产能建材和微风发电设备的电能进行直流调压和汇流，然后将汇流后的电量传回智能控制系统；
优选的，所述光伏与空气能热利用新型产能建材包括复合光伏发电层、聚热板和保温层，
所述复合光伏发电层包括光伏玻璃、光伏电池阵列和金属背板，所述光伏玻璃设在金属背板顶部，所述光伏电池阵列设在光伏玻璃和金属背板之间；
所述聚热板安装在金属背板底部，所述聚热板内部嵌设有导热管，且所述导热管的两端延伸出聚热板一侧；
优选的，所述光伏与空气能热利用新型产能建材的四周或背面选择直流线缆和热管的出线孔，共需两根直流线缆连接线和两根热管进出口。
优选的，所述智能逆变系统上设有直流输入接口、交流输出接口和直流输出接口，所述直流输入接口通过光伏直流电缆连接N路DC智能控制器，N路DC智能控制器连接光伏与空气能热利用新型产能建材和微风发电设备；所述交流输出接口通过线缆连接并网系统；所述直流输出接口用于给弱电设备电源、手机充电、电动车充电。
优选的，所述光伏与空气能热利用新型产能建材的两根热管出口通过热泵聚热板采集管和相变储热系统进行储热。
优选的，所述光伏与空气能热利用新型产能建材可以根据实际情况采取多个产能建材串联的方式或并联的方式将电能和热能传回智能控制系统。
优选的，所述导热管为圆形或矩形中空金属管，且导热管呈S形结构单路分布或直线多路并流或网状交叉并流分布。
与现有技术相比，本发明提供了一种风光热储直柔产能建筑系统，具备以下有益效果：
该风光热储直柔产能建筑系统，能够将光伏发电和发热技术、微风发电技术以及储能和储热结合，通过新型产能建材提供的电能和热能，通过微风发电提供电能，配合储能和储热，能够极大提高太阳能的利用率，再加上风能的利用，能够为建筑产能，同时本系统易于实现，符合实际，能够满足建筑用电和用热需求，实现产能建筑，零碳建筑。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中智能控制系统的结构示意图；
图3为本发明中产能建材的整体结构示意图；
图4为本发明中微风发电设备的结构示意图；
图5为本发明中单个产能建材的结构示意图；
图6为本发明中复合光伏发电层的内部图；
图7为本发明中导热管的排列图一；
图8为本发明中复合光伏发电层的结构示意图；
图9为本发明中导热管的排列图二；
图10为本发明中导热管的排列图三；
图11为本发明中导热管的排列图四。
图中：11、复合光伏发电层；12、聚热板；13、保温层；111、金属背板；112、光伏电池；113、光伏玻璃；114、出线孔；121、导热管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一：
请参阅图1-4，一种风光热储直柔产能建筑系统，包括铺装于建筑屋面和墙面的光伏与空气能热利用新型产能建材和智能控制系统，以及安装于建筑上的微风发电设备；
所述光伏与空气能热利用新型产能建材能够代替传统建筑屋面和外墙材料，提供电能和热能，并将电能和热能传回智能控制系统；
所述智能控制系统由智能逆变系统、电化学储能系统、热泵热交换智能控制系统、相变储热系统组成，并对这四大系统进行统一管理控制；
所述微风发电设备由多台微风发电机组成，可以在小微风环境中产生电能，可根据实际情况将所产生的电能直接或间接或与产能建材所产生的电能一起传回智能控制系统；
智能逆变系统，用于将产能建材产生的直流电逆变为交流电供建筑照明、设备用电使用；将产能建材产生的直流电进行调压稳压，供储能系统储存，同时还能提供多种电压等级的直流电供建筑使用，也与光伏+电池一起向交流侧输出交流电；且智能监测控制产能建材系统工作状态，调节产能建材的发电状态；并与电化学储能系统进行交互，实现电能的存储；可并网/离网控制，根据使用需要设计为与电网并网系统或独立运行的离网系统；
