CN114336728A - 一种基于光储互补发电供暖*** - Google Patents

一种基于光储互补发电供暖*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光储互补发电供暖***，包括：光电转换模块、电池管理模块、中央控制器、无线通信模块、显示屏、客户端、用户信息采集模块和组件安装调整模块，光电转换模块通过光照产生直流电能，将产生的电能转换后输入到电池管理模块，通过电池管理模块在存储电能供电取暖设备使用的同时保护电池，通过中央控制器管理电池退出机制、调整输出状态，通过无线通信模块将数据上传，通过显示屏为用户显示***信息，通过用户信息采集模块用于采集用户使用光伏组件的历史信息，通过组件安装调整模块依据采集到的数据为待安装光伏组件的用户选择安装合适的光伏组件并调整最佳安装位置，满足了目前用电、供暖、环保的需求。

Description

一种基于光储互补发电供暖***
技术领域
本发明涉及智能供电供暖应用技术领域，具体为一种基于光储互补发电供暖***。
背景技术
一般工商业和农业冬季供暖费用较高且需要燃烧大量煤炭等化石能源，对空气环境造成较大影响，冬季北方空气质量较差很大一部分是由于供暖设备排放大量CO2造成的，电供暖设备价格较高且需要电能转化成水热通过换热器进行热交换，水电结合增加了安全隐患，这样的电供暖一直以来没有在农村和一般工商业企业中推广，价格和安全因素是制约推广的主要原因，无法解决分部式供暖、供电的技术痛点、无法解决光伏发电时间的限制、储能没有产出的商业劣势和冬季供暖费用高和不环保的问题，采用光伏组件将太阳能转化为电能供电取暖设备使用能够实现光储互补发电供暖的功能；
但是，目前的分部式光伏发电多是应用在并网端，而并网换流器电能质量无法得到保证，对主电网的干扰一直存在；另一方面发电量和需求电量不匹配，给电网调度增加难度，而离网模式光伏发电，电能又不可以储存在夜间或阴雨天气时无法保证正常发电当然也无法持续供电；最后，光伏组件的安装方式难以调控。
所以，人们需要一种基于光储互补发电供暖***来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光储互补发电供暖***，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：所述***包括：光电转换模块、电池管理模块、中央控制器、无线通信模块、显示屏、客户端、用户信息采集模块和组件安装调整模块；
所述光电转换模块的输出端连接所述电池管理模块和所述中央控制器的输入端，所述中央控制器的输入端连接所述电池管理模块和所述用户需求采集模块的输出端，所述中央控制器的输出端连接所述无线通信模块和所述组件安装调整模块的输入端，所述无线通信模块的输出端连接所述显示屏和所述客户端的输入端，所述显示屏的输出端连接所述客户端的输入端；
所述光电转换模块用于通过光照产生直流电能，将产生的电能转换后输入到所述电池管理模块，所述电池管理模块用于在存储电能供电取暖设备使用的同时保护电池，所述中央控制器用于管理电池退出机制、调整输出状态，所述无线通信模块用于将数据上传到服务器并分传到所述客户端，所述显示屏用于为用户显示***信息，所述用户信息采集模块用于采集电取暖设备满足需求的用户使用的电取暖设备用电信息和光伏组件的安装信息，所述组件安装调整模块用于依据采集到的数据为待安装光伏组件的用户选择安装合适的光伏组件并调整最佳安装位置，形成了一整套针对一般工商业和一般民用的具有一定商业价值的中小型化家电一体化供暖发电***，解决了离网光伏发电和用电时间差问题，也解决了电池储能经济效益不突出的问题，而且符合低碳环保节能的绿色理念。
进一步的，所述光电转换模块包括光伏组件、功率跟随控制器和DC/AC逆变器，所述光伏组件通过并联组合方式组成光伏组件串，所述光伏组件用于将太阳能转化为直流电能，所述DC/AC逆变器用于将直流电能转换为交流电能供电取暖设备使用；所述电池管理模块包括电池阵列PACK和电池管理板卡，所述功率跟随控制器用于将直流电能转换成适合电池阵列PACK充电的电能进行存储，所述电池管理板卡用于保护电池阵列PACK和监测电池阵列PACK状态。
