CN105066481B - 基于trnsys的大型太阳能集热系统模型及建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型，包括气象参数输入部分，设置气象参数；用水负荷部分，设定太阳能集热系统的用水量；太阳能集热器部分，设定太阳能集热器类型以及太阳能集热器总面积；水箱部分，设定存水容积；循环水泵部分，设定水泵设置以及太阳能集热系统的循环水流量；系统运行控制部分，控制水泵的启停；模拟结果输出部分，输出模拟结果。同时提供了上述大型太阳能集热系统模型的建模方法。本发明利用TRNSYS软件，设计了对大型太阳能集热系统模型。模型的模拟结果与系统的实际运行情况吻合良好，充分展示了系统运行的具体情况，为大型太阳能集热系统的设计、优化以及评估提供了有力的依据。

Description

基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型及建模方法

技术领域

本发明涉及大型太阳能集热阵列的系统建模仿真技术领域，具体地说，涉及的是一种基于TRNSYS的针对大型太阳能集热阵列的系统模型及建模仿真方法。

背景技术

随着太阳能热利用行业的不断发展，大型的太阳能集热系统在诸如工业、农业、商业等方面得到了广泛的应用。相较于小型的太阳能集热系统，大型太阳能集热系统在系统搭建及运行监测方面都存在有诸多问题，这对于系统的设计和性能评估造成了很大困扰。在另一方面，大型太阳能集热系统虽然发展迅速，但是其建成数量比起小型系统相差还是很大，这就使得对系统进行实验分析的机会也变得很少。仿真模拟在系统设计，实验花费，结果反馈等方面有着很大的优势，这些对于大型太阳能集热系统研究来说都是非常重要的。

TRNSYS是Transient System Simulation Program的缩写，意为瞬态仿真系统，它由威斯康星大学的太阳能研究室设计。TRNSYS有许多子程序，在每个子程序中又含有许多的系统部件，这些部件都是利用对应的微分方程和代数方程通过Fortran语言进行编译建模。这使得TRNSYS可以按照使用者的需求去建立模型，连接部件，求解对应的数学方程并将结果输出。这样，太阳能系统研究中的许多问题都可以简化为部件选择以及数学计算的问题。其具体操作就是设定好模块化的部件的参数，根据系统流程图对应连接其输入与输出，完成系统建模后进行运算分析。根据测试，其模拟结果与实际情况平均误差在10％以下。

经对现有技术的公开文献检索发现，白剑等人在《建筑热能通风空调》中发表文章“太阳能强制循环直接热水系统的Trnsys模拟及分析”，文中根据某住宅的太阳能系统搭建了相应的TRNSYS模型，并在此模型的基础上对系统进行了优化分析；Bin Yang等人则在《Advanced Materials Research》上发表文章“Stimulation and optimization ofparabolic trough solar hot warer system”，文中对具有抛物线型槽式集热器的太阳能热水系统进行了仿真优化，分析了用水负荷、集热器面积、水箱容积等参数对系统性能的影响。上述文章都利用TRNSYS软件对于太阳能系统运行进行了一定的分析优化，但是一方面其分析优化对象仍局限于类似于家用的小型太阳能热水系统，另一方面对于部件的具体选择与设定上述文献也没有给出明确的依据。

发明内容

本发明的目的是针对于现有技术的不足，提供一种基于TRNSYS的大型太阳能集热系统建模仿真方法。利用TRNSYS软件对大型太阳能集热系统进行精确地逐时仿真，为系统的设计及优化提供依据。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型，基于TRNSYS平台设计，包括：气象参数输入部分、用水负荷部分、太阳能集热器部分、水箱部分、循环水泵部分、系统运行控制部分以及模拟结果输出部分；其中：