电化学储能系统是结合储能技术，配备适用建筑储能需求的电池包，可适配多种电池类型，不限电池包种类，以安全为首要要求，通过储能控制电路将产能建材发电时产生的多余电能进行存储，在产能建材发电不足时将所存储的电能进行释放，通过智能逆变系统提供给建筑交流和直流用电；
热泵热交换智能控制系统用于控制调节产能建材的聚热工作状态，通过对压缩机或者阀门来控制导热管121内导热流体的压力和流速；且通过热交换控制建筑用空调系统和热水系统以及其他用热设备和系统的制热和制冷；并与相变储热系统进行热交换，实现空气中焓能的存储；
相变储热系统含有相变储热材料，通过与热泵热交换智能控制系统的配合，将产能建材产生的多余热量进行储热，在产能建材产热不足时让储热系统放热；同时还能给电化学储能系统的电池包提供一个恒温热交换，让电池包处于恒温环境，当电池包高温时吸热、低温时放热，这样可以解决电池包高温下的危险问题和低温下的低效甚至失效问题。
还包括N路DC智能控制器，当需要多路电能，例如多路产能建材的电能，微风发电设备的电能同时回传会智能控制系统时，可以选择先将多路电能传入N路DC智能控制器（N>=需要传回的电能路数），由N路DC智能控制器对各个产能建材和微风发电设备的电能进行直流调压和汇流，然后将汇流后的电量传回智能控制系统。
实施例二：
请参阅图5-11，本实施例是在实施例一的基础上增加如下方案；
光伏与空气能热利用新型产能建材包括复合光伏发电层11、聚热板12和保温层13，
复合光伏发电层11包括光伏玻璃113、光伏电池112阵列和金属背板111，光伏玻璃113设在金属背板111顶部，光伏电池112阵列设在光伏玻璃113和金属背板111之间；
聚热板12安装在金属背板111底部，两者可以贴合在一起，也可以直接用聚热板12的一面直接用作金属背板111；聚热板12内部嵌设有导热管 121，且导热管121的两端延伸出聚热板12的侧面或者背面；
光伏与空气能热利用新型产能建材的四周或背面选择直流线缆和热管的出线孔114，共需两根直流线缆连接线和两根热管进出口。
智能逆变系统上设有直流输入接口、交流输出接口和直流输出接口，直流输入接口通过光伏直流电缆连接N路DC智能控制器，N路DC智能控制器连接光伏与空气能热利用新型产能建材和微风发电设备；交流输出接口通过线缆连接并网系统；直流输出接口用于给弱电设备电源、手机充电、电动车充电。
光伏与空气能热利用新型产能建材的两根热管出口通过热泵聚热板12采集管和相变储热系统进行储热。
光伏与空气能热利用新型产能建材可以根据实际情况采取多个产能建材串联的方式或并联的方式将电能和热能传回智能控制系统。
导热管121为圆形或矩形中空金属管，且导热管121呈S形结构单路分布或直线多路并流或网状交叉并流分布，增加热量的吸收。
本发明通过在建筑外表面安装产能建材将太阳能光伏发电产生的电能、太阳能光热聚热的方式产生的热能和微风发电设备产生的电能传导到专用的储电和储热装置中，对电能和热能进行智能控制管理，为建筑提供电能和热能的整套系统；能够将光伏发电和发热技术、微风发电技术以及储能和储热结合，通过新型产能建材提供的电能和热能，配合储能和储热，能够极大提高太阳能的利用率，通过本系统提供的电能和热能，能够提供给建筑内的照明、设备用电、采暖、制冷、热水等使用，同时本系统易于实现，符合实际，能够满足建筑用电和用热需求，实现产能建筑，零碳建筑。

Claims (8)

1.一种风光热储直柔产能建筑系统，包括铺装于建筑屋面墙面的光伏与空气能热利用新型产能建材和智能控制系统，以及安装于建筑上的微风发电设备，其特征在于：
所述光伏与空气能热利用新型产能建材能够代替传统建筑屋面和外墙材料，提供电能和热能，并将电能和热能传回智能控制系统；
所述智能控制系统由智能逆变系统、电化学储能系统、热泵热交换智能控制系统、相变储热系统组成，并对这四大系统进行统一管理控制；
所述微风发电设备由多台微风发电机组成，可以在小微风环境中产生电能，可根据实际情况将所产生的电能直接或间接或与产能建材所产生的电能一起传回智能控制系统；
