由天气预报信息控制的太阳能家用热水系统的模拟和性能分析外文翻译资料

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2013 ISES太阳能世界大会

由天气预报信息控制的太阳能家用热水系统的模拟和性能分析

Sergio Colle，Thomas Koller *

a

LEPTEN - Laboratory of Energy Conversion engineering and Energy Technology / Department of Mechanical Engineering,

Federal University of Santa Catarina (UFSC), Trindade, Florianoacute;polis, Santa Catarina, 88040-900, Brazil

b

Technische Universitauml;t Muuml;nchen, Arcisstrasse 21, D-80333, Munich, Germany

摘要

本文的主要目的是提出使用双储层太阳能生活热水系统（SDHWS），以减少由于广泛使用电动淋浴头（ESH）而在住宅中产生的电能峰值。拟议的双储层太阳能生活热水系统是专为巴西的低收入人群住宅设计的。由于电能的需求曲线，在一个以前的为期两年的文件框架中，这些实验报告是九十个完全监测的房子样本中收集的数据。双储层太阳能生活热水系统是在软件TRNSYS的帮助下设计的，可用于巴西首都的典型气象年（TMY）数据， 典型气象年数据在SWERA数据库是可用的。修改典型气象年的数据，以便将任意一天的气象数据概况后用作于一天的预报数据。在太阳辐射分布预期对于太阳能系统具有低可用性时，在一天的早上时间将辅助能量供应到备用罐。优化备用罐体积以减小电能峰值的最大值。本文报告了，对于不同的过载与参考固定载荷分布相比，在6:00 PM和9:00 PM之间的临界时间中的能量峰值需求相对于能量峰值减小分数的天数频率的特性曲线。

关键词：太阳能生活热水系统; 预测方案; 在巴西的电淋浴峰值能量的减少。

1. 介绍

巴西是世界上少数几个允许电动淋浴头在房屋中广泛使用电能的国家之一。国家电力系统SIN（Sistema Interligado Nacional）每天记录全国的电能消耗数据。该数据测量大约在6:00 PM和9:00 PM之间关键期间分配的大约4GW来支持电动淋浴头能量的需求。 电动淋浴头负责在全国大约43％能源峰值的房屋能源的需求。这些装置在热力学上效率低下，因为它们实际上将放射性转换为热，而它们通过降低电流谐波来降低对房屋的能量供应的质量。降低电能峰值的有效方法是给予补贴以安装与电动淋浴头相连的低成本双储层太阳能生活热水系统。在当前在全球市场上商业化的几种类型的双储层太阳能生活热水系统中，没有系统能够通过将辅助能量移动到由公用事业公司提供的最低成本的电能时间段来完全降低对电动淋浴头能量峰值需求。

在巴西的房屋中滥用电能来供热水等未解决的问题引起了许多研究的关注。在[1]中，作者集中研究巴西低收入人群住宅的能源需求。该研究基于在大规模实验中收集的数据，其中考虑了九十个受监控的房屋，其中六十个提供了专门设计为与电动淋浴头偶联的双储层太阳能生活热水系统 [2]。在所述实验中，电动淋浴头起辅助加热器（通道加热器）的作用。进行参数研究，作者相应于提供了不同的监测组所节省的能量的图。对低成本双储层太阳能生活热水系统的经济可行性数据的评估在[3]中进行。这些参考文献使人们能够得出结论，在上述关键时间内广泛使用双储层太阳能生活热水系统以减少电能消耗，为巴西的用户和公用事业公司带来经济利益。然而，即使广泛使用双储层太阳能生活热水系统，在巴西的许多地区，不能够保证电气有效地降低由于电动淋浴头引起的能量峰值需求。低输入太阳辐射的天数的出现导致电动淋浴头中不可预测的电能需求，因此必须提供所产生的大部分电能。在上述关键时间期间完全减少电动淋浴头功率需求的方式是安装正确设计的双储层太阳能生活热水系统，使得每当有不可利用的太阳能为不可用的太阳能时，辅助电能需求可以转移到每天的早晨来预测。这可以通过设计具有两个能量存储罐的双储层太阳能生活热水系统来实现，其中一个能量存储罐直接连接到太阳能收集器，另一个用作备用储存器。备用储存器的容积必须被优化，以便最小化的辅助在自由市场中提供最低电能价格的时间段中的电能消耗。为了抑制在临界时间中电动淋浴头的电能需求，根据太阳日的预测信息，根据预测算法将辅助能量提供给备用罐锚定在现场的气象地面站，或者通过使用现在全世界可用的24小时的地平线内的中尺度天气预报信息。

本文通过使用SWERA的典型气象年数据库[5]，集中研究在软件TRNSYS [4]的框架中的双储层双储层太阳能生活热水系统的模拟。 所选择的测试位点是最低入射太阳辐射和典型气象年可用的位点之间的最高变异性的位点之一。 在这方面，选择Florianoacute;polis市（27,6S，48,55W）作为代表性的测试场地，用于模拟和优化。 在[6]中报道了几个巴西站点进行的广泛模拟和优化的全部结果和结论。 [6]的部分结果报道在[7]。

