一种屋面光伏组件及包括该组件的建筑物的制作方法

1.本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种屋面光伏组件及包括该组件的建筑物。


背景技术：

2.变电站建筑屋面光伏组件关键技术研究的意义在于：站区内巡维中心和警传室照明和宿舍淋浴间热水用电全部可通过光伏屋面板供电，全站运维人员的生活用电可自给自足；多余的电还能并入电网收取电费；各地绿色建筑补贴政策陆续出台，助力bipv产业。屋面光伏组件：可代替屋面瓦作用、防水、可作为光伏发电，光伏屋面一体化；光伏组件既是发电装置，又是建筑外围结构的一部分。
3.本发明立足于输变电工程建设的实际需求，结合南方地区输变电工程遇到的典型问题，采用光伏板与屋面瓦结合的一体化，在满足建筑物屋面遮雨、保温、隔热、防水的基础上，也为变电站运行人员的生活用电提供不同形式来源，实现站内生活用电自给自足。
4.现有技术对于bipv光伏建筑一体化的运用还停留在通过在屋面集成大量光伏组件，从而接收太阳辐照。如此设计导致光伏建筑的建设成本大幅度升高，其最终发电成本远高于水力发电和/或火力发电，不具有大批次、大规模的建设意义。而能够提高光伏组件接收太阳辐照效率的双轴跟踪系统具有更高的技术复杂性，这使得它可能容易受到故障的影响，难以用于屋面建设，并且双轴跟踪系统的跟踪器的使用寿命较短，可靠性较低。最重要的是，双轴跟踪系统无法用于bipv（光伏建筑一体化），导致其应用场景受限。因此，如何提高光伏组件的发电效率，吸收更多的太阳能；如何避免光伏组件角度效率损伤；如何使光伏组件处于最佳朝向、最佳倾角；如何应用于屋面结构，实现bipv光伏建筑一体化，是现有技术急需解决的技术问题。
5.本发明在此基础上，提出屋面倾角、光伏元件倾角和屋面朝向的三种调节方式的三位一体的屋面倾角跟踪体系，能够实现屋面光伏元件效率的提高。相较于现有技术的双轴跟踪系统，本发明能够实现太阳能的最大化利用，并且能够用于光伏建筑一体化，能够用于屋面光伏元件的建设，具有广阔的研究前景和发展空间。
6.中国专利cn113914531b公开了装配式bipv光伏屋面系统，属于光伏建筑一体化技术领域，该装配式bipv光伏屋面系统，包括：钢结构主体；风道组件，包括风道，设置在所述钢结构主体上，其两端可选的设置风机，用以进行通风散热；纵向连接组件，用以连接光伏板，包括内部中空的纵向主构件，其架设在所述钢结构主体上，并与所述风道连接，所述纵向主构件的两侧设置有纵向导水槽、保温隔热板；横向连接组件，用以连接所述光伏板，包括导流件。通过连接系统起到连接、导水排水、排风、隔热多样的作用，满足现行屋顶的需求，具有建筑房屋屋面的防水、保温隔热等功能，同时能够光伏发电，是光伏建筑的深度融合，做到了光伏建筑一体化。但是该专利未考虑太阳移动轨迹带来的光伏屋面发电效率降低的问题，其发电成本过高，难以支撑工业用电，需要外置其余发电装置才能满足用电需求。
7.中国专利cn109815544a公开了一种基于bim的屋顶光伏布置方法，包括：输入经纬度信息，模拟项目建造地点的太阳辐射轨迹，得出太阳辐射最佳倾角；利用bim对建筑物进行数字化建模，并根据太阳辐射最佳倾角得出光伏板的最佳倾角；输入光伏板的最佳倾角、排列方式和光伏板尺寸，对建筑物屋顶的光伏组件进行数字化建模；模拟一天中固定时间段的光照阴影，根据固定时间的光照阴影图片，确定光伏板的最佳布置距离。该专利通过bim对屋顶光伏组件进行三维模型可视化模拟以及阴影模拟，使得屋顶光伏项目的设计及光伏板布置等更加直观、准确，避免了光伏板布置不合理的浪费和时间的延误。该专利通过计算太阳辐射最佳倾角从而对光伏板的排布更加直观、准确，以提高发电效率，但是最佳倾角本就是相对概念，是时刻处于动态变化过程中的。通过计算出最佳倾角固然能够提高发电效率，但是相对于现有技术进行朝南屋面布置的光伏元件来说，效率提升较低，无法做到全时间处于最大效率化发电下效果。
8.此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。


技术实现要素：

9.现有技术中的光伏组件难以吸收更多的太阳能。尤其是光伏组件角度效率损伤是现有技术难以规避的重要技术难题。光伏组件的朝向会影响发电效率，而当光伏组件处于最佳位置、最佳倾角时，则会增加发电量。正面接收日光的光伏组件所产生的电量要比斜向照射日光的光伏组件产生的电量更多。在理想情况下，光伏组件在阳光直射的情况下具有使发电效率最大化的倾角。屋面光伏组件设置有支架以及支架倾角调节，使得光伏组件在倾角方向具有更大的灵活性，从而实现光伏组件发电量的最大化。但是问题在于，太阳的移动轨迹相较于地面来说，并非是一种平面上的线段，即，太阳移动轨迹是立体的，是时刻变化的。现有技术很难基于太阳的移动轨迹去相应改变光伏组件的倾角，导致光伏组件的发电效率仍处于较低水平，并且如此建设屋面光伏组件还需要消耗额外的建设成本（计算模块、考虑防水、坚固等问题）。
