CN105485939A - 一种太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量与计算方法 - Google Patents

Abstract

一种太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量与计算方法，针对太阳能流转换的光电效应和光热效应在光伏组件上同位置同时间进行，在太阳能聚光光伏光热联产系统中设置IV仪和可调电负载，可实现在系统产电和产热同时进行的情况下，经过对系统工况参数的调整，获得系统产电功率、产热功率、辅助能耗，进而通过计算，能够更加准确获得太阳能聚光光伏光热联产系统的光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率，该数据结果能够作为太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的评估依据。

Description

一种太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量与计算方法

技术领域

本发明属于聚光光伏光热综合利用研究领域，涉及一种太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量与计算方法。

背景技术

按照太阳能流的传输以及辅助能源消耗，典型太阳能聚光光伏光热联产系统由聚光器、光伏组件、散热器、跟踪器以及控制器组成。太阳能流的传递过程为：跟踪器使得太阳能聚光光伏光热联产系统跟踪太阳方位，太阳能流经过聚光器进行汇聚，汇聚的太阳能流全部照射到光伏组件上，其中一部分太阳能流在光伏组件上以光电效应产电输出，另一部分太阳能流在光伏组件上以光热效应产热并经由散热器输出，测控器测试系统热电输出性能以及对流经散热器的散热介质质量流率进行控制。因此在太阳能聚光光伏光热联产系统中，实现太阳能流转换的光电效应和光热效应在光伏组件上同位置同时间进行，光电效应输出电能，光热效应输出热能，也就是光电效应输出的电能加上光热效应输出的热能为太阳能聚光光伏光热联产系统输出的总能量，因此，将输出电能与输出热能之和作为评估太阳能聚光光伏光热联产系统输出性能的参数是准确的，但是在实际测量中，出现两种测量方法，第一种方法：在光伏组件不外接负载时，将测量的输出热能作为太阳能聚光光伏光热联产系统输出的总能量；第二种方法：将太阳能聚光光伏光热联产系统中的光伏组件冷却到标准温度时测量输出电能加上将该系统输出散热介质温度调整到某温度测量输出热能，作为太阳能聚光光伏光热联产系统的输出总能量；由于前两种测量方法并未充分考虑太阳能流转换的光电效应和光热效应在光伏组件上同位置同时间进行，这两种方法并不能准确的反映出太阳能聚光光伏光热联产系统的输出性能。另外，为了准确的评估太阳能聚光光伏光热联产系统的热电输出性能，还需考虑到太阳能聚光光伏光热联产系统的辅助能耗。因此，考虑到太阳能流转换的光电效应和光热效应在光伏组件上同位置同时间进行，以及考虑到太阳能聚光光伏光热联产系统的辅助能耗，需要一种更加准确的测量和计算方法来评估太阳能聚光光伏光热联产系统的热电输出性能。

发明内容

针对光电效应和光热效应在光伏组件上同位置同时间进行的太阳能聚光光伏光热联产系统，本发明目的在于提供一种太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量与计算方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量与计算方法，包括以下步骤：

1)按照太阳能流的传输以及辅助能源消耗，将太阳能聚光光伏光热联产系统分成：聚光器、光伏组件、散热器、跟踪器以及测控器；

2)太阳总辐照度为G_t，聚光器总采光面积为A_t，则太阳能聚光光伏光热联产系统采集的太阳辐射通量Q_t＝G_tA_t，太阳辐射通量Q_t通过聚光器聚光后照射到光伏组件上后，转换成两部分能量：一部分为太阳能聚光光伏光热联产系统产电功率，另一部分为太阳能聚光光伏光热联产系统产热功率；

3)太阳能聚光光伏光热联产系统的辅助能耗：向散热器提供散热介质的泵功耗，向跟踪器运行提供动力的马达功耗，用于测量并控制系统运行参数的测控器功耗；

4)启动测控器，使得测控器开始检测并设置通过太阳能聚光光伏光热联产系统散热器的散热介质质量流率，启动泵运行，使得散热器工作；启动跟踪器运行，使得太阳能聚光光伏光热联产系统处于跟踪太阳方位的状态；光伏组件开关接A₀点，使得光伏组件处于空置状态不产电；

5)在室外环境太阳总辐照度G_t，直射比R_DNI，环境温度t，环境风速V，散热介质初始温度t_in稳定的条件下，调整太阳能聚光光伏光热联产系统散热器中散热介质质量流率为q₀，使得通过散热器的散热介质最终温度稳定为设定值t_out；

