基于MatlabSimulink的太阳能热水系统仿真研究 沈超

中国工程热物理学会 工程热力学与能源利用 编号：141090

基于Matlab/Simulink的太阳能热水系统仿真研究沈 超1 1 余 鹏1 李洪欣1 魏新利2

郑州大学土木工程学院，郑州 450001郑州大学化工与能源学院，郑州 450001)在MATLAB/Simulink环境下，针对天气变化以及系统各部件性能对太阳能热水系统的影响等问题，建立了太阳能热水系统的数值仿真模型。运用该模型对一算例进行仿真计算，仿真实验表明该仿真系统仿真结果与国际上通用的基于Fortran编制的太阳能模拟程序Trnsys的计算结果完全一致，为太阳能热水系统的研制和优化提供了自主开发的仿真工具。太阳能集热器动态仿真Simulink

0 前言

太阳能是世界上最丰富的永久能源，而且太阳能是一种清洁无任何污染的能源，因此太阳能的利用受到越来越多的关注。太阳能集热器是太阳能热利用中最基本的部件，其功能是利用太阳能辐射把水加热的装置。最简单的太阳能热水系统主要由集热器、水泵、控制器和提供冷水和热水的管道组成。由于太阳能集热器是目前实际应用最多、价格低廉的太阳能热利用系统，因此许多学者针对如何提高太阳能集热器的性能进行了大量的实验研究和仿真研究。动态仿真研究在太阳能集热器理论研究中拥有重要地位，国际上对太阳能利用系统进行动态仿真的程序的代表是TRNSYS大型程序包[1]。它能模拟热水、采暖、制冷空调、太阳房和热泵等热力系统以及光电系统，并且能够对这些系统作经济性分析。另外，用户还可以根据自己的需要增加子程序模拟新的系统。但是由于TRNSYS的核心程序采用Fortran编制的，因此使用时并不是很方便。

Matlab/Simulink仿真工具可用于复杂系统(连续的、离散的或混合型的)仿真，由于其强大的功能和方便、快捷的模块化建模环境，而日益受到人们的重视[2-]。本文利用Matlab仿真环境，针对平板型太阳能集热器的数学模型，开发了太阳能集热器系统的仿真模型。其中包括太阳能辐射数据处理模块、平板型集热器模块、水泵模块和控制器模块。本文给出了应用该模型仿真的算例，仿真结果与Trnsys计算结果一致，但其操作性和易读性上都较Trnsys优越。1 太阳能热水系统数学模型

1.1 系统简介

太阳能热水器的系统图如图1所示，水泵的开关是通过集热器入口和出口处水的温差来控制的。当阳光照射在集热器上，集热器的出口水温大于进口水温某一设定值时，控制器启动水泵，把冷水泵入集热器，同时集热器内的热水供给用户，当温差小于该设定值时，控制器关闭水泵。这种形式的热水器的流量是已知的(由水泵流量定)，容易预测性能。加热水量一定时，在同样设计条件下，较自然循环式热水器可得到较高温度的水。因此，一般大型热水器或需要较高水温时采用这种循环。由系统图可以看出，太阳能热水系统由集热器、水泵和控制器组成。对太阳能热水系统进行仿真的时候首先需要对太阳辐射的数据进行处理。

1.2 太阳辐射数据处理器数学模型

气象部门提供的是水平面上太阳辐射数据而且时间间隔也固定为一小时，但在太阳能热水系统中集热器并非水平安装，而且计算太阳能集热器的得热量的时间间隔也不可能都按一小时进行计算。因此为了能够将气象部门提供的太阳辐射数据能够应用在太阳能热水系统的模拟中，必须对源数据进行处理，将水平面上的每小时的辐射量转换为任意斜面上在任意一段时间间隔的辐射。任意两个太阳时角ω′ 和 ω"之间水平面上的太阳辐射量为

(1)

每小时水平面上的太阳辐射量为

(2)

任意时间间隔内的水平面上的总辐射量由气象部门提供的辐射数据采用公式(1)插值获得。获得水平面上的总辐射量后，可以采用Liu-Jordan[]公式计算获得散射辐射与直射辐射。倾斜角为的集热器上的太阳辐射为

(3)

式中为地面反射率

为直射辐射在水平面上的入射角

为直射辐射在集热器上的入射角

图1 太阳能热水系统示意图

1.3 太阳能集热器数学模型

平板集热器是太阳能低温热利用中的关键部件。平板型集热器的性能可用一组能量平衡方程来描述，该方程表示吸热板所吸收的太阳辐射能分成有用收益和各种损失。集热器所收集的总辐射能可以用Hottel-Whillier[1]方程求解：

(4)

这里，τα是N层玻璃面盖的透射率与吸收率的有效乘积

FR是迁移因子，它的数学表达式为：

(5)

是集热器的效率因子，其代表流体对外界的传热系数与吸热面对外界传热系数之比。是集热器面积，是集热器中水流量，是水的