本發(fā)明涉及將一種太陽能(光伏)發(fā)電裝置集成到建筑物體上的技術(shù)，是新能源發(fā)電設(shè)備和建筑材料的結(jié)合物。

背景技術(shù)：

能源革命的本質(zhì)是主體能源的更替和能源開發(fā)利用方式的根本變革，逐步建立可再生能源為主的能源體系這一根本方向是不可逆轉(zhuǎn)的。實現(xiàn)可再生能源從補(bǔ)充能源向替代能源轉(zhuǎn)變，已經(jīng)成為我國能源規(guī)劃發(fā)展的主基調(diào)。

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，能源電力需求特別是重化工業(yè)用電增速放緩，部分地區(qū)電力供應(yīng)顯現(xiàn)過剩格局，發(fā)電設(shè)備利用小時特別是煤電機(jī)組設(shè)備利用小時快速下降。同時，現(xiàn)有的可再生能源格局也面臨新的問題，西南地區(qū)棄水、“三北”地區(qū)棄風(fēng)棄光現(xiàn)象加劇。水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源就地消納的市場空間不足，受跨地區(qū)送電、調(diào)峰能力不足的制約，在西部地區(qū)建設(shè)大型集中式太陽能地面電站正受到越來越多的質(zhì)疑，發(fā)展分布式太陽能電站、讓綠色能源走進(jìn)千家萬戶既是當(dāng)前政策的導(dǎo)向，也是市場發(fā)展的必然需求。

截至2015年底，我國分布式光伏電站裝機(jī)容量占國內(nèi)光伏累計裝機(jī)的比重僅為16％，84％都是集中式大型光伏地面電站，2016年上半年這一比重降到僅14％。而在德國分布式光伏發(fā)電裝機(jī)占比近80％，日本則近100％。2016年5月國家對分布式光伏電站將區(qū)別對待，政策上給予傾斜。由此可見，分布式太陽能可開發(fā)利用的市場極為廣闊。

分布式太陽能發(fā)電要走進(jìn)千家萬戶，讓每一座建筑都變成一個太陽能發(fā)電站，讓千家萬戶都能用上綠色環(huán)保能源，這就要求太陽能發(fā)電裝置要像家用電器一樣，既要品質(zhì)好、效率高、安全可靠，還要美觀大方。太陽能(光伏)建筑一體化是目前分布式太陽能發(fā)電的一個重要的技術(shù)方向。

太陽能(光伏)建筑一體化的英文是buildingintegratedpv，pv即photovoltaic，簡稱bipv，是一種將太陽能發(fā)電裝置與建筑相結(jié)合、集成的技術(shù)方式。bipv適合于大多數(shù)的建筑，目前國內(nèi)國際流行的bipv的主要安裝形式有：平屋頂。從發(fā)電角度看，平屋頂?shù)慕?jīng)濟(jì)性比較好：可以按照最佳角度一次性安裝，獲得較大的發(fā)電量；可以采用傳統(tǒng)光伏組件，不用改制現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝、設(shè)備；除了屋頂需要一些防水處理外，施工后的發(fā)電裝置與建筑物功能不發(fā)生沖突。斜屋頂。南向斜屋頂也可以按照最佳角度或接近最佳角度一次性安裝，因此可以獲得較大發(fā)電量；可以采用傳統(tǒng)光伏組件，不用改制現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝、設(shè)備；施工后的發(fā)電裝置與建筑物功能不發(fā)生沖突。與平屋頂相比，其屋頂利用率較低，只能是朝南的方向。光伏幕墻。光伏幕墻的綠色概念效果和外觀的科技感可以為建筑物提升社會價值，但其制約因素在于：要滿足幕墻的功能要求，包括外部維護(hù)、透明度、力學(xué)、美學(xué)、安全等，在設(shè)計上就會有發(fā)電效率和幕墻功能的妥協(xié)；要與建筑物同時設(shè)計、同時施工和安裝，光伏系統(tǒng)工程進(jìn)度受建筑總體進(jìn)度制約；光伏陣列通常是依據(jù)墻面垂直固定安裝，偏離最佳日光照射角度，從而導(dǎo)致輸出功率偏低，發(fā)電量較小，單位發(fā)電成本比較高。其他如遮陽蓬、車棚、農(nóng)業(yè)蔬菜大棚等都是平頂屋、斜屋頂?shù)陌惭b形式在各類建筑載體上的實踐。相對于這些建筑載體本身，往往發(fā)電系統(tǒng)的成本較高。

平屋頂、斜屋頂及各種類型的棚(蓬)屬于建筑物體的水平空間，目前我國占14％-16％的分布式光伏電站裝機(jī)容量大多數(shù)集中在這一領(lǐng)域，但是對于城市內(nèi)的多(高)層建筑來講，屋頂資源是有限的，并且不能使建筑內(nèi)的每一個用戶都能共享到綠色能源的機(jī)會。光伏幕墻屬于建筑物體的垂直空間，其資源的可得性要比水平空間的面積大得多。目前的技術(shù)手段主要是采取不可調(diào)角的固定式安裝方式，通過加大電池片之間的間隔來保持透光性，通風(fēng)上更是受到限制，因此其功能性妥協(xié)設(shè)計使得應(yīng)用上受到局限，不能滿足全面推廣的要求。綜上所述，在垂直空間上發(fā)展一種能夠得以廣泛應(yīng)用，又能滿足維護(hù)、透明度、力學(xué)、美學(xué)、安全等要素的bipv系統(tǒng)，就是本項發(fā)明的宗旨。

本發(fā)明專注于分布式建筑立面光伏一體化發(fā)電儲電的集成化設(shè)計，是因為在土地面積日趨集約化的今天，向建筑立面要空間，不僅有足夠的面積可以提供給光伏系統(tǒng)，而且還能省去傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)的鋁框、支架等輔助性系統(tǒng)材料的成本，無論是從市場的發(fā)展規(guī)模上看，還是從用戶的使用成本上看，這項發(fā)明都具有廣闊的潛力。

太陽能硅基電池是固態(tài)半導(dǎo)體器件，發(fā)電時無轉(zhuǎn)動部件，無噪聲，對環(huán)境不會制造二次污染，也不存在一般化石燃料發(fā)電所帶來的空氣污染，這對于環(huán)保要求越來越高的今天和未來都極為重要。分布式建筑立面光伏一體化的集成設(shè)計可以使用戶自發(fā)自用，減少了電力輸送過程的費(fèi)用和能耗，降低了輸電和分電的投資、維修成本。而且，裝置系統(tǒng)除可以保證自身建筑內(nèi)用電外，在需要的時候可以向電網(wǎng)供電，舒緩高峰電力需求，對電力布局、能源安全等方面都具有極大的社會效益。