所述气象参数输入部分用于设置气象参数；

所述用水负荷部分用于设定太阳能集热系统的用水量；

所述太阳能集热器部分用于设定太阳能集热器类型以及太阳能集热器总面积；

所述水箱部分用于设定存水容积；

所述循环水泵部分用于设定水泵设置以及太阳能集热系统的循环水流量；

所述系统运行控制部分用于控制水泵的启停；

所述模拟结果输出部分包括图形输出和数据输出，用于输出模拟结果。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，设定气象参数输入部分；其中所使用的气象参数文件通过Meteonorm软件生成；

步骤S2，设定用水负荷部分；其中用水量根据太阳能集热系统用水负荷计算得出，用水时间区间通过时关性的强迫函数设定；

步骤S3，设定太阳能集热器部分；其中太阳能集热器类型根据用水温度、安装条件确定；太阳能集热器总面积根据总的用热负荷、当地日照辐射量、太阳能集热器集热效率以及太阳能集热系统热损失确定，日照辐射和环境温度由气象参数输入部分确定；

步骤S4，设定水箱部分；其中水箱的存水容积根据用水负荷部分的用水量确定；

步骤S5，设定循环水泵部分；其中太阳能集热系统的循环水流量根据太阳能集热器部分的太阳能集热器总面积确定，水泵的启停由系统运行控制部分控制；

步骤S6，设定系统运行控制部分；其中系统运行控制部分采取温差控制水泵的启停，利用微分控制器完成；

步骤S7，设定模拟结果输出部分；其中数据输出的表征量为太阳能集热器的集热效率、太阳能集热器的单位面积得热量以及太阳能日照辐射的保证率。

优选地，所述步骤S3中：

太阳能集热器的倾角依照使用季节确定，夏季使用时，太阳能集热器的倾角小于当地纬度，冬季使用时，太阳能集热器的倾角大于当地纬度，春秋两季使用时，太阳能集热器的倾角与当地纬度相同；

太阳能集热器的方位角为0度，即正南摆放。

优选地，所述步骤S3中，太阳能集热器面积根据总的用热负荷、当地日照辐射量、太阳能集热器集热效率以及太阳能集热系统热损失确定的表达式为：

A_c＝Q/(I_T×η_c×(1-η_l))

其中，A_c为太阳能集热器总面积，Q为总的用热负荷，I_T为单位面积太阳能集热器倾角上所接受到的日照辐射，η_c为太阳能集热器集热效率，η_l为太阳能集热系统热损失。

优选地，所述单位面积太阳能集热器倾角上所接受到的日照辐射I_T由当地历年气象数据确定；所述太阳能集热器集热效率η_c由所选的太阳能集热器类型确定，取0.4至0.55；所述太阳能集热系统热损失η_l包括管路热损及水箱热损，取0.2至0.25。

优选地，所述步骤S5中，太阳能集热系统的循环水流量根据太阳能集热器总面积确定，其中，太阳能集热器单位面积的循环水流量在21L/h到60L/h之间。

优选地，所述步骤S6中，利用微分控制器完成水泵启停控制的控制方程表述为如下形式：

当控制器先前处于开启状态，则

当控制器先前处于关闭状态，则

其其中，γ_o为输出信号，T_h为高温输入，在太阳能集热系统中表现为太阳能集热器的总出口水温，T_l为低温输入，在太阳能集热系统中表现为水箱水温，ΔT_h为死区上限，ΔT_l为死区下限。

优选地，所述步骤S7中：

数据输出的表征量太阳能集热器的集热效率表达式为：

η＝Q_u/(A_c×I_T)

