一种带有全反馈自动控制与分析装置的热光伏系统

摘要

本发明涉及一种带有全反馈自动控制与分析装置的热光伏系统，其特征在于包括：热光伏发电系统、信号采集系统、全反馈控制系统、数据转换与分析系统、设备工作日志管理系统；本发明利用热光伏发电系统运行中的可控变量，包括温度、气体流量、烟气成分，对整个热光伏发电系统进行反馈控制，使系统保持最佳运行状态，实现一个全反馈自动控制热光伏发电。

说明书

技术领域

本发明属于热光伏发电和自动控制技术交叉领域，具体涉及一种带有全反馈自动控制与分析装置的热光伏系统。

背景技术

初级的热光伏发电系统包括燃烧室、辐射体、光学滤波器、热光伏电池、循环冷却系统，但其整体效率偏低且只适合在实验室进行操作。为了提高系统的发电效率，通常在热光伏发电系统的气体入口增加气体预混室，在废气排放出口增加热回收器，通过热回收器，燃烧排放的高温烟气对与进入燃烧室的冷空气进行热交换，加热后的空气在气体预混室内与燃气进行充分混合，从而使得进入燃烧室的混合气体具有更高的能量，提高了热光伏发电系统的整体效率，也减少了燃气资源的浪费[K.Qiu,A.C.S.Hayden,M.G.Mauk,O.V.Sulim.Generation of electricity using InGaAsSb and GaSb TPV cells incombustion-drivenradiant sources.Solar Energy Materials&Solar Cells,2006,90:68-81.][K.Qiu,A.C.S.Hayden.Premixed gas combustion stabilized in fiber feltand its application to a novel radiant burner.Fuel,2006,85:1094-1100.][K.Qiu,A.C.S.Hayden.Increasing the efficiency of radiant burners by using polymermembranes.Applied Energy,2009,86:349-354.]。K.Qiu等人虽然通过增加气体预混室和热回收器有效提高了热光伏发电系统的整体效率，目前的热光伏发电系统运行中很多操作仍依赖于人工干预和判断，使得操作复杂，测试精度和准确度低，带来很多人为因素的干扰，也使得热光伏技术停留于实验室阶段。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种带有全反馈自动控制与分析装置的热光伏系统，利用热光伏发电系统运行中的可控变量，包括温度、气体流量、烟气成分，对整个热光伏发电系统进行反馈控制，使系统保持最佳运行状态，实现一个全反馈自动控制热光伏发电。

为实现本发明目的所采取的技术方案：一种带有全反馈自动控制与分析装置的热光伏系统，包括：热光伏发电系统、信号采集系统、全反馈控制系统、数据转换与分析系统、设备工作日志管理系统；

热光伏发电系统，利用热光伏电池的光生伏打效应将辐射能转换为电能，实现热、光、电三种能量的转换；

信号采集系统，用于采集热光伏发电系统运行过程中变量信号的硬件设备集合；所述变量信号包括温度、气体流量和气体成分；

用于测量温度、气体流量、气体成分被测信号的硬件设备之间不存在相互关联作用，而事实上气体流量信号的改变会间接地影响燃烧室温度、排出热光伏发电系统的烟气成分及其含量，因此设计了一套信号采集系统，用于将热电偶采集到的燃烧室温度、气体质量流量计测取的燃气质量流量、烟气分析采样仪采样并分析排出热光伏发电系统的烟气成分及其含量等相关数据进行集总，作为全反馈控制系统的输入数据；

全反馈控制系统，基于反馈原理，使热光伏发电系统的变量信号，即温度、气体流量、气体成分始终控制在合理范围内；

在热光伏发电系统中，根据工作环境要求，热光伏电池的工作温度也不尽相同。因此，在特定的工作环境下，操作员应根据热光伏电池的不同来设定燃烧室的预期温度。在热光伏发电系统工作过程中，全反馈控制系统将采集到的温度信号与操作员设定的预期温度进行对比，当温度信号与预期值存在偏差时，全反馈控制系统对该信号实施反馈控制，同时对信号采集系统采集到的烟气成分信号进行分析，当烟气成分中存在燃气或者一氧化碳(也即燃气在燃烧室内非充分燃烧)时，全反馈控制系统对燃气调节阀发送信号，调小热光伏系统中的燃气进量。然后，如此往复，在全反馈控制系统的控制下，使热光伏发电系统达到理想状态；

