基于TRNSYS的太阳能电热联产复合系统仿真

张 辉，李 鹏，罗 琦，刘媛媛，陈惠玲

(1.武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 理学院，湖北 武汉 430070；3.青海新能源集团有限公司，青海 西宁 810008)

随着太阳能利用领域的快速发展，清洁、规模化利用太阳能将是该领域发展的基本趋势[1]。太阳能光伏/光热(photo voltaic/thermal,PVT)技术是目前最为高效的太阳能综合利用技术[2]，最初的构想是由Kem和Russell[3]在1978年提出，通过光伏组件背部通道的流体来带走产生的热量，集光伏发电和低温热水利用于一体。Aste[4]等通过TRNSYS软件模拟分析太阳能保证率的最优解，研究了热水需求与光伏电池温度的关系。Alejandro del Amo[5]等通过软件TRNSYS模拟，为Zaragoza的某个住宅楼提供20.5 kW和4.14 kWp的电、热供应。平板型PVT集热器产生的热水温度一般在40～60 ℃，主要适用于家庭热水产暖等低温领域，而在中高温领域70～95 ℃时平板PVT集热器的效率显著下降，但槽式集热器(parabolic trough collectors,PTC)仍然保持着很高的效率。Fischer[6]等基于欧洲标准EN12975，对槽式集热器的效率进行了测试，结果表明性能上有很好的一致性。Kizilkan[7]等针对热能需求提出一个PTC太阳能系统，对系统的综合性能进行分析，结果表明太阳能热利用率和节能性方面都有很好的效果。因此为了提高太阳能热利用率，结合PVT和PTC的优点，让PVT尽量运行在低温领域保持高效率，在高温领域采用具有高效率的PTC，提出了一个PVT和PTC结合的太阳能电热联产复合系统，对PVT产生的低温热水进行PTC再加热，拟采用双水箱太阳能系统。但目前针对双水箱太阳能系统的研究尚未形成确定的方法。Banister等[8]为了解决供暖问题，设计了双水箱太阳能热泵系统，研究表明：相比于传统太阳能系统，双水箱太阳能系统确实能显著节约能源成本，但只是重于系统策略的研究。王龙等[9]对双水箱太阳能系统的研究主要集中于系统选型设计和系统的可靠性分析，但缺乏系统关键参数的确定方法。Tian等[10]研究了丹麦现有的一个混合太阳能热水系统，对比分析了混合集热器和单独集热器系统的全年性能，但未能为水箱的选取提供必要的依据。笔者针对提出的太阳能电热联产复合系统，通过瞬态系统模拟软件TRNSYS建立了系统仿真模型，采用气象软件Meteonorm提供的西宁市典型气象年数据，以电效率、热效率、发电量、产热量、系统辅热量和太阳能保证率作为系统仿真指标，针对特定用水负荷，以集热水箱容积和供热水箱容积等关键参数作为系统仿真研究对象，并对该系统进行全年性能分析。

1 系统模型介绍

通过瞬态系统模拟软件TRNSYS建立的系统仿真模型如图1所示。TRNSYS软件是基于模块化的动态仿真程序，本文所采用的部件模块主要包括气象数据模块、PVT模块、PTC模块、用水负荷模块、水箱模块和水泵模块等。

图1 系统仿真模型示意图

1.1 模型假设

由于软件不能完全模拟实际系统，为了计算方便，对所建立的仿真模型作出如下简化假设：

(1)水为单相、均质、常物性、不可压，在集热器中作定常、一维、稳态流动；

(2)将太阳能集热器作为整体来进行计算和分析，忽略太阳能集热器采光面灰尘物对其性能的影响；

(3)水箱内有温度分层，层层之间有温差，每一层温度均匀分布，且水箱在集热时间内永远充满水。

(4)忽略系统管道的散热损失。

1.2 用水负荷

该模型基于一个大众浴池，大约300人用水，用水时间为每天上午06：00～第二天夜里2:00，据统计用水量约为9 000 kg，85 ℃的热水。具体用水量如图2所示。

设计小时耗热量由式(1)计算：

(1)

(2)

图2 用水量随时间的变化曲线

式中：Qh为设计小时耗热量；Kh为小时变化系数，查表取3.0；n为热水用水单位数(人数或床位数)，n=300；qr为混合热水温度对应的每个床位或人用水热量；q1为折合成60 ℃热水对应的人均日热水用量，查《民用建筑节水设计标准》[11]取50 L/人；ρr为水密度，1 000 kg/m3；c为水的定压比热容，4 187 J/(kg·K)；tend为用户使用的混合热水温度，85 ℃；tL为每日自来水温，10 ℃；T为热水使用时间，20 h。