10.针对现有技术之不足，本发明提供了一种屋面光伏组件，所述光伏组件至少包括位于屋面竖向上方的承载基座和光伏元件，所述承载基座的竖向上方还装设有用于调节屋面倾角的调节单元。所述光伏组件还包括框架件。所述框架件设置有倾角模块，所述框架件基于所述调节单元和倾角模块被控制单元控制的倾角变化来使得所述光伏元件倾角进行符合太阳高度角变化曲线的倾斜运动。其中，所述调节单元至少基于太阳赤纬按照框架件的倾角符合当前太阳赤纬的方式调节框架件的倾角，同时所述倾角模块至少基于太阳时角按照框架件的倾角符合当前太阳高度角的方式调节框架件的倾角。
11.根据一种优选的实施方式，所述框架件基于所述调节单元被所述控制单元控制的伸缩程度的变化来进行倾斜角度的改变，其中，所述控制单元基于当前太阳赤纬调整所述调节单元的伸缩程度，所述控制单元基于太阳高度角变化曲线来按照使得所述光伏元件对准太阳照射方向的方式控制所述倾角模块。
12.根据一种优选的实施方式，所述控制单元获取屋面所在地的属性信息，根据属性
信息计算太阳高度角变化曲线；根据太阳高度角变化曲线确定所述光伏元件的倾角调整角度；基于属性信息确定调整的触发条件；基于属性信息中的至少一种参数满足上述触发条件时，所述控制单元控制调节单元和/或倾角模块调节光伏元件的倾角；从而实时调节光伏元件倾斜度以满足光伏元件的最大发电效率。其中，所述触发条件至少包括属性信息中的时间、晨昏线、上中天和/或下中天。
13.根据一种优选的实施方式，所述太阳高度角变化曲线至少由所述控制单元得出。其中，所述控制单元基于地球方位角j和太阳高度角变化曲线建立地太坐标系，所述地太坐标系由向量表示为：标系由向量表示为：标系由向量表示为：标系由向量表示为：标系由向量表示为：其中，为太阳位矢，为下中天位矢，为太阳移动轨迹圆的圆心位矢，太阳赤纬为，太阳高度角为，纬度为，太阳时角为；所述控制单元将上述向量经过矩阵简化计算后得到所述太阳高度角变化曲线的函数表达式：所述控制单元至少基于上述太阳高度角变化曲线改变屋面倾角和/或光伏元件倾角。
14.根据一种优选的实施方式，所述调节单元支撑位于竖向上顶端的若干个所述光伏元件。其中，所述调节单元包括顶杆和固定在顶杆的竖向上方并且与框架件连接的屋面轴。所述顶杆与外部电源连接。若干个所述光伏元件设置于所述框架件上。所述屋面轴与框架件铰接。所述框架件与承载基座的连接处设有滑动件。其中，所述滑动件与承载基座固定连接。所述框架件与滑动件转动连接并且所述框架件与滑动件的连接处设有滑轨。所述滑动件能够沿滑轨进行滑动，从而对框架件的滑动形成限位导向的作用。所述滑动件包括设置在滑轨内的滑动块和与滑动块转动连接的滑动杆。所述滑动杆固定在承载基座上以对框架件提供支撑作用。
15.根据一种优选的实施方式，所述屋面轴与框架件之间通过所述铰接件连接，所述屋面轴在所述调节单元带动下进行竖向高度的变化。所述框架件会随着所述屋面轴的变化进行变化，从而实现所述光伏元件倾角的调节。
16.根据一种优选的实施方式，若干个光伏元件设置于框架件的向阳面，所述框架件的向阴面设有屋面瓦片，其中，所述屋面瓦片与框架件固定连接，所述屋面瓦片形成的顶部空间中设置有液体容器，用于储存雨季时的落雨，以提供建筑的部分用水，所述屋面瓦片构成的顶部空间中还设置防火材料和/或保温材料和/或反热涂层和/或辐射毛细管，所述辐射毛细管连接至建筑内部空调机组和/或热泵，以保持建筑内部温度和湿度。
17.根据一种优选的实施方式，若干个所述光伏元件设置于所述框架件的放置槽中。
所述放置槽中设有所述倾角模块。所述倾角模块包括转动轴和转动主体。所述光伏元件设置于转动主体的竖向上方，所述转动主体设为为圆弧体，在所述圆弧体的圆心处设置有转动轴。其中，在所述转动轴带动下，所述转动主体绕所述转动轴旋转并且带动所述光伏元件进行旋转，从而实现所述光伏元件的倾角调节。所述转动轴与电机连接。所述电机与控制单元通信连接以控制所述电机的转动角度。
18.根据一种优选的实施方式，所述承载基座至少在竖向方向上分为第一层和第二层。其中，所述第一层位于所述第二层竖向上方。所述第一层和第二层之间通过环形轨道连接。所述承载基座设有太阳能电动机。由所述太阳能电动机带动齿轮使得所述第一层在所述第二层基础上沿所述环形轨道进行旋转。所述第一层的旋转角速度对应太阳转动速度。
19.本发明还涉及一种采用所述屋面光伏组件建设而成的建筑物。
20.本发明的有益技术效果：本发明提出的屋面倾角、光伏元件倾角和屋面朝向的三种调节方式的三位一体的屋面倾角跟踪体系，能够实现屋面光伏元件效率的提高，考虑了倾角对光伏组件发电量的影响，使得光伏元件在倾角方向具有更大的灵活性，从而实现光伏组件发电量的最大化，并且相较于现有技术的双轴跟踪系统，本发明能够实现太阳能的最大化利用，并且能够用于光伏建筑一体化，能够用于屋面光伏元件的建设，具有广阔的研究前景和发展空间。
附图说明
21.图1是本发明提供的一种优选实施方式的屋面光伏组件的简化结构示意图；图2是本发明提供的一种优选实施方式的屋面光伏组件的侧视图；图3是本发明提供的一种优选实施方式的光伏元件的侧视图；图4是本发明提供的一种优选实施方式的地太坐标系的示意图图；图5是本发明提供的一种优选实施方式的屋面光伏组件的太阳移动轨迹示意图；图6是本发明提供的一种优选实施方式的控制单元的流程示意图。