太陽能電池的發(fā)電功能和家庭中各種電器的耗電功能形成一個閉環(huán)的微電網(wǎng)絡(luò)。在家庭中引入可再生能源和對用電側(cè)進(jìn)行電力需求管理是節(jié)約能耗、減少對煤電天然氣發(fā)電等化石能源依賴的兩大有效措施。本集成系統(tǒng)的目標(biāo)就是聚焦于這兩項措施的實現(xiàn)。本發(fā)明的最終使命是讓全社會每一個家庭、每一棟樓宇都能經(jīng)濟(jì)、安全地分享到綠色能源的紅利。本發(fā)明的價值理念是倡導(dǎo)一種可持續(xù)的、健康的、自由的能源消費(fèi)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：在城市人口密集、高樓林立的地區(qū)，沒有廣大的水平空間可供大型太陽能發(fā)電裝置成片安裝，因此，充分利用建筑物體自身的垂直空間，就成了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的必然之選，本發(fā)明提供一種分布式建筑立面光伏一體化發(fā)電儲電集成系統(tǒng)，在垂直空間上發(fā)展一種能夠得以廣泛應(yīng)用，又能滿足維護(hù)、透明度、力學(xué)、美學(xué)、安全等要素的bipv系統(tǒng)。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供一種分布式建筑立面光伏一體化發(fā)電儲電集成系統(tǒng)，包括太陽能電池發(fā)電裝置、智能化機(jī)械升降控制裝置和發(fā)電儲電電能管理系統(tǒng)。所述太陽能電池發(fā)電裝置由單行橫向長條形電池板通過外部連接線串聯(lián)成百葉式結(jié)構(gòu)；所述智能化機(jī)械升降控制裝置包括固定太陽能電池發(fā)電裝置的整體外圍固定框架、控制太陽能電池板升降的升降組件、控制太陽能電池板隨日光運(yùn)動仰角微調(diào)的調(diào)角組件，所有升降組件和調(diào)角組件都內(nèi)嵌在整體外圍框架的結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述發(fā)電儲電電能管理系統(tǒng)對外通過wifi實現(xiàn)與手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)電腦的信息交互，對內(nèi)響應(yīng)用戶對系統(tǒng)的升降、調(diào)角操作，以及電能的計算調(diào)度。

所述電池板采用雙玻璃光伏組件，由兩片光面超白鋼化玻璃中間用pvb膠片復(fù)合太陽能電池片復(fù)合而成，電池片之間在復(fù)合之前由導(dǎo)線焊接串聯(lián)，匯集引線端形成整體構(gòu)件。

所述電池片/板通過光伏專用雙層交聯(lián)聚乙烯浸錫銅線串聯(lián)。

所述每條電池板兩端設(shè)有t形夾具，所述t形夾具包括方管、圓管、轉(zhuǎn)角齒輪，所述方管為卡槽結(jié)構(gòu)，包括夾住電池板左右兩端的兩個夾片和連接夾片的擋片；所述圓管設(shè)置在擋片的中部，用于導(dǎo)出串聯(lián)電池片的引線端，在圓管的外側(cè)出口由專用連接線將電池板并聯(lián)；所述轉(zhuǎn)角齒輪套在圓管的外端，與調(diào)角組件吻合，帶動電池板轉(zhuǎn)角。

所述整體外圍固定框架包括左、右兩個中空立柱，以及兩組連接中空立柱的頂橫欄和底橫欄，每個中空立柱的內(nèi)部設(shè)置兩個隔離艙，分別為位于內(nèi)側(cè)用于設(shè)置升降組件的電池板升降艙和位于外側(cè)用于設(shè)置調(diào)角組件的電池板仰角微調(diào)艙，整體外圍固定框架還內(nèi)嵌用于防護(hù)太陽能電池板發(fā)電裝置的玻璃窗框。

所述升降組件包括步進(jìn)電機(jī)、軟質(zhì)升降帶、硬質(zhì)金屬活動連桿和夾具套管，所述升降電機(jī)固定在電池板升降艙頂部；所述軟質(zhì)升降帶一端連接電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，另一端連接最上面一條電池板的夾具套管；所述夾具套管套在t形夾具轉(zhuǎn)角齒輪與擋片之間的圓管段，夾具套管的內(nèi)直徑與電池板t形夾具的圓管外徑相吻合；所述硬質(zhì)金屬活動連桿兩端固定在相鄰?qiáng)A具套管上并聯(lián)電池板；升降電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過軟質(zhì)升降帶連接最上層的電池板，卷起或釋放軟質(zhì)升降帶將拉動硬質(zhì)金屬活動連桿上下，從而帶動太陽能電池板的升降運(yùn)動。

所述夾具套管的內(nèi)徑為環(huán)形波狀，使得其與電池板t形夾具的圓管之間存有一定的咬合度。

所述連桿組為硬質(zhì)金屬活動連桿，包括兩塊金屬薄片和三組鉸鏈，所述兩塊金屬薄片一端通過鉸鏈相互連接，另一端通過鉸鏈與夾具套管連接。

所述調(diào)角組件調(diào)角電機(jī)，控制電池板角度的主齒輪組、齒輪底座、齒輪組運(yùn)動滑軌、副齒輪組，以及控制齒輪底座開合的底座開合齒輪組、底座開合雙軸電機(jī)、底座開合滑軌；所述調(diào)角電機(jī)固定在電池板仰角微調(diào)艙的底部；所述齒輪底座是齒輪組運(yùn)動滑軌和主齒輪組、副齒輪組的承載裝置，在左右電池板仰角微調(diào)艙內(nèi)各有一副，前高后低，被固定在一條底座開合滑軌上；所述副齒輪組是一組與電池板t形夾具的調(diào)角齒輪對應(yīng)的短齒輪片，短齒輪片被固定在齒輪組運(yùn)動滑軌內(nèi)，齒輪組運(yùn)動滑軌依托在齒輪底座表面；所述主齒輪組包括一個圓形齒輪和兩個直列齒輪條，圓形齒輪固定套在調(diào)角電機(jī)的傳動軸上，直列齒輪條分別于固定在前、后齒輪底座的齒輪組運(yùn)動滑軌相連；調(diào)角電機(jī)傳動軸帶動主齒輪運(yùn)動，主齒輪驅(qū)動齒輪組運(yùn)動滑軌上下移動，從而帶動滑軌上的副齒輪組運(yùn)動，副齒輪組又驅(qū)動太陽能電池板兩端的t形夾具做轉(zhuǎn)角調(diào)動；所述底座開合雙軸電機(jī)左右各有一副剛性聯(lián)軸器；所述開合齒輪組包括一個圓形齒輪和上長、下短兩個齒輪片，圓形齒輪被固定套在剛性聯(lián)軸器的頂端，長齒輪片被固定在較高的前齒輪底座頂部，短齒輪片被固定在較低的后齒輪底座頂部，長短兩個齒輪片始終咬合住中間的圓形齒輪；底座開合雙軸電機(jī)帶動圓形齒輪轉(zhuǎn)動，圓形齒輪轉(zhuǎn)動將帶動上長、下短兩個齒輪片做反向運(yùn)動，從而帶動前高后低的齒輪底座沿著開合底座滑軌進(jìn)行開合運(yùn)動。

所述發(fā)電電能管理系統(tǒng)由智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組和鋰電池組兩個部分整合在一個硬體框架內(nèi)組成，所述智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組包括一個中心控制單元、一個感光傳感器模塊、三組直流電機(jī)驅(qū)動模塊以及由穩(wěn)壓器、逆變器、若干個繼電器組成的電源分配模塊，所述中心控制單元由inteledison微處理器加arduino擴(kuò)展板構(gòu)成，用于對太陽能電池板的升降、調(diào)角等機(jī)械運(yùn)動驅(qū)動做智能化控制，對電池板發(fā)電、家用電器耗電和鋰電池儲電構(gòu)成的微電網(wǎng)實施電能計算調(diào)度；所述感光傳感器模塊用于測量陽光在不同時間段的移動射角信息；所述直流電機(jī)驅(qū)動模塊用于接收中心控制單元的升降和調(diào)角指令，驅(qū)動對應(yīng)電機(jī)運(yùn)作；所述電源分配模塊用于接收中心控制單元的電量分配指令，驅(qū)動對應(yīng)電器運(yùn)作和鋰電池充放電。

