基于纳米流体分频的光伏光热实验系统及控制方法

1.本发明涉及太阳能光伏光热发电(pv/t)领域，尤其涉及一种分频型光伏光热实验系统，主要针对实验装置连接灵活性、流体温度控制精准性、测试性能稳定性等方面，通过合理规划与布局，设计并建立了一套新型基于纳米流体分频的光伏光热实验台，用以精准测试pv/t实验系统的电输出和热输出性能。


背景技术：

2.光伏光热系统以其可持续发展、无噪声、无污染等优势在众多能源利用系统中脱颖而出。在传统光伏发电系统中，太阳光入射到光伏电池板表面后，仅有部分太阳能可被转化为电能，未被利用的太阳光谱能量直接转换成热，随之而来的是电池温度升高、电池效率下降的问题。
3.分频型光伏光热系统可有效地解决这一问题。在整个太阳光谱范围内，部分太阳能被光伏电池转化为电能，其余部分的太阳能在抵达电池表面之前被分频材料反射或吸收，可以有效避免电池升温。纳米流体主要采用的就是吸收的分频方式，纳米流体是在水或导热油等流体中悬浮一定浓度的粒径在几十到几百纳米的金属或非金属颗粒的流体，流体在加入纳米颗粒后会产生明显的对太阳辐射的吸收峰，通过调整和组合纳米颗粒的材料、形状、尺寸、浓度等参数，可以改变纳米流体对于太阳光的吸收性能。
4.同时，分频型光伏光热系统利用强制循环流体(如水或导热油等)冷却电池板的背板，可以降低电池运行温度，使电池运行在较为理想的工况下，同时也回收了余热，达到了双重目的，实现了能源的极大化利用。
5.在实际应用过程中，根据需要，电池板上方加入分频流道，电池背板下方加入冷却流道，同时选择或组合不同纳米颗粒和基液流体调制分频特性，可以实现更灵活的系统控制。目前在工程应用和实验研究中的光伏光热系统，多采用水或空气冷却电池板，对于基于纳米流体分频的光伏光热系统研究较少，而对于分频型光伏光热系统中循环流体温度控制、装置布局、分频液体稳定性等问题的讨论更有待解决：
6.1.循环流体温度控制不精准：
7.在流体循环过程中，冷却液体在吸收电池板热量后升温，分频流体也因吸收太阳能而升温。a.冷却液体为达到更好的吸热效果，应将其冷却到一定入口温度，但冷却过程往往不精准，并不能达到系统所需的冷却液体进口温度。b.作为分频液体的纳米流体，其分频的效果也与温度相关，在实验过程中，需要测试各温度区间下的系统性能，温度控制尤为重要。
8.在现有研究中，例如专利申请号cn201410298252的名为一种太阳能光热光电分频利用系统中，使用了半导体纳米流体作为分频流体，纳米流体从光电单元流向光热单元，经换热器与冷却水进行热交换，冷却后的纳米流体再被送入铝管中。该过程中缺乏对纳米流体温度的精准调控，纳米流体送入铝管前的温度对于实验测试结果有较大影响，若不进行纳米流体温度精准控制，则无法实现多次重复测量，且无法灵活进行变工况测试。
9.2.装置的连接与布局不灵活：
10.对于光伏光热系统的研究已不仅仅局限于单个光伏光热模块的测试，光伏光热系统中往往采用多个光伏光热模块进行测试，在此基础上，考虑多个光伏光热模块共同工作的情况，更加符合实际工程应用状况，同时也应考虑不同模块之间的连接布局问题，以更全面发展光伏光热系统。在研究多个光伏光热模块时，多块光伏光热模块之间的连接不灵活，实验过程需要将其串联/并联/混连来测试系统性能。
11.诸如，专利申请号201010610205.3的名为基于光伏电池的pv/t系统、专利申请号cn201410298252的名为一种太阳能光热光电分频利用系统均只研究了单个光伏光热模块情况下的系统连接，未考虑多模块系统及其连接布局。
12.3.纳米流体性质不稳定：_
13.纳米流体中的颗粒易团聚沉淀，影响纳米流体的性能，从而影响分频效果与系统性能。对于需要做很多次的实验过程，由于颗粒团聚，需要重新制备纳米流体，时间成本增加，经济成本增加，且由于每次制备具有差异，不能保证每次使用的纳米流体有同样的性质，在对照实验效果时增加了实验误差。
14.诸如，专利申请号cn201410298252的名为一种太阳能光热光电分频利用系统中还未考虑纳米流体稳定性问题，纳米流体随时间推移易出现团聚沉积的情况，出现团聚的纳米流体性能下降，对系统性能有较大影响。