22.附图标记1：光伏元件；2：框架件；3：调节单元；4：倾角模块；5：顶杆；6：屋面轴；7：滑轨；8：滑动块；9：滑动杆；10：转动轴；11：转动主体；12：第一层；13：第二层；14：环形轨道。
具体实施方式
23.实施例1本发明提供了一种屋面光伏组件，包括位于屋面竖向上方的承载基座。承载基座的竖向上方还装设有用于调节屋面倾角的调节单元3。调节单元3支撑位于竖向上顶端的若干个光伏元件1。其中，调节单元3包括顶杆5和固定在顶杆5的竖向上方并且与框架件2连接的屋面轴6。顶杆5与外部电源连接。若干个光伏元件1设置于框架件2上。屋面轴6与框架件2铰接。框架件2与承载基座的连接处设有滑动件。其中，滑动件与承载基座固定连接。框架件2与滑动件转动连接并且框架件2与滑动件的连接处设有滑轨7。滑动件能够沿滑轨7进行滑动，从而对框架件2的滑动形成限位导向的作用。优选地，滑动件包括设置在滑轨7内的滑动块8和与滑动块8转动连接的滑动杆。滑动杆固定在承载基座上以对框架件2提供支撑作用。优选地，调节单元3至少基于太阳高度角变化曲线按照框架件2的倾角符合当前太阳高度角
的方式调节框架件2的倾角。优选地，太阳高度角变化曲线由所在地经纬度、太阳时角和太阳赤纬确定。优选地，调节单元3至少在太阳日内调节框架件2的倾角，使得光伏元件1以最佳角度接收太阳的辐照。本发明至少通过调节单元3对框架件2倾角的调节以使得设置于框架件2上的光伏元件1与地平线的夹角符合太阳高度角。
24.现有技术对于bipv光伏建筑一体化的运用还停留在通过在屋面集成大量光伏组件，从而接收太阳辐照。如此设计导致光伏建筑的建设成本大幅度升高，其最终发电成本远高于水力发电和/或火力发电，不具有大批次、大规模的建设意义。尤其是对于屋面来说，在倾斜屋面的两侧设置光伏组件必然导致在太阳光照时，有一面处于阴面，而无法接收太阳辐照。但是光伏组件的折损成本处于较高状态。若仅设立一面光伏组件，其发电量不足以支撑建筑内部的用电需求，即使满足用电需要，其屋面的应用面积也被大量占用。对此，本发明提出通过调整光伏组件的倾角，使其适配与太阳高度角变化曲线，从而增加光伏组件的发电量，并且减少建设成本。
25.对于光伏组件倾角的调节，由于太阳高度角变化并非是线性变化，并且太阳具有相应的移动轨迹，导致若想要光伏组件以非线性方式进行倾角改变是非常困难的。即使建设出的光伏组件能够以垂直太阳高度角的方式进行对应变化，但是其高额的建设成本、维修成本，使得该方案并不具有实际建设的意义。尤其是在遇到恶劣天气环境时，其屋面设置的精确的倾角调节装置必然受到天气的影响，导致精度降低，甚至无法再次使用的情况。
26.根据一种优选的实施方式，屋面轴6与框架件2之间通过铰接件连接。屋面轴6在调节单元3带动下进行竖向高度的变化，框架件2会随着屋面轴6的变化进行适应性变化，从而实现光伏元件1倾角的调节。优选地，调节单元3设有倾角调节范围。该倾角调节范围优选为15
°
~45
°
。之所以设置调节单元3的倾角调节范围，是因为屋面太过于陡峭会影响安装施工的难度，造成安装人员的安全隐患。若倾角小于15
°
其光伏元件1在夏季的发电效率将会大大减弱。本发明限定框架件2的倾角处于适中状态，使其能够灵活用于城市的屋顶安装光伏组件。
27.光伏组件发电量的影响因素很多，除了光伏组件本身的质量和功率，安装过程中的角度设计及屋顶倾斜度也会影响光伏组件的效率。本发明设计的屋面光伏组件考虑了倾角对光伏组件发电量的影响，即太阳高度角变化曲线。倾角设计还能够对雨季的防水工作提供帮助，尖顶存在审美和防水效果更好的效果。例如，在降雨量较大的南方，将屋面设计具有倾角能够易于排水。而在降雪量较大的北方，倾角有利于积雪的排解。若采用平顶光伏元件1，不仅不能对倾角调节收获最大发电量，还可能被雨水或积雪冲塌。
28.根据一种优选的实施方式，若干个光伏元件1设置于框架件2的向阳面。框架件2的向阴面设有屋面瓦片。其中，屋面瓦片与框架件2固定连接。屋面瓦片形成的顶部空间中能够设置有液体容器，用于储存雨季时的落雨，以提供建筑的部分用水。优选地，屋面瓦片构成的顶部空间中还能够设置防火材料和/或保温材料和/或反热涂层和/或辐射毛细管。辐射毛细管连接至建筑内部空调机组和/或热泵，以保持建筑内部温度和湿度。由于光伏元件1的长时间工作会积累大量热能，导致建筑内部温度升高，顶部空间中能够设置温控系统以平衡该部分热量。
29.由于太阳高度角处于时刻变化的状态，导致现有技术中的光伏组件难以吸收更多的太阳能。尤其是光伏组件角度效率损伤是现有技术难以规避的重要技术难题。光伏组件
