CN112944698B - 一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法及系统 - Google Patents

一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法及系统，包括：获取太阳能热电联供组件各能量传递环节对应的能量参数；构建太阳能总辐射通量与各所述能量参数的能量传递关系，以换热介质质量流率作为迭代变量，对所述能量传递关系进行迭代求解，直到满足预设迭代条件后结束迭代，获取对应的瞬态电功率和热流量；本发明可有效提高太阳能热电联供组件性能评估的准确性，为技术优化更新提供可靠的理论支撑。

Description

一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法及系统
技术领域
本发明涉及自然能源综合利用领域，尤其涉及一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法及系统。
背景技术
基于光伏光热综合利用技术的太阳能热电联供组件，可以实现全光谱高效低成本采集利用太阳能，太阳能热电联供组件的热电输出性能受太阳能资源、气象条件以及水温的影响较大，且各地太阳能资源、气象条件以及水温在不同季节、不同时间的分散性、不稳定性特点，目前缺乏一种准确有效的方法用于预测和分析出太阳能热电联供组件在前述条件下的热电输出性能，无法为优化组件性能提供可靠的数据支持。
发明内容
鉴于以上现有技术存在的问题，本发明提出一种太阳能任店联供组件的瞬态热电输出计算方法及系统，主要解决现有热电综合系统性能评估准确性不高的问题。
为了实现上述目的及其他目的，本发明采用的技术方案如下。
一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法，包括：
获取太阳能热电联供组件各能量传递环节对应的能量参数；
构建太阳能总辐射通量与各所述能量参数的能量传递关系，以换热介质质量流率作为迭代变量，对所述能量传递关系进行迭代求解，直到满足预设迭代条件后结束迭代，获取对应的瞬态电功率和热流量。
可选地，迭代求解步骤包括：
设置所述换热介质质量流率的初始值以及迭代增量，并根据每次由迭代增量计算得到的所述换热介质质量流率带入所述能量传递关系，得到迭代总能量；
根据所述迭代总能量与所述太阳能总辐射通量的差值设置所述迭代条件，求得满足所述迭代条件的瞬态电功率和热能量。
可选地，所述能量传递关系表示为：
Figure BDA0002940349490000021
其中，Tme，av是换热介质平均温度，其值为换热器进口换热介质温度Tme，in与换热器出口换热介质温度Tme，out的平均值；Φt为太阳能总辐射通量，Pe，t为所述太阳能热电联供组件产电功率，Φth，t为所述太阳能热电联供组件产热流量，Φ1为玻璃顶部光学损失，Φ2为聚光损失，Φ3为光伏电池顶部光学损失，Φ4为玻璃顶部热损失；
Figure BDA0002940349490000027
为所述换热介质质量流率。
可选地，所述太阳能热电联供组件产电功率表示为：
Figure BDA0002940349490000022
其中，Tpv，ave是光伏电池的平均温度，表示为：
Figure BDA0002940349490000023
其中，cp为换热介质的定压比热容，
Figure BDA0002940349490000024
为换热介质的质量流率，hw-ch为换热介质在换热器壁内的对流换热系数，δch为换热器的壁厚，λch为换热器的导热系数，δpv为光伏电池的厚度，λpv为光伏电池的导热系数，Apv为光伏电池受光面面积。
可选地，所述太阳能热电联供组件产热流量表示为：
Figure BDA0002940349490000025
其中，cp为换热介质的定压比热容，
Figure BDA0002940349490000026
为换热介质的质量流率。
可选地，所述玻璃顶部光学损失表示为：
Φ1＝ρcαcΦt＝ρcαcGtAc
其中，ρc为玻璃的反射率，αc为玻璃吸收率，Gt为太阳总辐照度，Ac为玻璃面积。
可选地，所述聚光损失表示为：
Φ2＝(Φt-Φ1)(1-ηc(Gt，Gd，ρcor))
其中，ηc(Gt，Gd，ρcor)为聚光器的聚光效率，Gt为太阳总辐照度，Gd为太阳直射辐照度，ρcor为聚光器反射率。
可选地，所述光伏电池顶部光学损失表示为：
Φ3＝(Φt-Φ1-Φ2)ρpvαpv
其中，ρpv为光伏电池反射率，αpv为光伏电池吸收率。
可选地，所述玻璃顶部热损失表示为：
Φ4＝((Tc，ave-Ta)(2.8+3.0uwi)+(Tc，ave-Tsky)hsky)Ac
其中，Ta为环境温度，uwi为风速，Tsky为天空温度，hsky为玻璃与天空的辐射换热系数，Tc，ave为玻璃平均温度，ρc为玻璃的反射率，αc为玻璃的吸收率。
Tsky表达式如下：
Figure BDA0002940349490000031
hsky表达式如下：
Figure BDA0002940349490000032
式中，σ为黑体辐射常数；
εc为光伏玻璃发射率；
Tc，ave由下式求得：
Figure BDA0002940349490000033
