基于TRNSYS的太陽能電熱聯(lián)產復合系統(tǒng)仿真

張 輝，李 鵬，羅 琦，劉媛媛，陳惠玲

(1.武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 理學院，湖北 武漢 430070；3.青海新能源集團有限公司，青海 西寧 810008)

隨著太陽能利用領域的快速發(fā)展，清潔、規(guī)?；锰柲軐⑹窃擃I域發(fā)展的基本趨勢[1]。太陽能光伏/光熱(photo voltaic/thermal,PVT)技術是目前最為高效的太陽能綜合利用技術[2]，最初的構想是由Kem和Russell[3]在1978年提出，通過光伏組件背部通道的流體來帶走產生的熱量，集光伏發(fā)電和低溫熱水利用于一體。Aste[4]等通過TRNSYS軟件模擬分析太陽能保證率的最優(yōu)解，研究了熱水需求與光伏電池溫度的關系。Alejandro del Amo[5]等通過軟件TRNSYS模擬，為Zaragoza的某個住宅樓提供20.5 kW和4.14 kWp的電、熱供應。平板型PVT集熱器產生的熱水溫度一般在40～60 ℃，主要適用于家庭熱水產暖等低溫領域，而在中高溫領域70～95 ℃時平板PVT集熱器的效率顯著下降，但槽式集熱器(parabolic trough collectors,PTC)仍然保持著很高的效率。Fischer[6]等基于歐洲標準EN12975，對槽式集熱器的效率進行了測試，結果表明性能上有很好的一致性。Kizilkan[7]等針對熱能需求提出一個PTC太陽能系統(tǒng)，對系統(tǒng)的綜合性能進行分析，結果表明太陽能熱利用率和節(jié)能性方面都有很好的效果。因此為了提高太陽能熱利用率，結合PVT和PTC的優(yōu)點，讓PVT盡量運行在低溫領域保持高效率，在高溫領域采用具有高效率的PTC，提出了一個PVT和PTC結合的太陽能電熱聯(lián)產復合系統(tǒng)，對PVT產生的低溫熱水進行PTC再加熱，擬采用雙水箱太陽能系統(tǒng)。但目前針對雙水箱太陽能系統(tǒng)的研究尚未形成確定的方法。Banister等[8]為了解決供暖問題，設計了雙水箱太陽能熱泵系統(tǒng)，研究表明：相比于傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)，雙水箱太陽能系統(tǒng)確實能顯著節(jié)約能源成本，但只是重于系統(tǒng)策略的研究。王龍等[9]對雙水箱太陽能系統(tǒng)的研究主要集中于系統(tǒng)選型設計和系統(tǒng)的可靠性分析，但缺乏系統(tǒng)關鍵參數的確定方法。Tian等[10]研究了丹麥現有的一個混合太陽能熱水系統(tǒng)，對比分析了混合集熱器和單獨集熱器系統(tǒng)的全年性能，但未能為水箱的選取提供必要的依據。筆者針對提出的太陽能電熱聯(lián)產復合系統(tǒng)，通過瞬態(tài)系統(tǒng)模擬軟件TRNSYS建立了系統(tǒng)仿真模型，采用氣象軟件Meteonorm提供的西寧市典型氣象年數據，以電效率、熱效率、發(fā)電量、產熱量、系統(tǒng)輔熱量和太陽能保證率作為系統(tǒng)仿真指標，針對特定用水負荷，以集熱水箱容積和供熱水箱容積等關鍵參數作為系統(tǒng)仿真研究對象，并對該系統(tǒng)進行全年性能分析。

1 系統(tǒng)模型介紹

通過瞬態(tài)系統(tǒng)模擬軟件TRNSYS建立的系統(tǒng)仿真模型如圖1所示。TRNSYS軟件是基于模塊化的動態(tài)仿真程序，本文所采用的部件模塊主要包括氣象數據模塊、PVT模塊、PTC模塊、用水負荷模塊、水箱模塊和水泵模塊等。