的朝向会影响发电效率，而当光伏组件处于最佳位置、最佳倾角时，则会增加发电量。正面接收日光的光伏组件所产生的电量要比斜向照射日光的光伏组件产生的电量更多。在理想情况下，光伏组件在阳光直射的情况下具有使发电效率最大化的倾角。对于屋面光伏组件而言，为实现发电量的最大化，通常基于安装点所处的地理位置，将光伏组件设置于向阳面。例如，处于北半球时，朝南屋顶会获得更多阳光照射。更优选地，屋面光伏组件设置有支架以及支架倾角调节，使得光伏组件在倾角方向具有更大的灵活性，从而实现光伏组件发电量的最大化。但是问题在于，太阳的移动轨迹相较于地面来说，并非是一种平面上的线段，即，太阳移动轨迹是立体的，是时刻变化的。现有技术很难基于太阳的移动轨迹去相应改变光伏组件的倾角。例如，支架仅能改变光伏组件的上下左右角度，而太阳移动轨迹是呈现弧形。支架倾角的调节难以实现对应于太阳的弧形轨迹。具体地，太阳高度角的变化曲线为抛物线，同时太阳移动轨迹为抛物线，使得若想要光伏组件时刻对准太阳方向，需要同时调节光伏组件的上下左右四个方向上的角度，并且该调节是非线性的。对于现有技术的支架来说，这是无法实现的，导致光伏组件的发电效率仍处于较低水平，并且如此建设屋面光伏组件还需要消耗额外的建设成本（计算模块、考虑防水、坚固等问题）。对此，本发明提出通过改变屋面倾角、光伏元件1倾角和屋面朝向的三种调节方式的结合去间接实现光伏组件时刻对准太阳方向。优选地，光伏元件1设置于框架件2上。优选地，框架件2基于调节单元3被控制单元控制的伸缩程度的变化来进行倾斜角度的改变。优选地，控制单元基于当前太阳赤纬调整调节单元3的伸缩程度。优选地，控制单元基于太阳高度角变化曲线来按照使得光伏元件1对准太阳照射方向的方式控制调节单元3。优选地，控制单元获取屋面所在地的属性信息，根据属性信息计算太阳高度角变化曲线；根据太阳高度角变化曲线确定光伏元件1的倾角调整角度；基于属性信息确定调整的触发条件；基于属性信息中的至少一种参数满足上述触发条件时，控制单元控制调节单元3和/或倾角模块4调节光伏元件1的倾角；从而实时调节光伏元件1倾斜度以满足光伏元件1的最大发电效率。优选地，触发条件至少包括属性信息中的时间、晨昏线、上中天和/或下中天。优选地，太阳高度角在一天中达到的最大值为上中天；太阳高度角在一天中达到的最小值为下中天。
30.上述方案中。控制单元基于太阳属性信息生成若干种触发条件，但是不会预先对光伏元件1的倾角进行调整，以防止光伏元件1发电效率降低。上述触发条件均是太阳高度角变化节点处的特征，以保障光伏元件1的调节符合太阳移动轨迹。基于若干种触发条件的调节方式，能够避免出现计算错误以及光伏元件1倾角不能及时追踪太阳高度角的问题。优选地，控制单元至少针对屋面所在地获取属性信息。属性信息为各种描述该所在地方位数据、时间数据的参数。例如，属性信息至少包括经纬度、太阳时角、时区、太阳赤纬、晨昏线、上中天和下中天等。
31.控制单元将太阳高度角变化曲线的峰值设为上中天，太阳高度角变化曲线的谷值设为下中天。控制单元将过上中天和下中天太阳所处位置的地球上的太阳投影圆设为子午线。子午线与地平线的交点设为第一点和第二点。第一点靠近正北方向。第二点靠近正南方向。控制单元还将过地球所在位置和地图两次中天形成的圆与地平线的交点到第一点形成的圆弧度设为地球方位角。优选地，控制单元基于地球方位角和太阳高度角变化曲线建立地太坐标系。如图4所示，其中纬度为，太阳时角为。空间坐标系原点为地球圆心。地球圆
心朝向正北方向为x轴方向。与x轴垂直并且沿正东方向为y轴方向。与上述x轴和y轴垂直，并且沿正南方向为z轴方向。为太阳位矢，为下中天位矢，为太阳移动轨迹圆的圆心位矢，太阳赤纬为，太阳高度角为。控制单元由此设置地太坐标系的各向量：。控制单元由此设置地太坐标系的各向量：。控制单元由此设置地太坐标系的各向量：。控制单元由此设置地太坐标系的各向量：。控制单元由此设置地太坐标系的各向量：其中，上述向量均为矩阵。优选地，控制单元将地太坐标系中的各向量进行化简计算，得：算，得：算，得：优选地，控制单元将上述矩阵简化为方程组，得：优选地，控制单元将上述矩阵简化为方程组，得：优选地，控制单元将上述方程组中的地球方位角消除，得：消除，得：上述即为太阳高度角的方程式。太阳为下中天和上中天时，太阳时角分别为0和，即取最小值和最大值，则取正，得太阳高度角的函数表达式：优选地，太阳赤纬是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。优选地，太阳时角是太阳光照到地面的一点和地心的连线与当地正午时地、日中心连线分别在地球赤道平面上的投影之间的夹角。将屋面所在地的属性信息带入上述公式中，即得屋面所在地的太阳高度角变化曲线。
32.优选地，控制单元至少基于上述太阳高度角变化曲线改变屋面倾角和/或光伏元件1倾角。优选地，调节单元至少按照框架件的倾角符合当前太阳赤纬的方式调节框架件的倾角。优选地，倾角模块至少按照光伏元件的倾角符合当前太阳高度角的方式调节光伏元件的倾角。优选地，屋面最佳坡度与屋面所在地的纬度保持一致。优选地，控制单元基于时间变化改变屋面倾角。优选地，控制单元基于一天内太阳高度角变化曲线调整光伏元件1倾角。例如，控制单元控制屋面倾角与屋面所在地的纬度保持一致，并且在冬季时增加10
°
，在
夏季时减少10
°
（该数值进行相应调整）。控制单元使得光伏元件1与地平面的夹角和太阳高度角相对应。即光伏元件1与地平面的夹角和太阳高度角的和为90
°