一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算系统，包括：
参数获取模块，用于获取太阳能热电联供组件各能量传递环节对应的能量参数；
瞬态计算模块，用于构建太阳能总辐射通量与各所述能量参数的能量传递关系，以换热介质质量流率作为迭代变量，对所述能量传递关系进行迭代求解，直到满足预设迭代条件后结束迭代，获取对应的瞬态电功率和热流量。
如上所述，本发明一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法及系统，具有以下有益效果。
可准确计算出太阳能热电联供组件的瞬态电功率及热流量，为组建优化以及不同季节时段性能评估提供可靠的数据支持。
附图说明
图1为本发明一实施例中太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法的流程图。
图2为本发明一实施例中能量参数的位置分布示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
请参阅图1，本发明提供一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法，包括以下步骤：
步骤S01，获取太阳能热电联供组件各能量传递环节对应的能量参数。
在一实施例中，首先需要确定太阳能热电联供组件中参与能量传递的各个光电热能量传递环节。
图2为一实施例中太阳能热电联供组件各光电热能量传递环节的位置分布示意图。太阳能流在太阳能热电联供组件内的能量传递环节包括玻璃透过环节、聚光器聚光环节、光伏电池光伏发电环节、换热器热量回收环节。
每个光电热能量传递环节对应一个或多个能量传递参数，则太阳能流在太阳能热电联供组件内，能量传递的主要能量参数包括：太阳总辐射通量Φt，组件产电功率Pe，t，组件产热流量Φth，t，玻璃顶部光学损失Φ1，聚光损失Φ2，光伏电池顶部光学损失Φ3以及玻璃顶部热损失Φ4。
步骤S02，构建太阳能总辐射通量与各能量参数的能量传递关系，以换热介质质量流率作为迭代变量，对能量传递关系进行迭代求解，直到满足预设迭代条件后结束迭代，获取对应的瞬态电功率和热流量。
具体地，太阳能总辐射通量Φt分别转化为组件产电功率Pe，t、产热流量Φth，t、玻璃顶部光学损失Φ1、聚光损失Φ2、光伏电池顶部光学损失Φ3以及玻璃顶部热损失Φ4，由如下等式表示：
Figure BDA0002940349490000051
其中，Tme，av是换热介质平均温度，即为换热器内流动的所有换热介质的平均温度，其值为换热器进口换热介质温度Tme，in与换热器出口换热介质温度Tme，out的平均值，即：Tme，av＝(Tme，in+Tme，out)/2，
Figure BDA0002940349490000052
是热电联供组件产电功率受换热介质平均温度影响的函数表达式，
Figure BDA0002940349490000053
是热电联供组件产热流量受换热介质质量流率
Figure BDA0002940349490000056
和换热介质平均温度Tme，av影响的函数表达式，
Figure BDA0002940349490000054
是热电联供组件玻璃顶部损失受换热介质平均温度Tme，av影响的函数表达式。
进一步地，对太阳能热电联供组件热电输出性能进行迭代求解，具体步骤如下：
a、太阳能热电联供组件能量传递方程式(1)等式的右侧单独组建函数关系式(2)，如下：
Figure BDA0002940349490000055
b、确定(2)式中的已知参数，包括：玻璃、聚光器、光伏电池、换热介质以及保温层各自的导热系数δ和厚度λ，光伏电池的光电转换效率ηe，pv以及温度系数γpv，太阳能总辐射通量Φt、天空温度Tsky，风速uwi，环境温度Ta，换热器进口换热介质温度Tme，in。
c、可设定换热器出口换热介质温度Tme，out，通过Tme，av＝(Tme，in+Tme，out)/2计算出换热介质平均温度Tme，av并代入(2)式中。
d、将换热介质质量流率
Figure BDA00029403494900000618
作为(2)式迭代的变量，假设换热介质质量流率初始值
Figure BDA0002940349490000061
并带入(2)式中，计算出的结果为
Figure BDA0002940349490000062
再以
Figure BDA0002940349490000063
为增量，令
Figure BDA0002940349490000064
将
Figure BDA0002940349490000065
带入(2)式中，计算出的结果为
Figure BDA0002940349490000066
继续前述流程到第n次，即，令
Figure BDA0002940349490000067
将
Figure BDA0002940349490000068
带入(2)式中，计算出的结果为
Figure BDA0002940349490000069
在一实施例中，可预先设置结束迭代过程的迭代条件，可选地，根据迭代总能量与太阳能总辐射通量的差值设置所述迭代条件。
具体地，当
Figure BDA00029403494900000610
迭代结束。此时，通过(2)式第n次迭代求得的