圖1 系統(tǒng)仿真模型示意圖

1.1 模型假設

由于軟件不能完全模擬實際系統(tǒng)，為了計算方便，對所建立的仿真模型作出如下簡化假設：

(1)水為單相、均質、常物性、不可壓，在集熱器中作定常、一維、穩(wěn)態(tài)流動；

(2)將太陽能集熱器作為整體來進行計算和分析，忽略太陽能集熱器采光面灰塵物對其性能的影響；

(3)水箱內有溫度分層，層層之間有溫差，每一層溫度均勻分布，且水箱在集熱時間內永遠充滿水。

(4)忽略系統(tǒng)管道的散熱損失。

1.2 用水負荷

該模型基于一個大眾浴池，大約300人用水，用水時間為每天上午06：00～第二天夜里2:00，據統(tǒng)計用水量約為9 000 kg，85 ℃的熱水。具體用水量如圖2所示。

設計小時耗熱量由式(1)計算：

(1)

(2)

圖2 用水量隨時間的變化曲線

式中：Qh為設計小時耗熱量；Kh為小時變化系數，查表取3.0；n為熱水用水單位數(人數或床位數)，n=300；qr為混合熱水溫度對應的每個床位或人用水熱量；q1為折合成60 ℃熱水對應的人均日熱水用量，查《民用建筑節(jié)水設計標準》[11]取50 L/人；ρr為水密度，1 000 kg/m3；c為水的定壓比熱容，4 187 J/(kg·K)；tend為用戶使用的混合熱水溫度，85 ℃；tL為每日自來水溫，10 ℃；T為熱水使用時間，20 h。

因為《民用建筑節(jié)水設計標準》建議的熱水用水定額是以60 ℃熱水對應的，計算時需用式(2)進行換算。

1.3 系統(tǒng)水箱容積

為了更好地保證系統(tǒng)的供熱穩(wěn)定性，該系統(tǒng)采用雙水箱太陽能系統(tǒng)。一個是集熱水箱，主要用于平板型PVT集熱循環(huán)；另一個是供熱水箱，主要用于PTC加熱以及供給到用戶。在太陽能熱水系統(tǒng)中，每平方米太陽集熱器采光面積需要的集熱水箱容積為0.04～0.1 m3，而在雙水箱太陽能熱水系統(tǒng)中集熱水箱容積需要按0.04～0.1 m3的20%～50%選用[12]。供熱水箱的容積選取參考現行的GB50364《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范》[13]的相關要求，供熱水箱的貯熱量應大于等于1.5Qh(Qh為設計小時耗熱量)，由此可以計算出供熱水箱的容積應不小于2.5 m3。但由于供熱水箱還作為PTC的集熱水箱，因此水箱容積將在下文中作出仿真研究。

1.4 系統(tǒng)控制策略

本系統(tǒng)對集熱循環(huán)和輔助加熱分別采用溫差循環(huán)控制方案。

1.4.1 集熱循環(huán)控制

集熱器內溫度達到設定溫度，電磁閥打開，自動將集熱器內的熱水打入集熱水箱，如此反復，直至水箱水滿。集熱水箱水滿后，進入溫差模式，集熱器內熱水溫度和水箱溫度差達到設定值，循環(huán)水泵啟動，將水箱內的低溫水和集熱器內的水進行循環(huán)，如此反復。集熱循環(huán)包括平板型PVT集熱循環(huán)和PTC集熱循環(huán)。

(1)PVT集熱循環(huán)。當PVT進、出口溫差大于8 ℃時循環(huán)泵開啟，溫差小于4 ℃時自動關閉；

(2)PTC集熱循環(huán)。當PTC進、出口溫差大于8 ℃時循環(huán)泵開啟，溫差小于4 ℃時自動關閉。

1.4.2 輔助加熱控制

輔助加熱裝置安裝在供熱水箱之后，采用電加熱方式，當供熱水箱的出口溫度低于85 ℃時，電加熱器自動開啟，否則處于關閉狀態(tài)。

2 仿真結果分析

選取氣象軟件Meteonorm提供的西寧市典型氣象年TMY2文件作為氣象數據，對系統(tǒng)進行全年性能模擬。本系統(tǒng)中，PVT總面積為140 m2，傾角為當地緯度36°35′，PTC總面積為100 m2，系統(tǒng)運行間隔為10 min。下文僅針對集熱水箱容積和供熱水箱容積等參數進行仿真研究，以PVT的發(fā)電量和電效率、PVT的產熱量和熱效率、PTC的產熱量和熱效率、系統(tǒng)輔熱量、太陽能產熱量及太陽能保證率作為系統(tǒng)仿真指標，其中電效率和熱效率均為全年的平均效率。