。由于屋面倾角也在进行调节，在对光伏元件1调节时，应当先减去屋面倾角。具体地，调节单元的伸缩程度的变化作为光伏元件竖向倾角调节的第一维度。倾角模块的旋转角度作为光伏元件竖向倾角的调节为第二维度。优选地，调节单元的伸缩程度先于倾角模块的旋转角度进行调节。优选地，调节单元的伸缩程度取决于太阳赤纬。优选地，倾角模块的旋转角度取决于屋面所在地的太阳高度角变化曲线和调节单元的伸缩程度。例如，以屋面处于北京为例。北京的地理坐标为：北纬39
°
26
′
至41
°
03
′
之间。可约为北纬40
°
。当太阳赤纬为23
°
26
′
s（冬至日）时，调节单元调整屋面倾角=40
°‑
（-23
°
26
′
）=63
°
26
′
。当太阳赤纬为23
°
26
′
n（夏至日）时，调节单元调整屋面倾角=40
°‑
23
°
26
′
=16
°
34
′
。当太阳赤纬为0
°
（春秋分日）时，调节单元调整屋面倾角=40
°‑0°
=40
°
。但是由于屋面不易过于倾斜，对此设置了屋面倾角的调节范围为15
°
~45
°
。即在太阳赤纬为5
°
s及以上时，屋面倾角固定为45
°
，由倾角模块进行第二维度的调节。优选地，倾角模块的倾角大小 屋面倾角 太阳高度角=90
°
。例如，以屋面处于北京为例。在冬至日时，当日北京正午太阳高度由上述太阳高度角曲线可知为26
°
34
′
，此时屋面倾角由上述可知为45
°
。即得在冬至日时，北京正午时倾角模块的旋转角度为：90
°‑
26
°
34
′‑
45
°
=18
°
26
′
。其余日期和地点如上述同理。优选地，光伏元件1通过倾角模块4进行倾角调节。优选地，若干个光伏元件1设置于框架件2的放置槽中。优选地，放置槽中设有倾角模块4。优选地，倾角模块4包括转动轴10和转动主体11。光伏元件1设置于转动主体11的竖向上方。转动主体11为圆弧体。该圆弧体的圆心处设置转动轴10。在转动轴10带动下，转动主体11绕转动轴10旋转并且带动光伏元件1进行旋转，从而实现光伏元件1进行倾角调节。优选地，转动轴10与电机连接，电机与控制单元通信连接以控制电机的转动角度。优选地，放置槽和转动主体11之间设置有缓冲物质。电机能够由外部电源供电。在光伏元件1使用时，光伏元件1在转动主体11带动下形成一定倾角以最大效率接收太阳光照。在遭遇恶劣天气时，光伏元件1能在转动主体11带动下置于转动主体11竖向下方，从而避免雨水、雪和/或风的直接击打。优选地，控制单元能够与天气预报数据库对接以在恶劣天气时将光伏元件1收回。优选地，框架件上还设置有湿度监测传感器。控制单元通过湿度监测传感器判断光伏元件1所处环境是否发生下雨、降雪等情况。湿度监测传感器监测的数据还用于对天气预报数据库对接的数据进行校准。现如今天气预报数据库不能做到完全精确。对此设置湿度监测传感器对天气预报数据库传输的数据进行进一步校准，防止出现未发生恶劣天气变化而光伏元件1被收起的情况。优选地，控制单元能够被人工控制以实现对光伏元件1的收起。在屋内人员判断应当收起光伏元件1的情况下，能够人工控制光伏元件1的收起。
33.缓冲物质可采用橡胶以对转动主体11和光伏元件1的转动提供保护。调节单元3用于太阳在一年中，由于直射点变化带来的光伏元件1大的倾角变化的调节，而倾角模块4用于太阳在一天中，由于高度角变化带来的光伏元件1小的倾角变化的调节。两者配合实现提高光伏元件1工作效率的目的。之所以不采用一种调节方式进行单一控制，是因为过于单一的调整方式会导致光伏元件1的倾角不能实时跟随太阳高度角变化曲线，并且太阳高度角受到太阳赤纬和太阳时角的双变量影响，单一的调节方式无法满足光伏元件1的最大效率化。优选地，上述属性信息满足触发条件时，控制单元通过调节单元3和倾角模块4控制光伏元件1的倾角以达到最大发电效率。优选地，属性信息能够由所在地的公开地理数据库获
取。
34.在本发明中，光伏元件1在竖向上的倾斜角度由调节单元3和倾角模块4控制，从而使得光伏元件1的竖向倾角符合太阳高度角变化曲线。太阳高度角变化曲线受到太阳赤纬和太阳时角的双变量影响。太阳赤纬是地球赤道平面与太阳和地球中心的连线之间的夹角。太阳时角是太阳光照到地面的一点和地心的连线与当地正午时地、日中心连线分别在地球赤道平面上的投影之间的夹角。光伏元件1想要达到最大效率，需要调节自身竖向倾角。该倾角与时间相关、与太阳直射点纬度相关（太阳赤纬）以及与太阳所处位置和正午太阳位置之间的角度差（太阳时角）有关。考虑到仅通过调节单元3的调节无法精确使得光伏元件1达到理想的最大效率，本发明创造性提出增加倾角模块4，通过太阳赤纬和太阳时角的分别调整方式，实现让光伏元件1始终处于最大效率的目的。