数据转换与分析系统；用于将信号采集系统采集到的电信号转换为数字信号，并实时地图形化处理，便于操作员查看设备运行状态；

在数据采集系统和全反馈控制系统工作时，全反馈控制系统发出控制信号，调节控制阀实施对应的控制操作，热光伏发电系统中热光伏电池将实时输出电能。由于热光伏电池产生的实时数据不便于操作员阅读与分析，因此设计了一套数据转换与分析系统，将不便于阅读分析的数据进行可视化处理，以便于操作员查看设备运行状态。

设备工作日志管理系统，用于实时记录热光伏发电系统开启之后的所有操作动作与状态，便于操作员检查设备的可靠性、安全性及数据的准确性；

设备工作日志管理系统用于记录热光伏系统中设备开启与关闭和调节阀操作的时间以及状态变化情况。

所述热光伏发电系统包括气体预混室、燃烧室、辐射器、光学滤波器、热光伏电池、热回收器、电池冷却器；

冷空气由空气入口流经空气调节阀进入热回收器，与热回收器中的高温烟气进行热交换后预热为热空气，再与燃气在气体预混室中进行充分混合后，进入燃烧室，经电子打火装置打火后开始燃烧放热，辐射体不断地将燃烧产生的热能转换为辐射能，向外辐射光子、能量高于热光伏电池带隙能的辐射光子通过光学滤波器，到达热光伏电池表面进行光电转换，光电转换过程中热光伏电池产生的热量经冷却装置带走，以保证热光伏电池正常工作，燃烧室产生的烟气再经热回收器与冷空气换热后排出至热光伏发电系统外。

所述信号采集系统包括热电偶、气体流量计能流密度计、烟气成分分析仪。热电偶用于测量燃烧室内烟气的温度，气体质量流量计用于测量进入气体预混室的燃气和空气进量，能流密度计用于测量到达热光伏电池阵列表面的单位面积光子能，烟气成分分析仪用于测量排出至热光伏发电系统外的烟气的组成成分及其含量。

所述全反馈控制系统包括PID控制器和执行器。

信号采集与分析系统中硬件由热电偶、气体流量密度计、烟气成分分析仪等测量仪表设备组成的，用于采集热光伏发电系统运行过程中温度、气体流量、气体成分等变量信号的硬件设备集合；数据转换与分析系统对电信号进行模数转换，转换后的测量结果则在数据分析系统中进行计算与分析。

所述设备工作日志管理系统由软件实现，用于实时记录装置开启之后的所有操作动作与状态，便于操作员检查设备的可靠性、安全性及数据的准确性。

本发明的工作原理：着眼于热光伏发电系统的全自动化改进，以信号采集系统采集到的信号为基础，通过全反馈控制系统进行逻辑判断，调节受控变量的大小，使热光伏发电系统各环节的温度、烟气出口处的燃气含量、燃料进口流量处在期望范围内，使系统处于合适的、稳定的、优化的工作状态。

采用本发明提供的技术方案，具有以下显著优点：

(1)本发明实现了热光伏发电系统的全反馈自动控制，全反馈控制系统是基于反馈原理，由PID控制器、执行器组成，初步实现商业化、实用化热光伏发电系统要求。

(2)根据信号采集系统获得的、来自热电偶、体流量密度计、烟气成分分析仪的测试参数，本发明实现了热光伏发电系统的自检、自主优化分析；

(3)通过全反馈控制系统进行逻辑判断，调节受控变量的大小，使热光伏发电系统各环节的温度、烟气出口处的燃气含量、燃气流量处在于合适的、优化的工作状态，最大限度地减少了能源损耗，提高热光伏发电系统的整体效率；

(4)本发明实现了热光伏发电系统的自动控制、自主优化分析，使热光伏发电系统向商业化和实用化迈进。

附图说明

图1为本发明系统的总体结构图；

图中：1燃气入口；2燃气调节阀；3高精度气体流量计；4热电偶；5能流密度计；6空气入口；7空气调节阀；8空气调节阀；9气体预混室；10热光伏电池；11光学滤波器；12辐射体；13冷却装置；14燃烧室；15热回收器；16烟气出口；17烟气成分采样探针；18热电偶；19电子打火装置；20热电偶；21能流密度计；22烟气排放通道；23高精度气体流量计；