6)当散热介质最终温度稳定为步骤5)所述设定值t_out时，将开关接A₂点，利用IV仪测试出光伏组件的最大功率P_E，再将开关置于A₀点；

7)将开关由A₀调整置于A₁点，调整可调电负载的电功率并使其等于步骤6)中IV仪测试出光伏组件的最大功率P_E；

8)调整散热器中散热介质的质量流率，当散热介质最终温度稳定为步骤5)所述设定值t_out时，散热介质在散热器中的质量流率为q，可调电负载的电功率为P_E；

9)完成步骤8)且各数据稳定时，记录数据：室外环境太阳总辐照度G_t，直射比R_DNI，环境温度t，环境风速V，散热介质进入散热器的初始温度t_in，散热介质离开散热器的最终温度t_out，散热介质在散热器中的质量流率q，可调电负载的电功率P_E，泵功耗P_P，马达功耗P_M以及测控器功耗P_TC；

10)根据步骤9)的数据，计算太阳能聚光光伏光热联产系统的光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率；

光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率，能够作为太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的评估依据。

所述步骤7)中可调电负载为能改变功率大小的卤钨灯阵列、能改变功率大小的可调电阻箱或者能改变功率大小的可调电子负载。

所述步骤10)中计算太阳能聚光光伏光热联产系统的光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率的具体过程为：

①光电效率η_ele计算公式：

${\mathrm{\η}}_{ele}=\frac{P_E}{G_t{A}_t}$

其中，P_E为可调电负载的电功率，G_t为太阳总辐照度，A_t为聚光器总采光面积；

②光热效率η_th计算公式：

${\mathrm{\η}}_{th}=\frac{Q_T}{G_t{A}_t}=\frac{Cq(t_{out}-t_{in})}{G_t{A}_t}$

其中，Q_T为太阳能聚光光伏光热联产系统的产热功率，C为散热介质的比热容，q为散热介质的质量流率，t_in为散热介质进入散热器的初始温度，t_out为散热介质离开散热器的最终温度，G_t为太阳总辐照度，A_t为聚光器总采光面积；

③总效率η_t的计算公式：

η_t＝η_ele+η_th

其中，η_ele为光电效率，η_th为光热效率；

④净光电效率η_ele-net计算公式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{ele-net}=\frac{P_E-\frac{P_E}{P_E+Q_T}(P_M+P_{TC})}{G_t{A}_t}\\ =\frac{P_E-\frac{P_E}{P_E+Cq(t_{out}-t_{in})}(P_M+P_{TC})}{G_t{A}_t}\end{array}$

其中，为太阳能聚光光伏光热联产系统产电功率的辅助能耗；

为产电功率P_E在产电功率P_E和产热功率Q_T总和中所占的比重；

P_M为马达功耗，P_TC为测控器功耗，G_t为太阳总辐照度，A_t为聚光器总采光面积；

C为散热介质的比热容，q为散热介质的质量流率，t_in为散热介质进入散热器的初始温度，t_out为散热介质离开散热器后的最终温度；

⑤净光热效率η_th-net计算公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{th-net}=\frac{Q_T-\frac{Q_T}{P_E+Q_T}(P_M+P_{TC})-P_P}{G_t{A}_t}\\ =\frac{Cq(t_{out}-t_{in})-\frac{Cq(t_{out}-t_{in})}{P_E+Cq(t_{out}-t_{in})}(P_M+P_{TC})-P_P}{G_t{A}_t}\end{array}$

其中，为太阳能聚光光伏光热联产系统产热功率Q_T在产电功率P_E和产热功率Q_T总和中所占的比重；

P_P为泵功耗；

为产热功率的辅助能耗；

⑥净总效率η_t-net的计算公式如下：

η_t-net＝η_ele-net+η_th-net。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明首先按照太阳能流的传输以及辅助能源消耗，将太阳能聚光光伏光热联产系统分成：聚光器、光伏组件、散热器、跟踪器以及测控器；并且确定了太阳能聚光光伏光热联产系统的辅助能耗，通过将可调电负载的功率调至等于光伏组件理论最大功率，连接光伏组件和可调电负载；通过将开关分别接A₂点、A₀点、A₁点，测得调整可调电负载的电功率并使其等于步骤6)中IV仪测试出光伏组件的最大功率P_E；最终得到太阳能聚光光伏光热联产系统的光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率；本发明在考虑太阳能流转换的光电效应和光热效应在光伏组件上同位置同时间进行以及太阳能聚光光伏光热联产系统的辅助能耗的基础上，得到的太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能能够准确反映出太阳能聚光光伏光热联产系统的热电输出性能。本发明能够更加准确的评估太阳能聚光光伏光热联产系统的热电输出性能，得到的热电输出性能能够作为太阳能聚光光伏光热联产系统性能的评估依据，可避免在光伏组件不输出电功率时，将太阳能聚光光伏光热联产系统输出热功率作为其输出热电总功率的不准确测量方法，具有较强的实际应用意义。