有益效果：本發(fā)明有了升降和調(diào)角，太陽能發(fā)電裝置可以在建筑立面上大做文章，由太陽能電池板電機(jī)驅(qū)動模塊控制的機(jī)械裝置不僅能使光伏發(fā)電效率最優(yōu)化，而且使建筑的透光、通風(fēng)、節(jié)能等問題得到解決。

此外，鋰電池組的蓄電功能和微電網(wǎng)電能調(diào)度控制的電能匹配、分配功能使得光伏發(fā)電不再只有上網(wǎng)這一種選擇，用電消費(fèi)的靈活性大大提高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明的太陽能電池發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的整體外圍固定框架的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的太陽能電池發(fā)電裝置與整體外圍固定框架的組合效果圖；

圖5為本發(fā)明的升降組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明的電池板降落時硬質(zhì)金屬活動連桿的狀態(tài)圖；

圖7為本發(fā)明的電池板升降狀態(tài)的主視圖、左視圖和立體圖；

圖8為本發(fā)明調(diào)角組件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9為本發(fā)明edison加載到arduino擴(kuò)展板的示意圖；

圖10為本發(fā)明的微電網(wǎng)電能調(diào)度邏輯關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。

如圖1所示，分布式建筑立面光伏一體化發(fā)電儲電集成系統(tǒng)由三個部分組成：(1)太陽能電池發(fā)電裝置；(2)智能化機(jī)械升降控制裝置；(3)發(fā)電儲電電能管理系統(tǒng)，下文對本實施例的各組成部分進(jìn)行詳細(xì)的論述。

1、太陽能電池發(fā)電裝置

如圖2所示，本系統(tǒng)的太陽能電池發(fā)電裝置由單行橫向排列電池板，在縱向由外部連接線串聯(lián)而成。單行橫向排列電池板是雙玻璃光伏組件，由兩片光面超白鋼化玻璃(22)，中間用pvb膠片復(fù)合太陽能電池片(21)復(fù)合而成，電池片(21)之間在復(fù)合之前由導(dǎo)線焊接串聯(lián)，匯集引線端形成整體構(gòu)件,在每條電池板兩端設(shè)有t形夾具。具體的電池片(21)采用的是十六片125規(guī)格電池片，光面超白鋼化玻璃(22)長2100mm*寬135mm*厚3mm；t形夾具(23)為方管、圓管、轉(zhuǎn)角齒輪組成一體化的中空部件，方管為卡槽結(jié)構(gòu)，包括夾住電池板左右兩端的兩個夾片和連接夾片的擋片；圓管設(shè)置在擋片的中部，用于導(dǎo)出串聯(lián)電池片的引線端，在圓管的外側(cè)出口由專用連接線將電池板并聯(lián)，圓管的內(nèi)直徑為15mm；轉(zhuǎn)角齒輪套在圓管的外端，被設(shè)計為60齒，與調(diào)角組件的副齒輪組(16)相吻合，轉(zhuǎn)動一齒輪，可以帶動電池板做6度調(diào)角。

采用本系統(tǒng)設(shè)計的太陽能電池發(fā)電裝置的理由羅列如下：

(1)硅基太陽能電池片的光伏轉(zhuǎn)換率目前普遍在20％左右。未來，隨著鈣鈦礦太陽能電池技術(shù)的突破和其他薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，本系統(tǒng)的太陽能電池也可以采用非硅基太陽能電池片。非硅基太陽能電池片將會使得本系統(tǒng)發(fā)電裝置的外形更美、重量更輕、效率更高、成本更低，因此本系統(tǒng)采用的是目前市場主流的硅基太陽能電池片。

(2)傳統(tǒng)的太陽能電池板制造流程是將電池片排列成6*10或6*12的矩形陣列，一塊電池板由60或72塊太陽能電池片串并聯(lián)成。本系統(tǒng)采用的是百葉式結(jié)構(gòu)太陽能電池板，先將16塊電池片串聯(lián)焊接、復(fù)合層壓成單行橫向長條形電池板，再將電池板并聯(lián)安裝在外圍固定框架內(nèi)的軌道后即呈百葉窗葉片狀。由于硅基太陽能電池片一律采用單晶高效能電池片，其主要規(guī)格有兩種：125mm*125mm和156mm*156mm。因此，有兩種規(guī)格的電池板并組方案，兩種方案發(fā)電的輸出功率和板與板間隔距離略有不同。

方案一：采用125規(guī)格的電池片。每一條電池板單行橫向串聯(lián)16片，長度2000mm，寬度125mm，層壓兩片鋼化玻璃后的長度是2100mm，寬度是135mm。一個發(fā)電系統(tǒng)單元組可以并聯(lián)19條電池板，這樣總計電池片數(shù)量是16*19＝304塊。以單晶125電池片每片3瓦的功率計算，采用125規(guī)格單晶電池片的發(fā)電單元組可以輸出912瓦的功率。水平狀態(tài)下，19條電池板的間距是135mm。因此電池板組成的總高度會是2565mm。

方案二：采用156規(guī)格的電池片。每一條電池板單行橫向串聯(lián)13片，長度2028mm，寬度156mm。層壓兩片鋼化玻璃后的長度是2128mm，寬度是166mm。一個發(fā)電系統(tǒng)單元組可以并聯(lián)16條電池板，這樣總計電池片數(shù)量是13*16＝208塊。以單晶156電池片每片5瓦的功率計算，采用156規(guī)格單晶電池片的發(fā)電單元組可以輸出1040瓦的功率。水平狀態(tài)下，16條電池板的間距是166mm。因此電池板組成的總高度會是2656mm。

兩個方案的比較可以發(fā)現(xiàn)：(1)采用156規(guī)格電池片的方案二，其總面積比采用125規(guī)格電池片的方案一略大，因此輸出的功率也高一點。反過來講，在總面積相同的情況下，兩者的發(fā)電效率相差并不大。(2)125規(guī)格電池片板的寬度較窄，在和外圍框架集成時會更為便捷、美觀。因此，在本實施例采用125規(guī)格單晶高效能電池片為說明對象。