因为《民用建筑节水设计标准》建议的热水用水定额是以60 ℃热水对应的，计算时需用式(2)进行换算。

1.3 系统水箱容积

为了更好地保证系统的供热稳定性，该系统采用双水箱太阳能系统。一个是集热水箱，主要用于平板型PVT集热循环；另一个是供热水箱，主要用于PTC加热以及供给到用户。在太阳能热水系统中，每平方米太阳集热器采光面积需要的集热水箱容积为0.04～0.1 m3，而在双水箱太阳能热水系统中集热水箱容积需要按0.04～0.1 m3的20%～50%选用[12]。供热水箱的容积选取参考现行的GB50364《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》[13]的相关要求，供热水箱的贮热量应大于等于1.5Qh(Qh为设计小时耗热量)，由此可以计算出供热水箱的容积应不小于2.5 m3。但由于供热水箱还作为PTC的集热水箱，因此水箱容积将在下文中作出仿真研究。

1.4 系统控制策略

本系统对集热循环和辅助加热分别采用温差循环控制方案。

1.4.1 集热循环控制

集热器内温度达到设定温度，电磁阀打开，自动将集热器内的热水打入集热水箱，如此反复，直至水箱水满。集热水箱水满后，进入温差模式，集热器内热水温度和水箱温度差达到设定值，循环水泵启动，将水箱内的低温水和集热器内的水进行循环，如此反复。集热循环包括平板型PVT集热循环和PTC集热循环。

(1)PVT集热循环。当PVT进、出口温差大于8 ℃时循环泵开启，温差小于4 ℃时自动关闭；

(2)PTC集热循环。当PTC进、出口温差大于8 ℃时循环泵开启，温差小于4 ℃时自动关闭。

1.4.2 辅助加热控制

辅助加热装置安装在供热水箱之后，采用电加热方式，当供热水箱的出口温度低于85 ℃时，电加热器自动开启，否则处于关闭状态。

2 仿真结果分析

选取气象软件Meteonorm提供的西宁市典型气象年TMY2文件作为气象数据，对系统进行全年性能模拟。本系统中，PVT总面积为140 m2，倾角为当地纬度36°35′，PTC总面积为100 m2，系统运行间隔为10 min。下文仅针对集热水箱容积和供热水箱容积等参数进行仿真研究，以PVT的发电量和电效率、PVT的产热量和热效率、PTC的产热量和热效率、系统辅热量、太阳能产热量及太阳能保证率作为系统仿真指标，其中电效率和热效率均为全年的平均效率。

2.1 集热水箱容积仿真结果

由1.3节可以选择集热水箱容积1～10 m3作为仿真区间，以1 m3为仿真步长，仿真结果如图3所示。

图3 集热水箱容积的影响

图3(a)描述了集热水箱容积对PVT性能发电量、产热量、电效率和热效率的影响，可以看出随着集热水箱容积的增大，PVT发电量、电效率、产热量和热效率也逐渐增大，且增大速率越来越小。这是因为随着集热水箱容积的增大，集热水箱的平均水温在减小，从而PVT的发电量和产热量增大，相应的电效率和热效率随之增大；但随着集热水箱容积增大，集热水箱的平均水温下降速率减慢，从而PVT性能的增大速率越来越小。图3(b)描述了集热水箱容积对PTC性能产热量和热效率的影响，可以看出PTC产热量和热效率先是快速下降，下降到某一最小值后又缓慢增大。这是因为随着集热水箱容积的增大，PVT产热量增大，进入供热水箱的热量增多，从而PTC产热量快速下降，相应的热效率随之下降；当集热水箱容积增大到某一程度后继续增大时，虽然PVT产热量增大，但集热水箱的散热量也在增大，且PVT产热量的增量小于集热水箱散热量的增量，从而进入供热水箱的热量有所减小，因此PTC产热量又缓慢增大，相应的热效率随之缓慢增大。图3(c)描述了集热水箱容积对系统整体性能太阳能产热量、系统辅热量和太阳能保证率的影响，可以看出太阳能产热量和太阳能保证率逐渐增大，且增大速率越来越小，系统辅热量先是快速下降，下降到某一值后缓慢增大。这是因为对比图3(a)和图3(b)可以看出集热水箱容积对PVT的影响比PTC的大，PVT最大差值可达38.34 GJ,而PTC最大差值只有4.17 GJ，因此太阳能产热量逐渐增大，系统辅热量快速下降，从而太阳能保证率随之增大；当集热水箱容积继续增大，系统散热量增大，太阳能产热量的增量小于系统散热量的增量，故系统辅热量是太阳能产热量和系统散热量共同作用的结果，从而系统辅热量下降到最低点后又缓慢增加，太阳能保证率增大速率越来越小。

集热水箱容积的选取主要依据太阳能保证率和系统辅热量。在集热水箱容积为6 m3时，系统辅热量达到最低值658.97 GJ，太阳能保证率为51.62%，相比于5 m3时的太阳能保证率51.57%，变化率为0.10%，当增大为7 m3时太阳能保证率为51.63%，变化率仅为0.02%，可以忽略不计，因此集热水箱容积选择6 m3。此外由1.3节可得集热水箱容积的选取范围为1～7 m3，6 m3满足该范围，因此选取集热水箱容积时，不考虑成本的前提下选取范围的较大值。