其中，Q_u为系统所收集到的总的热量；

数据输出的表征量太阳能集热器的单位面积得热量表达式为：

其中，ρ为工质密度，c为工质比热容，V为水箱容积，t_i为全天初始时刻水箱平均温度，t_f为全天终止时刻水箱平均温度；

数据输出的表征量太阳能日照辐射的保证率表达式为：

其中，Q_t为系统所需的总热量，Q_fz为辅助能源提供的热量。

本发明提供的基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型及建模方法，其中的大型太阳能集热阵列系统模型由TRNSYS软件完成，包括：气象参数输入部分、用水负荷部分、太阳能集热器部分、水箱部分、循环水泵部分、系统运行控制部分以及模拟结果输出部分。其中的建模方法包括如下步骤：设定所述气象参数输入部分时所使用的气象参数文件通过Meteonorm生成，集热器倾角依照使用季节确定；设定所述用水负荷部分时，用水量根据系统用水负荷计算得出，用水时间区间通过时关性的强迫函数设定；设定所述太阳能集热器部分时，集热器类型根据用水温度、安装条件确定；集热器面积根据总的用热负荷，当地日照辐射量，集热器效率以及系统热损失确定；设定所述水箱部分时，水箱容积根据用水负荷确定；设定所述循环水泵部分时，系统循环水流量根据集热器面积确定；设定所述系统运行控制部分时，系统的运行采取温差控制，利用微分控制器完成；设定所述模拟结果输出部分时，数据输出的主要表征量为集热效率，单位面积日有用得热量以及太阳能保证率。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用TRNSYS软件设计了对大型的太阳能集热系统进行了建模仿真的方法，结果显示，本发明提供的太阳能集热系统模型的模拟结果与太阳能集热系统的实际运行情况吻合良好，充分展示了系统运行的具体情况。

2、本发明为大型太阳能集热系统的设计、优化以及评估提供了有力的依据。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中系统仿真模型示意图。

图2为系统全年运行模拟结果示意图。

图3为系统典型日运行模拟结果示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型，包括7个部分：气象参数输入部分，用水负荷部分，太阳能集热器部分，水箱部分，循环水泵部分，系统运行控制部分以及模拟结果输出部分。其中：

所述气象参数输入部分用于设置气象参数；

所述用水负荷部分用于设定太阳能集热系统的用水量；

所述太阳能集热器部分用于设定太阳能集热器类型以及太阳能集热器总面积；

所述水箱部分用于设定存水容积；

所述循环水泵部分用于设定水泵设置以及太阳能集热系统的循环水流量；

所述系统运行控制部分用于控制水泵的启停；

所述模拟结果输出部分包括图形输出和数据输出，用于输出模拟结果。

相应的，建模方法也分为以下7个步骤：

步骤S1，设定气象参数输入部分。其中所使用的气象参数文件通过Meteonorm(一款分析各地气象资料的软件)生成，集热器倾角依照使用季节确定，夏季使用倾角略小于当地纬度，冬季使用倾角略大于当地纬度，方位角0度即正南摆放。

步骤S2，设定用水负荷部分。其中用水量根据系统用水负荷计算得出，用水时间区间通过时关性的强迫函数设定。

步骤S3，设定太阳能集热器部分。其中集热器类型根据用水温度、安装条件确定；集热器面积根据总的用热负荷，当地日照辐射量，集热器效率以及系统热损失确定

A_c＝Q/(I_T×η_c×(1-η_l))

其中，A_c为太阳能集热器总面积，Q为总的用热负荷，I_T为单位面积太阳能集热器倾角上所接受到的日照辐射，η_c为太阳能集热器集热效率，η_l为太阳能集热系统热损失。

式中所述集热器倾角上所接收到的日照辐射由当地历年气象数据确定。所述集热器效率由所选的集热器类型确定，一般取0.4至0.55。所述系统热损失包含管路热损及水箱热损，一般可取0.2至0.25。

步骤S4，设定水箱部分。其中水箱容积根据用水负荷确定，略大于日均用水量。

步骤S5，设定循环水泵部分。其中系统循环水流量根据集热器面积确定，单位面积集热器的循环水流量在21L/h到60L/h之间。水泵的启停由系统运行控制部分控制。

步骤S6，设定系统运行控制部分。其中系统的运行采取温差控制，利用微分控制器完成。其控制方程可表述为如下形式：

当控制器先前处于开启状态，则

当控制器先前处于关闭状态，则

其中，γ_o为输出信号，T_h为高温输入，在太阳能集热系统中表现为太阳能集热器的总出口水温，T_l为低温输入，在太阳能集热系统中表现为水箱水温，ΔT_h为死区上限，ΔT_l为死区下限。

