不同因素对平板太阳能集热器光热性能的影响

第38卷第6期
太原科技大学学报
2017 警 12 月
JOURNAL OF TAIYiaN tlW ERSITY OF SCIENCE AND TECHHOLOGY
Vol . 38 No . 6
Dec . 2017
文章编号：1673 -2057(2017)06 -0428 -06
不同因素对平板太阳能集热器光热性能的影响
马
冬
，李
虹
，刘立群
(太原科技大学电子信息工程学院，太原030024)
摘要:平板太阳能集热器是PV /T 系统的重要组成单.元，集.热器性能的好坏影响PV /T 系统的综 合效率，而其光热性'能又受到光照择度，琛壕:溢度，工质进口漠.度和流量以及吸热板的吸收率透过率，热 损.系数等材料特性的影响，在搭建平.板集热#模型的基础.上，以太原地区为钶（东经112. 53.,北纬37. 87)，用MATLABAimuliiik 仿真软件模拟一天中不同时间的集.热器表面接收的太阳光照强度，.改变进.口 水谋，进口流量以及材料翁性，得到平板集热器的瞬时效率曲线和出口水温变化曲线，对优化P _V /T .系 统的性能挺供理论支持。

关键词：平板太阳能集.热系
绕
;光照强度;瞬时效率
中图分类号:TK513.5
文献标志码:A
doi ： 10. 3969/j. isS n . 1673 - 2057. 2017. 06.004
太阳能利用最主要体现在光电和光热两方面， 但是纯光伏发电系统存在电池背板温度过高影响 发电效率的问题，将光电光热结合应用的P V /T 系 统能够有效解决这一问题，提升太阳能综合利用 率。

P V /T 系统由光伏电池片和集热装置组成[1]。

平板集热器作为PV /T 系统的集热装置，具有便于 维护，故障少等优点，其性能的优良会影响PV /T 系 统的综會效率[2]。

本文.逋过.Matlab /si.mulink ■仿真: 软件对平板集热器建模，研究进口水温，工质流量 以及吸热板的透过率和吸收率，集热器热损系数等 因素对集热器热性能的影响,最终给出瞬时效率和 出口水温随不同影响因素变化的曲线。

平板集热 器的建模霉要考虑其数学模型，集热过程和效率变 化情况[3\
用搭建的太阳辐照模块作为系统光照
输入，并以太原地区为例，在最优安装倾角下，分析 其他影响因素的效果，为P V /T 系统的优化提供理
论支撑
1系统数学模型
1.1集热器模型分析
平板集热器由吸热面板，盖板，保温材料，流体 管道和壳体组成W ，集热器基本结构如图1所示。

图1 基本结构
Fig. 1 Basic structure
太阳能光线照射在集热器表面5太阳辐照度一 部分经由吸热面板转化为热能汄传递给液体提高 温度，一部分是对流、辐射、导热奪方式损失的热能
Q i ,
另外一部分是被集热器自身吸收存储的热能 认，根据能量守恒定律[5]，有集热器的能量守f 亘方 程为：
Q , = A J - Qu - Q ,
(1)
收稿日期:2016屬-30
基金项目：山酉省应用墨軸研究项目001碰D011058)煤矿电气设备■智能控制山_西曹重点雜■鍾放课题(MEE01603) 作者简介:马冬< I "2 -女，硕士研究生,金繫研海方询为现代电为电矛与新能源发电技
术
第38卷第6期马冬，等:不同因素对平板太阳能集热器光热性能的影响429
式中，f t是单位时间里系统内能的增量，W;疋
是集热器采光面积，m2; /是光照强度，w/m2; (?…是
单位时间里系统输出的有用能，W;f t是单位时间
里系统的热损失，W.
(1) 内能增量有如下表达式：
Qs= (rnC) ^(2)式中，（mC)是集热器热容量;r是集热器温度；
^是时间。

稳定工况时，ft = 0.此时，0 =疋f t，集
热器的有用能有公式<?…=</- f t.
(2) 在热量沿一维流动的条件下，平板集热器 的有用能给出如下公式：
Q u= C l<l(Tc o --W(3)集热器的出口水温7；。