2.2 供热水箱容积仿真

由1.3节可得供热水箱容积最小值应该满足大于2.5 m3，选择2～10 m3作为仿真区间，以1 m3为仿真步长，仿真结果如图4所示。

图4 供热水箱容积的影响

图4(a)描述了供热水箱容积对PVT性能发电量、产热量、电效率和热效率的影响，可以看出随着供热水箱容积的增大，PVT的发电量和发热量的变化极小，基本保持稳定状态，这是因为集热水箱采用顶水法，负荷不变，增大供热水箱的容积对PVT的影响基本可以忽略。图4(b)描述了供热水箱容积对PTC性能产热量和热效率的影响，可以看出PTC产热量和热效率逐渐增大，且增大速率越来越小。这是因为随着供热水箱容积的增大，供热水箱的平均水温在减小，从而PTC产热量增大，相应的热效率随之增大；但随着供热水箱容积增大，供热水箱的平均水温下降速率减慢，从而PTC性能的增大速率越来越小。图4(c)描述了供热水箱容积对系统性能太阳能产热量、系统辅热量和太阳能保证率的影响，可以看出太阳能产热量和保证率逐渐增大，且增大速率越来越小，系统辅热量先是快速下降，下降到某一值后缓慢增大。对比图4(a)、图4(b)可以看出供热水箱容积对PTC的影响较大，PTC最大差值可达39.89 GJ，而对PVT的性能影响几乎可以忽略，因此太阳能产热量逐渐增大，系统辅热量快速下降，从而太阳能保证率随之增大；当供热水箱容积继续增大，系统散热量增大，太阳能产热量的增量小于系统散热量的增量，故系统辅热量是太阳能产热量和系统散热量共同作用的结果，从而系统辅热量下降到最低点后又缓慢增加，太阳能保证率增大速率越来越小。

供热水箱容积的选取主要依据太阳能保证率和系统辅热量。在供热水箱容积为8 m3时，系统辅热量达到最低值654.26 GJ，太阳能保证率为52.21%，相比于7 m3时的太阳能保证率52.09%，变化率为0.23%，当增大为9 m3时太阳能保证率为52.27%，变化率仅为0.11%，而太阳能保证率的变化率越来越小，因此供热水箱容积选择8 m3。此外由1.3节可知供热水箱容积的选取应大于2.5 m3，8 m3满足该范围但由于供热水箱承担着PTC集热，因此选取供热水箱容积时，在满足供热水箱容积最低值的前提下适当考虑PTC部分的产热量。

2.3 系统全年性能仿真

在集热水箱容积为6 m3和供热水箱容积为8 m3的基础上对系统进行仿真，针对PVT发电量、PVT产热量、PTC产热量及太阳能保证率等系统性能指标进行仿真分析，得到系统每月性能如图5所示。

图5 每月数据

图5(a)为PVT性能发电量、产热量以及接收能量的每月数据，可以看出PVT的发电量和产热量的变化趋势基本上与PVT接收能量保持一致；图5(b)为PTC性能产热量和接收能量的每月数据，可以看出PTC的变化趋势基本上与PTC接收的能量保持一致；图5(c)为太阳能保证率的每月数据，可以看出太阳能保证率在4月份达到最高，全年有5个月份太阳能保证率达到60%以上；这是因为在4月份时PVT和PTC接收到的能量都达到最大，导致系统辅助能源需求量最少，从而太阳能保证率在4月份达到最大值；从4月份开始一直到8月份，PVT和PTC都接收到相对较多的能量，太阳能产热量都占比60%以上，从而太阳能保证率在这5个月份都可达到60%以上。

系统全年PVT性能、PTC性能以及系统整体性能如表1所示。系统年发电量112.05 GJ，产热量557.48 GJ，太阳能利用率82.13%，太阳能保证率达到52.21%。

表1 全年性能数据

3 结论

结合PVT和PTC的优点，尽量保证PVT在低温状态下运行，从而获得较高效率，同时利用PTC在高温下仍然保持高效率的特点，提出了太阳能电热联产复合系统，通过瞬态系统模拟软件TRNSYS建立系统模型，采用气象软件Meteonorm提供的西宁市典型气象年数据，针对特定负荷，对集热水箱容积和供热水箱容积等关键参数进行系统仿真，并对系统进行全年性能分析。得到以下结论：

(1)集热水箱容积或供热水箱容积的增大，都会引起太阳能保证率的增大，但系统辅热量都是呈先减后增的趋势，系统辅热量是太阳能产热量和系统散热量共同作用的结果。

(2)对于该类型双水箱太阳能系统，集热水箱容积主要考虑PVT产热量，选取上仅从技术角度上考虑尽量选择允许范围的较大值；供热水箱容积在满足供热负荷要求的供热水箱最低值的前提下，应适当考虑PTC部分的产热量。该研究也为今后该类型系统中水箱容积的合理设计提供了参考。

(3)该系统全年平均PVT电效率为12.40%，PVT热效率为18.75%，PTC热效率为50.97%，太阳能利用率达到82.13%，太阳能保证率为52.21%，其中全年有5个月太阳能保证率达到60%以上，该系统保证热水供应的同时也获得了电力输出，极大地提高了太阳能综合利用效率，推动了太阳能的规模化利用的发展进程。

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