李　斌，馬光柏，翟曉強

（1-上海交通大學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，山東濟南 250103）

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基于TRNSYS軟件的大型太陽能集熱陣列的性能模擬與分析

李斌*1，馬光柏2，翟曉強1

（1-上海交通大學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，山東濟南 250103）

[摘 要]為了研究大型太陽能集熱陣列的運行情況，為大型太陽能熱水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和客觀評價提供依據(jù)，本文利用TRNSYS軟件依照山東濟南的某大型太陽能鍋爐預熱系統(tǒng)建立了相應的模型，通過全年運行模擬以及典型日的性能對比驗證了模型的準確性。在此模型的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的串并聯(lián)排布方式，集熱器遮擋等問題進行了模擬分析討論。

[關(guān)鍵詞]太陽能集熱陣列；集熱效率；遮擋效應；模擬

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

0 引言

隨著太陽能熱利用行業(yè)的不斷發(fā)展，大型的太陽能集熱系統(tǒng)在諸如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等方面得到了廣泛的應用。相較于小型的太陽能集熱系統(tǒng)，大型太陽能集熱系統(tǒng)在系統(tǒng)搭建及運行監(jiān)測方面均存在諸多問題，這對于系統(tǒng)的設(shè)計和性能評估造成了很大影響。另一方面，大型太陽能集熱系統(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，因此對系統(tǒng)進行實驗分析的機會也變得很少。仿真模擬在優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計、降低實驗花費、提煉結(jié)果反饋等方面有很大優(yōu)勢，對于大型太陽能集熱系統(tǒng)研究非常重要[1-3]。

TRNSYS (Transient System Simulation Program)軟件是由威斯康星大學的太陽能研究室設(shè)計的一款瞬態(tài)仿真系統(tǒng)軟件，在太陽能系統(tǒng)模擬方面有著很好的效果。韓延民等[4]借助TRNSYS分析了集熱器類型等多個參數(shù)對太陽能集熱系統(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)某住宅的太陽能系統(tǒng)搭建了相應的TRNSYS模型，并在此模型的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行了優(yōu)化分析；BANISTER等[6]對單水箱的太陽能熱泵系統(tǒng)進行了建模分析，其模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差在1oC以內(nèi)；YANG等[7]對具有拋物線型槽式集熱器的太陽能熱水系統(tǒng)進行了仿真優(yōu)化，分析了用水負荷、集熱器面積、水箱容積等參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。前人的研究表明TRNSYS在太陽能系統(tǒng)分析方面有著操作簡單、結(jié)果精確等優(yōu)點，利用TRNSYS對大型的太陽能集熱系統(tǒng)進行模擬分析具有很高的參考價值。

本文利用TRNSYS軟件搭建了大型太陽能集熱陣列模型，對大型太陽能集熱陣列的全年運行情況進行了模擬分析。并選取典型天氣，將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行分析對比，驗證了模型的準確性。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于系統(tǒng)性能的影響。

1 太陽能集熱器數(shù)學模型

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

太陽能集熱器實際接收到的輻射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系數(shù)、集熱器表面的散射輻射透過系數(shù)、集熱器表面的地面反射透過系數(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，太陽能集熱器的入射輻射等于對其轉(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、太陽輻射、流體負荷等諸多條件的影響，無論是計算還是測量均較困難。因此在此將集熱器平均溫度Tpm用集熱器進口溫度Ti代替，并引入熱遷移因子FR，式(2)變?yōu)椋?/p>

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

當集熱器串聯(lián)排布時，很容易發(fā)現(xiàn)后一個集熱器的進口水溫實際上是前一個集熱器的出口水溫。可以根據(jù)式(3)來分析系統(tǒng)總的運行性能，當兩個集熱器的性能不盡相同時，可以利用FRS和FRUL兩個參數(shù)來表征這種區(qū)別：

式中：

Ti——前一個集熱器的進口溫度，

To,1——后一個集熱器的進口溫度，也就是前一個集熱器的出口溫度。

根據(jù)集熱器的能量守恒方程：

式(4)可以改寫為：

其中：

當兩個集熱器的性能一致時，方程可寫為：

推廣到N個集熱器串聯(lián)，則有：

對于集熱器的遮擋來說，可以將被遮擋的集熱器看作是兩個具有不同入射輻射強度的集熱器的串聯(lián)，根據(jù)式(6)有：

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

2 太陽能集熱系統(tǒng)的TRNSYS建模及仿真

本文對山東濟南的某大型太陽能鍋爐預熱系統(tǒng)進行建模。該大型太陽能集熱陣列集熱面積共5,223 m2，被分為南北兩個半?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)，簡化流程圖如圖1所示。

圖1　太陽鍋爐系統(tǒng)圖

在TRNSYS軟件內(nèi)對該系統(tǒng)進行建模，建立如圖2的太陽能集熱模型，隨后設(shè)定模擬的起停時間、時間步長和收斂精度等參數(shù)。模型內(nèi)各主要部件的參數(shù)設(shè)置見表1。

圖2　TRNSYS建模示意圖

表1　太陽能集熱模型仿真參數(shù)

對系統(tǒng)進行全年的運行模擬，得到了圖3所示的系統(tǒng)全年運行效率圖。模擬結(jié)果顯示，系統(tǒng)全年運行的平均效率為34.7％，而實際測量得到的系統(tǒng)運行效率為32.5％，二者相差2.2％。從圖3中可以看出，系統(tǒng)全年運行時集熱效率絕大多數(shù)時間都維持在30％～40％之間。分時段來看，在3月至9月期間效率波動較小，運行情況較為穩(wěn)定；而在1月至3月以及9月至12月期間，系統(tǒng)運行效率波動較為明顯。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，相比之下其他時間內(nèi)日照輻射會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。

