張 輝，李 鵬，羅 琦，劉媛媛，陳惠玲

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430070；3.青海新能源集團(tuán)有限公司，青海 西寧 810008)

隨著太陽(yáng)能利用領(lǐng)域的快速發(fā)展，清潔、規(guī)?；锰?yáng)能將是該領(lǐng)域發(fā)展的基本趨勢(shì)[1]。太陽(yáng)能光伏/光熱(photo voltaic/thermal,PVT)技術(shù)是目前最為高效的太陽(yáng)能綜合利用技術(shù)[2]，最初的構(gòu)想是由Kem和Russell[3]在1978年提出，通過(guò)光伏組件背部通道的流體來(lái)帶走產(chǎn)生的熱量，集光伏發(fā)電和低溫?zé)崴糜谝惑w。Aste[4]等通過(guò)TRNSYS軟件模擬分析太陽(yáng)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(guān)系。Alejandro del Amo[5]等通過(guò)軟件TRNSYS模擬，為Zaragoza的某個(gè)住宅樓提供20.5 kW和4.14 kWp的電、熱供應(yīng)。平板型PVT集熱器產(chǎn)生的熱水溫度一般在40～60 ℃，主要適用于家庭熱水產(chǎn)暖等低溫領(lǐng)域，而在中高溫領(lǐng)域70～95 ℃時(shí)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(biāo)準(zhǔn)EN12975，對(duì)槽式集熱器的效率進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明性能上有很好的一致性。Kizilkan[7]等針對(duì)熱能需求提出一個(gè)PTC太陽(yáng)能系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的綜合性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明太陽(yáng)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(yáng)能熱利用率，結(jié)合PVT和PTC的優(yōu)點(diǎn)，讓PVT盡量運(yùn)行在低溫領(lǐng)域保持高效率，在高溫領(lǐng)域采用具有高效率的PTC，提出了一個(gè)PVT和PTC結(jié)合的太陽(yáng)能電熱聯(lián)產(chǎn)復(fù)合系統(tǒng)，對(duì)PVT產(chǎn)生的低溫?zé)崴M(jìn)行PTC再加熱，擬采用雙水箱太陽(yáng)能系統(tǒng)。但目前針對(duì)雙水箱太陽(yáng)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(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙水箱太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，研究表明：相比于傳統(tǒng)太陽(yáng)能系統(tǒng)，雙水箱太陽(yáng)能系統(tǒng)確實(shí)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(duì)雙水箱太陽(yáng)能系統(tǒng)的研究主要集中于系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的可靠性分析，但缺乏系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的確定方法。Tian等[10]研究了丹麥現(xiàn)有的一個(gè)混合太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，對(duì)比分析了混合集熱器和單獨(dú)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(jù)。筆者針對(duì)提出的太陽(yáng)能電熱聯(lián)產(chǎn)復(fù)合系統(tǒng)，通過(guò)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(shù)據(jù)，以電效率、熱效率、發(fā)電量、產(chǎn)熱量、系統(tǒng)輔熱量和太陽(yáng)能保證率作為系統(tǒng)仿真指標(biāo)，針對(duì)特定用水負(fù)荷，以集熱水箱容積和供熱水箱容積等關(guān)鍵參數(shù)作為系統(tǒng)仿真研究對(duì)象，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行全年性能分析。

1 系統(tǒng)模型介紹

通過(guò)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(dòng)態(tài)仿真程序，本文所采用的部件模塊主要包括氣象數(shù)據(jù)模塊、PVT模塊、PTC模塊、用水負(fù)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(shè)

由于軟件不能完全模擬實(shí)際系統(tǒng)，為了計(jì)算方便，對(duì)所建立的仿真模型作出如下簡(jiǎn)化假設(shè)：

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

(2)將太陽(yáng)能集熱器作為整體來(lái)進(jìn)行計(jì)算和分析，忽略太陽(yáng)能集熱器采光面灰塵物對(duì)其性能的影響；

(3)水箱內(nèi)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(shí)間內(nèi)永遠(yuǎn)充滿水。