进一步的，所述中央控制器在管理电池阵列PACK退出机制的同时调度管理所述DC/AC逆变器的输出状态，管理电池阵列PACK退出机制的方式为：在所述中央控制器中写定电池阵列PACK放电、充电的阈值电压和电流，在所述电池管理板卡实行保护机制前进行软件控制，当软控失效后利用所述电池管理板卡对电池阵列PACK作保护性退出。
进一步的，所述光伏组件采用高发电效率的单晶硅材料，提高了光伏组件的使用寿命。
进一步的，所述DC/AC逆变器为大功率纯正弦波离网逆变器，输出的波形失真率小于1％，输出功率可针对需求配置，所述DC/AC逆变器采用高频MOSFET作为主控开关，采用DSP作为控制器，采用桥式电路设计，提高了电能转换效率。
进一步的，配置三路输入源，所述输入源包括光伏发电源、电池储能源和市电备用源，依据预先编排的输入源的优先级别和输出比例，将其中一个输入源作为第一优先级，电取暖设备耗电全部由处于第一优先级的输入源提供，当输入源能量不足时由后续输入源补助输出能量，例如：设置光伏发电源为第一优先级，则负载耗电全部由光伏组件提供，当光照不好或光伏有遮挡，没风时电量不足则由电池补助输出；当电池放电亏空时则由市电补偿，当光伏、电池都没有能量时则自动切换为全市电供电或选择关机停止输出。
进一步的，所述用户信息采集模块采集到不同用户使用的电取暖设备平均用电量集合为Q＝{Q1，Q2，...，Qn}，其中，n表示电取暖设备满足需求的用户数量，采集到光伏组件与水平地面的夹角和光伏组件与正南方夹角差集合为α＝{α 1，α2，...，αn}，建立第一回归模型：α＝a1+a2*Q+ε1，其中，ε1表示第一回归模型的误差，a1和a2表示第一回归模型的回归系数，a1表示截距，a2 表示斜率，根据下列公式计算第一回归模型的误差平方和J(a1，a2)：
Figure RE-GDA0003526496310000031
通过求偏导的方式得到回归系数a1和a2分别为：
Figure RE-GDA0003526496310000032
此时，ε1＝0，即第一回归模型的误差最小，第一回归模型变换为α＝a1+a2*Q，其中，αi表示采集到随机一个用户使用的光伏组件与水平地面夹角和与正南方的夹角差，Qi表示对应用户使用的电取暖设备平均用电量，利用线性回归模型准确反映了电取暖设备能够满足需求的用户使用的光伏组件安装角度与供电取暖设备使用电量之间的关系，有利于后续用户需要安装光伏组件时快速确认光伏组件安装角度，提高了光伏组件安装效率。
进一步的，利用所述用户信息采集模块采集到需要安装光伏组件的用户的平均需求用电量集合为Q’＝{Q1’，Q2’，...，Qm’}，其中，m表示需要安装光伏组件的用户数量，将Q’中的元素一一代入到变换后的第一回归模型中，得到为所有用户安装的光伏组件与水平地面夹角和与正南方的最佳夹角差集合为α’＝{α 1’，α2’，...，αm’}。
进一步的，利用所述用户信息采集模块采集到用户使用的光伏组件安装面积集合为S＝{S1，S2，...，Sn}，用户使用的光伏组件规格相同，建立第二回归模型：S＝a3+a4*Q+ε2，ε2表示第二回归模型的误差，a3和a4表示第二回归模型的回归系数，a3表示截距，a4表示斜率，根据下列公式计算第一回归模型的误差平方和J(a3，a4)：
Figure RE-GDA0003526496310000041
通过求偏导的方式得到回归系数a3和a4分别为：
Figure RE-GDA0003526496310000042
此时，ε2＝0，即第二回归模型的误差最小，第二回归模型变换为S＝a3+a4*Q，其中，Si表示随机一个用户使用的光伏组件安装面积，同样利用线性回归模型反映了光伏组件安装面积与供电取暖设备使用电量之间的一一映射关系，有利于帮助用户选择最佳的光伏组件安装面积，以满足不同用户的电取暖设备的用电需求。