2.1 集熱水箱容積仿真結果

由1.3節(jié)可以選擇集熱水箱容積1～10 m3作為仿真區(qū)間，以1 m3為仿真步長，仿真結果如圖3所示。

圖3 集熱水箱容積的影響

圖3(a)描述了集熱水箱容積對PVT性能發(fā)電量、產熱量、電效率和熱效率的影響，可以看出隨著集熱水箱容積的增大，PVT發(fā)電量、電效率、產熱量和熱效率也逐漸增大，且增大速率越來越小。這是因為隨著集熱水箱容積的增大，集熱水箱的平均水溫在減小，從而PVT的發(fā)電量和產熱量增大，相應的電效率和熱效率隨之增大；但隨著集熱水箱容積增大，集熱水箱的平均水溫下降速率減慢，從而PVT性能的增大速率越來越小。圖3(b)描述了集熱水箱容積對PTC性能產熱量和熱效率的影響，可以看出PTC產熱量和熱效率先是快速下降，下降到某一最小值后又緩慢增大。這是因為隨著集熱水箱容積的增大，PVT產熱量增大，進入供熱水箱的熱量增多，從而PTC產熱量快速下降，相應的熱效率隨之下降；當集熱水箱容積增大到某一程度后繼續(xù)增大時，雖然PVT產熱量增大，但集熱水箱的散熱量也在增大，且PVT產熱量的增量小于集熱水箱散熱量的增量，從而進入供熱水箱的熱量有所減小，因此PTC產熱量又緩慢增大，相應的熱效率隨之緩慢增大。圖3(c)描述了集熱水箱容積對系統(tǒng)整體性能太陽能產熱量、系統(tǒng)輔熱量和太陽能保證率的影響，可以看出太陽能產熱量和太陽能保證率逐漸增大，且增大速率越來越小，系統(tǒng)輔熱量先是快速下降，下降到某一值后緩慢增大。這是因為對比圖3(a)和圖3(b)可以看出集熱水箱容積對PVT的影響比PTC的大，PVT最大差值可達38.34 GJ,而PTC最大差值只有4.17 GJ，因此太陽能產熱量逐漸增大，系統(tǒng)輔熱量快速下降，從而太陽能保證率隨之增大；當集熱水箱容積繼續(xù)增大，系統(tǒng)散熱量增大，太陽能產熱量的增量小于系統(tǒng)散熱量的增量，故系統(tǒng)輔熱量是太陽能產熱量和系統(tǒng)散熱量共同作用的結果，從而系統(tǒng)輔熱量下降到最低點后又緩慢增加，太陽能保證率增大速率越來越小。

集熱水箱容積的選取主要依據太陽能保證率和系統(tǒng)輔熱量。在集熱水箱容積為6 m3時，系統(tǒng)輔熱量達到最低值658.97 GJ，太陽能保證率為51.62%，相比于5 m3時的太陽能保證率51.57%，變化率為0.10%，當增大為7 m3時太陽能保證率為51.63%，變化率僅為0.02%，可以忽略不計，因此集熱水箱容積選擇6 m3。此外由1.3節(jié)可得集熱水箱容積的選取范圍為1～7 m3，6 m3滿足該范圍，因此選取集熱水箱容積時，不考慮成本的前提下選取范圍的較大值。