进一步的，当完成步骤8)且还没有开始步骤9)之前，还可以断开光伏组件和可调电负载的连接并将光伏组件和IV仪连接起来(将开关从A₁调整到A₂)，利用IV仪测试出光伏组件的最大功率P_EIV1，再断开光伏组件和IV仪的连接并将光伏组件和可调电负载连接起来(将开关从A₂调整到A₁)，整个过程不超过15秒，然后查看IV仪测试出光伏组件的最大功率P_EIV1是否与可调电负载功率P_E相等。若P_EIV1与P_E相等，则可进入步骤9)，若P_EIV1与P_E不相等，则按照步骤8)所述方法进行调整后，再按前述方法检测查看，直至P_EIV1与P_E相等，则可进入步骤9)；目的是提高太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量准确度。

附图说明

图1为本发明热电输出以及辅助能耗的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，图1为本发明的热电输出以及辅助能耗的示意图，参见图1，本发明的计算步骤为：

1)按照太阳能流的传输以及辅助能源消耗，将太阳能聚光光伏光热联产系统分成：聚光器、光伏组件、散热器、跟踪器以及测控器；

2)太阳总辐照度为G_t，聚光器总采光面积为A_t，则太阳能聚光光伏光热联产系统采集的太阳辐射通量Q_t＝G_tA_t，太阳辐射通量Q_t通过聚光器聚光后照射到光伏组件上后，转换成两部分能量：一部分为太阳能聚光光伏光热联产系统产电功率，另一部分为太阳能聚光光伏光热联产系统产热功率；

3)太阳能聚光光伏光热联产系统的辅助能耗：向散热器提供散热介质的泵功耗，向跟踪器运行提供动力的马达功耗，用于测量并控制系统运行参数的测控器功耗；

4)启动测控器，使得测控器开始检测并设置通过太阳能聚光光伏光热联产系统散热器的散热介质质量流率，启动泵运行，使得散热器工作；启动跟踪器运行，使得太阳能聚光光伏光热联产系统处于跟踪太阳方位的状态；光伏组件开关接A₀点，使得光伏组件处于空置状态不产电；

5)在室外环境太阳总辐照度G_t，直射比R_DNI，环境温度t，环境风速V，散热介质初始温度t_in稳定的条件下，调整太阳能聚光光伏光热联产系统散热器中散热介质质量流率为q₀，使得通过散热器的散热介质最终温度稳定为设定值t_out；

6)当散热介质最终温度稳定为步骤5)所述设定值t_out时，将开关接A₂点，利用IV仪测试出光伏组件的最大功率P_E，再将开关置于A₀点；

7)将开关由A₀调整置于A₁点，调整可调电负载的电功率并使其等于步骤6)中IV仪测试出光伏组件的最大功率P_E；所述可调电负载为能改变功率大小的卤钨灯阵列、能改变功率大小的可调电阻箱或者能改变功率大小的可调电子负载。

8)调整散热器中散热介质的质量流率，当散热介质最终温度稳定为步骤5)所述设定值t_out时，散热介质在散热器中的质量流率为q，可调电负载的电功率为P_E；

9)完成步骤8)且各数据稳定时，记录数据：室外环境太阳总辐照度G_t，直射比R_DNI，环境温度t，环境风速V，散热介质进入散热器的初始温度t_in，散热介质离开散热器的最终温度t_out，散热介质在散热器中的质量流率q，可调电负载的电功率P_E(也为太阳能聚光光伏光热联产系统的产电功率)，泵功耗P_P，马达功耗P_M以及测控器功耗P_TC；

10)根据步骤9)的记录数据，计算太阳能聚光光伏光热联产系统的光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率；

所述步骤10)中计算太阳能聚光光伏光热联产系统的光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率的具体过程为：