35.上述方案说明了竖向倾角的调节方式，而光伏元件1的水平倾角的调节在于：对光伏元件1朝向的调节。光伏元件1竖向倾角的调节仅使得光伏元件1在二维上始终与太阳高度角保持垂直，但是太阳在一天内的移动路径为斜向圆弧，除了竖向倾角的调节外，光伏元件1还需要在水平面上跟随太阳的转动。例如，当太阳处于正东方向时，光伏元件1需要朝向正东方，并且与太阳高度角垂直，才能获得能量转换的最大效率。优选地，承载基座至少在竖向方向上分为第一层12和第二层13。其中，第一层12位于第二层13竖向上方。第一层12和第二层13之间通过环形轨道14连接。优选地，承载基座设有太阳能电动机，由太阳能电动机带动齿轮使得第一层12在第二层13基础上进行旋转。其旋转角速度契合太阳转动速度。在进入夜晚后，第一层12仍保持该速度回到起始位置。该太阳能发电机由光伏元件1供电，在仅消耗不到光伏元件1发电效率1%的情况下，使得光伏元件1的效率提高了50%以上。优选地，太阳能发电机通过环形轨道14至少按照光伏元件的朝向符合当前太阳时角和太阳赤纬的方式调节第一层沿环形轨道14的移动角速度。具体地，第一层沿环形轨道14的移动角速度作为光伏元件朝向的第三维度。优选地，第一层沿环形轨道14的移动角速度取决于太阳时角和太阳赤纬。例如，以屋面处于北京为例。将环形轨道14分为上180
°
和下180
°
。上180
°
处于太阳光照，下180
°
处于夜晚。当太阳赤纬为0
°
（春秋分日）时，此时昼夜平分。第一层沿环形轨道14的移动角速度应当等于地球自转速度。即为每分钟15
′
或每小时15
°
，以使得光伏元件1跟随太阳移动轨迹。需要说明的是，此时日照时间为12h，而北京正午时间由于经纬度影响非十二点整，需要进一步计算所在地正午时间，从而计算出所在地的日出时间和日落时间，以控制第一层应当何时进行旋转，何时停止旋转并且回归零点。具体地，所在地正午时间通过所在地经度和所在地所属时区经度差计算。地球存在24个时区，每个时区相隔1小时，因此每个时区之间相差的经度是360
°
/24=15
°
。北京所属时区为东8区，其中心经度为15
°×
8=120
°
，由此得到东8区的经度范围是112.5
°
~127.5
°
。北京的精确经度是116.46
°
，与中心经度相差3.54
°
，由此可得北京正午时差=3.54
×
1/15
°
=0.236小时≈14.16分钟。地球是自西向东旋转，因此正午时间比时区中心更晚。即北京的正午时间为12：14。由此可得，日出时间为6：14，日落时间为18：14。当太阳赤纬非0
°
时，此时昼夜不均等，需要计算所在地正午时长和所在地日照时间从而间接得出所在地的日出时间和日落时间。正午时间与太阳赤纬无关，通过经度单独计算。而所在地的日照时间通过太阳光照射出的昼夜分隔线，切割所在地纬线的比例得到。例如，太阳赤纬为，北京纬度为。
36.日照时间=以北京五月二十五日为例，此时太阳赤纬为16.65
°
，北京纬度约为39.92
°
。
37.日照时间=13.93h约为13小时56分。由上述北京正午时间为12：14可得，日出时间约为05：16。日落时间约为19：12。第一层沿环形轨道14的移动角速度等于180
°
/13.93h，约为每小时12.9
°
。第一层沿环形轨道14移动的时间为05：16，停止时间为19：12。
38.优选地，控制单元通过第一维度、第二维度和第三维度使得光伏元件1与太阳光线垂直，从而获取最大发电效率。优选地，控制单元基于太阳赤纬变化调节第一维度。优选地，控制单元基于时间轴、太阳高度角和第一维度变化调节第二维度。优选地，控制单元基于时间轴、太阳赤纬和所在地经纬度调整第三维度。第二维度和第三维度采用同一时间轴，是以小时（或分钟）为单位，天为周期的时间轴。第一维度的时间轴是以天为单位，年为周期的时间轴。优选地，第一维度的调节在第二维度和第三维度之前。优选地，第二维度和第三维度在控制单元计算完成后进行调整。本发明通过第一维度、第二维度和第三维度对光伏元件的倾角进行调整，使其全天全年获取最大发电效率，节约发电成本，其放出的总电量能够满足工业用电需求。
39.现有技术也有太阳能跟踪系统，可以全天准确跟踪太阳的路径，调整太阳能电池板的表面或反射表面以跟随太阳的运动，可以使太阳能输出比标准面板增加35%左右。光伏跟踪支架系统可以根据它们的运动模式进行分类。移动表面有多个轴：两个水平轴和一个垂直轴。表面可以围绕每个轴旋转（倾斜）以获得接收最大阳光的正确角度。当表面围绕一个轴旋转发生移动或调整时，称为单轴跟踪；当表面同时围绕两个轴旋转时，称为双轴跟踪。由于单轴太阳能跟踪系统与双轴跟踪系统相比，在阳光充足的条件下，单轴跟踪器的能量输出较低，并且技术升级有限。本发明重点说明双轴太阳能跟踪系统。双轴跟踪持续跟踪太阳并全天提供恒定的功率输出；太阳能跟踪器在连接到电网的功率容量有限的情况下提供了合理的解决方案；双轴跟踪器需要更小的空间，并提供机会将周围的剩余区域用于其他额外用途，例如停车场、园艺等；与具有相同装机容量的静态站相比，跟踪系统每年产生的功率输出高出45~50%；双轴跟踪为可能阻碍太阳能生产力的区域提供最佳解决方案。其中一些区域可能是复杂的地面结构、复杂的地势、石头突起、向北下降等；双轴跟踪系统的投资回收期较短。此外，在其生命周期内，利润将显着增加。但是双轴跟踪系统具有更高的技术复杂性，这使得它可能容易受到故障的影响；跟踪器的使用寿命较短，可靠性较低。最重要的是，双轴跟踪系统无法用于bipv（光伏建筑一体化），导致其应用场景受限。bipv是一种将太阳能发电（光伏）产品集成到建筑上的技术。双轴跟踪系统的特殊性，即其过大的倾角调节轴导致其无法集成在屋面上，并且也不具有良好的抗雨雪能力，该跟踪方式存在一定的适用性和局限性。由于光伏元件1的输出特性是非线性的，易受周围环境因素的影响，使得双轴跟踪系统的跟踪精度很难提高，且结构较为复杂，难以用于屋面建设。而本发明在此基础上，提出屋面倾角、光伏元件1倾角和屋面朝向的三种调节方式的三位一体的屋面倾角跟踪体系，能够实现屋面光伏元件1效率的提高。相较于现有技术的双轴跟踪系统，本发明能够实现太阳能的最大化利用，并且能够用于光伏建筑一体化，能够用于屋面光伏元件1