(3)用做幕墻面板的光伏組件，不僅需要滿足光伏組件的性能要求，同時要滿足幕墻的三性實驗要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力學(xué)性能和采用不同的結(jié)構(gòu)方式。目前高層建筑的雙層幕墻采用的傳統(tǒng)光伏組件，一般需要兩塊至少6mm厚的鋼化玻璃夾膠而成，成本較高。本系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用雙面玻璃窗戶中間夾空的框架結(jié)構(gòu)，不僅可以有效保護(hù)光伏組件免受自然環(huán)境、氣候的破壞影響，延長使用壽命，而且能夠節(jié)約傳統(tǒng)光伏組件制造所需的輔助材料、安裝的額外費(fèi)用，并且在安全、美觀、透光、通風(fēng)上也大大超越了傳統(tǒng)光伏組件的性能。(4)傳統(tǒng)光伏組件結(jié)構(gòu)是正面玻璃，反面背板，中間夾住電池片，并且組件的封裝用膠一般為eva，由于eva的抗老化性能不強(qiáng)、使用壽命達(dá)不到50年，不能與建筑同壽命，而且eva發(fā)黃將會影響建筑的美觀和系統(tǒng)的發(fā)電量。本系統(tǒng)設(shè)計使用的是雙玻璃光伏組件，由兩片光面超白鋼化玻璃(22)，中間用pvb膠片復(fù)合太陽能電池片(21)復(fù)合而成，電池片(21)之間在復(fù)合之前由導(dǎo)線焊接串聯(lián)，匯集引線端形成整體構(gòu)件。pvb有良好的粘結(jié)性、韌性和彈性，具有吸收沖擊的作用，可防止沖擊物穿透，即使玻璃破損，碎片也會牢牢粘附在pvb膠片上，不會脫落四散傷人，從而使產(chǎn)生的傷害可能減少到最低程度，提高建筑物的安全性能。

此外，用在大型集中式地面光伏電站或者分布式屋頂電站的傳統(tǒng)光伏組件，一般需要通過iec61215的檢測，滿足抗130km/h(400pa)風(fēng)壓和抗25mm直徑冰雹23m/s的沖擊要求。因此，傳統(tǒng)光伏組件除了采用鋼化玻璃外，還要加鋁合金邊框和強(qiáng)壯的固定支架系統(tǒng)。本系統(tǒng)不需要加裝鋁合金邊框，也不需要地面電站和屋頂電站必須的光伏支架系統(tǒng)。

2、智能化機(jī)械升降控制裝置

智能化機(jī)械升降控制裝置包括固定太陽能電池發(fā)電裝置的整體外圍固定框架、控制太陽能電池板升降的升降組件、控制太陽能電池板隨日光運(yùn)動仰角微調(diào)的調(diào)角組件，所有升降組件和調(diào)角組件都內(nèi)嵌在整體外圍框架的結(jié)構(gòu)內(nèi)。

2.1整體外圍固定框架

如圖3-4所示，整體外圍固定框架包括左、右兩個中空立柱(1)、(2)，以及兩組連接中空立柱的頂橫欄(3)和底橫欄(4)，每個中空立柱的內(nèi)部設(shè)置兩個隔離艙，分別為位于內(nèi)側(cè)用于設(shè)置升降組件的電池板升降艙(5)和位于外側(cè)用于設(shè)置調(diào)角組件的電池板仰角微調(diào)艙(6)，整體外圍固定框架還內(nèi)嵌玻璃窗框(7)，其里外兩面各安裝一副玻璃窗戶，形成中間夾空的框架結(jié)構(gòu)，在兩副玻璃窗框(7)的夾空中，將安裝可以升降、調(diào)角的單行橫向長條形組成的太陽能電池板發(fā)電裝置，玻璃窗框(7)的隔斷結(jié)構(gòu)可以根據(jù)建筑設(shè)計的要求進(jìn)行布局，對于平時沒有開窗要求的高層商業(yè)樓宇來講，可以采用無隔斷、整塊玻璃的框架。具體的，立柱高2830mm，寬150mm，厚320mm；電池板升降艙(5)寬70mm，電池板仰角微調(diào)艙(6)寬80mm；頂橫欄(3)長2100mm，寬120mm；底橫欄(4)長2100mm，寬150mm.；玻璃窗框(7)的厚度為60mm，當(dāng)兩副窗框都安裝時，中空的厚度是200mm，根據(jù)前文所述，125規(guī)格和156規(guī)格的電池片組成的電池板，其寬度分別是135mm和166mm，在200mm的中空框架內(nèi)升降、轉(zhuǎn)角應(yīng)該不會有問題。

2.2升降組件

如圖5所示，升降組件由位于電池板升降艙(5)頂部的升降電機(jī)及連接電池板的連桿組組成，其作用是將太陽能電池板水平地升起和降落。升降電機(jī)及連桿組由下列部件構(gòu)成：升降電機(jī)(8)兩臺，軟質(zhì)升降帶(9)兩條，硬質(zhì)金屬活動連桿(10)三十八對，夾具套管(11)三十八個。具體的，升降電機(jī)(8)在整體外圍固定框架頂部的左右兩側(cè)各安裝一部；軟質(zhì)升降帶(9)一端連接在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，另一端連接在19條電池板中最上面的一條電池板的夾具套管(11)上；每一條單行橫向長條形電池板兩端都各有一副t形夾具，夾具套管(11)就套在t形夾具轉(zhuǎn)角齒輪與擋片之間的圓管段，它的作用是不影響升起后的電池板隨后的仰角微調(diào)運(yùn)動，夾具套管(11)的內(nèi)直徑為27mm，與電池板t形夾具的圓管外徑相吻合，為保持電池板上升過程的水平穩(wěn)定，夾具套管(11)的內(nèi)徑被設(shè)計為環(huán)形波狀，使得其與電池板t形夾具的圓管之間存有一定的咬合度，夾具套管(11)的寬度為55mm，可以在70mm寬的升降艙內(nèi)上下自由移動；長條形太陽能電池板之間由固定在電池板兩端的夾具套管(11)上的硬質(zhì)金屬活動連桿(10)相互連接，19條電池板共需38對，分別連接夾具套管(11)的兩側(cè)，帶動電池板的升起和降落，硬質(zhì)金屬活動連桿(10)由兩塊金屬薄片和三組鉸鏈組成，兩塊金屬薄片一端通過鉸鏈相互連接，另一端通過鉸鏈與夾具套管連接，金屬薄片的寬度為50mm，長度66mm，厚1.5mm。圖5中(10)是當(dāng)電池板升起時硬質(zhì)金屬活動連桿完全張開的圖樣，當(dāng)電池板降落時硬質(zhì)金屬活動連桿(10)將依次向兩旁折疊，如圖6所示。在左右升降艙(5)內(nèi)對應(yīng)的一組升降連桿組串聯(lián)起水平狀態(tài)的電池板，對應(yīng)的升降電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過卷起或釋放軟質(zhì)升降帶，拉動連桿組上下，從而帶動太陽能電池板的升降運(yùn)動，升降狀態(tài)參如圖7所示。

圖7中，左側(cè)自上而下的三幅圖分別是電池板降落狀態(tài)的主視圖、左視圖、立體圖。這時，升降電機(jī)(8)未開始工作，太陽能電池板呈水平疊加靜止?fàn)顟B(tài)，軟質(zhì)升降帶(9)呈完全拉開狀態(tài)，連接著升降電機(jī)轉(zhuǎn)軸和最上面一條電池板的夾具套管(11)，硬質(zhì)金屬活動連桿(10)依次向兩旁折疊，19條電池板水平疊加的總高度等于19個夾具套管(11)的外直徑之和(19*35mm＝665mm)。右側(cè)自上而下的三幅圖分別是電池板升起狀態(tài)的主視圖、左視圖、立體圖。升降電機(jī)(8)開始工作，其轉(zhuǎn)軸卷起軟質(zhì)升降帶(9)，升降帶大部分纏繞在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，將電池板依次升起，硬質(zhì)金屬活動連桿(10)依次打開呈垂直狀態(tài)，電池板仍然保持水平狀態(tài)。所有電池板到達(dá)預(yù)定位置后，升降電機(jī)(8)停止工作。下面將由太陽能電池板的調(diào)角組件開始工作。