进一步的，将Q’中的元素一一代入到变换后的第二回归模型中，得到为所有用户安装的光伏组件最佳面积集合为S’＝{S1’，S2’，...，Sm’}，将得到的最佳夹角差和最佳面积传输到所述组件安装调整模块中，相关人员通过查找所述组件安装调整模块接收到的数据确认光伏组件安装角度和安装面积。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、本发明通过借助光伏组件的发电能力，利用光电转换模块将太阳能转换为电能供电取暖设备使用，将剩余电量输入到电池阵列PACK，同时通过电池管理模块用于在存储电能供电取暖设备使用的同时保护电池，通过中央控制器用于管理电池退出机制、调整输出状态，通过显示屏显示***用电信息，使用户清楚地了解电量情况，白天可以将房间温度调高，尽可能的多存储热量，使房间内热平衡，夜间由于活动面积减少，不重要的房间可调节的温度稍低，生活区调节到舒适温度，达到了经济性要求；通过一整套的光、储、热、电***环环相扣，互为辅助相得益彰，满足了目前用电、供暖、环保的需求；
2、本发明通过用户信息采集模块采集电取暖设备满足需求的用户使用的电取暖设备用电信息和光伏组件的安装信息，组件安装调整模块用于依据采集到的数据为待安装光伏组件的用户选择安装合适的光伏组件并调整最佳安装位置，提高了光伏组件的安装效率，为用户实施了最佳的安装方案，满足了用户的用电需求。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明一种基于光储互补发电供暖***的***原理架构图；
图2是本发明的光伏组件电路连接示意图；
图3是本发明一种基于光储互补发电供暖***的模块组成图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-图3，本发明提供技术方案：一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：***包括：光电转换模块、电池管理模块、中央控制器、无线通信模块、显示屏、客户端、用户信息采集模块和组件安装调整模块；
光电转换模块的输出端连接电池管理模块和中央控制器的输入端，中央控制器的输入端连接电池管理模块和用户需求采集模块的输出端，中央控制器的输出端连接无线通信模块和组件安装调整模块的输入端，无线通信模块的输出端连接显示屏和客户端的输入端，显示屏的输出端连接客户端的输入端；
光电转换模块用于通过光照产生直流电能，将产生的电能转换后输入到电池管理模块，电池管理模块用于在存储电能供电取暖设备使用的同时保护电池，中央控制器用于管理电池退出机制、调整输出状态，无线通信模块用于将数据上传到服务器并分传到客户端，显示屏用于为用户显示***信息，用户信息采集模块用于采集电取暖设备满足需求的用户使用的电取暖设备用电信息和光伏组件的安装信息，组件安装调整模块用于依据采集到的数据为待安装光伏组件的用户选择安装合适的光伏组件并调整最佳安装位置，形成了一整套针对一般工商业和一般民用的具有一定商业价值的中小型化家电一体化供暖发电***，能够有效解决离网光伏发电和用电时间差问题和电池储能经济效益不突出的问题，符合低碳环保节能的绿色理念。
光电转换模块包括光伏组件、功率跟随控制器和DC/AC逆变器，光伏组件通过并联组合方式组成光伏组件串，光伏组件用于将太阳能转化为直流电能，DC/AC 逆变器用于将直流电能转换为交流电能供电取暖设备使用；电池管理模块包括电池阵列PACK和电池管理板卡，功率跟随控制器用于将直流电能转换成适合电池阵列PACK充电的电能进行存储，电池管理板卡用于保护电池阵列PACK和监测电池阵列PACK状态。
中央控制器在管理电池阵列PACK退出机制的同时调度管理DC/AC逆变器的输出状态，管理电池阵列PACK退出机制的方式为：在中央控制器中写定电池阵列PACK放电、充电的阈值电压和电流，在电池管理板卡实行保护机制前进行软件控制，当软控失效后利用电池管理板卡对电池阵列PACK作保护性退出。