的建设，具有广阔的研究前景和发展空间。
40.根据一种优选的实施方式，光伏元件1顺坡架空设置于屋面。框架件2与埋设在屋面板上的预埋件牢固连接，并能承受风荷载和雪荷载。预埋件及与框架件2的连接部位设有防水附加层。框架件2为光伏元件1在屋面上的防风、安装维护提供可靠的安全措施。预埋件基于框架件2尺寸和光伏元件1布置方式来设计安装，以固定框架件2，并且避免安装打孔破坏屋面防水附加层。为保证安装或维修人员的安全，框架件2上（或屋面屋脊上）适当位置设计埋设金属挂钩用于安装维修人员挂安全带。
41.实施例2本实施例是对实施例1的进一步改进，重复的内容不再赘述。
42.随着经济的持续发展，能源供应需求越发巨大，这对能源安全提出了严峻的考验。太阳能作为无污染、能源丰富，并且使用方便的可再生能源，是之后能源发展的重点。但是由于太阳能的强度和方向受到太阳移动轨迹和天气的影响较大，导致运行成本高，并且具有间隙性。尤其是屋面光伏组件，在实际使用过程中的维护成本过高，导致光伏发电始终不能应用于建筑物上。光伏组件的发电量与太阳辐照度、光伏组件能量转化效率和逆变器效率有关。现有技术对于光伏组件的能量转化效率已提升至20%，在当前工业条件下进一步提高转化率非常困难，而逆变器效率高达90%，提升空间较小。对此，现有技术采用太阳跟踪技术以尽可能更多获取太阳光照。现有技术对于太阳跟踪主要有以下三种方法：光电跟踪、天文跟踪和二者的结合。光电跟踪采用光敏传感器检测太阳方位以跟踪太阳，属于闭环控制，尤其受到天气的影响，会出现盲走等情况，并且光敏传感器的调配、维修、信号的稳定是该方法难以解决的技术难题。天文跟踪属于开环控制，但是自身的旋转工件存在公差或磨损，在累积误差下需要持续校准以确保装置的正确运行。现有技术的技术路线和技术方向是正确的，但是依然存在改进和进一步完善的需要。
43.上述实施例1是对天文跟踪的进一步修改应用。现有技术对于天文跟踪完全设置于跟踪构件本身，缺乏系统设计理念，没有将跟踪装置糅合在光伏组件中进行整体设计，导致跟踪装置和光伏组件之间的协同性差。实施例1从此入手，建立了三位一体的屋面倾角跟踪体系，更合理有效解决了太阳跟踪问题，但是仍存在一些不足。即仅靠天文跟踪无法应对实际应用中的多种不可抗因素。从全局视野来看，采用发电量作为太阳跟踪的直接标准才更合理、更有效，并且能够解决天气干扰的难题。尤其是晴天、雨雪天和阴天对太阳能发电量有着重要影响。对此，本发明提出以天文跟踪为辅、以天气工作模式为主，从而实现对发电量进行跟踪的智能化屋面光伏组件。
44.根据一种优选的实施方式，控制单元至少将光伏元件的工作模式分为雨雪天模式、阴天模式和晴天模式。由于在雨雪天气时，太阳被遮蔽，光伏元件所能吸收的太阳能减少，并且光伏元件存在出现事故或者失效的风险。对此，本发明设置了倾角模块以将光伏元件收回。在此基础上，控制单元记录光伏元件停止工作时的当前水平位置和倾角位置，并且以持续计算光伏元件天文跟踪的方式模拟光伏元件的倾角调节。优选地，控制单元在雨雪天气结束后按照模拟天文跟踪的方式调整光伏元件至对应的位置和倾角。优选地，控制单元模拟天文跟踪至少包括光伏元件停止工作时的当前水平位置、倾角位置、光伏元件返回正常位置时的太阳方位角、太阳高度角和雨雪天时长。优选地，控制单元控制光伏元件的倾角调节至少包括精调准过程和粗调准过程。优选地，控制单元被配置为利用关于天文跟踪
的太阳高度角变化曲线对光伏元件的天文跟踪移动中的位置和倾角进行至少一次计算，以此完成精调准过程并且控制光伏元件在阴天模式和/或晴天模式下进行相应移动。优选地，控制单元被配置为利用关于天文跟踪的太阳高度角变化曲线对雨雪天模式下的光伏元件的模拟天文跟踪的位置和倾角进行至少一次计算，以此完成粗调准过程并且控制光伏元件在雨雪天模式结束后以粗调准过程进行相应移动。
45.其中，精调准过程和粗调准过程的区别在于：精调准过程用于在阴天模式和/或晴天模式下对太阳高度角变化曲线的精准跟踪，属于高精度跟踪。而粗调准过程用于在雨雪天模式和/或夜晚时，使光伏元件快速归于正常位置的粗跟踪。由于在雨雪天气时，对光伏元件进行位置和/或倾角的调节存在损坏光伏元件的风险，所以在雨雪天时，光伏元件收回并且倾角模块和框架件均不进行移动，以减小雨雪天损耗。但是雨雪天的持续时间不定，可能存在较短的雨雪天气，此时需要将光伏元件快速移动至对应的位置和倾角以增加光伏元件的发电量。对此设置精调准过程和粗调准过程，精调准过程用于太阳的精确跟踪，而粗调准过程用于使光伏元件快速移动至所需位置。