图2是本发明的信号采集与分析系统工作示意图；

图3是本发明的工作状态动态优化流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一种带有全反馈自动控制与分析装置的热光伏系统，包括热光伏发电系统，信号采集系统，全反馈控制系统，数据转换与分析系统，设备工作日志管理系统。热光伏发电系统是本装置的应用主体，主要利用了热光伏电池的光生伏打效应将辐射能转换为电能，实现热、光、电三种能量的转换，由气体预混室、燃烧室、辐射器、光学滤波器、热光伏电池、热回收器、电池冷却器组成，信号采集系统是由热电偶、气体流量密度计、烟气成分分析仪等测量仪表设备组成的，用于采集热光伏发电系统运行过程中温度、气体流量、气体成分等变量信号的硬件设备集合，全反馈控制系统是基于反馈原理，由PID控制器、执行器组成的，使热光伏发电系统的温度、气体流量、气体成分等变量信号始终控制在期望范围内的自动控制系统，信号采集系统和全反馈控制系统共同组成了本装置的功能主体，数据转换与分析系统用于将信号采集系统采集到的电信号转换为数字信号，并实时地图形化处理，便于操作员查看设备运行状态，设备工作日志管理系统用于实时记录装置开启之后的所有操作动作与状态，便于操作员检查设备的可靠性、安全性及数据的准确性。

如图1所示，冷空气由空气入口6流经空气调节阀7进入热回收器15，与热回收器15中的烟气排放通道22中的高温烟气进行热交换后预热为热空气，再流经高精度气体流量计23，与从燃气入口1流经燃气调节阀2和高精度气体流量计3的燃气在气体预混室9中进行充分混合后，进入燃烧室14，经电子打火装置19打火后开始燃烧放热，辐射体12不断地将燃烧产生的热转化为辐射能，向外辐射光子，能量高于热光伏电池10带隙能的辐射光子通过光学滤波器11，到达热光伏电池10表面进行光电转换，光电转换过程中热光伏电池10产生的热量经冷却装置13带走，以保证热光伏电池正常工作，燃烧室14产生的烟气经热回收器15内的烟气排放通道22排放至烟气出口16。

信号采集系统硬件中，高精度气体流量计3用于监测燃气从燃气入口1进入气体预混室9时的流速与流量，同样的，高精度气体流量计23用于监测空气从空气入口6进入气体预混室9时的流速与流量，利用高精度气体流量计3与高精度气体流量计23测得的流速与流量，计算出热光伏发电系统的总输入能量；热电偶4和热电偶20用于测量辐射体12表面的温度，通过热电偶4和热电偶20测得的辐射体12温度可以用于判定系统是否工作在预期状态，同时可以用来计算辐射体12的辐射功率和辐射效率；能流密度计5和能流密度计21用于测量到达热光伏电池10表面的能流密度，根据能流密度计5和能流密度计21测得的能流密度一方面可以计算出热光伏电池的输出电流、输出电压等性能参数，另一方面结合辐射体12的辐射度可以推算出光学滤波器11的滤波性能；烟气成分采样探针17用来检测烟气出口16处排出的气体成分与浓度，通过检测排放气体中是否存在燃气来判断燃气是否过量、燃烧室14燃烧是否充分，进而对系统进行调节与优化；热电偶18用于预热空气的温度，安装时应紧贴暖空气通入气体预混室9部位的管道，通过热电偶18测得的温度可以间接判断气体预混室9内的混合气体是否过热，以避免混合气体过热甚至高达燃气燃点。

执行器中，燃气调节阀2用来调节燃气进入气体预混室9的气量，避免因燃气不足而影响热光伏发电系统的正常运行、燃气过量而燃烧不充分导致资源浪费；空气调节阀7一方面调节进入气体预混室9的空气气量，另一方面通过与热回收器15中的烟气排放通道22进行热交换，实现气体预热，充分利用系统高温烟气废热，进而提高系统的整体效率；空气调节阀8属于常闭调节阀，用于配合空气调节阀7工作，另外，当系统判定气体预混室9内混合气体温度过高时，也可通过调节空气调节阀8来降低气体预混室9的温度；电子打火装置19的两个电极安装在燃烧室14内，通过尖端放电实现热光伏发电系统的点火。