2.3調(diào)角組件

如圖8所示，調(diào)角組件由位于電池板仰角微調(diào)艙(6)底部的調(diào)角電機(jī)及調(diào)角齒輪組組成，它的作用是將電池板的角度調(diào)校到與太陽的照射呈最佳射角狀態(tài)，以使電池板的發(fā)電效率達(dá)到最優(yōu)。調(diào)角組件由下列部件構(gòu)成：調(diào)角電機(jī)(12)兩個，主齒輪組(13)兩對，齒輪底座(14)兩對，齒輪組運(yùn)動滑軌(15)兩對，副齒輪組(16)三十八對，底座開合齒輪組(17)兩對，底座開合電機(jī)剛性聯(lián)軸器(18)兩副，底座開合雙軸電機(jī)(19)一個，底座開合滑軌(20)兩條。

當(dāng)單行橫向長條形太陽能電池板在升降組件的作用下依次完全升起后，其相對于地面呈水平0度角，因此，需要將電池板的角度朝建筑墻體的外側(cè)，即陽光照射進(jìn)來的方向做0～90度之間的轉(zhuǎn)動。這個功能將由安裝在仰角微調(diào)艙(6)的調(diào)角組件齒輪組、整體框架底部的步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動完成。但首先，需要將仰角微調(diào)艙(6)內(nèi)的調(diào)角組件齒輪組咬合到電池板兩端的t形夾具齒輪上，因為當(dāng)電池板上下升降的時候，仰角微調(diào)艙的齒輪組與電池板t形夾具的齒輪是處于分離狀態(tài)的。頂部兩側(cè)的升降電機(jī)(8)將電池板全部水平升起后，底部的調(diào)角電機(jī)(12)還沒有開始工作。首先工作的是頂部中央的底座開合雙軸電機(jī)(19)，驅(qū)動仰角微調(diào)艙(6)內(nèi)的副齒輪組(16)與電池板t形夾具的齒輪做咬合運(yùn)動。

副齒輪組(16)是一組自上而下排列的短齒輪片，被固定在齒輪組運(yùn)動滑軌(15)上，齒輪組運(yùn)動滑軌(15)依托在齒輪底座(14)表面做上下滑動。齒輪底座(14)是齒輪組運(yùn)動滑軌(15)和主齒輪組(13)、副齒輪組(16)的承載裝置，在左右仰角微調(diào)艙(6)內(nèi)各有一副，前高后低，被固定在一條底座開合滑軌(20)上。兩條底座開合滑軌(20)縱向固定在整體框架左右調(diào)角艙(6)的底部，齒輪底座(14)帶著主齒輪組(13)、副齒輪組(16)沿著開合滑軌(20)對電池板t形夾具的齒輪做分離、咬合的運(yùn)動。

齒輪底座(14)的開合由底座開合齒輪組(17)控制。開合齒輪組(17)由一個圓形齒輪和上長、下短兩個齒輪片組成，長齒輪片被固定在較高的前齒輪底座(14)頂部，短齒輪片被固定在較低的后齒輪底座(14)頂部，長短兩個齒輪片始終咬合住中間的圓形齒輪，當(dāng)圓形齒輪轉(zhuǎn)動時，就會帶動上長、下短兩個齒輪片做反向運(yùn)動，從而會帶動前高后低的齒輪底座(14)沿著開合滑軌(20)進(jìn)行開合運(yùn)動。開合齒輪組(17)的動力來自底座開合雙軸電機(jī)(19)，該電機(jī)左右各有一副剛性聯(lián)軸器(18)，開合齒輪組(17)的圓形齒輪被固定套在剛性聯(lián)軸器(18)的頂端，當(dāng)左右電機(jī)軸分別做順時針和逆時針轉(zhuǎn)動時，剛性聯(lián)軸器(18)頂端的圓形齒輪驅(qū)動開合齒輪組(17)的上下兩片長短齒輪做相對運(yùn)動，由此帶動齒輪底座(14)的開合。

主齒輪組(13)由一個圓形齒輪和兩個直列齒輪條組成。圓形齒輪固定套在調(diào)角電機(jī)(12)的傳動軸上，隨電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動而輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。圓形齒輪被設(shè)計為30齒，每個齒的運(yùn)動可以調(diào)動12度角。主齒輪組(13)與副齒輪組(16)被固定在同一副齒輪組運(yùn)動滑軌(15)上，做同向同步運(yùn)動。副齒輪組(16)的齒輪距離被設(shè)計為6度角一齒，由其傳動電池板t形夾具(23)圓管末端的轉(zhuǎn)角齒輪，轉(zhuǎn)動一齒可調(diào)動電池板6度角移動。當(dāng)齒輪底座(14)上的副齒輪組(16)咬合住電池板t形夾具齒輪時，副齒輪組(16)的上下運(yùn)動就能夠調(diào)動電池板做仰角微調(diào)運(yùn)動，其動力來自調(diào)角電機(jī)(12)，兩部調(diào)角電機(jī)(12)分別被安置在整體框架的底部，電機(jī)傳動軸帶動最下面的主齒輪組(13)，由主齒輪(13)驅(qū)動運(yùn)動滑軌(15)上下移動，從而帶動滑軌上的副齒輪組(16)的運(yùn)動，副齒輪組(16)又驅(qū)動太陽能電池板兩端的t形夾具做轉(zhuǎn)角調(diào)動。

升降組件及調(diào)角組件的工作原理：當(dāng)升降電機(jī)(8)工作帶動19條電池板做上下運(yùn)動時，主齒輪組(13)、齒輪底座(14)、齒輪組運(yùn)動軌道(15)、副齒輪組(16)全部處于分離狀態(tài)；當(dāng)升降電機(jī)(8)停止工作，所有電池板都水平升起時，底座開合雙軸電機(jī)(19)開始工作，主齒輪組(13)、副齒輪組(16)在齒輪底座(14)帶動下沿開合滑軌(20)運(yùn)動，咬合住電池板t形夾具(23)圓管末端的轉(zhuǎn)角齒輪，然后，在整體框架底部的調(diào)角電機(jī)(12)的驅(qū)動下，對電池板做0～90度范圍內(nèi)的仰角調(diào)整。

此外，本系統(tǒng)中的升降電機(jī)(8)、調(diào)角電機(jī)(12)、底座開合電機(jī)(19)采用的是直流無刷混合式步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)件。電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本系統(tǒng)中無論是升降還是轉(zhuǎn)角，對速度的要求并不高，但要求比較精確的角位移量，以使電池板能夠升降到準(zhǔn)確的位置或者有精確的面向陽光的仰角?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的定子上有多相繞組、轉(zhuǎn)子上采用永磁材料，轉(zhuǎn)子和定子上均有多個小齒以提高步矩精度。本系統(tǒng)采用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好，步距角小，基本步距角為1.8°/步，配上半步驅(qū)動器后，步距角為0.9°/步，完全能夠滿足電池板轉(zhuǎn)角精度的要求。本系統(tǒng)中的升降電機(jī)(8)、調(diào)角電機(jī)(12)、底座開合電機(jī)(19)在工作時對應(yīng)的動態(tài)力矩各不相同，因此三種電機(jī)選型時可以根據(jù)各自電機(jī)的工作負(fù)載，確定電機(jī)的靜力矩。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來。升降電機(jī)(8)和底座開合電機(jī)(19)因為安裝在框架頂部，其幾何尺寸的高度不能超過100mm；調(diào)角電機(jī)(12)因為安裝在框架底部，其幾何尺寸的高度不能超過130mm。由于沒有電刷，混合式步進(jìn)電機(jī)的可靠性較高，電機(jī)的壽命僅僅取決于軸承的壽命。電機(jī)的響應(yīng)完全由數(shù)字輸入脈沖確定，具有優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。開環(huán)控制使得電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較簡單而且成本較低。本系統(tǒng)中的升降、調(diào)角、底座開合都是將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，因此可以以較低速同步旋轉(zhuǎn)，振動、噪音都比較低。