技术实现要素：

15.为了解决现有技术中的不足，本发明公开一种新型的基于纳米流体分频的光伏光热实验系统，其技术方案如下：
16.基于纳米流体分频的光伏光热实验系统，包括光伏光热模块、双温控制装置、超声水浴仪、冷却器、第一真空泵、第二真空泵；其特征为：所述双温控制装置包括热交换器、加热仪；所述热交换器的冷却水侧的入口与冷却器的出口相连；所述的热交换器的冷却水侧的出口与冷却器的入口相连；所述热交换器工质侧的出口与超声水浴仪相连；所述热交换器工质侧的入口与第一真空泵的出口连接；所述第一真空泵的入口与水箱连接；所述加热仪的入口与第二真空泵的出口连接；所述加热仪的出口连接到光伏光热模块的流道入口端；所述超声水浴仪的工质侧出口与第二真空泵入口相连，超声水浴仪中的水浴侧入口与冷却器的出口相连；超声水浴仪中的水浴侧的出口与冷却器的入口相连；所述热交换器的冷却水侧出口、同时超声水浴仪的水浴侧出口安装有热电阻，用于测量温度，并将温度信号传输到数据采集系统7后通过电脑pc存储分析数据。
17.本发明还公开一种基于纳米流体分频的光伏光热实验系统的控制方法。
18.有益效果：
19.(1)通过双温度控制系统实现循环流体温度控制精准。
20.(2)基于粒子群算法的pid控制双温控制系统使流体温度控制更精确，更快速，更稳定，能够很好达到实验测试所需的目的，能够保证冷却流体和分频流体的温度控制更为准确，达到更好的实验效果。
21.(3)对于纳米流体易团聚的性质，加入超声组合减少其团聚，提高了纳米流体的循环利用率，降低了实验成本，减小了实验误差。在超声水浴仪对纳米流体的超声振荡过程
中，水浴温度会随超声时间增加而上升，升温会导致超声不当，从而加剧纳米流体的团聚现象。对超声水浴仪中水的温度监测和及时冷却也确保了实验效果的稳定性。
22.(4)装置和管路连接的设计，使得系统更加灵活，仅需控制阀门就可以实现多种测试工况，易操作且简单可行。
附图说明
23.图1为本发明基于纳米流体分频的光伏光热实验系统结构示意图。
24.图2为本发明温度控制部分硬件系统框图。
25.图3为本发明基于粒子群算法的自适应pid控制系统。
26.图4为本发明通过粒子群优化后的温度输出曲线与没有经过粒子群优化的温度输出曲线对比图。
27.图中各标号为
28.其中：1-水箱，2-第一真空泵，2
’‑
第二真空泵，3-热交换器，4-超声水浴仪，5-流量计，6-加热仪，7-数据采集系统，8-电脑pc，9-直流负载，10-冷却器，11-辐照计，12-环境温度计，13-风速计，14-光敏元件，15-双轴跟踪系统，a-q-阀门。
具体实施方式
29.本发明公开一种基于纳米流体分频的光伏光热实验系统，包括光伏光热模块、双温控制装置、超声水浴仪4、冷却器10、第一真空泵2、第二真空泵2’；其特征为：所述双温控制装置包括热交换器3、加热仪6；所述热交换器3的冷却水侧的入口与冷却器10的出口相连；所述的热交换器3的冷却水侧的出口与冷却器10的入口相连；所述热交换器3工质侧的出口与超声水浴仪4相连；所述热交换器3工质侧的入口与第一真空泵2的出口连接；所述第一真空泵2的入口与水箱1连接；所述加热仪6的入口与第二真空泵2’的出口连接；所述加热仪6的出口连接到光伏光热模块的流道入口端；所述超声水浴仪4的工质侧出口与第二真空泵2’入口相连，超声水浴仪4中的水浴侧入口与冷却器10的出口相连；超声水浴仪4中的水浴侧的出口与冷却器10的入口相连；所述热交换器3的冷却水侧出口、同时超声水浴仪4的水浴侧出口安装有热电阻，用于测量温度，并将温度信号传输到数据采集系统7后通过电脑pc8存储分析数据。
30.在流体循环过程中，冷却液体在吸收电池板热量后升温，分频流体也因吸收太阳能而升温；a.冷却液体为达到更好的吸热效果，应将其冷却到一定入口温度，但冷却过程往往不精准，并不能达到系统所需的冷却液体进口温度；b.作为分频液体的纳米流体，其分频的效果也与温度相关，在实验过程中，需要测试各温度区间下的系统性能，温度控制尤为重要。因此，循环流体温度控制的精准性是十分必要的。