①光电效率η_ele计算公式：

${\mathrm{\η}}_{ele}=\frac{P_E}{G_t{A}_t}$

其中，P_E为可调电负载的电功率(也为太阳能聚光光伏光热联产系统的产电功率)，G_t为太阳总辐照度，A_t为聚光器总采光面积；

②光热效率η_th计算公式：

${\mathrm{\η}}_{th}=\frac{Q_T}{G_t{A}_t}=\frac{Cq(t_{out}-t_{in})}{G_t{A}_t}$

其中，Q_T为太阳能聚光光伏光热联产系统的产热功率(可通过公式Cq(t_out-t_in)计算获得)，C为散热介质的比热容，q为散热介质的质量流率，t_in为散热介质进入散热器的初始温度，t_out为散热介质离开散热器的最终温度，G_t为太阳总辐照度，A_t为聚光器总采光面积；

③总效率η_t的计算公式：

η_t＝η_ele+η_th

其中，η_ele为光电效率，η_th为光热效率；

④净光电效率η_ele-net计算公式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{ele-net}=\frac{P_E-\frac{P_E}{P_E+Q_T}(P_M+P_{TC})}{G_t{A}_t}\\ =\frac{P_E-\frac{P_E}{P_E+Cq(t_{out}-t_{in})}(P_M+P_{TC})}{G_t{A}_t}\end{array}$

其中，为太阳能聚光光伏光热联产系统产电功率的辅助能耗；

为产电功率P_E在产电功率P_E和产热功率Q_T总和中所占的比重；

P_M为马达功耗，P_TC为测控器功耗，G_t为太阳总辐照度，A_t为聚光器总采光面积；

C为散热介质的比热容，q为散热介质的质量流率，t_in为散热介质进入散热器的初始温度，t_out为散热介质离开散热器后的最终温度；

⑤净光热效率η_th-net计算公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{th-net}=\frac{Q_T-\frac{Q_T}{P_E+Q_T}(P_M+P_{TC})-P_P}{G_t{A}_t}\\ =\frac{Cq(t_{out}-t_{in})-\frac{Cq(t_{out}-t_{in})}{P_E+Cq(t_{out}-t_{in})}(P_M+P_{TC})-P_P}{G_t{A}_t}\end{array}$

其中，为太阳能聚光光伏光热联产系统产热功率Q_T在产电功率P_E和产热功率Q_T总和中所占的比重

P_P为泵功耗，泵功耗全部用于产热；

为产热功率的辅助能耗；

⑥净总效率η_t-net的计算公式如下：

η_t-net＝η_ele-net+η_th-net。

光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率，能够作为太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的评估依据。

当完成步骤8)且还没有开始步骤9)之前，还可以断开光伏组件和可调电负载的连接并将光伏组件和IV仪连接起来(将开关从A₁调整到A₂)，利用IV仪测试出光伏组件的最大功率P_EIV1，再断开光伏组件和IV仪的连接并将光伏组件和可调电负载连接起来(将开关从A₂调整到A₁)，整个过程不超过15秒，然后查看IV仪测试出光伏组件的最大功率P_EIV1是否与可调电负载功率P_E相等。若P_EIV1与P_E相等，则可进入步骤9)，若P_EIV1与P_E不相等，则按照步骤8)所述方法进行调整后，再按前述方法检测查看，直至P_EIV1与P_E相等，则可进入步骤9)；目的是提高太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量准确度。

本发明针对太阳能流转换的光电效应和光热效应在光伏组件上同位置同时间进行，在太阳能聚光光伏光热联产系统中设置IV仪和可调电负载，可实现在系统产电和产热同时进行的情况下，经过对系统工况参数的调整，获得系统产电功率、产热功率、辅助能耗，进而通过计算，能够更加准确获得太阳能聚光光伏光热联产系统的光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率。

Claims (3)

1.一种太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量与计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按照太阳能流的传输以及辅助能源消耗，将太阳能聚光光伏光热联产系统分成：聚光器、光伏组件、散热器、跟踪器以及测控器；

2)太阳总辐照度为G_t，聚光器总采光面积为A_t，则太阳能聚光光伏光热联产系统采集的太阳辐射通量Q_t＝G_tA_t，太阳辐射通量Q_t通过聚光器聚光后照射到光伏组件上后，转换成两部分能量：一部分为太阳能聚光光伏光热联产系统产电功率，另一部分为太阳能聚光光伏光热联产系统产热功率；

3)太阳能聚光光伏光热联产系统的辅助能耗：向散热器提供散热介质的泵功耗，向跟踪器运行提供动力的马达功耗，用于测量并控制系统运行参数的测控器功耗；

4)启动测控器，使得测控器开始检测并设置通过太阳能聚光光伏光热联产系统散热器的散热介质质量流率，启动泵运行，使得散热器工作；启动跟踪器运行，使得太阳能聚光光伏光热联产系统处于跟踪太阳方位的状态；光伏组件开关接A₀点，使得光伏组件处于空置状态不产电；