本文選取5月18日作為典型天做進一步的模擬，并將模擬結(jié)果與測量結(jié)果作對比。圖4和圖5分別是5 月18日的系統(tǒng)運行的模擬結(jié)果和實測結(jié)果，觀察可以發(fā)現(xiàn)，當天的日照輻射強度于正午12時左右達到最大值，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，這與當天的日照輻射變化趨勢相互對應。此外，南北區(qū)出口水溫的模擬值與實測值均在15時左右達到最大，都達到了83oC左右，該時間點相較于日照輻射最大值的時間點都有所滯后。這是因為日照輻射強度所對應的參數(shù)應為集熱器的進出口溫差，雖然輻照強度有所下降，但是由于集熱器的進口水溫仍然在上升，導致集熱器出口水溫也會繼續(xù)上升，只是其升幅會有所減緩。對系統(tǒng)集熱效率進行對比，當天的系統(tǒng)平均集熱效率實測值為37.3％，模擬值則為38.3％，二者只相差了1.0％。以上幾點均說明了使用TRNSYS模型可以很好地模擬本系統(tǒng)的實際運行情況。

圖3　系統(tǒng)全年運行效率圖

圖4　5月18日系統(tǒng)運行模擬結(jié)果

圖5　5月18日系統(tǒng)運行實測結(jié)果

3 集熱器陣列排布及遮擋效應模擬分析

3.1 集熱器排布模擬分析

在上述模型的基礎(chǔ)上，對集熱器陣列的排布進行討論分析。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)，當集熱器串聯(lián)連接時系統(tǒng)的效率會有所降低，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)會導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％。這是因為雖然集熱器串聯(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照則會發(fā)現(xiàn)，8組集熱器串聯(lián)時集熱器的效率會比7組串聯(lián)時對應的集熱器高，造成這一現(xiàn)象的原因是8組串聯(lián)時管路水流量變大，流經(jīng)單一集熱器的溫升變小，沿程的進口水溫變化較小，集熱器的熱損增加也較少。

上述模擬結(jié)果表明太陽能集熱器串聯(lián)運行可以提高出口水溫，但是會造成集熱器集熱效率的損失。為了保證系統(tǒng)的運行效率，應適當增大管路內(nèi)水流量或減少集熱器串聯(lián)個數(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

對于大型集熱陣列來說，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，因此本文對集熱器遮擋效應進行模擬分析。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參數(shù)對遮擋的影響進行模擬分析，用集熱器被遮擋后所接收到的入射輻射與未被遮擋時集熱器所接收到的入射輻射之比表征遮擋效應的影響。圖8為集熱器間距分別為1.5 m、2.0 m和2.5 m時集熱器傾角對于遮擋的影響。

圖8　不同間隔下集熱器傾角對于遮擋的影響

圖8表明，隨著集熱器傾角的增加，遮擋現(xiàn)象越來越嚴重，其遮擋后實際的入射輻射也就越來越小，近似的呈現(xiàn)出線性下降的趨勢。對于單一集熱器，其擺放的最佳傾角應與當?shù)鼐暥认嗤琜9]，但是對于大型集熱陣列需要考慮遮擋效應的影響，集熱器擺放的傾角應略小于當?shù)氐牡乩砭暥?，才能使系統(tǒng)的整體運行效率達到最大。觀察傾角小于15°時遮擋效應的變化會發(fā)現(xiàn)，在這段區(qū)域內(nèi)并不存在遮擋，這主要是因為此時的集熱器傾角很小而間隔較大，前排集熱器的投影無法透射到后排集熱器上，也就沒有遮擋現(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)象也就越來越明顯了。

圖9則為不同傾角下集熱器間隔對于遮擋的影響。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，遮擋后的太陽輻射強度逐漸增加。在集熱器間隔較小時，增大集熱器間隔可以使遮擋后的太陽輻射強度明顯提升，但是當間隔超過2.5 m以后，在增大集熱器間隔對于遮擋效應的影響就不明顯了。在30°、50°和70°傾角下，當集熱器間隔從2.5 m增加至3.25 m時，太陽輻射強度分別只增加了1.4％、2.5％和2.7％。因此可以引入臨界間隔的概念[10]，當集熱器的間隔超過該臨界間隔以后，繼續(xù)增大間隔對于遮擋效應的影響可以忽略。

圖9　不同傾角下集熱器間隔對遮擋的影響

4 結(jié)論

本文對山東濟南的某大型太陽能鍋爐預熱系統(tǒng)進行建模，在此基礎(chǔ)上對集熱器的排布及遮擋進行模擬分析，得出了以下結(jié)論。

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

2）太陽能集熱器串聯(lián)運行可以提高出口水溫，但是會造成集熱器集熱效率的損失。為了保證系統(tǒng)的運行效率，應適當增大管路內(nèi)水流量或減少集熱器串聯(lián)個數(shù)。

3）在大型集熱陣列中，隨著集熱器傾角的增加，遮擋現(xiàn)象越來越嚴重，遮擋后實際的入射輻射近似的呈現(xiàn)出線性下降的趨勢；隨著集熱器間隔的增大，遮擋的影響逐漸減小，但是存在一個臨界間隔，當集熱器的間隔超過了該臨界間隔以后，繼續(xù)增大集熱器間隔對于遮擋效應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

基金項目：國家科技支撐計劃課題（No.2012BAA05B01）。

doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2016.01.103