31.下面我们详细阐述本发明为了解决现有技术中的不足而采取的技术手段及其原因：
32.双温控制系统
33.该技术方案主要通过换热器3和加热仪6两个设备实现，控制策略使用粒子群优化的自适应pid控制以达到控制系统中冷却工作流体和分频工作流体在目标温度下进入光伏光光热模块中测试的目的。
34.对于冷却工作流体，需要准确控制其进入光伏光热模块的入口温度。运行过程中，从光伏光热系统出来的工作流体温度升高，在光伏光热模块的出口处使用热电阻测量其出口温度，根据温度控制阀门q的开度确定进入换热器6冷却水的流量，工作流体经换热器3与冷却水换热降温，由于此种降温不易精准控制，现将工作流体冷却至所需温度之下的3-5℃。待其进入光伏光热模块之前，测量温度后，使用加热仪6将其加热到实际所需的工作温度。一方面可以实现温度的精准控制，另一方面在入口前加热，减少了流体进入系统前由于管路保温不足而造成的温度损失。
35.对于分频流体，同样需要控制其进入光伏光热模块的温度。经循环后的分频流体温度升高，将其出口温度反馈到电脑之后，根据温度控制阀门p的开度控制冷却效果，工作流体被换热器3初步冷却，由于实验需要测试不同温度下的分频流体的影响，温度区间在几十到几百度之间，因此使用加热仪6对其加热直至所需温度。
36.对于温度控制选用了粒子群优化的自适应pid控制系统。本发明重点强调的是：由于传统的pid控制方式，往往因为存在较大延迟和较大惯性的问题，对于一些工况甚至表现出明显的时变性和非线性，控制结果不能很好解决温度的自动控制问题，若想要达到更加优秀的控制效果，就必须对控制规律和参数不断进行调整，而结合智能算法的pid控制对于控制过程中存在的各项干扰有良好的克服和适应能力，基于传统的pid控制方式的上述缺点，发明人经过无数次实验证明传统的pid控制策略并不能适合本发明，因此本发明采用了应用广泛的粒子群优化算法的pid控制策略，从而提高控制性能和稳定性，使实验测试过程中的温度控制更灵敏、更精确。
37.粒子群算法模拟鸟群寻找食物的过程。假设一群鸟随机分布在一块区域中而在这块区域内只有一块食物在寻找食物过程中个体之间不断交互信息传递经验。个体并不知道食物的具体位置，但是个体可以通过追踪当前位置最佳的个体不断调整搜索速度，根据个体与食物的距离确定当前位置最佳的个体，当有个体搜索到食物后，整个鸟群的搜索工作完成。在粒子群算法中，粒子对应鸟，粒子寻优过程对应鸟群搜索食物过程。粒子群算法作为一种智能算法，得到了广泛应用，使用粒子群算法优化的自适应pid控制，在参数整定方面具有较好的效果，且系统具有快速性和稳定性的特点，很好的控制了系统中的温度。
38.双温度控制的粒子群优化的自适应pid控制策略具体算法如下：
39.根据模拟控制算法：
[0040][0041]
计算机采用的数字控制算法有位置控制算法、增量算法和速度算法。采用增量算法，误差和控制量的关系如下：
[0042]
△
u(k)＝k
p
[e(k)-e(k-1)] kie(k) kd[e(k)-2e(k-1) e(k-2)]
[0043]
u(k)＝u(k-1)
△
u(k)
[0044]
基于粒子群算法的pid控制，是在每个采样周期通过粒子群算法对k
p
、ki、kd进行整定。基于粒子群算法的pid控制系统见图3所示，在采样时刻k，根据k，k-1，k-2时刻误差值，进行多次迭代，每次迭代中，计算粒子对应的控制量，并计算相应的输出及适应值，根据适应值选取历史最优粒子和全局最优粒子，迭代结束将获得的全局最优粒子作为下一时刻k
1时刻的pid参数。如此pid参数会随系统状态的变化不断变化。采用误差绝对值、误差变化率及控制量作为适应函数。第k采样时刻第i个粒子的适应函数表达式为：
[0045]
f(i)＝α|error(i)| β|derror(i)| γ|u(i)|
[0046]
式中error(i)为第k个采样时刻第i个粒子的位置误差derror(i)为第k个采样时刻第i个粒子的位置误差变化率；u(i)为第k个采样时刻第i个粒子的位置即控制量。为了反应这三项在适应函数中的作用三项分别乘以权重α、β、γ。