光伏组件采用高发电效率的单晶硅材料，能够提高光伏组件的使用寿命。
DC/AC逆变器为大功率纯正弦波离网逆变器，输出的波形失真率小于1％，输出功率可针对需求配置，DC/AC逆变器采用高频MOSFET作为主控开关，采用DSP 作为控制器，采用桥式电路设计，能够提高电能转换效率。
配置三路输入源，输入源包括光伏发电源、电池储能源和市电备用源，依据预先编排的输入源的优先级别和输出比例，将其中一个输入源作为第一优先级，电取暖设备耗电全部由处于第一优先级的输入源提供，当输入源能量不足时由后续输入源补助输出能量。
用户信息采集模块采集到不同用户使用的电取暖设备平均用电量集合为 Q＝{Q1，Q2，...，Qn}，其中，n表示电取暖设备满足需求的用户数量，采集到光伏组件与水平地面的夹角和光伏组件与正南方夹角差集合为α＝{α1，α2，...，αn}，建立第一回归模型：α＝a1+a2*Q+ε1，其中，ε1表示第一回归模型的误差，a1和a2表示第一回归模型的回归系数，a1表示截距，a2表示斜率，根据下列公式计算第一回归模型的误差平方和J(a1，a2)：
Figure RE-GDA0003526496310000071
通过求偏导的方式得到回归系数a1和a2分别为：
Figure RE-GDA0003526496310000072
此时，ε1＝0，即第一回归模型的误差最小，第一回归模型变换为α＝a1+a2*Q，其中，αi表示采集到随机一个用户使用的光伏组件与水平地面夹角和与正南方的夹角差，Qi表示对应用户使用的电取暖设备平均用电量，利用线性回归模型准确反映了电取暖设备能够满足需求的用户使用的光伏组件安装角度与供电取暖设备使用电量之间的关系，便于后续用户需要安装光伏组件时快速确认光伏组件安装角度以提高光伏组件的安装效率。
利用用户信息采集模块采集到需要安装光伏组件的用户的平均需求用电量集合为Q’＝{Q1’，Q2’，...，Qm’}，其中，m表示需要安装光伏组件的用户数量，将Q’中的元素一一代入到变换后的第一回归模型中，得到为所有用户安装的光伏组件与水平地面夹角和与正南方的最佳夹角差集合为α’＝{α1’，α2’，...，αm’}。
利用用户信息采集模块采集到用户使用的光伏组件安装面积集合为S＝{S1，S2，...，Sn}，用户使用的光伏组件规格相同，建立第二回归模型：S＝a3+a4*Q+ ε2，ε2表示第二回归模型的误差，a3和a4表示第二回归模型的回归系数，a3 表示截距，a4表示斜率，根据下列公式计算第一回归模型的误差平方和J(a3， a4)：
Figure RE-GDA0003526496310000081
通过求偏导的方式得到回归系数a3和a4分别为：
Figure RE-GDA0003526496310000082
此时，ε2＝0，即第二回归模型的误差最小，第二回归模型变换为S＝a3+a4*Q，其中，Si表示随机一个用户使用的光伏组件安装面积，利用线性回归模型反映了光伏组件安装面积与供电取暖设备使用电量之间的一一映射关系，便于帮助用户选择最佳的光伏组件安装面积，以满足不同用户的电取暖设备的用电需求。
将Q’中的元素一一代入到变换后的第二回归模型中，得到为所有用户安装的光伏组件最佳面积集合为S’＝{S1’，S2’，...，Sm’}，将得到的最佳夹角差和最佳面积传输到组件安装调整模块中，相关人员通过查找组件安装调整模块接收到的数据确认光伏组件安装角度和安装面积。
实施例一：用户信息采集模块采集到不同用户使用的电取暖设备平均用电量集合为Q＝{Q1，Q2，Q3}＝{30度，40度，50度}，采集到光伏组件与水平地面的夹角和光伏组件与正南方夹角差集合为α＝{α1，α2，α3}＝{0.79，0.17，1.05}，单位为：弧度，建立第一回归模型：α＝a1+a2*Q+ε1，根据公式
Figure RE-GDA0003526496310000083
计算第一回归模型的误差平方和J(a1， a2)，通过求偏导的方式得到回归系数a1和a2分别为：
Figure RE-GDA0003526496310000084
