Фотоэлектрическая тепловая (PV/T) гибридная солнечная панель

Этот пример использует:

Этот пример показов, как смоделировать когенерацию электрической степени и тепла с помощью гибридной солнечной панели PV/T. Сгенерированное тепло передается в воду для бытового потребления.

Он использует блоки из библиотек Simscape™ Foundation™, Simscape Electrical™ и Simscape Fluids™. Электрический фрагмент сети содержит блок Solar Cell, который моделирует набор фотоэлектрических (PV) элементов и подсистему Load, которая моделирует резистивную нагрузку. Тепловая сеть моделирует теплообмен, который происходит между физическими компонентами панели PV (стеклянная крышка, теплообменник, задняя крышка) и окружением. Тепло обменивается проводимостью, конвекцией и излучением. Тепловая гидравлическая сеть содержит трубопровод, бак и насосы. Насосы управляют потоками жидкостей через систему.

Чтобы смоделировать отражение, поглощение и пропускание света в стеклянной крышке, оптическая модель встроена в блок MATLAB ® Function.

Обзор модели

Откройте модель, чтобы просмотреть ее структуру:

open_system('sscv_hybrid_solar_panel');

Тепловая сеть находится в красном цвете, электрическая сеть в синем цвете и тепловая гидравлическая сеть в желтом цвете. Существуют подсистемы для солнечных и насосных входов. Существует также подсистема, которая содержит возможности для визуализации результатов симуляции. Другая подсистема содержит функцию для оптической модели.

Параметры

Можно использовать скрипт hybrid_solar_panel_data.m, чтобы изменить значения параметров, которые этот пример использует для таких компонентов, как нагрузка, солнечные камеры, трубопровод и бак.

edit sscv_hybrid_solar_panel_data;

Исходные данные

Входами модели являются потоки насоса и солнечные переменные для облучения и угла падения. Повторяющийся блок последовательности используется для определения входов, потому что они следуют 24-часовому периодическому циклу.

open_system('sscv_hybrid_solar_panel/Solar inputs');

open_system('sscv_hybrid_solar_panel/Pump flow inputs');

Солнце поднимается в 6:00 и заходит в 19:00. Облучение следует кривой колокола, которая достигает пика в 12:30. Угол падения изменяется с pi/3 на 0.

Есть три насоса. Один насос моделирует потребность пользователя, другой моделирует предложение источника, а третий моделирует внутренний поток, который заставляет конвекцию в трубопроводе. Спрос постоянный и только ненулевой с 10:00 до 22:00. Подача постоянная и только ненулевая с 18:00 до 6:00. Внутренний поток также является постоянным и только ненулевым с 6:00 до 22:00. Эта модель используется для внутреннего потока, потому что неэффективно форсировать теплообмен в течение ночи, когда температура окружающей среды низкая.

Можно использовать скрипт hybrid_solar_panel_plot_inputs.m, чтобы построить график входов:

sscv_hybrid_solar_panel_plot_inputs;

Оптическая модель для стеклянной крышки

Оптическая модель находится внутри подсистемы:

 open_system('sscv_hybrid_solar_panel/Optical model');

Он состоит из блока MATLAB ® Function с 2 солнечными входами и 3 выходами: переданное облучение на камерах PV, тепло, поглощаемое стеклом, и радиационная степень, поглощенная камерами PV. Часть будет преобразована в электроэнергию (V * I), а остальная часть будет поглощена теплом камерами PV.

С оптической точки зрения стекло состоит из 2 параллельных контуров (воздух-стекло, стекло-воздух), каждая из которых отражает и пропускает свет. Коэффициент отражения в контуре получается из уравнений Френеля. $$ r_p $$ является для P-поляризации и $$ r_s $$ для S-поляризации. Общее отражение является средним значением для обоих, и коэффициент пропускания таким, каким $$ 1 - r $$ до сих пор нет поглощения:

$r_p = \left( \frac{n_{rel}^2 \cos(\theta_i) - \sqrt{n_{rel}^2 - \sin(\theta_i)^2}}
{n_{rel}^2 \cos(\theta_i) + \sqrt{ n_{rel}^2 - \sin(\theta_i)^2}} \right) ^2$

$r_s = \left( \frac{ \cos(\theta_i) - \sqrt{n_{rel}^2 - \sin(\theta_i)^2}}
{\cos(\theta_i) + \sqrt{ n_{rel}^2 - \sin(\theta_i)^2 } } \right) ^2$