[0047]
该控制方法在系统中的装置结构见图2所示，多个热电阻组成的测温模块同时对受控对象工作流体和换热模块热交换器3进行温度采集，并将温度信号输入给主控模块电脑8，而主控模块控制输出模块的输出温度信号。利用输出模块驱动热交换器3冷却水侧阀门q的开度，实现对受控对象工作流体的温度调节。在实验系统中，测温模块需要测量以下几个点的温度：流体从光伏光热模块出来后的出口温度，流体进入3-换热器前的进口温度，流体进入加热仪前的进口温度，流体从加热仪中出来的出口温度，以及系统中5-流量计测得的流体流量。将以上信号送入主控模块，进行粒子群优化的自适应pid控制，通过控制系统输出换热器3-冷却水侧阀q的阀位大小信号，初步调节温度，同时调节加热仪6-的加热温度，确保加热仪出口处的流体温度为设定的实验所需入口温度。
[0048]
连接与布局：
[0049]
对于光伏光热系统的研究已不仅仅局限于单个光伏光热模块的测试，在研究多个光伏光热模块时，多块光伏光热模块之间的连接不灵活，实验过程需要将其串联/并联/混连来测试系统性能。因此，需要光伏光热系统硬件装置连接与布局的灵活十分必要。
[0050]
在实验系统中，为了实现连接与布局的灵活性，在加热仪6到水箱1入口的干路流道上连接四条支路流道，分别将四个支路连接到四个光伏光热模块的入口处，并在四个支路流道上分别安装阀门e、f、g、h以控制该支路的通断及开度，在第一支路和第二支路之间的干路流道上加入阀门a，在第二支路和第三支路之间的干路流道上加入阀门b，在第三支路和第四支路之间的干路流道上加入阀门c，在第四支路和水箱1的流道上加入阀门d。四个光伏光热模块的出口支路流道上分别加入阀门l、i、j、k控制支路通断和开度，并在光伏光热模块出口流道到水箱1的连接干路加入阀门m、n、o。
[0051]
在实验过程中，需要测试不同工况下实验系统的输出，在图1中的四个光伏光热模块的连接之间加入了阀门a到o，通过控制不同阀门的开关，可以实现以下功能：一方面可以控制实验中使用的模块数量，可以仅使用部分模块，也可以四个模块共同测试。另一方面，控制不同模块之间的连接方式，不同模块之间可以串联、并联、混连。阀门的切换与组合实现了纳米流体分频的光伏光热系统的多功能灵活性测试。
[0052]
超声组合：
[0053]
纳米流体中的颗粒易团聚沉淀，影响纳米流体的性能，从而影响分频效果与系统性能。对于需要做很多次的实验过程，由于颗粒团聚，需要重新制备纳米流体，时间成本增加，经济成本增加，且由于每次制备具有差异，不能保证每次使用的纳米流体有同样的性质，在对照实验效果时增加了实验误差。因此，保持纳米流体性质稳定也是十分必要的。在实验系统中加入了超声水浴仪4，超声震荡可以减少纳米流体的团聚，保证纳米流体的工作稳定性。而超声水浴仪4中的水会由于仪器工作时间长而升温，升温导致的超声不当，会影响纳米流体的性质，甚至会导致纳米流体的团聚更加严重，因此对超声水浴仪4中水的温度
进行监测，使用冷却器10冷却4-超声水浴仪中的水，以确保超声水浴仪4工作在稳定的温度下。
[0054]
下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步说明。
[0055]
本发明的整体运行实施例：该实验系统运行时，太阳光照射在光伏光热模块上，根据光敏元件14所测量的太阳光光线的入射方向，双轴跟踪系统15转动调整整个光伏光热模块的方位和角度，以尽可能确保太阳光垂直照射在光伏光热模块上。在太阳光的照射下，模块中的光伏电池产生电流和电压，由直流电子负载9测量得到并显示在屏幕上，测得的电流电压等参数将传输到电脑8上记录和处理，由此得到了实验台测试所需的光伏光热模块的电输出参数。
[0056]
与此同时，光伏光热模块中，分频流体选择以水为基液，以浓度为5ppm、粒径在50nm左右的球形银(ag)为纳米颗粒，水和银颗粒组成的纳米流体吸收热量升温，在光伏光热模块的出口处使用热电阻测量纳米流体的出口温度，该温度由7-数据采集系统采集获得并传送到8-电脑上记录存储，由此得到了实验所需测量的光伏光热模块的热输出参数-温度。
