基于trnsys的大型太阳能集热系统模型及建模方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] TRNSYS是TransientSystemSimulationProgram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。
[0004] 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；BinYang等人 则在《AdvancedMaterialsResearch》上发表文章"Stimulationandoptimizationof parabolictroughsolarhotwarersystem"，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】
[0005] 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。
[0006] 为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
[0007] 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、循环水栗部分、系统运行控制部分以及模拟结果输出部分；其中：
[0008] 所述气象参数输入部分用于设置气象参数；
[0009] 所述用水负荷部分用于设定太阳能集热系统的用水量；
[0010] 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；
[0011] 所述水箱部分用于设定存水容积；
[0012] 所述循环水栗部分用于设定水栗设置以及太阳能集热系统的循环水流量；
[0013] 所述系统运行控制部分用于控制水栗的启停；
[0014] 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。
[0015] 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：
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 步骤S5,设定循环水栗部分；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，水栗的启停由系统运行控制部分控制；
[0021] 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栗的启 停，利用微分控制器完成；
[0022] 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。
[0023] 优选地，所述步骤S3中：
[0024] 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 当地炜度，冬季使用时，太阳能集热器的倾角大于当地炜度，春秋两季使用时，太阳能集热 器的倾角与当地炜度相同；
[0025] 太阳能集热器的方位角为0度，即正南摆放。
[0026] 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：
[0027] Ac= q/(itx ncx (l-ni))
[0028] 其中，A。为太阳能集热器总面积，Q为总的用热负荷，IT为单位面积太阳能集热器 倾角上所接受到的日照辐射，n。为太阳能集热器集热效率，n:为太阳能集热系统热损失。
[0029] 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iT由当地历年气 象数据确定；所述太阳能集热器集热效率n。由所选的太阳能集热器类型确定，取〇. 4至 〇. 55 ;所述太阳能集热系统热损失ni包括管路热损及水箱热损，取〇. 2至0. 25。
[0030]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。
[0031] 优选地，所述步骤S6中，利用微分控制器完成水栗启停控制的控制方程表述为如 下形式：
[0032] 当控制器先前处于开启状态，则
[0033]
[0034] 当控制器先前处于关闭状态，则
[0035]
[0036] 其其中，Y。为输出信号，Th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，为低温输入，在太阳能集热系统中表现为水箱水温，ATh为死区上限， A为死区下限。
[0037] 优选地，所述步骤S7中：
[0038] 数据输出的表征量太阳能集热器的集热效率表达式为：
[0039] n=Qu/(AcXIt)
[0040] 其中，Qu为系统所收集到的总的热量；
[0041] 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：