$r = \frac{1}{2} \left( r_p + r_s \right)$

$$t = 1 - r $$

Это является примером оптических коэффициентов rp, rs, r и t в функции угла падения:

 nrel = 1.52; %Optical index from air to glass
 theta = linspace(0, pi/2, 100);
 rp = ( nrel^2*cos(theta) - sqrt(nrel^2 - sin(theta).^2) ).^2./...
     ( nrel^2*cos(theta) + sqrt( nrel^2 - sin(theta).^2 ) ).^2 ;
 rs = ( cos(theta) - sqrt(nrel^2 - sin(theta).^2) ).^2./...
     ( cos(theta) + sqrt( nrel^2 - sin(theta).^2 ) ).^2 ;
 r = 0.5*(rp + rs);
 t = 1 - r;

 figure();
 plot(theta*180/pi, rp, 'Color', [0 1 1], 'LineWidth', 1.5);
 hold on
 plot(theta*180/pi, rs, 'Color', [0 0.5 1], 'LineWidth', 1.5);
 plot(theta*180/pi, r, 'Color', [0 0 1], 'LineWidth', 1.5);
 plot(theta*180/pi, t, 'Color', 'm', 'LineWidth', 1.5);
 legend('rp','rs','r','t');
 xlabel('Incidence angle (deg)');
 grid on
 box on

Это то, что происходит в одном контуре, но стекло имеет 2 параллельные контуры, разделенные. $$ d_g $$ Угол после 1-ого контура является углом падения на 2-ом контуре и вычисляется из Закона Снелла:

$n_1 \sin(\theta_1) = n_2 \sin(\theta_2)$

Когда свет входит в стекло, он поглощает часть его с постоянной вероятностью на единицу длины (alpha_g), что приводит к экспоненциальному распаду от расстояния, пройденного для коэффициента пропускания в стекле:

$\tau_g = \exp\left(\frac{-\alpha_g d_g}{\cos(\theta_2)}\right)$

Затем, когда он приходит ко 2-ому контуру, он отражает и передает снова уравнениями Френеля. Отраженный свет заперт внутри стекла, отражая бесконечное время между 2 контурами до полного поглощения. Суммарные коэффициенты отражения и передачи системы являются тогда суммой бесконечного геометрического ряда, для которого результатом является:

$T_g = \frac{ t_1 \tau_g t_2}{1 - r_1 r_2 \tau_g ^2}$

$R_g = r_1 + \frac{ t_1 ^2 \tau_g ^2 r_2 }{ 1 - r_1 r_2 \tau_g ^2}$

$$ A_g = 1 - T_g - R_g $$

Наконец, общие оптические коэффициенты для стекла:

 sscv_hybrid_solar_panel_plot_optics;

Выходы

Выходами модели являются температуры всех компонентов панели, электрическая и тепловая степень и объем в баке.

Можно использовать hybrid_solar_panel_plot_outputs скрипта, чтобы построить график решения:

sscv_hybrid_solar_panel_plot_outputs;

Расчет эффективности

Из выходов можно вычислить электрический, тепловой и общий КПД панели:

sscv_hybrid_solar_panel_efficiency;

****** Efficiency Calculation *********

Total input energy from the sun in the period: 43.7902 kWh 
Average input energy from the sun per day: 14.5967 kWh/day 

Total electrical energy supplied to the load: 7.5158 kWh 
Average electrical energy supplied per day: 2.5053 kWh/day 

Total absolute thermal energy in the water supplied to the user: 26.1096 kWh 
Total absolute thermal energy in the water extracted from the source: 16.5053 kWh 

Total used thermal energy (sink - source): 9.6043 kWh 
Average used thermal energy per day (sink - source): 3.2014 kWh/day 

Electrical efficiency: 0.17163 
Thermal efficiency: 0.21933 
Total efficiency: 0.39096 

***************************************

Электрическая эффективность - порядка стандартных камер, но, добавляя тепловую эффективность, производство энергии значительно лучше, с эффективностью по порядку когенерационного объекта.

Следующий анализ может использовать Simulink ® Design Optimization™ или другие инструменты оптимизации, чтобы найти оптимальные значения для определенных параметров, имеющих право на управление, максимизируя общий КПД.

Другим усовершенствованием будет сложение контроллеров к насосам и электрической нагрузке, порядку привести систему в различные рабочие точки и оптимизировать эффективность.

Документация