如图2所示，本发明中信号采集与分析系统工作示意图。信号采集系统硬件包括：高精度气体流量计3，热电偶4，能流密度计5，烟气成分采样探针17，热电偶18，热电偶20，能流密度计21，高精度气体流量计23。信号采集系统硬件设备在工作中一般以电信号形式传送检测结果，为了便于分析，需要通过数据转换与分析系统对电信号进行模数转换，转换后的测量结果则在数据分析系统中进行计算与分析。通常热光伏发电系统性能的参数包括热光伏发电系统的整体效率、热光伏电池10的光电转换效率、光学滤波器11的滤波效率以及辐射体12的辐射效率。热光伏发电系统的整体效率等于热光伏电池10的光电转换效率、光学滤波器11的滤波效率、辐射体12的辐射效率三者的乘积，也等于热光伏电池10的输出功率与热光伏发电系统的总输入能量的比值；热光伏电池10的光电转换效率等于热光伏电池10的输出功率与到达热光伏电池10表面的光子能量之比；光学滤波器11的滤波效率为到达热光伏电池10表面的光子能量与辐射体12的辐射度之比；而辐射体12的辐射效率等于辐射体12的辐射度与热光伏发电系统的总输入能量的比值，通过分析这些性能参数可以为热光伏发电系统的优化提供思路与方案。

如图3所示，本发明的全反馈自动控制工作流程逻辑图。操作员在开启电子打火装置19的脉冲开关前需确保空气调节阀8阀门处于关闭状态，然后打开燃气调节阀2阀门、空气调节阀7阀门，即可使热光伏发电系统开启工作。电子打火装置19完成点火操作后，烟气成分采样探针17开始检测烟气出口16处是否存在燃气，判断燃烧是否充分、合理，当烟气出口16处排放烟气中存在燃气时，系统自动的适当调小燃气调节阀2的阀门开度，如此往复，直至排放烟气中不存在燃气，若直至燃气调节阀2完全关闭都未满足该条件，则可判定热光伏发电系统的点火失败，需重新开启燃气调节阀2的阀门，并重新启动电子打火装置19的脉冲开关，然后再次检测分析烟气出口16处的燃气浓度，直至满足要求；然后通过热电偶18检测预热空气管道的温度来间接判断气体预混室9内的混合气体温度是否低于燃气自燃温度，否则说明热光伏发电系统当前状态下向外排放热量过多，可能是燃气过量，系统自动的适当调小燃气调节阀2的阀门开度，同时调小空气调节阀7的阀门开度，减小热空气进入气体预混室9，为了保证气体预混室9中的空气总量，即高精度气体流量计23的数值不变，需要调大空气调节阀8的阀门开度，并重新判断直至气体预混室9内的混合气体温度低于燃气自燃温度；再次通过烟气成分采样探针17开始检测烟气出口16处是否存在燃气，若不存在则适当调大燃气调节阀2的阀门开度，通过多次判断烟气出口16处是否存在燃气，使排放的烟气中的燃气存在性处于动态平衡状态下，这样既避免了燃料的浪费，又减少了因烟气排放而造成的热损失；同时，为了保持辐射体的辐射效率，操作员根据辐射体类型以及工况需求需要对燃烧室14的温度进行设定，在热光伏发电系统在运行过程中，系统利用热电偶4和热电偶20测得的辐射体12表面、燃烧室14的温度进行判断，当测量值比设定值大时，需要适当调小燃气调节阀2的阀门开度、调大空气调节阀8的阀门开度，否则适当燃气调大阀2的阀门开度、调大空气调节阀7的阀门开度，在热光伏发电系统补充燃气的同时适当补充助燃剂，保持燃气充分燃烧，通过调整调节阀阀门开度，直至达到设定值允许范围，然后保持系统在该状态下工作1-2分钟。由于实际工况下的热光伏发电系统的绝热能力并非理想，因此系统需要重新按前述步骤实施全反馈自动控制工的作流程，以保证热光伏发电系统在整个工作过程中都处于最合适、最稳定的工作状态。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。