Figure BDA00029403494900000611
分别为太阳能热电联供组件产电功率与产热流量。
公式(1)中各项详细介绍如下：
对于公式(1)中的热电联供组件产电功率受换热介质平均温度影响的函数表达式
Figure BDA00029403494900000612
由如下表达式计算：
Figure BDA00029403494900000613
其中，Tpv，ave是光伏电池的平均温度，表示如下：
Figure BDA00029403494900000614
其中，cp为换热介质的定压比热容，
Figure BDA00029403494900000615
为换热介质的质量流率，hw-ch为换热介质在换热器壁内的对流换热系数，δch为换热器的壁厚，λch为换热器的导热系数，δpv为光伏电池的厚度，λpv为光伏电池的导热系数，Apv为光伏电池受光面面积。
对于公式(1)中的热电联供组件产热流量受换热介质质量流率
Figure BDA00029403494900000616
和换热介质平均温度Tme，av影响的函数表达式
Figure BDA00029403494900000617
由如下表达式计算：
Figure BDA0002940349490000071
对于公式(1)中的玻璃顶部光学损失Φ1，由如下表达式计算：
Φ1＝ρcαcΦt＝ρcαcGtAc (6)
其中，ρc为玻璃的反射率，αc为玻璃吸收率，Gt为太阳总辐照度，Ac为玻璃面积。
对于公式(1)中的聚光损失Φ2，由如下表达式计算：
Φ2＝(Φt-Φ1)(1-ηc(Gt，Gd，ρcor)) (7)
其中，ηc(Gt，Gd，ρco)为聚光器的聚光效率，Gd为太阳直射辐照度，ρco为聚光器反射率。
对于公式(1)中的光伏电池顶部光学损失Φ3，由如下表达式计算：
Φ3＝(Φt-Φ1-Φ2)ρpvαpv (8)
其中，ρpv为光伏电池反射率，αpv为光伏电池吸收率
对于公式(1)中的玻璃顶部热损失Φ4，由如下表达式计算：
Φ4＝((Tc，ave-Ta)(2.8+3.0uwi)+(Tc，ave-Tsky)hsky)Ac (9)
其中，Ta为环境温度，uwi为风速，Tsky为天空温度，hsky为玻璃与天空的辐射换热系数，Tc，ave为玻璃平均温度，ρc为玻璃的反射率，αc为玻璃的吸收率。
Tsky天空温度的表达式如下：
Figure BDA0002940349490000072
hsky玻璃与天空的辐射换热系数的表达式如下：
Figure BDA0002940349490000073
式中：
σ为黑体辐射常数，值为5.67×10-8W/(m2·K4)。
εc为光伏玻璃发射率。
Tc，ave通过如下公式计算获得：
Figure BDA0002940349490000081
本实施例提供了一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算系统，用于执行前述方法实施例中所述的太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法。由于系统实施例的技术原理与前述方法实施例的技术原理相似，因而不再对同样的技术细节做重复性赘述。
在一实施例中，太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算系统，包括：
参数获取模块，用于获取太阳能热电联供组件各能量传递环节对应的能量参数；
瞬态计算模块，用于构建太阳能总辐射通量与各所述能量参数的能量传递关系，以换热介质质量流率作为迭代变量，对所述能量传递关系进行迭代求解，直到满足预设迭代条件后结束迭代，获取对应的瞬态电功率和热流量。
综上所述，本发明一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法及系统，通过将太阳能流在太阳能热电联供组件内各环节能量传递与转换进行参数化，依据能量守恒定律，建立太阳能热电联供组件光电热耦合瞬态热电输出数学模型，在已知当地某时的太阳总辐照度、太阳直射辐照度、环境温度、风速、换热器进口换热介质温度以及设定换热器出口换热介质温度的条件下，通过数学迭代计算，获得热电联供组件的输出电功率与热功率，实现计算准确度更高、季节实用性更广以及可获得太阳能热电联供组件内各环节能量参数的细节信息等优点，可为太阳能热电联供组件技术优化与更新换代提供理论支撑。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法，其特征在于，包括：
获取太阳能热电联供组件各能量传递环节对应的能量参数；
构建太阳能总辐射通量与各所述能量参数的能量传递关系，以换热介质质量流率作为迭代变量，对所述能量传递关系进行迭代求解，直到满足预设迭代条件后结束迭代，获取对应的瞬态电功率和热流量，所述能量传递关系表示为：
Figure FDA0003819968190000011
其中，Tme，av是换热介质平均温度，其值为换热器进口换热介质温度Tme，in与换热器出口换热介质温度Tme，out的平均值；Φt为太阳能总辐射通量，Pe，t为所述太阳能热电联供组件产电功率，Φth，t为所述太阳能热电联供组件产热流量，Φ1为玻璃顶部光学损失，Φ2为聚光损失，Φ3为光伏电池顶部光学损失，Φ4为玻璃顶部热损失；