[0057]
为控制实验变量，将光伏光热实验系统中的流体循环使用，且为保证纳米流体性质稳定，需超声震荡防止团聚。对于实验测试需要准确控制其进口的温度，对于温度的控制运用粒子群优化的自适应pid控制算法，双温度控制策略，由热交换器3和加热仪6实现温度调整。在光伏光热系统换热出来的流体进入水箱1，在真空泵2的作用下，流体被送去热交换器3，与冷却器10中出来的冷却水换热，进行初步的降温，换热完成的流体送入超声水浴仪4中超声震荡，流体随后在真空泵2’的作用下进入流量计5和加热仪6，流体在加热仪6中精确加热升温到所需的工作温度，加热完成的流体进入光伏光热系统中进行实验测试。
[0058]
以上工作流体温度控制策略，主要通过该方法实现：由热电阻测得光伏光热模块出口的工作流体温度为313.15k，使用双温控制系统调节温度，欲使工作流体下一次进入光伏光热模块使的进口温度为291.15k，多个热电阻组成的测温模块同时对受控对象工作流体和换热模块热交换器3进行温度采集，并将温度信号输入给主控模块电脑8。
[0059]
双温度控制系统中采用粒子群优化的自适应pid控制策略，传递函数为控制器采用pd控制器，采样周期1ms，总共采样300次，时间为0.3s。粒子群大小取25，惯性权重取0.9，最大搜索速度为5，kp初始值设置在5～15范围内随机产生的数，kd初始值设置在0～1范围内随机产生的数，最大搜索范围设置为2。适应度函数中设置α为0.95，β为0.05，γ为0.01，每个时刻粒子迭代50代。通过粒子群优化后的温度输出曲线与没有经过粒子群优化的温度输出曲线对比如图4所示，可以看出，灰色曲线为粒子群算法优化前的工作流体温度输出曲线，黑色曲线为粒子群算法优化后的工作流体温度输出曲线，两种方案温度最后都稳定在目标温度上，但可以明显看出：经粒子群算法优化的温度输出曲线具有上升时间更短，超调量更小，调节时间更短，稳定误差小的特点，具有更好的控制性能。
[0060]
由此，粒子群优化的自适应pid控制输出模块的输出温度信号。利用输出模块驱动热交换器3冷却水侧阀门q的开度，使热交换器3将工作液体冷却到288.15k，经超声震荡后送入加热仪6中加热升温，直至目标313.15k，达到目标温度的工作液体进入光伏光热模块
后，进行下一次实验测试。
[0061]
2.超声组合中水浴温度控制策略：
[0062]
为保证超声水浴仪5中水浴温度稳定，使用热电阻测量水浴温度，测得的温度信号由数据采集系统7送至电脑8。在反馈作用下，若温度升高，控制阀门p增加开度，冷却水流量增大，水浴温度下降。
[0063]
3.光伏光热模块连接与布局
[0064]
以测量前三个光伏光热模块并联情况下系统输出实验为例。在流体侧，阀门c、d、h、k断开，阀门a、b、e、f、g、i、j、l、m、n、o闭合。在电气侧，断开最后一块电池板与直流电子负载9的连接，前三个模块采用并联连接。
[0065]
本发明在传统基于纳米流体分频的光伏光热系统基础上，结合运行过程中的实际问题，优化并建立了新型基于纳米流体分频的光伏光热系统。第一，对于温度控制不精准的问题，从实际可行的角度出发，使用粒子群优化的pid控制的双温度控制系统，经该策略的优化，温度控制更加精确，温度输出曲线上升时间更短，超调量更小，稳定误差小，具有更好的控制性能；第二，针对纳米流体性质不稳定，易团聚的情况，使用超声水浴仪超声震荡，并在此基础上对超声水浴仪的温度进行了监测调控，防止了超声不当、水浴温度过高带来的对纳米流体性质的负面影响，提高了纳米流体的循环利用率，降低了实验成本，减小了实验误差；第三，仅使用单一光伏光热模块进行测试已不能满足实验测试需求，本发明建立并连接了多个光伏光热模块，并考虑模块间的连接关系，使实验系统灵活性和可操作性大大提高。综上所述，本专利建立的新型基于纳米流体分频的光伏光热系统具有温度控制准确，纳米流体循环稳定性好、布局灵活等优势，解决了传统系统中的问题，具有较好的可行性与创新性。
[0066]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。