Figure RE-GDA0003526496310000091
此时，ε1＝0，即第一回归模型的误差最小，第一回归模型变换为α＝a1+a2*Q＝-39-0.012Q，利用用户信息采集模块采集到需要安装光伏组件的用户的平均需求用电量集合为Q’＝{Q1’，Q2’， Q3’}＝{100，200，180}，将Q’中的元素一一带入到变换后的第一回归模型中，得到为所有用户安装的光伏组件与水平地面夹角和与正南方的最佳夹角差集合为α’＝{α1’，α2’，α3’}＝{-40.2，-41.4，-41.16}，利用用户信息采集模块采集到用户使用的光伏组件安装面积集合为S＝{S1，S2，S3}＝{60，50，100}，建立第二回归模型：S＝a3+a4*Q+ε2，根据公式
Figure RE-GDA0003526496310000092
计算第一回归模型的误差平方和J(a3， a4)，通过求偏导的方式得到回归系数a3和a4分别为：
Figure RE-GDA0003526496310000093
Figure RE-GDA0003526496310000094
此时，ε2＝0，即第二回归模型的误差最小，第二回归模型变换为S＝a3+a4*Q＝30+1.25Q，将Q’中的元素一一代入到变换后的第二回归模型中，得到为所有用户安装的光伏组件最佳面积集合为S’＝{S1’，S2’， S3’}＝{155，280，255}，将得到的最佳夹角差和最佳面积传输到组件安装调整模块中，相关人员通过查找组件安装调整模块接收到的数据确认光伏组件安装角度和安装面积.
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：所述***包括：光电转换模块、电池管理模块、中央控制器、无线通信模块、显示屏、客户端、用户信息采集模块和组件安装调整模块；
所述光电转换模块的输出端连接所述电池管理模块和所述中央控制器的输入端，所述中央控制器的输入端连接所述电池管理模块和所述用户需求采集模块的输出端，所述中央控制器的输出端连接所述无线通信模块和所述组件安装调整模块的输入端，所述无线通信模块的输出端连接所述显示屏和所述客户端的输入端，所述显示屏的输出端连接所述客户端的输入端；
所述光电转换模块用于通过光照产生直流电能，将产生的电能转换后输入到所述电池管理模块，所述电池管理模块用于在存储电能供电取暖设备使用的同时保护电池，所述中央控制器用于管理电池退出机制、调整输出状态，所述无线通信模块用于将数据上传到服务器并分传到所述客户端，所述显示屏用于为用户显示***信息，所述用户信息采集模块用于采集电取暖设备满足需求的用户使用的电取暖设备用电信息和光伏组件的安装信息，所述组件安装调整模块用于依据采集到的数据为待安装光伏组件的用户选择安装合适的光伏组件并调整最佳安装位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：所述光电转换模块包括光伏组件、功率跟随控制器和DC/AC逆变器，所述光伏组件通过并联组合方式组成光伏组件串，所述光伏组件用于将太阳能转化为直流电能，所述DC/AC逆变器用于将直流电能转换为交流电能供电取暖设备使用；所述电池管理模块包括电池阵列PACK和电池管理板卡，所述功率跟随控制器用于将直流电能转换成适合电池阵列PACK充电的电能进行存储，所述电池管理板卡用于保护电池阵列PACK和监测电池阵列PACK状态。
3.根据权利要求2所述的一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：所述中央控制器在管理电池阵列PACK退出机制的同时调度管理所述DC/AC逆变器的输出状态，管理电池阵列PACK退出机制的方式为：在所述中央控制器中写定电池阵列PACK放电、充电的阈值电压和电流，在所述电池管理板卡实行保护机制前进行软件控制，当软控失效后利用所述电池管理板卡对电池阵列PACK作保护性退出。
