基于TRNSYS軟件的大型太陽(yáng)能集熱陣列的性能模擬與分析

李　斌，馬光柏，翟曉強(qiáng)

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-山東力諾瑞特新能源有限公司，山東濟(jì)南 250103）

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基于TRNSYS軟件的大型太陽(yáng)能集熱陣列的性能模擬與分析

李斌*1，馬光柏2，翟曉強(qiáng)1

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-山東力諾瑞特新能源有限公司，山東濟(jì)南 250103）

[摘 要]為了研究大型太陽(yáng)能集熱陣列的運(yùn)行情況，為大型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和客觀評(píng)價(jià)提供依據(jù)，本文利用TRNSYS軟件依照山東濟(jì)南的某大型太陽(yáng)能鍋爐預(yù)熱系統(tǒng)建立了相應(yīng)的模型，通過(guò)全年運(yùn)行模擬以及典型日的性能對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)的串并聯(lián)排布方式，集熱器遮擋等問(wèn)題進(jìn)行了模擬分析討論。

[關(guān)鍵詞]太陽(yáng)能集熱陣列；集熱效率；遮擋效應(yīng)；模擬

*李斌（1992-），男，碩士在讀。研究方向：太陽(yáng)能集熱相關(guān)技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市東川路800號(hào)上海交通大學(xué)制冷與低溫研究所，郵編：200240。聯(lián)系電話：13524860987。E-mail：wood12300@sjtu.edu.cn。

0 引言

隨著太陽(yáng)能熱利用行業(yè)的不斷發(fā)展，大型的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在諸如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。相較于小型的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，大型太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在系統(tǒng)搭建及運(yùn)行監(jiān)測(cè)方面均存在諸多問(wèn)題，這對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估造成了很大影響。另一方面，大型太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)雖然發(fā)展迅速，但是其建成數(shù)量較小型系統(tǒng)相差很大，因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的機(jī)會(huì)也變得很少。仿真模擬在優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、降低實(shí)驗(yàn)花費(fèi)、提煉結(jié)果反饋等方面有很大優(yōu)勢(shì)，對(duì)于大型太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)研究非常重要[1-3]。

TRNSYS (Transient System Simulation Program)軟件是由威斯康星大學(xué)的太陽(yáng)能研究室設(shè)計(jì)的一款瞬態(tài)仿真系統(tǒng)軟件，在太陽(yáng)能系統(tǒng)模擬方面有著很好的效果。韓延民等[4]借助TRNSYS分析了集熱器類(lèi)型等多個(gè)參數(shù)對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)性能的影響分析，提出了提高系統(tǒng)綜合性能的優(yōu)化方向；白劍等[5]根據(jù)某住宅的太陽(yáng)能系統(tǒng)搭建了相應(yīng)的TRNSYS模型，并在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析；BANISTER等[6]對(duì)單水箱的太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差在1oC以?xún)?nèi)；YANG等[7]對(duì)具有拋物線型槽式集熱器的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了仿真優(yōu)化，分析了用水負(fù)荷、集熱器面積、水箱容積等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。前人的研究表明TRNSYS在太陽(yáng)能系統(tǒng)分析方面有著操作簡(jiǎn)單、結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，利用TRNSYS對(duì)大型的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析具有很高的參考價(jià)值。

本文利用TRNSYS軟件搭建了大型太陽(yáng)能集熱陣列模型，對(duì)大型太陽(yáng)能集熱陣列的全年運(yùn)行情況進(jìn)行了模擬分析。并選取典型天氣，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。隨后在此模型的基礎(chǔ)上，模擬探討了集熱器排布以及前后遮擋對(duì)于系統(tǒng)性能的影響。

1 太陽(yáng)能集熱器數(shù)學(xué)模型

太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)中收集和轉(zhuǎn)換能量的主要部件，它將接收到的太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化為熱量傳遞給工質(zhì)。

太陽(yáng)能集熱器實(shí)際接收到的輻射S由入射輻射，散射輻射和地面反射三部分構(gòu)成：

式中：

β——集熱器傾角，(1+cosβ)/2和(1-cosβ)/2分別是集熱器對(duì)天空和地面的視角系數(shù)；

Ib、Id、Ig——日照直射輻射量、日照散射輻射量、日照地面反射輻射量，W；

τb、τd、τg——集熱器表面的直射輻射透過(guò)系數(shù)、集熱器表面的散射輻射透過(guò)系數(shù)、集熱器表面的地面反射透過(guò)系數(shù)；

αb、αd、αg——集熱器的直射輻射吸收系數(shù)、集熱器的散射輻射吸收系數(shù)、集熱器的地面反射吸收系數(shù)；

ρg——地面反射系數(shù)；

Rb——在傾斜面上的直射入射輻射與水平面上的直射入射輻射之比。

在穩(wěn)態(tài)條件下，太陽(yáng)能集熱器的入射輻射等于對(duì)其轉(zhuǎn)化的可利用的能量與集熱器熱損失和光損失之和，而入射輻射與光損失的差即集熱器實(shí)際接收到的輻射S，據(jù)此建立能量守恒方程有[8]：