采用本系統(tǒng)，白天當(dāng)太陽升起時，升降電機(jī)會啟動太陽能電池板升起，上升過程中電池板呈水平180度角，電池板之間相隔一條電池板寬度的距離(根據(jù)太陽能電池片的規(guī)格，這個間隔距離在135～166mm之間)。當(dāng)所有電池板上升到預(yù)定位置并保持水平靜止后，仰角微調(diào)電機(jī)工作，帶動齒輪組和齒輪組軌道，驅(qū)動電池板在相對于水平地面夾角0～90度范圍內(nèi)微調(diào)。根據(jù)不同的地理緯度和每日的日照時間，仰角在45～87度之間的動態(tài)微調(diào)，可以獲得比固定仰角更佳的發(fā)電效率。夜晚當(dāng)太陽落下時，仰角微調(diào)電機(jī)驅(qū)動電池板回復(fù)水平位置，升降電機(jī)驅(qū)動水平的電池板降落到陽臺或窗臺下方的隱蔽位置。本裝置設(shè)計的核心一是可升降，二是可調(diào)整面向陽光照射的仰角角度。升降和調(diào)角功能的實現(xiàn)一方面使單位面積的太陽能電池板的發(fā)電功率最大化，另一方面也使得發(fā)電裝置與建筑物體的通風(fēng)、照明需求不發(fā)生沖突。即便白天室內(nèi)有人，升起的電池板因為仰角而存在的間隙仍然可以提供充足的通風(fēng)和日照。

采用本系統(tǒng)設(shè)計的智能化機(jī)械升降控制裝置的理由羅列如下：

(1)對建筑物來說光線就是靈魂，設(shè)計中對光影的要求甚高。光伏發(fā)電之所以遲遲不能進(jìn)入尋常百姓家，其中一個重要的制約因素是：安裝在建筑立面的光伏固定幕墻不能滿足透光、通風(fēng)的要求。傳統(tǒng)的bipv建筑用光伏組件是通過調(diào)整電池片的排布或采用穿孔硅基電池片的方法來達(dá)到特定的透光率，因此，光伏組件透光率越大，電池片的排布就越稀，其發(fā)電功率也會越小。本系統(tǒng)的升降和仰角微調(diào)設(shè)計，從根本上解決了百分百透光率和全面積發(fā)電之間的矛盾問題，不僅滿足建筑物對光影的要求，同時保持了電池片排布最大化，發(fā)電功率最優(yōu)化的效果。

(2)傳統(tǒng)光伏組件的接線盒一般粘在電池板背面，接線盒較大，很容易造成視覺污染，破壞整體裝置的協(xié)調(diào)感。本系統(tǒng)的百葉式結(jié)構(gòu)太陽能電池板將接線盒省去，沒有了接線盒保護(hù)的旁路二極管和電池板之間的連接線全部被隱藏在外圍整體框架的立柱(1)、(2)外側(cè)的仰角微調(diào)艙(6)內(nèi)，這不僅能避免旁路二極管受陽光直射和雨水侵蝕，也使得裝置的外觀看上去更加協(xié)調(diào)美觀。此外，單行橫向排列電池板不需要傳統(tǒng)光伏組件的鋁質(zhì)邊框材料，以及傳統(tǒng)的支架系統(tǒng)，這無疑會大大減少光伏發(fā)電的整體系統(tǒng)成本。

3、發(fā)電儲電電能管理系統(tǒng)

發(fā)電儲電電能管理系統(tǒng)是一個集成化的軟硬件結(jié)合裝置，該裝置將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(internetofthings,iot)、電能管理技術(shù)(energymanagementsystem,ems)與功能強(qiáng)大的intel開源硬件微處理器edison融合起來。一方面，利用感光傳感器、直流電機(jī)驅(qū)動器的加載模塊實現(xiàn)對太陽能電池板機(jī)械升降、調(diào)角運(yùn)動的智能化控制；另一方面，利用后臺算法，通過建立發(fā)電量模型、家用電器用電量模型、蓄電池充放電模型，對微電網(wǎng)中的電能調(diào)度實施優(yōu)化控制，以最小化用戶額外購電費(fèi)用和蓄電池組切換次數(shù)少為調(diào)度目標(biāo)。在edison的i/o傳感器擴(kuò)展板上，還留有豐富的模塊接口，用于為用戶添加個性化的服務(wù)，比如加裝溫度、濕度傳感器，可以實時顯示室內(nèi)室外的溫度和濕度；加裝監(jiān)控攝像頭模塊，可以對室內(nèi)外實施24小時監(jiān)控；加裝無線模塊和繼電器，可以對特定的電器如魚缸電機(jī)、空調(diào)、熱水器、電飯煲、電子門鎖等實施遠(yuǎn)程開關(guān)控制調(diào)解；加裝甲烷濃度傳感器，可以靈敏地檢測到空氣中的甲烷、天然氣等氣體?？傊l(fā)電儲電電能管理系統(tǒng)是一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)境下的開放式系統(tǒng)，是從能源管理端為家庭、企業(yè)提供服務(wù)的門戶式增值系統(tǒng)。

發(fā)電儲電電能管理系統(tǒng)由智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組和鋰電池組兩個部分整合在一個硬體框架內(nèi)組成。智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組包括一個中心控制單元、一個lcd顯示屏模塊、一個感光傳感器模塊、三組直流電機(jī)驅(qū)動模塊以及由穩(wěn)壓器、逆變器、若干個繼電器組成的電源分配模塊。鋰電池組選用安全可靠的聚合物鋰電池。目前市場流行的鈷酸鋰電池在能量密度、經(jīng)濟(jì)成本方面具有一定的優(yōu)勢，鈦酸鋰電池在充電速度、安全穩(wěn)定、循環(huán)壽命及低溫性能上具有一定的優(yōu)勢。前者更適用于對充電速度要求不高的家庭蓄能儲能上，而后者更適用于公交車、客車等新能源電動汽車上。因此，本系統(tǒng)將采用技術(shù)比較成熟的鈷酸鋰電池組。下面就智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組的構(gòu)成作詳細(xì)說明。