2.2 供熱水箱容積仿真

由1.3節(jié)可得供熱水箱容積最小值應該滿足大于2.5 m3，選擇2～10 m3作為仿真區(qū)間，以1 m3為仿真步長，仿真結果如圖4所示。

圖4 供熱水箱容積的影響

圖4(a)描述了供熱水箱容積對PVT性能發(fā)電量、產熱量、電效率和熱效率的影響，可以看出隨著供熱水箱容積的增大，PVT的發(fā)電量和發(fā)熱量的變化極小，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，這是因為集熱水箱采用頂水法，負荷不變，增大供熱水箱的容積對PVT的影響基本可以忽略。圖4(b)描述了供熱水箱容積對PTC性能產熱量和熱效率的影響，可以看出PTC產熱量和熱效率逐漸增大，且增大速率越來越小。這是因為隨著供熱水箱容積的增大，供熱水箱的平均水溫在減小，從而PTC產熱量增大，相應的熱效率隨之增大；但隨著供熱水箱容積增大，供熱水箱的平均水溫下降速率減慢，從而PTC性能的增大速率越來越小。圖4(c)描述了供熱水箱容積對系統(tǒng)性能太陽能產熱量、系統(tǒng)輔熱量和太陽能保證率的影響，可以看出太陽能產熱量和保證率逐漸增大，且增大速率越來越小，系統(tǒng)輔熱量先是快速下降，下降到某一值后緩慢增大。對比圖4(a)、圖4(b)可以看出供熱水箱容積對PTC的影響較大，PTC最大差值可達39.89 GJ，而對PVT的性能影響幾乎可以忽略，因此太陽能產熱量逐漸增大，系統(tǒng)輔熱量快速下降，從而太陽能保證率隨之增大；當供熱水箱容積繼續(xù)增大，系統(tǒng)散熱量增大，太陽能產熱量的增量小于系統(tǒng)散熱量的增量，故系統(tǒng)輔熱量是太陽能產熱量和系統(tǒng)散熱量共同作用的結果，從而系統(tǒng)輔熱量下降到最低點后又緩慢增加，太陽能保證率增大速率越來越小。

供熱水箱容積的選取主要依據太陽能保證率和系統(tǒng)輔熱量。在供熱水箱容積為8 m3時，系統(tǒng)輔熱量達到最低值654.26 GJ，太陽能保證率為52.21%，相比于7 m3時的太陽能保證率52.09%，變化率為0.23%，當增大為9 m3時太陽能保證率為52.27%，變化率僅為0.11%，而太陽能保證率的變化率越來越小，因此供熱水箱容積選擇8 m3。此外由1.3節(jié)可知供熱水箱容積的選取應大于2.5 m3，8 m3滿足該范圍但由于供熱水箱承擔著PTC集熱，因此選取供熱水箱容積時，在滿足供熱水箱容積最低值的前提下適當考慮PTC部分的產熱量。

2.3 系統(tǒng)全年性能仿真

在集熱水箱容積為6 m3和供熱水箱容積為8 m3的基礎上對系統(tǒng)進行仿真，針對PVT發(fā)電量、PVT產熱量、PTC產熱量及太陽能保證率等系統(tǒng)性能指標進行仿真分析，得到系統(tǒng)每月性能如圖5所示。

圖5 每月數據

圖5(a)為PVT性能發(fā)電量、產熱量以及接收能量的每月數據，可以看出PVT的發(fā)電量和產熱量的變化趨勢基本上與PVT接收能量保持一致；圖5(b)為PTC性能產熱量和接收能量的每月數據，可以看出PTC的變化趨勢基本上與PTC接收的能量保持一致；圖5(c)為太陽能保證率的每月數據，可以看出太陽能保證率在4月份達到最高，全年有5個月份太陽能保證率達到60%以上；這是因為在4月份時PVT和PTC接收到的能量都達到最大，導致系統(tǒng)輔助能源需求量最少，從而太陽能保證率在4月份達到最大值；從4月份開始一直到8月份，PVT和PTC都接收到相對較多的能量，太陽能產熱量都占比60%以上，從而太陽能保證率在這5個月份都可達到60%以上。

系統(tǒng)全年PVT性能、PTC性能以及系統(tǒng)整體性能如表1所示。系統(tǒng)年發(fā)電量112.05 GJ，產熱量557.48 GJ，太陽能利用率82.13%，太陽能保證率達到52.21%。

