一種太陽能聚光光伏光熱聯產系統熱電輸出性能的測量與計算方法與流程

2023-11-11 05:20:47

本發明屬於聚光光伏光熱綜合利用研究領域，涉及一種太陽能聚光光伏光熱聯產系統熱電輸出性能的測量與計算方法。

背景技術：
按照太陽能流的傳輸以及輔助能源消耗，典型太陽能聚光光伏光熱聯產系統由聚光器、光伏組件、散熱器、跟蹤器以及控制器組成。太陽能流的傳遞過程為：跟蹤器使得太陽能聚光光伏光熱聯產系統跟蹤太陽方位，太陽能流經過聚光器進行匯聚，匯聚的太陽能流全部照射到光伏組件上，其中一部分太陽能流在光伏組件上以光電效應產電輸出，另一部分太陽能流在光伏組件上以光熱效應產熱並經由散熱器輸出，測控器測試系統熱電輸出性能以及對流經散熱器的散熱介質質量流率進行控制。因此在太陽能聚光光伏光熱聯產系統中，實現太陽能流轉換的光電效應和光熱效應在光伏組件上同位置同時間進行，光電效應輸出電能，光熱效應輸出熱能，也就是光電效應輸出的電能加上光熱效應輸出的熱能為太陽能聚光光伏光熱聯產系統輸出的總能量，因此，將輸出電能與輸出熱能之和作為評估太陽能聚光光伏光熱聯產系統輸出性能的參數是準確的，但是在實際測量中，出現兩種測量方法，第一種方法：在光伏組件不外接負載時，將測量的輸出熱能作為太陽能聚光光伏光熱聯產系統輸出的總能量；第二種方法：將太陽能聚光光伏光熱聯產系統中的光伏組件冷卻到標準溫度時測量輸出電能加上將該系統輸出散熱介質溫度調整到某溫度測量輸出熱能，作為太陽能聚光光伏光熱聯產系統的輸出總能量；由於前兩種測量方法並未充分考慮太陽能流轉換的光電效應和光熱效應在光伏組件上同位置同時間進行，這兩種方法並不能準確的反映出太陽能聚光光伏光熱聯產系統的輸出性能。另外，為了準確的評估太陽能聚光光伏光熱聯產系統的熱電輸出性能，還需考慮到太陽能聚光光伏光熱聯產系統的輔助能耗。因此，考慮到太陽能流轉換的光電效應和光熱效應在光伏組件上同位置同時間進行，以及考慮到太陽能聚光光伏光熱聯產系統的輔助能耗，需要一種更加準確的測量和計算方法來評估太陽能聚光光伏光熱聯產系統的熱電輸出性能。

技術實現要素：
針對光電效應和光熱效應在光伏組件上同位置同時間進行的太陽能聚光光伏光熱聯產系統，本發明目的在於提供一種太陽能聚光光伏光熱聯產系統熱電輸出性能的測量與計算方法。為實現上述目的，本發明採用的技術方案為：一種太陽能聚光光伏光熱聯產系統熱電輸出性能的測量與計算方法，包括以下步驟：1)按照太陽能流的傳輸以及輔助能源消耗，將太陽能聚光光伏光熱聯產系統分成：聚光器、光伏組件、散熱器、跟蹤器以及測控器；2)太陽總輻照度為Gt，聚光器總採光面積為At，則太陽能聚光光伏光熱聯產系統採集的太陽輻射通量Qt＝GtAt，太陽輻射通量Qt通過聚光器聚光後照射到光伏組件上後，轉換成兩部分能量：一部分為太陽能聚光光伏光熱聯產系統產電功率，另一部分為太陽能聚光光伏光熱聯產系統產熱功率；3)太陽能聚光光伏光熱聯產系統的輔助能耗：向散熱器提供散熱介質的泵功耗，向跟蹤器運行提供動力的馬達功耗，用於測量並控制系統運行參數的測控器功耗；4)啟動測控器，使得測控器開始檢測並設置通過太陽能聚光光伏光熱聯產系統散熱器的散熱介質質量流率，啟動泵運行，使得散熱器工作；啟動跟蹤器運行，使得太陽能聚光光伏光熱聯產系統處於跟蹤太陽方位的狀態；光伏組件開關接A0點，使得光伏組件處於空置狀態不產電；5)在室外環境太陽總輻照度Gt，直