= &+ Tc l(4)
式中，是集热工质的平均比热容，J/
(kg •°C)；
9是集热工质的质量流量，kg/s; 7；。

，7；,是出
口温度和入口温度，。

C .
(3)集热器的热损失认的表达式为：
Q i=AaU L(Tp-T J(5)式中，R是集热器热损系数，W/(m2 •°C );
7；是吸热板温度，°C ; 7；是环境温度，°C .
平板集热器效率方程包括瞬时效率，平均效
率，是衡量系统热性能的关键性的标准[6]。

瞬时效率方程：
Q u/x J J(Tp - Ta)
V = T l = (T a)e_ U l一I----(6)
式中，（™)6是透过率与吸收率的乘积。

7；为吸热板温度，很难测量，此时引入效率因 子，，选取不同的吸热材料，搭建出不同结构的集
热器，效率因子也不同，设计良好的集热器，效率因
子的数值一般为〇.9〜1.0.同样为了便于计算集热
器热损失，引入热迁移因子尸，.
引入这两个因子后，有用能和热效率7?可
用含有进口水温的公式表示：
= AaFR[(r a)e I -U l(T c i - T J](7)
r r , 、~Ta)
V= FRl(r a)e-------------](8)
1.2太阳辐照度模型分析
大气层上界任意时刻太阳辐照度[7]有：Em=Escx[l +0.033 xcos(^)]x c〇s02(9)式中，《是一年中天数的顺序数；是水平面
上太阳人射角;I是太阳常数，为1 367 W/m2.
太阳高度角是指太阳光入射方向和地平面之 间的夹角，随着地方纬度P，太阳赤纬5和时角《的变化而变化，计算公式为：
sinh = siiKpsinS +cos^cos^cosw(10)式中，&是太阳高度角；P是当地纬度；S是太阳赤纬角，5 = 23.45 x S in(360。

x n); «是
J dj
太阳时角。

太阳赤纬角与月份，月平均日，该月日子数关 系如下表[8]。

表1 各月平均日、日子序数与赤纬角
Tab. 1 Months average daily,day ordinal
and declination Angle
月份月平均日
(曰）
该月日子数
(d)
赤纬角
(。

）
11717-20.9
21647-13
31675-2.4
4151059.4
51513518.8
61116223.1
71719821.2
81622813.5
915258 2.2
1015288-9.6
1114318-18.9
1210344-23
总辐照度为直射辐照度和散射辐照度之和：
Ec= E〇n x r b+ Eo n x r d(11)式中，Tb是直射大气透明度；T d是散射大气透 明度。

Th= 0.56 X+e-〇.〇96»Ui)) x k i
Td= 0.2710 - 0.2939 x r b
式中，^的取值范围为0. 8-0.9, 是考虑海拔高度，对大气压力的订正，计算公式为: m{z,h) = m(h)户^2)(12) P(z)/P0=[(288 - 0.0065 x z)/288]5'256
(13)
430太原科技大学学报2017 年
式中，是大气质量；z是海拔高度；P(z)是观测点大气压；P(z)/P。

是大气压修正系数。

当太阳能量传输到地表，透过大气层时，会受 到大气的干扰，这种干扰程度就是大气质量 m(/i).
分解水平面方向的太阳辐照度到斜面上，可得 按照一定倾角放置的集热器表面的太阳辐照度为：
E t = Eb Rb + EdRd + (Eb + Ed)pRp(14)
式中，&是散射辐射修正因子，&= 1 +2C〇S^
;Rp是地面反射修正因子，Rp= 1 _2c〇咕;&是直
射辐射修正因子，^ ;P是地面反射率。

cos^2
0是倾斜面上太阳入射角，受到集热器放置倾 角yS和方位角y…的影响。

2系统仿真
分析平板集热器的数学模型和太阳辐射模型[9]，用MATLAB/Simulink仿真软件搭建系统仿真 平台。

根据文献[10 ]提供的最优安装倾角，模拟在 太原地区（东经112. 53 °，北纬37. 87 °，海拔811 m)7月份日子序数为198(赤纬角为21.2 ° )，一天 内光照强度变化下，不同因素对平板集热器输出性 能的影响，通过改变不同的输入参数，得到对应的 输出特性曲线[11]。