(4)忽略系統(tǒng)管道的散熱損失。

1.2 用水負(fù)荷

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

設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量由式(1)計(jì)算：

(1)

(2)

圖2 用水量隨時(shí)間的變化曲線

式中：Qh為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量；Kh為小時(shí)變化系數(shù)，查表取3.0；n為熱水用水單位數(shù)(人數(shù)或床位數(shù))，n=300；qr為混合熱水溫度對(duì)應(yīng)的每個(gè)床位或人用水熱量；q1為折合成60 ℃熱水對(duì)應(yīng)的人均日熱水用量，查《民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[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(lái)水溫，10 ℃；T為熱水使用時(shí)間，20 h。

因?yàn)椤睹裼媒ㄖ?jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》建議的熱水用水定額是以60 ℃熱水對(duì)應(yīng)的，計(jì)算時(shí)需用式(2)進(jìn)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(yáng)能系統(tǒng)。一個(gè)是集熱水箱，主要用于平板型PVT集熱循環(huán)；另一個(gè)是供熱水箱，主要用于PTC加熱以及供給到用戶。在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，每平方米太陽(yáng)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(yáng)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(xiàn)行的GB50364《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》[13]的相關(guān)要求，供熱水箱的貯熱量應(yīng)大于等于1.5Qh(Qh為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量)，由此可以計(jì)算出供熱水箱的容積應(yīng)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(duì)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(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定溫度，電磁閥打開(kāi)，自動(dòng)將集熱器內(nèi)的熱水打入集熱水箱，如此反復(fù)，直至水箱水滿。集熱水箱水滿后，進(jìn)入溫差模式，集熱器內(nèi)熱水溫度和水箱溫度差達(dá)到設(shè)定值，循環(huán)水泵啟動(dòng)，將水箱內(nèi)的低溫水和集熱器內(nèi)的水進(jìn)行循環(huán)，如此反復(fù)。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(dāng)PVT進(jìn)、出口溫差大于8 ℃時(shí)循環(huán)泵開(kāi)啟，溫差小于4 ℃時(shí)自動(dòng)關(guān)閉；

(2)PTC集熱循環(huán)。當(dāng)PTC進(jìn)、出口溫差大于8 ℃時(shí)循環(huán)泵開(kāi)啟，溫差小于4 ℃時(shí)自動(dòng)關(guān)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(dāng)供熱水箱的出口溫度低于85 ℃時(shí)，電加熱器自動(dòng)開(kāi)啟，否則處于關(guān)閉狀態(tài)。