Figure FDA0003819968190000012
为所述换热介质质量流率；
所述太阳能热电联供组件产电功率表示为：
Figure FDA0003819968190000013
其中，Tpv，ave是光伏电池的平均温度，表示为：
Figure FDA0003819968190000014
其中，cp为换热介质的定压比热容，
Figure FDA0003819968190000015
为换热介质的质量流率，hw-ch为换热介质在换热器壁内的对流换热系数，δch为换热器的壁厚，λch为换热器的导热系数，δpv为光伏电池的厚度，λpv为光伏电池的导热系数，Apv为光伏电池受光面面积。
2.根据权利要求1所述的太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法，其特征在于，迭代求解步骤包括：
设置所述换热介质质量流率的初始值以及迭代增量，并根据每次由迭代增量计算得到的所述换热介质质量流率带入所述能量传递关系，得到迭代总能量；
根据所述迭代总能量与所述太阳能总辐射通量的差值设置所述迭代条件，求得满足所述迭代条件的瞬态电功率和热能量。
3.根据权利要求1所述的太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法，其特征在于，所述太阳能热电联供组件产热流量表示为：
Figure FDA0003819968190000021
其中，cp为换热介质的定压比热容，
Figure FDA0003819968190000022
为换热介质的质量流率。
4.根据权利要求1所述的太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法，其特征在于，所述玻璃顶部光学损失表示为：
Φ1＝ρcαcΦt＝ρcαcGtAc
其中，ρc为玻璃的反射率，αc为玻璃吸收率，Gt为太阳总辐照度，Ac为玻璃面积。
5.根据权利要求1所述的太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法，其特征在于，所述聚光损失表示为：
Φ2＝(Φt-Φ1)(1-ηc(Gt，Gd，ρcor))
其中，ηc(Gt，Gd，ρcor)为聚光器的聚光效率，Gt为太阳总辐照度，Gd为太阳直射辐照度，ρcor为聚光器反射率。
6.根据权利要求1所述的太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法，其特征在于，所述光伏电池顶部光学损失表示为：
Φ3＝(Φt-Φ1-Φ2)ρpvαpv
其中，ρpv为光伏电池反射率，αpv为光伏电池吸收率。
7.根据权利要求1所述的太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算方法，其特征在于，所述玻璃顶部热损失表示为：
Φ4＝((Tc，ave-Ta)(2.8+3.0uwi)+(Tc，ave-Tsky)hsky)Ac
其中，Ta为环境温度，uwi为风速，Tsky为天空温度，hsky为玻璃与天空的辐射换热系数，Tc，ave为玻璃平均温度，ρc为玻璃的反射率，αc为玻璃的吸收率；
Tsky表达式如下：
Figure FDA0003819968190000031
hsky表达式如下：
Figure FDA0003819968190000032
式中，σ为黑体辐射常数；
εc为光伏玻璃发射率；
Tc，ave由下式求得：
Figure FDA0003819968190000033
8.一种太阳能热电联供组件的瞬态热电输出计算系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取太阳能热电联供组件各能量传递环节对应的能量参数；
瞬态计算模块，用于构建太阳能总辐射通量与各所述能量参数的能量传递关系，以换热介质质量流率作为迭代变量，对所述能量传递关系进行迭代求解，直到满足预设迭代条件后结束迭代，获取对应的瞬态电功率和热流量；所述能量传递关系表示为：
Figure FDA0003819968190000034
其中，Tme，av是换热介质平均温度，其值为换热器进口换热介质温度Tme，in与换热器出口换热介质温度Tme，out的平均值；Φt为太阳能总辐射通量，Pe，t为所述太阳能热电联供组件产电功率，Φth，t为所述太阳能热电联供组件产热流量，Φ1为玻璃顶部光学损失，Φ2为聚光损失，Φ3为光伏电池顶部光学损失，Φ4为玻璃顶部热损失；
Figure FDA0003819968190000035
为所述换热介质质量流率；所述太阳能热电联供组件产电功率表示为：
Figure FDA0003819968190000041
其中，Tpv，ave是光伏电池的平均温度，表示为：
Figure FDA0003819968190000042
其中，cp为换热介质的定压比热容，
Figure FDA0003819968190000043
为换热介质的质量流率，hw-ch为换热介质在换热器壁内的对流换热系数，δch为换热器的壁厚，λch为换热器的导热系数，δpv为光伏电池的厚度，λpv为光伏电池的导热系数，Apv为光伏电池受光面面积。
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