5)在室外环境太阳总辐照度G_t，直射比R_DNI，环境温度t，环境风速V，散热介质初始温度t_in稳定的条件下，调整太阳能聚光光伏光热联产系统散热器中散热介质质量流率为q₀，使得通过散热器的散热介质最终温度稳定为设定值t_out；

6)当散热介质最终温度稳定为步骤5)所述设定值t_out时，将开关接A₂点，利用IV仪测试出光伏组件的最大功率P_E，再将开关置于A₀点；

7)将开关由A₀调整置于A₁点，调整可调电负载的电功率并使其等于步骤6)中IV仪测试出光伏组件的最大功率P_E；

8)调整散热器中散热介质的质量流率，当散热介质最终温度稳定为步骤5)所述设定值t_out时，散热介质在散热器中的质量流率为q，可调电负载的电功率为P_E；

9)完成步骤8)且各数据稳定时，记录数据：室外环境太阳总辐照度G_t，直射比R_DNI，环境温度t，环境风速V，散热介质进入散热器的初始温度t_in，散热介质离开散热器的最终温度t_out，散热介质在散热器中的质量流率q，可调电负载的电功率P_E，泵功耗P_P，马达功耗P_M以及测控器功耗P_TC；

10)根据步骤9)的数据，计算太阳能聚光光伏光热联产系统的光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率；

光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率，能够作为太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的评估依据。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量与计算方法，其特征在于，所述步骤7)中可调电负载为能改变功率大小的卤钨灯阵列、能改变功率大小的可调电阻箱或者能改变功率大小的可调电子负载。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能聚光光伏光热联产系统热电输出性能的测量与计算方法，其特征在于，所述步骤10)中计算太阳能聚光光伏光热联产系统的光电效率、光热效率、总效率、净光电效率、净光热效率以及净总效率的具体过程为：

①光电效率η_ele计算公式：

${\mathrm{\η}}_{ele}=\frac{P_E}{G_t{A}_t}$

其中，P_E为可调电负载的电功率，G_t为太阳总辐照度，A_t为聚光器总采光面积；

②光热效率η_th计算公式：

${\mathrm{\η}}_{th}=\frac{Q_T}{G_t{A}_t}=\frac{Cq(t_{out}-t_{in})}{G_t{A}_t}$

其中，Q_T为太阳能聚光光伏光热联产系统的产热功率，C为散热介质的比热容，q为散热介质的质量流率，t_in为散热介质进入散热器的初始温度，t_out为散热介质离开散热器的最终温度，G_t为太阳总辐照度，A_t为聚光器总采光面积；

③总效率η_t的计算公式：

η_t＝η_ele+η_th

其中，η_ele为光电效率，η_th为光热效率；

④净光电效率η_ele-net计算公式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{ele-net}=\frac{P_E-\frac{P_E}{P_E+Q_T}\left(P_M+P_{TC}\right)}{G_t{A}_t}\\ =\frac{P_E-\frac{P_E}{P_E+Cq\left(t_{out}-t_{in}\right)}\left(P_M+P_{TC}\right)}{G_t{A}_t}\end{array}$

其中，为太阳能聚光光伏光热联产系统产电功率的辅助能耗；

为产电功率P_E在产电功率P_E和产热功率Q_T总和中所占的比重；

P_M为马达功耗，P_TC为测控器功耗，G_t为太阳总辐照度，A_t为聚光器总采光面积；

C为散热介质的比热容，q为散热介质的质量流率，t_in为散热介质进入散热器的初始温度，t_out为散热介质离开散热器后的最终温度；

⑤净光热效率η_th-net计算公式如下：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{th-net}=\frac{Q_T-\frac{Q_T}{P_E+Q_T}\left(P_M+P_{TC}\right)-P_P}{G_t{A}_t}\\ =\frac{Cq\left(t_{out}-t_{in}\right)-\frac{Cq\left(t_{out}-t_{in}\right)}{P_E+Cq\left(t_{out}-t_{in}\right)}\left(P_M+P_{TC}\right)-P_P}{G_t{A}_t}\end{array}$

其中，为太阳能聚光光伏光热联产系统产热功率Q_T在产电功率P_E和产热功率Q_T总和中所占的比重；

P_P为泵功耗；

$\frac{Q_T}{P_E+Q_T}\left(P_M+P_{TC}\right)-P_P$ 为产热功率的辅助能耗；

⑥净总效率η_t-net的计算公式如下：

η_t-net＝η_ele-net+η_th-net。