射比RDNI，環境溫度t，環境風速V，散熱介質初始溫度tin穩定的條件下，調整太陽能聚光光伏光熱聯產系統散熱器中散熱介質質量流率為q0，使得通過散熱器的散熱介質最終溫度穩定為設定值tout；6)當散熱介質最終溫度穩定為步驟5)所述設定值tout時，將開關接A2點，利用IV儀測試出光伏組件的最大功率PE，再將開關置於A0點；7)將開關由A0調整置於A1點，調整可調電負載的電功率並使其等於步驟6)中IV儀測試出光伏組件的最大功率PE；8)調整散熱器中散熱介質的質量流率，當散熱介質最終溫度穩定為步驟5)所述設定值tout時，散熱介質在散熱器中的質量流率為q，可調電負載的電功率為PE；9)完成步驟8)且各數據穩定時，記錄數據：室外環境太陽總輻照度Gt，直射比RDNI，環境溫度t，環境風速V，散熱介質進入散熱器的初始溫度tin，散熱介質離開散熱器的最終溫度tout，散熱介質在散熱器中的質量流率q，可調電負載的電功率PE，泵功耗PP，馬達功耗PM以及測控器功耗PTC；10)根據步驟9)的數據，計算太陽能聚光光伏光熱聯產系統的光電效率、光熱效率、總效率、淨光電效率、淨光熱效率以及淨總效率；光電效率、光熱效率、總效率、淨光電效率、淨光熱效率以及淨總效率，能夠作為太陽能聚光光伏光熱聯產系統熱電輸出性能的評估依據。所述步驟7)中可調電負載為能改變功率大小的滷鎢燈陣列、能改變功率大小的可調電阻箱或者能改變功率大小的可調電子負載。所述步驟10)中計算太陽能聚光光伏光熱聯產系統的光電效率、光熱效率、總效率、淨光電效率、淨光熱效率以及淨總效率的具體過程為：①光電效率ηele計算公式：其中，PE為可調電負載的電功率，Gt為太陽總輻照度，At為聚光器總採光面積；②光熱效率ηth計算公式：其中，QT為太陽能聚光光伏光熱聯產系統的產熱功率，C為散熱介質的比熱容，q為散熱介質的質量流率，tin為散熱介質進入散熱器的初始溫度，tout為散熱介質離開散熱器的最終溫度，Gt為太陽總輻照度，At為聚光器總採光面積；③總效率ηt的計算公式：ηt＝ηele+ηth其中，ηele為光電效率，ηth為光熱效率；④淨光電效率ηele-net計算公式：其中，為太陽能聚光光伏光熱聯產系統產電功率的輔助能耗；為產電功率PE在產電功率PE和產熱功率QT總和中所佔的比重；PM為馬達功耗，PTC為測控器功耗，Gt為太陽總輻照度，At為聚光器總採光面積；C為散熱介質的比熱容，q為散熱介質的質量流率，tin為散熱介質進入散熱器的初始溫度，tout為散熱介質離開散熱器後的最終溫度；⑤淨光熱效率ηth-net計算公式如下：其中，為太陽能聚光光伏光熱聯產系統產熱功率QT在產電功率PE和產熱功率QT總和中所佔的比重；PP為泵功耗；⑥淨總效率ηt-net的計算公式如下：ηt-net＝ηele-net+ηth-net。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：本發明首先按照太陽能流的傳輸以及輔助能源消耗，將太陽能聚光光伏光熱聯產系統分成：聚光器、光伏組件、散熱器、跟蹤器以及測控器；並且確定了太陽能聚光光伏光熱聯產系統的輔助能耗，通過將可調電負載的功率調至等於光伏組件理論最大功率，連接光伏組件和可調電負載；通過將開關分別接A2點、A0點、A1點，測得調整可調電負載的電功率並使其等於步驟6)中IV儀測試出光伏組件的最大功率PE；最終得到太陽能聚光光伏光熱聯產系統的光電效率、光熱效率、總效率、淨光電效率、淨光熱效率以及淨總效率；本發明在考慮太陽能流轉換的光電效應和光熱效應在光伏組件上同位置同時間進行以及太陽能聚光光伏光熱聯產系統的輔助能耗的基礎上，得到的太陽能聚光光伏光熱聯產系統熱電輸出性能能夠準確反映出太陽能聚光光伏光熱聯產系統的熱電輸出性能。