4.根据权利要求2所述的一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：所述光伏组件采用高发电效率的单晶硅材料。
5.根据权利要求2所述的一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：所述DC/AC逆变器为大功率纯正弦波离网逆变器，输出的波形失真率小于1％，输出功率可针对需求配置，所述DC/AC逆变器采用高频MOSFET作为主控开关，采用DSP作为控制器，采用桥式电路设计。
6.根据权利要求1所述的一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：配置三路输入源，所述输入源包括光伏发电源、电池储能源和市电备用源，依据预先编排的输入源的优先级别和输出比例，将其中一个输入源作为第一优先级，电取暖设备耗电全部由处于第一优先级的输入源提供，当输入源能量不足时由后续输入源补助输出能量。
7.根据权利要求1所述的一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：所述用户信息采集模块采集到不同用户使用的电取暖设备平均用电量集合为Q＝{Q1，Q2，...，Qn}，其中，n表示电取暖设备满足需求的用户数量，采集到光伏组件与水平地面的夹角和光伏组件与正南方夹角差集合为α＝{α1，α2，...，αn}，建立第一回归模型：α＝a1+a2*Q+ε1，其中，ε1表示第一回归模型的误差，a1和a2表示第一回归模型的回归系数，a1表示截距，a2表示斜率，根据下列公式计算第一回归模型的误差平方和J(a1，a2)：
Figure FDA0003346608790000021
通过求偏导的方式得到回归系数a1和a2分别为：
Figure FDA0003346608790000022
此时，ε1＝0，即第一回归模型的误差最小，第一回归模型变换为α＝a1+a2*Q，其中，αi表示采集到随机一个用户使用的光伏组件与水平地面夹角和与正南方的夹角差，Qi表示对应用户使用的电取暖设备平均用电量。
8.根据权利要求7所述的一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：利用所述用户信息采集模块采集到需要安装光伏组件的用户的平均需求用电量集合为Q’＝{Q1’，Q2’，...，Qm’}，其中，m表示需要安装光伏组件的用户数量，将Q’中的元素一一代入到变换后的第一回归模型中，得到为所有用户安装的光伏组件与水平地面夹角和与正南方的最佳夹角差集合为α’＝{α1’，α2’，...，αm’}。
9.根据权利要求7所述的一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：利用所述用户信息采集模块采集到用户使用的光伏组件安装面积集合为S＝{S1，S2，...，Sn}，用户使用的光伏组件规格相同，建立第二回归模型：S＝a3+a4*Q+ε2，ε2表示第二回归模型的误差，a3和a4表示第二回归模型的回归系数，a3表示截距，a4表示斜率，根据下列公式计算第一回归模型的误差平方和J(a3，a4)：
Figure FDA0003346608790000031
通过求偏导的方式得到回归系数a3和a4分别为：
Figure FDA0003346608790000032
此时，ε2＝0，即第二回归模型的误差最小，第二回归模型变换为S＝a3+a4*Q，其中，Si表示随机一个用户使用的光伏组件安装面积。
10.根据权利要求9所述的一种基于光储互补发电供暖***，其特征在于：将Q’中的元素一一代入到变换后的第二回归模型中，得到为所有用户安装的光伏组件最佳面积集合为S’＝{S1’，S2’，...，Sm’}，将得到的最佳夹角差和最佳面积传输到所述组件安装调整模块中，相关人员通过查找所述组件安装调整模块接收到的数据确认光伏组件安装角度和安装面积。
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