步骤S7，设定模拟结果输出部分。其中包括图形输出和数据输出，数据输出的主要表征量为集热效率，单位面积日有用得热量以及太阳能保证率。

所述集热效率表达式为：

η＝Q_u/(A_c×I_T)

其中Q_u为系统所收集到的总的热量。

所述单位面积日有用得热量的表达式为：

其中，ρ为工质密度，c为工质比热容，V为水箱容积，t_i为全天初始时刻水箱平均温度，t_f为全天终止时刻水箱平均温度；

所述太阳能保证率表达式为：

其中，Q_t为系统所需的总热量，Q_fz为辅助能源提供的热量。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：

图1为依照山东某锅炉的大型太阳能预热系统所建立的系统仿真模型。建立该大型太阳能预热系统需要设定气象参数输入部分，用水负荷部分，太阳能集热器部分，水箱部分，循环水泵部分，系统运行控制部分以及模拟结果输出部分这7个部分。具体的建模过程也按照以下7个步骤进行：

第一步，设定气象参数输入部分。系统所在地处于山东济南，所以用Meteonorm生成济南当地的tm2气象参数文件。依照济南当地地理纬度以及使用季节设定集热器倾角为40度，方位角0度即正南方向。

第二步，设定用水负荷部分。其中用水量根据系统用水负荷计算得出，锅炉日均产汽用水量为130t，故每日用水负荷设定为130t/d。用水时间区间通过时关性的强迫函数设定，在此依照锅炉使用情况设定每日早8时至晚18时持续供水。

第三步，设定太阳能集热器部分。其中集热器类型根据用水温度、安装条件确定。用水温度为95℃，属于中温范畴，所以选取CPC中温集热器；集热器面积根据总的用热负荷，当地日照辐射量，集热器效率以及系统热损失确定：

A_c＝Q/(I_T×η_c×(1-η_l))

其中系统总用热量通过工质流量，工质温升以及工质的比热容确定。当地日照辐射量选取济南本地的历年日照辐射量。整体计算得出所需的集热面积为5260m²，分配至南北两个分区。

第四步，设定水箱部分。其中水箱容积根据用水负荷确定，依照日均用水量设定水箱容积为130t。系统为锅炉提供预热水，故未添加辅助加热装置。

第五步，设定循环水泵部分。其中系统循环水流量根据集热器面积确定，单位面积集热器的循环水流量选取21L/h。水泵的启停由系统运行控制部分控制。

第六步，设定系统运行控制部分。其中系统的运行采取温差控制，利用微分控制器完成。设定总回水温度为高温输入T_h，水箱温度为低温输入T_l，死区上限ΔT_h设定为8℃，死区下限ΔT_l设定为4℃。所述参数表征的控制策略为：当循环开始后，比较总回水温度和水箱温度的温差，若温差大于8℃则继续循环，温差小于4℃时循环停止。如果一开始温差不大于8℃，则循环停止。

第七步，设定模拟结果输出部分。其中包括图形输出和数据输出，图形输出为集热阵列的进出口水温以及日照辐射，数据输出的主要表征量为逐日与全年的集热效率。

模拟仿真结果如图2与图3所示，其中图2为系统全年运行模拟结果示意图；图3为系统典型日运行模拟结果示意图。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，设定气象参数输入部分；其中所使用的气象参数文件通过Meteonorm软件生成；

步骤S2，设定用水负荷部分；其中用水量根据太阳能集热系统用水负荷计算得出，用水时间区间通过时关性的强迫函数设定；

步骤S3，设定太阳能集热器部分；其中太阳能集热器类型根据用水温度、安装条件确定；太阳能集热器总面积根据总的用热负荷、当地日照辐射量、太阳能集热器集热效率以及太阳能集热系统热损失确定，日照辐射和环境温度由气象参数输入部分确定；