由数学模型知，当、7；^、(ra)6、R等变化时，7；。

、7?随之变化，在MATLAB /Simulink仿真软件中，系统的输入参数包括进口水 温L、环境温度7；、工质流量g、材料透过率和吸收 率的乘积（ra)6和热损系数R，其他参数作为已知 变量输入，输出变量有出口水温7；。

和瞬时效率T).
3仿真结果分析
(1)不同进口水温下的系统输出特性曲线
设定环境温度7；为20 °C，工质流量g为10 kg/s，吸收率与透过率的乘积（Ta)6为0. 75，热损系 数R为2.2，改变进口水温匕从10 °C到20 °C，得 到集热器出口水温和瞬时效率随进口水温变化的 曲线。

图3 (a)为不同进口水温时的出口水温变化曲线和瞬时效率变化曲线，由图（a)的曲线变化趋势 可知，在光照强度相同，工质流量一定，采用同种集 热材料时，随着进口水温的升高瞬时效率降低;图3 (b)、（c)为模拟一天从8时到17时进口水温分别 为20 °C，15 °C，10 °C时对应的出口水温变化曲线 和瞬时效率曲线，当匕=20 °C时，瞬时效率平均值7?约为0.713，出口水温平均值L约为52 °C;当r c i = 15。

(]时，7? « 0. 725，L« 46尤；7；;= 10 °C 时，7? «0.735，7；。

《41 r，由上述数据可以看出，当进口水温升高，瞬时效率降低。

(2) 不同工质流量下的集热器输出特性曲线
设定匕=15。

(]，7；=20。

(]，（ra)e= 0.75，R=2.2,改变工质流量？从6kg/s到12kg/s,得 到集热器出口水温和瞬时效率变化曲线。

由图4(a)可知，在同一环境中（光照强度，环 境温度相同），进口水温相同的情况下，随着工质流 量的增大，瞬时效率提高，但出口水温降低。

图3 (b)、（c)为模拟一天从8时到17时工质流量分别 为6 kg/s，8 kg/s，10 kg/s时对应的出口水温变化曲线和瞬时效率曲线，当g = 6 kg/s时，T j » 0.7，7；。

_65 °C ;当<? = 8 kg/s 时，^ « 0.715，7；。

《 53°C= 10 kg/s时，7? «0.725，j；。

《46 °C，可以得出，随着工质流量的增加，出口水温降低，瞬时效率 提尚。

(3) 吸收率和透过率的乘积发生改变时的输出特性曲线
设定匕=15 °C，<?= 10 kg/s，r a =20。

(]，R = 2. 2,改变吸收率和透过率的乘积（Ta)6从0.75到 〇.95，得到集热器出口水温和瞬时效率变化曲线。

由图5(a)可知，随着（r a h的增大，瞬时效率提 高，出水温度提高。

图5(b)、（c)为选取（™)6分别 为0.75，0.85，0.95时对应的出口水温变化曲线和瞬时效率变化曲线，当（ra)e=0.75时，7? « 0.71，U1 尤；当（Ta)e=0.85 时，^ « 0.8，7；。

《 55 °C;当（Ta)e =0.95 时，
真数据表明，当吸收率与透过率的乘积升高，出口
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7 8
9 10
11
工质流量(kg /s )
(a )
9 10 11 12
13 14 15 16 17
时间/h
(b)
9 10 11 12 13 14 15 16 17
时间/h
(c )
图4 不同工质流量下的输出特性曲线
Fig. 4 Output characteristic curve under
different mass flow rate
30
0.8
9 10 1112
13 14时间/h
0>)
15 16 17°*6^ 9 10 11
12 13
时间/h
(c )
14
图3
不同进口水温时的系统输出特性曲线
Fig. 3 Output characteristics curve of different systems* imported water temperature
0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
进口水温/t (a )
—Tci=10
-■■■■ Tci=15 ^ _ Tci=20
1 ■ q=10
~ ~ ~ ~ ■ q=8
q=6
2
c
c c
6
o
5
5 4 /I
a /f f l ^n s p
505 05Q 5
5
o c ^
87766554433〇>/
頰^n 93
5 4 3
7 7 7 0.0.
0.2
1 7 9 8 7 6 770.66666
•0.0.0.0.0.0.#
類墓o 5 o 5 Q
6 5 5 4 4
O b
/頰爷|=|田
3
5
432
太原科技大学
学报
2017 年
0.95
11
12
13时间/h
14 15 16 17
0.8 0.85 0.9
吸收率和透过率的乘积
(a )
0.65
0.6
°'558
9
10
11
12 13
14
15
16
17
时间/h
(c )
图5
不同（r a )e 下的输出特性曲线
Fig. 5 Output characteristic curve under different (ra) e
7jC 温升高，瞬时效率提髙，即平板集热器的吸收率 与透过率越好集热器的导热性能越好。