所述智能逆变系统，用于将产能建材产生的直流电逆变为交流电供建筑照明、设备用电使用；将产能建材产生的直流电进行调压稳压，供储能系统储存，同时还能提供多种电压等级的直流电供建筑使用，也与光伏+电池一起向交流侧输出交流电；且智能监测控制产能建材系统工作状态，调节产能建材的发电状态；并与电化学储能系统进行交互，实现电能的存储；可并网/离网控制，根据使用需要设计为与电网并网系统或独立运行的离网系统；
所述电化学储能系统是结合储能技术，配备适用建筑储能需求的电池包，可适配多种电池类型，不限电池包种类，以安全为首要要求，通过储能控制电路将产能建材发电时产生的多余电能进行存储，在产能建材发电不足时将所存储的电能进行释放，通过智能逆变系统提供给建筑交流和直流用电；
所述热泵热交换智能控制系统用于控制调节产能建材的聚热工作状态，通过对压缩机或者阀门来控制导热管内导热流体的压力和流速；且通过热交换控制建筑用空调系统和热水系统以及其他用热设备和系统的制热和制冷；并与相变储热系统进行热交换，实现空气中焓能的存储；
所述相变储热系统含有相变储热材料，通过与热泵热交换智能控制系统的配合，将产能建材产生的多余热量进行储热，在产能建材产热不足时让储热系统放热；同时还能给电化学储能系统的电池包提供一个恒温热交换，让电池包处于恒温环境，当电池包高温时吸热、低温时放热，这样可以解决电池包高温下的危险问题和低温下的低效甚至失效问题。
2.根据权利要求1所述的一种风光热储直柔产能建筑系统，其特征在于：还包括N路DC智能控制器，所述N路DC智能控制器对各个产能建材和微风发电设备的电能进行直流调压和汇流，然后将汇流后的电量传回智能控制系统。
3.根据权利要求2所述的一种风光热储直柔产能建筑系统，其特征在于：所述光伏与空气能热利用新型产能建材包括复合光伏发电层（11）、聚热板（12）和保温层（13），
所述复合光伏发电层（11）包括光伏玻璃（113）、光伏电池（112）阵列和金属背板（111），所述光伏玻璃（113）设在金属背板（111）顶部，所述光伏电池（112）阵列设在光伏玻璃（113）和金属背板（111）之间；
所述聚热板（12）安装在金属背板（111）底部，两者可以贴合在一起，也可以直接用聚热板（12）的一面直接用作金属背板（111）；聚热板（12）内部嵌设有导热管 （121），且导热管（121）的两端延伸出聚热板（12）的侧面或者背面。
4.根据权利要求3所述的一种风光热储直柔产能建筑系统，其特征在于：所述光伏与空气能热利用新型产能建材的四周或背面选择直流线缆和热管的出线孔（114），共需两根直流线缆连接线和两根热管进出口。
5.根据权利要求4所述的一种风光热储直柔产能建筑系统，其特征在于：所述智能逆变系统上设有直流输入接口、交流输出接口和直流输出接口，所述直流输入接口通过光伏直流电缆连接N路DC智能控制器，N路DC智能控制器连接光伏与空气能热利用新型产能建材和微风发电设备；所述交流输出接口通过线缆连接并网系统；所述直流输出接口用于给弱电设备电源、手机充电、电动车充电。
6.根据权利要求5所述的一种风光热储直柔产能建筑系统，其特征在于：所述光伏与空气能热利用新型产能建材的两根热管出口通过热泵聚热板（12）采集管和相变储热系统进行储热。
7.根据权利要求6所述的一种风光热储直柔产能建筑系统，其特征在于：所述光伏与空气能热利用新型产能建材可以根据实际情况采取多个产能建材串联的方式或并联的方式将电能和热能传回智能控制系统。
8.根据权利要求7所述的一种风光热储直柔产能建筑系统，其特征在于：所述导热管（121）为圆形或矩形中空金属管，且导热管（121）呈S形结构单路分布或直线多路并流或网状交叉并流分布。
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