46.优选地，在阴天模式时，控制单元至少以天文跟踪为主、以光电跟踪为辅的方式调节光伏元件的位置和倾角。优选地，光伏元件上设有光敏传感器以进行光电跟踪。光电跟踪仅作为修正天文跟踪的辅助调控方式，以防止光伏元件出现盲走情况。由于阴天天气下，太阳被遮蔽仅有部分透过云层的光线照射至光伏元件，此时以天文跟踪为主，保持光伏元件的发电量。此外，由于云层遮蔽的缘故，在某时会出现部分太阳直射光伏元件的情况。在该情况下，原本的天文跟踪不再适用，应该尽可能利用该直射光线以获取更多太阳能。因此，本发明设置光敏传感器以进行辅助性的光电跟踪。在整体移动轨迹和倾角调节方面采用天文跟踪，以确保光伏元件在趋势上符合太阳移动轨迹，并且通过光电跟踪在阴天光线透过云层直射光伏元件后进行倾角的微调。优选地，在晴天模式时，控制单元按照天文跟踪进行光伏元件位置和倾角的调节。优选地，在经过一个太阳日后，控制单元至少于夜晚调整光伏元件的累积误差。上述累积误差是指各机械组件自身存在的公差或模式。在重复的机械运转过程中，单纯依靠机械组件预设的角度或长短进行调节，会在不可控因素影响下出现损坏。具体地，在光伏元件通过天文跟踪和/或光电跟踪进行移动时，机械组件带动光伏元件进行移动。当光伏元件转动到期望角度或预设角度时，停止转动。但是当光伏元件尚未转动到该期望角度或预设角度就遭遇障碍物导致光伏元件难以继续维持正常转动时，由于此时控制单元未发出停止转动指令，机械组件继续工作，可能使得光伏元件或机械组件受到损坏。优选地，控制单元至少通过姿态传感器实时获取光伏元件在调节方向上的转动加速度以判断光伏元件是否遭遇障碍物。若遭遇障碍物，及时停止旋转以保护机械组件和光伏元件不受到损坏。姿态传感器例如是六轴或九轴姿态传感器。
47.根据一种优选的实施方式，光伏元件的工作模式至少通过控制单元进行选择。优选地，控制单元获取所在地的天气数据。优选地，天气数据包括水平面辐射、法相辐射、云量和清晰度。优选地，控制单元基于天气数据计算出所在地的直射比、修正清晰度以及云量数据，并且基于所在地的直射比、修正清晰度以及云量数据计算出天气类型指数。优选地，控制单元通过天气类型指数基于k均值聚类算法将所在地的天气划分为雨雪天、阴天和晴天。
48.根据一种优选的实施方式，至少设有一个光伏元件作为控制单元的天文跟踪和天气工作模式的调整基准。在所在地处，至少单独设置有一个光伏元件以作为屋面光伏元件
的调整基准。工作人员难以在屋面对光伏元件的运作情况进行严格监控。该屋面光伏元件大都采用无人值守、定期巡检的模式进行监测，并且屋面作业较为危险、复杂，不利于高频率、高效率的监测工作的进行。优选地，控制单元监测基准光伏元件以获取所在地的光伏元件运行数据。优选地，控制单元基于光伏元件运行数据同步调控其余光伏元件的运行参数。由于屋面光伏元件易受到外界环境干扰，其发电量变化较大。若在发电量发生变化后就进行监管，其监管任务量大，需要多名工作人员的现场维护工作。对此，本发明设立基准光伏元件，通过对照基准组掌握发电量变化情况，从而减少不必要的现场维护。通过本发明上述的优选方案，设立至少一组基准光伏元件并且至少用于对远程和/或近程屋面光伏元件发电量情况的监管。由控制单元在同一太阳日内光伏元件的发电量情况的之中以及之后进行记录存储，从而以直观的方式监管光伏元件的情况。这尤其有利于无人值守、定期巡检的工作模式。工作人员利用如智能设备从控制单元调取基准光伏元件和其余光伏元件发电量过程的之中以及之后的情况，使得光伏元件被即时监控。在对光伏元件的监管过程中，存在部分光伏元件因为飘落的杂物例如叶片遮挡的情况，往往出现当天发电量较低的问题。而作为基准的光伏元件发电量正常，由此排除天气影响。但是若需要工作人员去进行检测需要浪费大量的人力物力，最终解决方案却较为简单。例如叶片遮挡问题，即使不派出工作人员进行监测，叶片也会在之后随风或随天气变化落下。对此，本发明给出更科学的监测决策，在短时间内发电量发生非天气原因的变化后，作为重点监测对象，并且于下一太阳日重新与基准光伏元件的参数进行比对，若仍出现发电量减少的问题，才派出工作人员进行监测，以避免不必要的现场维护。在光伏发电过程中，能够通过基准光伏元件直观对比判断天气情况和/或非天气情况因素的影响是非常重要的技术措施。优选地，粗调准过程至少还用于在光伏元件发生非天气因素影响后，进行的重新比对的过程。例如，在屋面光伏元件的旋转角度未达到期望角度或预设角度时，可能光伏元件在雨后被部分泥土干扰，造成光伏元件停止转动。而在下一太阳日，若为晴天，光伏元件通过粗调准过程归为起始位置，并且进行正常工作。此时若派出工作人员进行监测，无疑浪费了人力成本。实际通过本方案能够排除天气因素和非天气因素给光伏元件工作带来的影响，减少人员调度，保障屋面光伏元件的正常进行。优选地，控制单元至少与基准光伏元件和其余光伏元件网络通信连接。
49.在全文中，“优选地”所引导的特征仅为一种可选方式，不应理解为必须设置，故此申请人保留随时放弃或删除相关优选特征之权利。
50.需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。