式中：

Qu——集熱器單位時(shí)間內(nèi)獲得的可利用的熱量，W；

Ac——集熱器面積，m2；

UL——總熱損系數(shù)，W/(m2·oC)；

Tpm——集熱器的平均溫度，oC；

Ta——環(huán)境溫度，oC。

由于集熱器的平均溫度Tpm受到集熱器構(gòu)造、太陽(yáng)輻射、流體負(fù)荷等諸多條件的影響，無(wú)論是計(jì)算還是測(cè)量均較困難。因此在此將集熱器平均溫度Tpm用集熱器進(jìn)口溫度Ti代替，并引入熱遷移因子FR，式(2)變?yōu)椋?/p>

熱遷移因子FR表示集熱器實(shí)際接收到的可以用的能量與當(dāng)接收器溫度等于其進(jìn)口流體溫度時(shí)接收到的可利用能量之比，它只受到集熱器特性、流體類(lèi)型和流量的影響。

當(dāng)集熱器串聯(lián)排布時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)后一個(gè)集熱器的進(jìn)口水溫實(shí)際上是前一個(gè)集熱器的出口水溫?？梢愿鶕?jù)式(3)來(lái)分析系統(tǒng)總的運(yùn)行性能，當(dāng)兩個(gè)集熱器的性能不盡相同時(shí)，可以利用FRS和FRUL兩個(gè)參數(shù)來(lái)表征這種區(qū)別：

式中：

Ti——前一個(gè)集熱器的進(jìn)口溫度，

To,1——后一個(gè)集熱器的進(jìn)口溫度，也就是前一個(gè)集熱器的出口溫度。

根據(jù)集熱器的能量守恒方程：

式(4)可以改寫(xiě)為：

其中：

當(dāng)兩個(gè)集熱器的性能一致時(shí)，方程可寫(xiě)為：

推廣到N個(gè)集熱器串聯(lián)，則有：

對(duì)于集熱器的遮擋來(lái)說(shuō)，可以將被遮擋的集熱器看作是兩個(gè)具有不同入射輻射強(qiáng)度的集熱器的串聯(lián)，根據(jù)式(6)有：

對(duì)于集熱器運(yùn)行性能的描述，本文采用集熱器效率η來(lái)表征。其定義為單位時(shí)間內(nèi)集熱器獲得的可利用的能量與該段時(shí)間內(nèi)集熱器接收到的入射輻射能量之比。其表達(dá)式為：

2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的TRNSYS建模及仿真

本文對(duì)山東濟(jì)南的某大型太陽(yáng)能鍋爐預(yù)熱系統(tǒng)進(jìn)行建模。該大型太陽(yáng)能集熱陣列集熱面積共5,223 m2，被分為南北兩個(gè)半?yún)^(qū)，南區(qū)集熱面積為2,603 m2，北區(qū)集熱面積2,620 m2。冷水從30 m2的冷水水箱由水泵輸出，經(jīng)集熱器加熱后流入100 m2的蓄熱水箱，然后其中一部分供給鍋爐，另一部分流回冷水水箱繼續(xù)循環(huán)，簡(jiǎn)化流程圖如圖1所示。

圖1　太陽(yáng)鍋爐系統(tǒng)圖

在TRNSYS軟件內(nèi)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模，建立如圖2的太陽(yáng)能集熱模型，隨后設(shè)定模擬的起停時(shí)間、時(shí)間步長(zhǎng)和收斂精度等參數(shù)。模型內(nèi)各主要部件的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖2　TRNSYS建模示意圖

表1　太陽(yáng)能集熱模型仿真參數(shù)

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全年的運(yùn)行模擬，得到了圖3所示的系統(tǒng)全年運(yùn)行效率圖。模擬結(jié)果顯示，系統(tǒng)全年運(yùn)行的平均效率為34.7％，而實(shí)際測(cè)量得到的系統(tǒng)運(yùn)行效率為32.5％，二者相差2.2％。從圖3中可以看出，系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)集熱效率絕大多數(shù)時(shí)間都維持在30％～40％之間。分時(shí)段來(lái)看，在3月至9月期間效率波動(dòng)較小，運(yùn)行情況較為穩(wěn)定；而在1月至3月以及9月至12月期間，系統(tǒng)運(yùn)行效率波動(dòng)較為明顯。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因在于3月至9月期間整體的天氣狀態(tài)較好，日照輻射充裕，相比之下其他時(shí)間內(nèi)日照輻射會(huì)受到氣候條件的影響，繼而使得系統(tǒng)效率產(chǎn)生較大波動(dòng)。