本發明能夠更加準確的評估太陽能聚光光伏光熱聯產系統的熱電輸出性能，得到的熱電輸出性能能夠作為太陽能聚光光伏光熱聯產系統性能的評估依據，可避免在光伏組件不輸出電功率時，將太陽能聚光光伏光熱聯產系統輸出熱功率作為其輸出熱電總功率的不準確測量方法，具有較強的實際應用意義。進一步的，當完成步驟8)且還沒有開始步驟9)之前，還可以斷開光伏組件和可調電負載的連接並將光伏組件和IV儀連接起來(將開關從A1調整到A2)，利用IV儀測試出光伏組件的最大功率PEIV1，再斷開光伏組件和IV儀的連接並將光伏組件和可調電負載連接起來(將開關從A2調整到A1)，整個過程不超過15秒，然後查看IV儀測試出光伏組件的最大功率PEIV1是否與可調電負載功率PE相等。若PEIV1與PE相等，則可進入步驟9)，若PEIV1與PE不相等，則按照步驟8)所述方法進行調整後，再按前述方法檢測查看，直至PEIV1與PE相等，則可進入步驟9)；目的是提高太陽能聚光光伏光熱聯產系統熱電輸出性能的測量準確度。附圖說明圖1為本發明熱電輸出以及輔助能耗的示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步的說明。如圖1所示，圖1為本發明的熱電輸出以及輔助能耗的示意圖，參見圖1，本發明的計算步驟為：1)按照太陽能流的傳輸以及輔助能源消耗，將太陽能聚光光伏光熱聯產系統分成：聚光器、光伏組件、散熱器、跟蹤器以及測控器；2)太陽總輻照度為Gt，聚光器總採光面積為At，則太陽能聚光光伏光熱聯產系統採集的太陽輻射通量Qt＝GtAt，太陽輻射通量Qt通過聚光器聚光後照射到光伏組件上後，轉換成兩部分能量：一部分為太陽能聚光光伏光熱聯產系統產電功率，另一部分為太陽能聚光光伏光熱聯產系統產熱功率；3)太陽能聚光光伏光熱聯產系統的輔助能耗：向散熱器提供散熱介質的泵功耗，向跟蹤器運行提供動力的馬達功耗，用於測量並控制系統運行參數的測控器功耗；4)啟動測控器，使得測控器開始檢測並設置通過太陽能聚光光伏光熱聯產系統散熱器的散熱介質質量流率，啟動泵運行，使得散熱器工作；啟動跟蹤器運行，使得太陽能聚光光伏光熱聯產系統處於跟蹤太陽方位的狀態；光伏組件開關接A0點，使得光伏組件處於空置狀態不產電；5)在室外環境太陽總輻照度Gt，直射比RDNI，環境溫度t，環境風速V，散熱介質初始溫度tin穩定的條件下，調整太陽能聚光光伏光熱聯產系統散熱器中散熱介質質量流率為q0，使得通過散熱器的散熱介質最終溫度穩定為設定值tout；6)當散熱介質最終溫度穩定為步驟5)所述設定值tout時，將開關接A2點，利用IV儀測試出光伏組件的最大功率PE，再將開關置於A0點；7)將開關由A0調整置於A1點，調整可調電負載的電功率並使其等於步驟6)中IV儀測試出光伏組件的最大功率PE；所述可調電負載為能改變功率大小的滷鎢燈陣列、能改變功率大小的可調電阻箱或者能改變功率大小的可調電子負載。