2 仿真結(jié)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(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全年性能模擬。本系統(tǒng)中，PVT總面積為140 m2，傾角為當(dāng)?shù)鼐暥?6°35′，PTC總面積為100 m2，系統(tǒng)運(yùn)行間隔為10 min。下文僅針對(duì)集熱水箱容積和供熱水箱容積等參數(shù)進(jìn)行仿真研究，以PVT的發(fā)電量和電效率、PVT的產(chǎn)熱量和熱效率、PTC的產(chǎn)熱量和熱效率、系統(tǒng)輔熱量、太陽(yáng)能產(chǎn)熱量及太陽(yáng)能保證率作為系統(tǒng)仿真指標(biāo)，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(jié)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(zhǎng)，仿真結(jié)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(duì)PVT性能發(fā)電量、產(chǎn)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(chǎn)熱量和熱效率也逐漸增大，且增大速率越來(lái)越小。這是因?yàn)殡S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(chǎn)熱量增大，相應(yīng)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(lái)越小。圖3(b)描述了集熱水箱容積對(duì)PTC性能產(chǎn)熱量和熱效率的影響，可以看出PTC產(chǎn)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?yàn)殡S著集熱水箱容積的增大，PVT產(chǎn)熱量增大，進(jìn)入供熱水箱的熱量增多，從而PTC產(chǎn)熱量快速下降，相應(yīng)的熱效率隨之下降；當(dāng)集熱水箱容積增大到某一程度后繼續(xù)增大時(shí)，雖然PVT產(chǎn)熱量增大，但集熱水箱的散熱量也在增大，且PVT產(chǎn)熱量的增量小于集熱水箱散熱量的增量，從而進(jìn)入供熱水箱的熱量有所減小，因此PTC產(chǎn)熱量又緩慢增大，相應(yīng)的熱效率隨之緩慢增大。圖3(c)描述了集熱水箱容積對(duì)系統(tǒng)整體性能太陽(yáng)能產(chǎn)熱量、系統(tǒng)輔熱量和太陽(yáng)能保證率的影響，可以看出太陽(yáng)能產(chǎn)熱量和太陽(yáng)能保證率逐漸增大，且增大速率越來(lái)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?yàn)閷?duì)比圖3(a)和圖3(b)可以看出集熱水箱容積對(duì)PVT的影響比PTC的大，PVT最大差值可達(dá)38.34 GJ,而PTC最大差值只有4.17 GJ，因此太陽(yáng)能產(chǎn)熱量逐漸增大，系統(tǒng)輔熱量快速下降，從而太陽(yáng)能保證率隨之增大；當(dāng)集熱水箱容積繼續(xù)增大，系統(tǒng)散熱量增大，太陽(yáng)能產(chǎn)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(yáng)能產(chǎn)熱量和系統(tǒng)散熱量共同作用的結(jié)果，從而系統(tǒng)輔熱量下降到最低點(diǎn)后又緩慢增加，太陽(yáng)能保證率增大速率越來(lái)越小。

集熱水箱容積的選取主要依據(jù)太陽(yáng)能保證率和系統(tǒng)輔熱量。在集熱水箱容積為6 m3時(shí)，系統(tǒng)輔熱量達(dá)到最低值658.97 GJ，太陽(yáng)能保證率為51.62%，相比于5 m3時(shí)的太陽(yáng)能保證率51.57%，變化率為0.10%，當(dāng)增大為7 m3時(shí)太陽(yáng)能保證率為51.63%，變化率僅為0.02%，可以忽略不計(jì)，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(shí)，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(yīng)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(zhǎng)，仿真結(jié)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(duì)PVT性能發(fā)電量、產(chǎn)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?yàn)榧療崴洳捎庙斔?，?fù)荷不變，增大供熱水箱的容積對(duì)PVT的影響基本可以忽略。圖4(b)描述了供熱水箱容積對(duì)PTC性能產(chǎn)熱量和熱效率的影響，可以看出PTC產(chǎn)熱量和熱效率逐漸增大，且增大速率越來(lái)越小。這是因?yàn)殡S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(chǎn)熱量增大，相應(yīng)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(lái)越小。圖4(c)描述了供熱水箱容積對(duì)系統(tǒng)性能太陽(yáng)能產(chǎn)熱量、系統(tǒng)輔熱量和太陽(yáng)能保證率的影響，可以看出太陽(yáng)能產(chǎn)熱量和保證率逐漸增大，且增大速率越來(lái)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(duì)比圖4(a)、圖4(b)可以看出供熱水箱容積對(duì)PTC的影響較大，PTC最大差值可達(dá)39.89 GJ，而對(duì)PVT的性能影響幾乎可以忽略，因此太陽(yáng)能產(chǎn)熱量逐漸增大，系統(tǒng)輔熱量快速下降，從而太陽(yáng)能保證率隨之增大；當(dāng)供熱水箱容積繼續(xù)增大，系統(tǒng)散熱量增大，太陽(yáng)能產(chǎn)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(yáng)能產(chǎn)熱量和系統(tǒng)散熱量共同作用的結(jié)果，從而系統(tǒng)輔熱量下降到最低點(diǎn)后又緩慢增加，太陽(yáng)能保證率增大速率越來(lái)越小。