(4)热损系数％变化对输出特性的影响 设定 L = 15 丈，7； = 25 丈，g = 8 kg /s,
0.7°'?8 9 10 11 12
13 14 15 16 17
时间/h
(b)
Fig. 6 Output characteristic curve under different UL
(73),=0.75，改变^从2.2到3.2，得到集热器 出口水温和瞬时效率变化曲线。

由图6 ( a )可知，热损系数％越大，热量损耗越 多，瞬时效卓随之降低，出叮水温也降低。

图6
(a )
0.745 0.74 0.735 » 0.73 _ 0.725
塵 0.72
0.715
0.71 0.705
—U I =2.2
UI=2.7
一
■_ UI=3.2
(ta)=0.75(ta)=0.85(ta)=0.95
9 5
8 5
0..80..7o
o
#«墓
#裰t e 盤2
8 6
4
2
8 6
4 2
99888
8
877
7 7
^5o .o .o .o .o .o .o .
d o .0.0.9
0.
757654321098 7
0.
55555554443b / ®^a 3355
0 5 0 5 4 4D b /_^n B
35
5
0 5
0 5
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n 9
3
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(b)、（c)反映了一天不同时刻的光照强度下，选取 热损系数分别为2. 2,2. 7,3. 2的材料的出口水温
变化和瞬时效率变化，可知，R=2. 2时，7?«0.725,7；。

《 55.97 尤；R=2.7 时，7? « 0.719，
7；。

《 55.7 °C ;当R =3.2 时，^ « 0.714，7；。

《55.4 °C，比较得出，热损系数越大，瞬时效率越低，
出口水温越低。

4结论
与定值输入光照强度的模型相比，该模型能够
动态的反应一天内各个时刻不同因素对集热器输
出特性的影响，通过分析仿真结果，可知在外界条 件一定的情况下，进口水温，工质流量以及集热材参考文献：料选取的不同均会改变集热器性能，从管道入口进 来的流体温度越高，热效率越低;流体流量增大，可 以提升热效率，但使得出口水温降低;材料的吸收 率和透过率越好，热损失越少，得到的水温越高，更 能够满足用户的需求。

这些结论给PV/T系统的优 化提供改进依据，可以考虑如何能够同时保证较高 的热效率和又不降低出口水温，在获得了更高的能 量收益时又实现了能量的有效利用。

同时，分析这 些影响因素，可以知道，太阳光照强度和环境温度 等属于自然因素，无法人为控制，但集热器的结构，吸热板的选取，流体通道的设计，均可加以综合考 虑来提高系统的热性能和经济性能。

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ffect of Different Factors on the Flat Plate Solar
Collector Performance of Light-thermal
MA Dong, LI Hong, LIU Li-qun
(Taiyuan University of Science and Technology,School of Electronics Inform ation
Engineering,Taiyuan030024, China)
Abstract：Flat plate solar collectors is an im portant constituent unit of PV/T system,its performance affects the o­verall efficiency of PV/T system.However,the performance of light-thermal is affected by many factors,such as light intensity,im ported water temperature,fluid flow,temperature,etc.On the basis of the flat-plate collector model,taking the location of Taiyuan as an example(east longitude 112. 53 ,latitude 37. 87) the receiving light intensity of solar collector surface at different times of the day,different im port water temperature inlet flow rate, were simulated with MATLAB/ simulink simulation software.Finally,the curves of flat plate collector instantane­ous efficiency and outlet water temperature were obtained to provide theoretical support for optimizing the perform­ance of PV/T system.
Key words：flat plate solar collectors,PV/T system,light intensity,instantaneous efficiency。