表1 全年性能數據

3 結論

結合PVT和PTC的優(yōu)點，盡量保證PVT在低溫狀態(tài)下運行，從而獲得較高效率，同時利用PTC在高溫下仍然保持高效率的特點，提出了太陽能電熱聯(lián)產復合系統(tǒng)，通過瞬態(tài)系統(tǒng)模擬軟件TRNSYS建立系統(tǒng)模型，采用氣象軟件Meteonorm提供的西寧市典型氣象年數據，針對特定負荷，對集熱水箱容積和供熱水箱容積等關鍵參數進行系統(tǒng)仿真，并對系統(tǒng)進行全年性能分析。得到以下結論：

(1)集熱水箱容積或供熱水箱容積的增大，都會引起太陽能保證率的增大，但系統(tǒng)輔熱量都是呈先減后增的趨勢，系統(tǒng)輔熱量是太陽能產熱量和系統(tǒng)散熱量共同作用的結果。

(2)對于該類型雙水箱太陽能系統(tǒng)，集熱水箱容積主要考慮PVT產熱量，選取上僅從技術角度上考慮盡量選擇允許范圍的較大值；供熱水箱容積在滿足供熱負荷要求的供熱水箱最低值的前提下，應適當考慮PTC部分的產熱量。該研究也為今后該類型系統(tǒng)中水箱容積的合理設計提供了參考。

(3)該系統(tǒng)全年平均PVT電效率為12.40%，PVT熱效率為18.75%，PTC熱效率為50.97%，太陽能利用率達到82.13%，太陽能保證率為52.21%，其中全年有5個月太陽能保證率達到60%以上，該系統(tǒng)保證熱水供應的同時也獲得了電力輸出，極大地提高了太陽能綜合利用效率，推動了太陽能的規(guī)?；玫陌l(fā)展進程。

參考文獻：

[1] 國家能源局.太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃[J].太陽能，2016(1):5-14.

[2] Dupeyrat P, Ménézo C, Fortuin S. Study of the Thermal and Electrical Performances of PVT Solar Hot Water System[J]. Energy and Buildings，2014，68:751-755.

[3] Kern E C, Russell M C. Combined Photovoltaic and Thermal Hybrid Collector Systems[R].Lexington：Massachusetts Inst.of Tech.，1978.

[4] Aste N, Del Pero C, Leonforte F. Optimization of Solar Thermal Fraction in PVT Systems[J]. Energy Procedia，2012，30:8-18.

[5] Alejandro del Amo, Amaya Martínez-Gracia, Angel A Bayod-Rújula, et al. An Innovative Urban Energy System Constituted by a Photovoltaic/Thermal Hybrid Solar Installation: Design, Simulation and Monitoring[J]. Applied Energy，2017，186:140-151.

[6] Fischer S, Lüpfert E, Müller-Steinhagen H. Efficiency Testing of Parabolic Trough Collectors Using the Quasi-dynamic Test Procedure According to the European Standard EN 12975[C]∥ Solar PACES.[S.l.]:[s.n.],2006:3-7.

[7] Kizilkan O, Kabul A, Dincer I. Development and Performance Assessment of a Parabolic Trough Solar Collector-based Integrated System for an Ice-cream Factory[J]. Energy, 2016,100:167-176.

[8] Banister C J, Collins M R. Development and Performance of a Dual Tank Solar-assisted Heat Pump System[J]. Applied Energy, 2015,149:125-132.

[9] 王龍,吳永明,吳明,等.強制循環(huán)雙水箱間接太陽能熱水系統(tǒng)可靠性研究[J].可再生能源，2014(12):1086-1091.

[10] Tian Z, Perers B, Furbo S, et al . Annual Measured and Simulated Thermal Performance Analysis of a Hybrid Solar District Heating Plant with Flat Plate Collectors and Parabolic Trough Collectors in Series[J]. Applied Energy, 2017,205:417-427.

[11] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.民用建筑節(jié)水設計標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[12] 律翠萍.雙水箱太陽能熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設計分析[C]∥2013年中國太陽能熱利用行業(yè)年會暨高峰論壇論文集.珠海：[s.n.],2013:55-59.

[13] 中華人民共和國建設部.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.