供熱水箱容積的選取主要依據(jù)太陽(yáng)能保證率和系統(tǒng)輔熱量。在供熱水箱容積為8 m3時(shí)，系統(tǒng)輔熱量達(dá)到最低值654.26 GJ，太陽(yáng)能保證率為52.21%，相比于7 m3時(shí)的太陽(yáng)能保證率52.09%，變化率為0.23%，當(dāng)增大為9 m3時(shí)太陽(yáng)能保證率為52.27%，變化率僅為0.11%，而太陽(yáng)能保證率的變化率越來(lái)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(yīng)大于2.5 m3，8 m3滿足該范圍但由于供熱水箱承擔(dān)著PTC集熱，因此選取供熱水箱容積時(shí)，在滿足供熱水箱容積最低值的前提下適當(dāng)考慮PTC部分的產(chǎn)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(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，針對(duì)PVT發(fā)電量、PVT產(chǎn)熱量、PTC產(chǎn)熱量及太陽(yáng)能保證率等系統(tǒng)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真分析，得到系統(tǒng)每月性能如圖5所示。

圖5 每月數(shù)據(jù)

圖5(a)為PVT性能發(fā)電量、產(chǎn)熱量以及接收能量的每月數(shù)據(jù)，可以看出PVT的發(fā)電量和產(chǎn)熱量的變化趨勢(shì)基本上與PVT接收能量保持一致；圖5(b)為PTC性能產(chǎn)熱量和接收能量的每月數(shù)據(jù)，可以看出PTC的變化趨勢(shì)基本上與PTC接收的能量保持一致；圖5(c)為太陽(yáng)能保證率的每月數(shù)據(jù)，可以看出太陽(yáng)能保證率在4月份達(dá)到最高，全年有5個(gè)月份太陽(yáng)能保證率達(dá)到60%以上；這是因?yàn)樵?月份時(shí)PVT和PTC接收到的能量都達(dá)到最大，導(dǎo)致系統(tǒng)輔助能源需求量最少，從而太陽(yáng)能保證率在4月份達(dá)到最大值；從4月份開(kāi)始一直到8月份，PVT和PTC都接收到相對(duì)較多的能量，太陽(yáng)能產(chǎn)熱量都占比60%以上，從而太陽(yáng)能保證率在這5個(gè)月份都可達(dá)到60%以上。

系統(tǒng)全年P(guān)VT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(chǎn)熱量557.48 GJ，太陽(yáng)能利用率82.13%，太陽(yáng)能保證率達(dá)到52.21%。

表1 全年性能數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

結(jié)合PVT和PTC的優(yōu)點(diǎn)，盡量保證PVT在低溫狀態(tài)下運(yùn)行，從而獲得較高效率，同時(shí)利用PTC在高溫下仍然保持高效率的特點(diǎn)，提出了太陽(yáng)能電熱聯(lián)產(chǎn)復(fù)合系統(tǒng)，通過(guò)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(shù)據(jù)，針對(duì)特定負(fù)荷，對(duì)集熱水箱容積和供熱水箱容積等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全年性能分析。得到以下結(jié)論：

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

(2)對(duì)于該類型雙水箱太陽(yáng)能系統(tǒng)，集熱水箱容積主要考慮PVT產(chǎn)熱量，選取上僅從技術(shù)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(fù)荷要求的供熱水箱最低值的前提下，應(yīng)適當(dāng)考慮PTC部分的產(chǎn)熱量。該研究也為今后該類型系統(tǒng)中水箱容積的合理設(shè)計(jì)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(yáng)能利用率達(dá)到82.13%，太陽(yáng)能保證率為52.21%，其中全年有5個(gè)月太陽(yáng)能保證率達(dá)到60%以上，該系統(tǒng)保證熱水供應(yīng)的同時(shí)也獲得了電力輸出，極大地提高了太陽(yáng)能綜合利用效率，推動(dòng)了太陽(yáng)能的規(guī)?；玫陌l(fā)展進(jìn)程。

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