本系統(tǒng)的智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組的中心控制單元由inteledison微處理器加arduino擴(kuò)展板構(gòu)成，對太陽能電池板的升降、調(diào)角等機(jī)械運(yùn)動驅(qū)動做智能化控制；對電池板發(fā)電、家用電器耗電和鋰電池儲電構(gòu)成的微電網(wǎng)實施電能計算調(diào)度。

inteledison的硬件配置如下：edison采用雙核500mhz的atom處理器，搭載wi-fi功能，在目前各種開源硬件和傳統(tǒng)單片機(jī)開發(fā)板中是屬于比較先進(jìn)的、運(yùn)算能力強(qiáng)大的中心控制芯片設(shè)備。在35.5mm*25.0mm大小的模塊中集成了1gb的ddr內(nèi)存、4gb的emmc存儲器、wi-fi、藍(lán)牙等設(shè)備，另外還有嵌入式開發(fā)中的i²c、spi、uart接口。atom的cpu內(nèi)核允許很多傳統(tǒng)為pc開發(fā)的程序不用修改就可以在edison中運(yùn)行。此外對于本系統(tǒng)來講重要的是，edison設(shè)置4組原生的pwn輸出支持，相比大多數(shù)單片機(jī)需要采用外部pwn芯片模擬的手段，直接使用atomsoc芯片的pwn信號在性能上對于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動會更好。

arduino擴(kuò)展板。各類基于arduino接口的外圍模塊及傳感器可以通過擴(kuò)展板直接應(yīng)用在edison上面。edison模塊安置在擴(kuò)展板左下角，具體如圖9所示。

由于edison中的gpio采用的是1.8v電平規(guī)范，無法直接與arduino兼容系統(tǒng)的5v直接相連，因此arduino擴(kuò)展板使用了大量的電平轉(zhuǎn)換芯片用以實現(xiàn)i/o信號的隔離，保護(hù)edison核心不被破壞。edison中的調(diào)試串口通過一塊ft232usb轉(zhuǎn)串口芯片引出了標(biāo)準(zhǔn)的usb接口，這樣用一條usb連線接至pc，就可以通過串口登錄到edisonlinux終端中進(jìn)行操作。arduino擴(kuò)展板帶有單節(jié)鋰電池充放電控制芯片，可以直接將一塊鋰電池連接在arduino擴(kuò)展板的batt接口上實現(xiàn)通過電池給edison供電，并且不用擔(dān)心鋰電池會過度放電而報廢，也不用考慮電池的充電問題。

配置wi-fi連接。在edison的linux終端內(nèi)，使用“configure_edison_wifi”命令，可以進(jìn)入交互式的wi-fi配置模式，在輸入命令后，edison會掃描附近的wi-fi信號，10秒鐘后會列出一個清單以供連接選擇；使用“systemctlstarthostapd”命令，可將edison的wi-fi設(shè)備切換到ap模式，這時，edison將表現(xiàn)得像一個路由器，可以用手機(jī)等設(shè)備連接。

中心控制單元對外通過wi-fi實現(xiàn)與手機(jī)和電腦的信息交互；對內(nèi)通過i/o擴(kuò)展板連接的模塊實現(xiàn)對各個節(jié)點的信息統(tǒng)一處理，響應(yīng)用戶對系統(tǒng)的操作。這些節(jié)點包括：太陽能板升降和仰角電機(jī)及其驅(qū)動器、感光傳感器、冰箱空調(diào)電燈等電器、鋰電池充電放電切換、穩(wěn)壓器、逆變器、繼電器等等。在中心控制單元的arduino擴(kuò)展板上添加一個lcd12864顯示屏模塊、一個感光傳感器模塊、三組直流電機(jī)驅(qū)動模塊以及一組電源分配模塊，就構(gòu)成智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組的硬件。

首先，要搭建一個網(wǎng)頁服務(wù)器，實現(xiàn)網(wǎng)頁對硬件端口的控制。這一步可以在arduinoide下完成。通過usbslave端口連接線，打開arduinoide，在控制板的選項中選擇inteledison，tools菜單下的串口(serialport)也要做出相應(yīng)調(diào)整。在針對edison的arduinoide中，能夠直接通過調(diào)用wi-fi的庫文件實現(xiàn)搭建網(wǎng)頁服務(wù)器的功能。用html輸入代碼并嵌入到ide中編譯，下載到edison當(dāng)中，打開瀏覽器，輸入ip地址，打開8001端口，就可以看到html編寫的網(wǎng)頁。其次，要在edison的arduino擴(kuò)展板上添加一個i/o擴(kuò)展板，將dfrobotshieldv7.1擴(kuò)展板接插到“arduinoi/o接口”上，dfrobotshieldv7.1i/o擴(kuò)展板具有豐富的通信模塊接口，可以添加多種模塊。i/o擴(kuò)展板的功能是將arduino的端口擴(kuò)展為3芯接口，方便各種傳感器及其他驅(qū)動模塊的連接，接口用顏色表示信號線，防止插錯。接下來，在i/o擴(kuò)展板的三色芯接口上插接顯示屏模塊、感光傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、電源分配模塊。

智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組的工作流程：(1)計算陽光在不同時間段的移動射角信息(感光傳感器模塊→edison中心控制單元)；(2)太陽能電池板驅(qū)動控制(edison中心控制單元對陽光射角和最優(yōu)發(fā)電姿態(tài)進(jìn)行比較計算或者接受外部升降、調(diào)角命令→指令電機(jī)驅(qū)動模塊→步進(jìn)電機(jī)→太陽能電池板)；(3)微電網(wǎng)電能調(diào)度控制(edison中心控制單元計算太陽能電池板發(fā)電量、電器用電量、鋰電池組蓄電量→edison中心控制單元根據(jù)以上計算指令電源分配模塊分配電器用電，或者分配鋰電池組蓄電，或者指令鋰電池組放電)。電源分配模塊是微電網(wǎng)電能調(diào)度控制的子系統(tǒng)。太陽能發(fā)電受氣候影響大，電壓、電流、電量都可能出現(xiàn)波動，并且太陽能電池設(shè)備輸出的是直流電，需要直流變交流后才能供給家庭中的大多數(shù)電器使用。電源分配模塊有穩(wěn)壓和逆變兩個子模塊，它們的功能是升壓、降壓、逆變、分配。

智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組的功能還包括：(1)手機(jī)電腦實時監(jiān)測。隨時隨地可以用手機(jī)或電腦查看發(fā)電量、用電量、儲電量、電池板仰角、陽光輻射強(qiáng)度、電機(jī)工作狀態(tài)等，不受距離的限制。(2)手機(jī)電腦遠(yuǎn)程控制。當(dāng)遇到天氣變化用戶需要關(guān)閉發(fā)電系統(tǒng)，或者陽光強(qiáng)烈用戶需要用百葉電池板遮陽，或者用戶臨時需要向室內(nèi)輸送微風(fēng)通風(fēng)換氣時，通過手機(jī)上的應(yīng)用軟件app對系統(tǒng)的中心控制單元發(fā)去指令，遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)電機(jī)做出相應(yīng)的降落、90度直立、45度翻轉(zhuǎn)等動作。(3)設(shè)備自行運(yùn)轉(zhuǎn)模式。用戶可以在手機(jī)電腦應(yīng)用軟件上設(shè)定系統(tǒng)的升降時間，跟蹤日光的轉(zhuǎn)角頻次，然后讓系統(tǒng)自行運(yùn)轉(zhuǎn)，到點收放。也可以采取系統(tǒng)自帶的快捷模式，系統(tǒng)設(shè)備自行按照模式設(shè)定的參數(shù)運(yùn)行。(4)數(shù)據(jù)分析，異常報警。當(dāng)發(fā)電設(shè)備的電機(jī)、齒輪組、傳動帶等硬件發(fā)生異?；蛘呒矣秒娖鞯扔秒娧b置發(fā)生異常，會及時將報警信息發(fā)送到手機(jī)或電腦上提示。