8)調整散熱器中散熱介質的質量流率，當散熱介質最終溫度穩定為步驟5)所述設定值tout時，散熱介質在散熱器中的質量流率為q，可調電負載的電功率為PE；9)完成步驟8)且各數據穩定時，記錄數據：室外環境太陽總輻照度Gt，直射比RDNI，環境溫度t，環境風速V，散熱介質進入散熱器的初始溫度tin，散熱介質離開散熱器的最終溫度tout，散熱介質在散熱器中的質量流率q，可調電負載的電功率PE(也為太陽能聚光光伏光熱聯產系統的產電功率)，泵功耗PP，馬達功耗PM以及測控器功耗PTC；10)根據步驟9)的記錄數據，計算太陽能聚光光伏光熱聯產系統的光電效率、光熱效率、總效率、淨光電效率、淨光熱效率以及淨總效率；所述步驟10)中計算太陽能聚光光伏光熱聯產系統的光電效率、光熱效率、總效率、淨光電效率、淨光熱效率以及淨總效率的具體過程為：①光電效率ηele計算公式：其中，PE為可調電負載的電功率(也為太陽能聚光光伏光熱聯產系統的產電功率)，Gt為太陽總輻照度，At為聚光器總採光面積；②光熱效率ηth計算公式：其中，QT為太陽能聚光光伏光熱聯產系統的產熱功率(可通過公式Cq(tout-tin)計算獲得)，C為散熱介質的比熱容，q為散熱介質的質量流率，tin為散熱介質進入散熱器的初始溫度，tout為散熱介質離開散熱器的最終溫度，Gt為太陽總輻照度，At為聚光器總採光面積；③總效率ηt的計算公式：ηt＝ηele+ηth其中，ηele為光電效率，ηth為光熱效率；④淨光電效率ηele-net計算公式：其中，為太陽能聚光光伏光熱聯產系統產電功率的輔助能耗；為產電功率PE在產電功率PE和產熱功率QT總和中所佔的比重；PM為馬達功耗，PTC為測控器功耗，Gt為太陽總輻照度，At為聚光器總採光面積；C為散熱介質的比熱容，q為散熱介質的質量流率，tin為散熱介質進入散熱器的初始溫度，tout為散熱介質離開散熱器後的最終溫度；⑤淨光熱效率ηth-net計算公式如下：其中，為太陽能聚光光伏光熱聯產系統產熱功率QT在產電功率PE和產熱功率QT總和中所佔的比重PP為泵功耗，泵功耗全部用於產熱；⑥淨總效率ηt-net的計算公式如下：ηt-net＝ηele-net+ηth-net。光電效率、光熱效率、總效率、淨光電效率、淨光熱效率以及淨總效率，能夠作為太陽能聚光光伏光熱聯產系統熱電輸出性能的評估依據。當完成步驟8)且還沒有開始步驟9)之前，還可以斷開光伏組件和可調電負載的連接並將光伏組件和IV儀連接起來(將開關從A1調整到A2)，利用IV儀測試出光伏組件的最大功率PEIV1，再斷開光伏組件和IV儀的連接並將光伏組件和可調電負載連接起來(將開關從A2調整到A1)，整個過程不超過15秒，然後查看IV儀測試出光伏組件的最大功率PEIV1是否與可調電負載功率PE相等。若PEIV1與PE相等，則可進入步驟9)，若PEIV1與PE不相等，則按照步驟8)所述方法進行調整後，再按前述方法檢測查看，直至PEIV1與PE相等，則可進入步驟9)；目的是提高太陽能聚光光伏光熱聯產系統熱電輸出性能的測量準確度。本發明針對太陽能流轉換的光電效應和光熱效應在光伏組件上同位置同時間進行，在太陽能聚光光伏光熱聯產系統中設置IV儀和可調電負載，可實現在系統產電和產熱同時進行的情況下，經過對系統工況參數的調整，獲得系統產電功率、產熱功率、輔助能耗，進而通過計算，能夠更加準確獲得太陽能聚光光伏光熱聯產系統的光電效率、光熱效率、總效率、淨光電效率、淨光熱效率以及淨總效率。