本文選取5月18日作為典型天做進(jìn)一步的模擬，并將模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果作對(duì)比。圖4和圖5分別是5 月18日的系統(tǒng)運(yùn)行的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果，觀察可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天的日照輻射強(qiáng)度于正午12時(shí)左右達(dá)到最大值，日總輻射量約為23.81 MJ/m2。繼續(xù)觀察南區(qū)以及北區(qū)的出口水溫變化規(guī)律，圖4和圖5的出口水溫都呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，這與當(dāng)天的日照輻射變化趨勢(shì)相互對(duì)應(yīng)。此外，南北區(qū)出口水溫的模擬值與實(shí)測(cè)值均在15時(shí)左右達(dá)到最大，都達(dá)到了83oC左右，該時(shí)間點(diǎn)相較于日照輻射最大值的時(shí)間點(diǎn)都有所滯后。這是因?yàn)槿照蛰椛鋸?qiáng)度所對(duì)應(yīng)的參數(shù)應(yīng)為集熱器的進(jìn)出口溫差，雖然輻照強(qiáng)度有所下降，但是由于集熱器的進(jìn)口水溫仍然在上升，導(dǎo)致集熱器出口水溫也會(huì)繼續(xù)上升，只是其升幅會(huì)有所減緩。對(duì)系統(tǒng)集熱效率進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)天的系統(tǒng)平均集熱效率實(shí)測(cè)值為37.3％，模擬值則為38.3％，二者只相差了1.0％。以上幾點(diǎn)均說(shuō)明了使用TRNSYS模型可以很好地模擬本系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況。

圖3　系統(tǒng)全年運(yùn)行效率圖

圖4　5月18日系統(tǒng)運(yùn)行模擬結(jié)果

圖5　5月18日系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)測(cè)結(jié)果

3 集熱器陣列排布及遮擋效應(yīng)模擬分析

3.1 集熱器排布模擬分析

在上述模型的基礎(chǔ)上，對(duì)集熱器陣列的排布進(jìn)行討論分析。在南北區(qū)的集熱陣列中一共有四種不同的集熱器串聯(lián)方式，分別為20組1 m2的集熱器串聯(lián)、21組1 m2的集熱器串聯(lián)、7組3 m2的集熱器串聯(lián)以及8組3 m2的集熱器串聯(lián)。相同串聯(lián)模式的集熱器管路并聯(lián)連接。由式(9)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)集熱器串聯(lián)連接時(shí)系統(tǒng)的效率會(huì)有所降低，為了研究這一現(xiàn)象，這里選取7組3 m2的集熱器串聯(lián)以及8 組3 m2的集熱器串聯(lián)這兩種連接方式進(jìn)行模擬分析。

圖6和圖7分別是7組3 m2的集熱器串聯(lián)以及8組3 m2的集熱器串聯(lián)管路中的集熱器集熱效率沿程變化曲線。兩圖均表明了集熱器串聯(lián)會(huì)導(dǎo)致集熱器效率沿程遞減，集熱器的沿程效率降低幅度與管路前方的集熱器串聯(lián)個(gè)數(shù)線性相關(guān)。雖然圖7中管路多串聯(lián)了一組集熱器，但兩個(gè)串聯(lián)管路中的末端集熱器相比于第一塊集熱器的效率下降值一致，均為3.2％。這是因?yàn)殡m然集熱器串聯(lián)組數(shù)增加了，但是由于管路流量與集熱器面積之比未發(fā)生變化，導(dǎo)致串聯(lián)管路整體效率也未發(fā)生較大變化。將兩組串聯(lián)集熱器的集熱器效率沿程一一對(duì)照則會(huì)發(fā)現(xiàn)，8組集熱器串聯(lián)時(shí)集熱器的效率會(huì)比7組串聯(lián)時(shí)對(duì)應(yīng)的集熱器高，造成這一現(xiàn)象的原因是8組串聯(lián)時(shí)管路水流量變大，流經(jīng)單一集熱器的溫升變小，沿程的進(jìn)口水溫變化較小，集熱器的熱損增加也較少。

上述模擬結(jié)果表明太陽(yáng)能集熱器串聯(lián)運(yùn)行可以提高出口水溫，但是會(huì)造成集熱器集熱效率的損失。為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率，應(yīng)適當(dāng)增大管路內(nèi)水流量或減少集熱器串聯(lián)個(gè)數(shù)。

圖6　串聯(lián)7組3 m2集熱器沿程效率變化曲線

圖7　串聯(lián)8組3 m2集熱器沿程效率變化曲線

3.1 集熱器遮擋模擬分析

對(duì)于大型集熱陣列來(lái)說(shuō)，集熱器的前后遮擋也是影響系統(tǒng)整體性能的主要因素之一，因此本文對(duì)集熱器遮擋效應(yīng)進(jìn)行模擬分析。模擬初始參數(shù)如表2所示。