步骤S4，设定水箱部分；其中水箱的存水容积根据用水负荷部分的用水量确定；

步骤S5，设定循环水泵部分；其中太阳能集热系统的循环水流量根据太阳能集热器部分的太阳能集热器总面积确定，水泵的启停由系统运行控制部分控制；

步骤S6，设定系统运行控制部分；其中系统运行控制部分采取温差控制水泵的启停，利用微分控制器完成；

步骤S7，设定模拟结果输出部分；其中数据输出的表征量为太阳能集热器的集热效率、太阳能集热器的单位面积得热量以及太阳能日照辐射的保证率。

2.根据权利要求1所述的基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S3中：

太阳能集热器的倾角依照使用季节确定，夏季使用时，太阳能集热器的倾角小于当地纬度，冬季使用时，太阳能集热器的倾角大于当地纬度，春秋两季使用时，太阳能集热器的倾角与当地纬度相同；

太阳能集热器的方位角为0度，即正南摆放。

3.根据权利要求1所述的基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S3中，太阳能集热器面积根据总的用热负荷、当地日照辐射量、太阳能集热器集热效率以及太阳能集热系统热损失确定的表达式为：

A_c＝Q/(I_T×η_c×(1-η_l))

其中，A_c为太阳能集热器总面积，Q为总的用热负荷，I_T为单位面积太阳能集热器倾角上所接受到的日照辐射，η_c为太阳能集热器集热效率，η_l为太阳能集热系统热损失。

4.根据权利要求3所述的基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型的建模方法，其特征在于，所述单位面积太阳能集热器倾角上所接受到的日照辐射I_T由当地历年气象数据确定；所述太阳能集热器集热效率η_c由所选的太阳能集热器类型确定，取0.4至0.55；所述太阳能集热系统热损失η_l包括管路热损及水箱热损，取0.2至0.25。

5.根据权利要求1所述的基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S5中，太阳能集热系统的循环水流量根据太阳能集热器总面积确定，其中，太阳能集热器单位面积的循环水流量在21L/h到60L/h之间。

6.根据权利要求1所述的基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S6中，利用微分控制器完成水泵启停控制的控制方程表述为如下形式：

当控制器先前处于开启状态，则

${\mathrm{\&gamma;}}_o=\left\{\begin{array}{ccc}0& if& {\mathrm{\&Delta;T}}_l\&GreaterEqual;(T_h-T_l)\\ 1& if& {\mathrm{\&Delta;T}}_l<(T_h-T_l)\end{array}\right.$

当控制器先前处于关闭状态，则

${\mathrm{\&gamma;}}_o=\left\{\begin{array}{ccc}0& if& {\mathrm{\&Delta;T}}_h\&GreaterEqual;(T_h-T_l)\\ 1& if& {\mathrm{\&Delta;T}}_h<(T_h-T_l)\end{array}\right.$

其中，γ_o为输出信号，T_h为高温输入，在太阳能集热系统中表现为太阳能集热器的总出口水温，T_l为低温输入，在太阳能集热系统中表现为水箱水温，ΔT_h为死区上限，ΔT_l为死区下限。

7.根据权利要求1所述的基于TRNSYS的大型太阳能集热系统模型的建模方法，其特征在于，所述步骤S7中：

数据输出的表征量太阳能集热器的集热效率表达式为：

η＝Q_u/(A_c×I_T)

其中，Q_u为系统所收集到的总的热量；

数据输出的表征量太阳能集热器的单位面积得热量表达式为：

$q=\frac{\mathrm{\&rho;}cV(t_i-t_f)}{A_c}$

其中，ρ为工质密度，c为工质比热容，V为水箱容积，t_i为全天初始时刻水箱平均温度，t_f为全天终止时刻水箱平均温度；

数据输出的表征量太阳能日照辐射的保证率表达式为：

$f=\frac{Q_t-Q_{f\stackrel{\&CenterDot;}{z}}}{Q_t}$

其中，Q_t为系统所需的总热量，Q_fc为辅助能源提供的热量。