edison是基于yocto編譯環(huán)境的linux系統(tǒng)，對于本系統(tǒng)的軟件來說，既可以將在linux中開發(fā)的現(xiàn)成軟件直接移植到edison中運(yùn)行，也可以直接操作edison中的linux系統(tǒng)，將各類軟件文檔在linux系統(tǒng)下完成。在edison的linux內(nèi)核中有3條通過usb實現(xiàn)的虛擬通道：usb虛擬網(wǎng)卡、usb虛擬串口、usb虛擬磁盤設(shè)備。方法一：通過ft232usb串口連接。用戶將usb連接線對應(yīng)至ft232轉(zhuǎn)串口芯片控制的usb串口上，就可以連上外部pc。在pc中識別出一個usb串口設(shè)備，記下串口號，比如com3，隨后可以使用串口終端的軟件，比如putty，使用115200bit/s速率，即可登錄到edison上的linux終端。方法二：通過usb虛擬網(wǎng)卡連接。使用ssh通過edison虛擬的usb網(wǎng)卡設(shè)備建立連接。在默認(rèn)配置下，edison自己使用192.168.2.15作為虛擬網(wǎng)卡另一頭的地址，由于usb虛擬連接不具備自動分配ip地址的能力，因此需要手工為其分配一個pc的ip地址，比如192.168.2.10。同樣可以使用scp命令、windows上的winscp等軟件，通過ssh向edison系統(tǒng)傳送文件，或者將edison中的文件傳送至pc端。當(dāng)然，edison同樣支持使用arduinoide、intelxdkiot、wyliodrin、eclipse等工具進(jìn)行軟件開發(fā)。

本發(fā)明涉及的軟件開發(fā)包括：

1)太陽能電池板升降驅(qū)動控制軟件：

edison的cpu接收定時升降命令或來自手機(jī)或網(wǎng)絡(luò)pc端的臨時升降命令，然后計算太陽能電池板當(dāng)前狀態(tài)，確認(rèn)主、副齒輪組(13)(16)全部分離，計算升降命令的行程，再將升降命令行程發(fā)給pwn端口的直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，接著驅(qū)動模塊向升降電機(jī)(8)發(fā)出脈沖信號，電機(jī)(8)根據(jù)脈沖頻率和脈沖數(shù)做出相應(yīng)的角位移，最后太陽能電池板在升降帶和連桿的帶動下，做出升降運(yùn)動。

2)太陽能電池板調(diào)角驅(qū)動控制軟件：

感光傳感器接收陽光射角信息，然后edison的cpu計算射角信息與太陽能電池板最優(yōu)發(fā)電仰角的差異，形成調(diào)整仰角度數(shù)的命令，再將仰角度數(shù)調(diào)整命令發(fā)給pwn端口的直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊，接著驅(qū)動模塊向調(diào)角電機(jī)(12)發(fā)出脈沖信號，調(diào)角電機(jī)(12)根據(jù)脈沖頻率和脈沖數(shù)做出相應(yīng)的角位移，最后太陽能電池板在齒輪組的帶動下，做出仰角調(diào)整，感光傳感器確認(rèn)仰角最優(yōu)。

3)微電網(wǎng)電能調(diào)度控制軟件

微電網(wǎng)電能調(diào)度控制軟件是一個嵌入式能源匹配、電能輸入輸出的控制系統(tǒng)，軟件本質(zhì)上是一種電能管理系統(tǒng)技術(shù)(ems)在微電網(wǎng)環(huán)境中的應(yīng)用，它嵌入在智慧發(fā)電物聯(lián)網(wǎng)芯片組的edison中心控制單元中，同時管理著太陽能電池板、電源分配器、鋰電池組和室內(nèi)所有電器的工作用電狀態(tài)，匹配太陽能電池的發(fā)電量、鋰電池組的儲電量與室內(nèi)各個電器的用電需求之間的差異，通過制定相關(guān)策略優(yōu)化家用電器的電能消耗結(jié)構(gòu)，在實時電價的背景下對家庭的能耗、鋰電池的切換及并網(wǎng)輸電做出管理，從而達(dá)到能耗節(jié)約的目的。軟件的架構(gòu)包括：

3.1)微電網(wǎng)電能調(diào)度邏輯關(guān)系如圖10所示。

3.2)微電網(wǎng)能耗條件分析如下：

安裝了光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池且具有各種家用電器的家庭微電網(wǎng)；

太陽能電池板和蓄電池分別通過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)運(yùn)行；

市電采用實時電價進(jìn)行計費(fèi)并且用戶可以向電網(wǎng)有償饋電；

電網(wǎng)公司的電價信息是公開的；

光伏發(fā)電系統(tǒng)在各個時段的發(fā)電量是能夠被預(yù)測的；

系統(tǒng)以每天零點至24點為一個家庭微電網(wǎng)能調(diào)度周期，以0.5小時為一個時段，時段總數(shù)l＝48。

3.3)用電側(cè)能耗建模：

模型1：蓄電池模型-蓄電池充電動態(tài)與約束-蓄電池放電動態(tài)與約束-蓄電池自放電動態(tài)與約束；

模型2：家用電器模型-運(yùn)行時段可調(diào)度的電器模型-運(yùn)行功率可調(diào)度的電器模型-不可調(diào)度的電器模型；

以上兩組模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以參考《接入可再生能源家庭能耗優(yōu)化策略研究》一文，作者是同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院的林峰、宋楠、舒少龍，文章發(fā)表在《系統(tǒng)仿真技術(shù)》feb.2016,vol.12,no.1,page1-3。該文將家庭內(nèi)所有家用電器分為三類：①運(yùn)行時段可調(diào)度的電器，如洗衣機(jī)、電飯煲、洗碗機(jī)、烘干機(jī)、電動汽車等，這類電器可在設(shè)定的調(diào)度時段區(qū)間內(nèi)選擇用電時間；②運(yùn)行功率可調(diào)度的電器，如空調(diào)、熱水器，這類電器運(yùn)行時段比較固定，如若發(fā)生改變，會對用戶的舒適度或生活習(xí)慣產(chǎn)生較大影響，但可以調(diào)節(jié)這類電器的運(yùn)行功率；③不可調(diào)度的電器包括電冰箱，需24小時運(yùn)行，節(jié)能燈、電視機(jī)、電腦的使用具有較大的隨機(jī)性。

在以上兩組模型的基礎(chǔ)上，以用電費(fèi)用少和蓄電池切換次數(shù)少為調(diào)度目標(biāo)可以得到優(yōu)化控制模型。其中，因為蓄電池的切換次數(shù)對壽命影響較大，考慮到成本問題，希望尋求的最優(yōu)解能夠保證蓄電池切換次數(shù)在4次以內(nèi)。關(guān)于用電費(fèi)用少，是指家庭在太陽能發(fā)電不足情況下的并網(wǎng)購電費(fèi)用。實際上，本系統(tǒng)設(shè)計的建筑立面光伏一體化發(fā)電系統(tǒng)基本可以滿足普通家庭的用電需求，而且，對于低耗電用戶來講，還能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔芟蚓W(wǎng)上輸送，從而獲得太陽能發(fā)電的額外收益。