表2　集熱器遮擋模型仿真初始參數(shù)

本文就集熱器的傾角及間隔兩個(gè)參數(shù)對(duì)遮擋的影響進(jìn)行模擬分析，用集熱器被遮擋后所接收到的入射輻射與未被遮擋時(shí)集熱器所接收到的入射輻射之比表征遮擋效應(yīng)的影響。圖8為集熱器間距分別為1.5 m、2.0 m和2.5 m時(shí)集熱器傾角對(duì)于遮擋的影響。

圖8　不同間隔下集熱器傾角對(duì)于遮擋的影響

圖8表明，隨著集熱器傾角的增加，遮擋現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，其遮擋后實(shí)際的入射輻射也就越來(lái)越小，近似的呈現(xiàn)出線性下降的趨勢(shì)。對(duì)于單一集熱器，其擺放的最佳傾角應(yīng)與當(dāng)?shù)鼐暥认嗤琜9]，但是對(duì)于大型集熱陣列需要考慮遮擋效應(yīng)的影響，集熱器擺放的傾角應(yīng)略小于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥龋拍苁瓜到y(tǒng)的整體運(yùn)行效率達(dá)到最大。觀察傾角小于15°時(shí)遮擋效應(yīng)的變化會(huì)發(fā)現(xiàn)，在這段區(qū)域內(nèi)并不存在遮擋，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)的集熱器傾角很小而間隔較大，前排集熱器的投影無(wú)法透射到后排集熱器上，也就沒(méi)有遮擋現(xiàn)象了。隨著傾角的增大，投影后移，逐步投射到后排集熱器上，遮擋現(xiàn)象也就越來(lái)越明顯了。

圖9則為不同傾角下集熱器間隔對(duì)于遮擋的影響。從圖中可以看出，隨著集熱器間隔的增大，遮擋的影響逐漸減小，遮擋后的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增加。在集熱器間隔較小時(shí)，增大集熱器間隔可以使遮擋后的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度明顯提升，但是當(dāng)間隔超過(guò)2.5 m以后，在增大集熱器間隔對(duì)于遮擋效應(yīng)的影響就不明顯了。在30°、50°和70°傾角下，當(dāng)集熱器間隔從2.5 m增加至3.25 m時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分別只增加了1.4％、2.5％和2.7％。因此可以引入臨界間隔的概念[10]，當(dāng)集熱器的間隔超過(guò)該臨界間隔以后，繼續(xù)增大間隔對(duì)于遮擋效應(yīng)的影響可以忽略。

圖9　不同傾角下集熱器間隔對(duì)遮擋的影響

4 結(jié)論

本文對(duì)山東濟(jì)南的某大型太陽(yáng)能鍋爐預(yù)熱系統(tǒng)進(jìn)行建模，在此基礎(chǔ)上對(duì)集熱器的排布及遮擋進(jìn)行模擬分析，得出了以下結(jié)論。

1）TRNSYS軟件建模模擬系統(tǒng)全年運(yùn)行的平均效率為34.7％，與實(shí)際測(cè)量得到的系統(tǒng)運(yùn)行效率32.5％相差2.2％。TRNSYS模型能很好反映太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

2）太陽(yáng)能集熱器串聯(lián)運(yùn)行可以提高出口水溫，但是會(huì)造成集熱器集熱效率的損失。為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行效率，應(yīng)適當(dāng)增大管路內(nèi)水流量或減少集熱器串聯(lián)個(gè)數(shù)。

3）在大型集熱陣列中，隨著集熱器傾角的增加，遮擋現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，遮擋后實(shí)際的入射輻射近似的呈現(xiàn)出線性下降的趨勢(shì)；隨著集熱器間隔的增大，遮擋的影響逐漸減小，但是存在一個(gè)臨界間隔，當(dāng)集熱器的間隔超過(guò)了該臨界間隔以后，繼續(xù)增大集熱器間隔對(duì)于遮擋效應(yīng)的影響可以近似忽略。

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Simulation and Analysis for Performance of Large Scale Solar Collector Arrays Based on TRNSYS

LI Bin*1,MA Guang-bai2,ZHAI Xiao-qiang1
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China; 2-Shan Dong Linuo Paradigma limited liability company,Jinan,Shandong 250103,China)

[Abstract]In order to investigate the operation performance of the large scale solar thermal system for its optimal design and objective evaluation,a TRNSYS model of a solar preheating system for coal boiler in Jinan was established in this paper.The whole year simulation and the typical day simulation were conducted and the results showed that this model had a good agreement with the actual system.According to this model,the arrangement of collectors and the shade effect of the system were discussed.

[Keywords]Solar collector array; Collector efficiency; Shade effect; Simulation

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（No.2012BAA05B01）。

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.103