1. 巴西太阳能资源

根据在SONDA地面网络[8]中收集的数据，在SWERA项目框架中对巴西领土上的入射太阳辐射进行了评估和验证。 图1显示了巴西领土上全球水平进入太阳辐射的日平均值。 如图所示，在所选择的目标城市弗洛里亚诺波利斯（在最蓝色地区的中间），入射平均太阳辐射是大约4.5Wh / m天，可以看出它接近各自所示的最低水平 表。 另一方面，与在该国最南端看到的最高变异性相比，右侧的变异性图显示目标城市表现出高变异性。

图 1.全球水平太阳辐射年平均图（左）及其在巴西的变率（右图）

1. 由于电动淋浴头导致的每日电能峰值需求

图2给出了2006年足球世界杯期间巴西的小时电能消耗量，分别为正常日（蓝色曲线）和巴西对克罗地亚足球比赛（粉红色曲线）的日子。蓝色曲线和粉红色曲线之间的巨大差异是由于巴西几乎所有的经济活动在比赛当天的下午1:00逐渐停止。这里可以假定，大多数人在他们的家里看着比赛，因为它是世界杯开幕比赛。从这个图中可以看出，两个能量最小值清楚地表明，比赛发生在下午4:00和6:00之间。在位于6:25 PM附近的峰值中的两条曲线之间的差异在4GW左右。通过假设大部分人还在比赛之前洗澡，4GW的差异可能是由于电动淋浴头能量需求，预计发生在正常日。因此，巴西电力系统（国家电力系统）有义务在4GW左右时分配水电供应，以便在所考虑的关键时期支持电动淋浴头的能源需求。即使考虑到巴西经济在未来几年的低增长情况，预期的由于电动淋浴头引起的电能需求也将增加，因为预计电动淋浴头供应的房屋数量也将增加。

在热力学第一定律的观点上，电喷淋头是非常有效的能量转换器，因为它将100％的电能转换成热能。 另一方面，根据第二定律，它破坏了所有的放射本能。 因此，在巴西广泛使用电动淋浴头，除了它的低成本（约30.00美元），是一种非理性和低效的供应家用热水的方法。 此外，大量投资于发电，输配电来支持电动淋浴头能源需求是必需的。

图 2.典型日的负荷曲线与巴西足球队在2006年世界足球杯开赛中对Croacia的比赛负荷曲线相比

1. 双储层太阳能生活热水系统概念

4.1 考虑平板收集器

所选择的太阳能收集器是用稳定的无釉UV塑料材料制造的，在巴西市场上商业化。收集器效率曲线与直线相关，根据以下等式

其中，Km是集电极的修正角度因子

其表示为Km=1-b（1 / costheta;1），其中theta;是入射角。 通过根据ISO 9806标准的集电极测试来确定集电极常数，使其中二次系数等于零。 与目前制造的良好质量的收集器相比，收集器成本相对较低，这解释了其热损失因子相对较高的值的原因。 应该记住，在巴西中部和北部地区的大部分地区，年平均气温比欧洲国家的环境温度高得多，因此，巴西大部分地区的收集器热损失相当低。

4.2 系统概念

所提出的双储层太阳能生活热水系统的基本组件在图2的流程图中示出。该系统由连接太阳能收集器和主存储箱的热虹吸环组成。收集器储罐与备用罐串联连接。备用罐设有辅助电加热器，其被控制以便在一年中的所有天提供热水。备用罐提供的热水通过恒温混合阀与公共水管线供应的冷水混合，该恒温混合阀向电动淋浴头提供恒温水。这个阀可以调节到设定点水温Tsh。

图 3.双储层双储层太阳能生活热水系统的流程图

4.3 在TRNSYS中的配置系统

根据图4所示的模型在TRNSYS软件中配置双储层太阳能生活热水系统。该图中给出的符号（TRNSYS用户熟悉的）清楚地提示了图3所示的组件。

图 4.双储层双储层太阳能生活热水系统的TRNSYS模型

4.4 系统设计参数

系统设计参数在表1中给出。

根据在[2]中报道的研究中收集的数据确定水消耗量分布（负荷分布），随后在[1]中分析。 图5显示了一年中每一天的小时分布。

图 5.每天热水需求消耗的分布

1. 系统仿真策略

根据用水需求，拟议的双储层太阳能生活热水系统应能够在一年中所有的日子在Tsh温度下提供足够的热水。备用罐应该在上午4:00和上午6:00之间的时间段内每天用辅助电能加热。提出一种算法来计算最小必需备用罐设定温度Tset，以便提供在一天中足够的热水，在预期的太阳能低可用性的情况下。储存在备用罐中的水应该在每天早上4:00之前达到一定温度T4h。水应以恒定温度Tsh 39℃供应给电动淋浴头。然而，需要温度差来面对由计算以及天气预报参数估计产生的不确定性。因此，温度差是必须确定的设计变量。在上午6:00的温度Tset不应小于Tmin，ad 43℃，使温度差固定在4℃。

作为第一步骤（步骤1），通过假设所有天的任意指定温度Tset，用典型气象年数据来模拟双储层太阳能生活热水系统。这导致每天的温度T4h，其可以不同于Tmin，ad。这两个温度之间的温度差，∆T =Tmin，ad-T4h，在一年中的每一天由软件MATLAB计算。该温度差被添加到第N天的温度Tset，其中N的范围从1到365，在每个TRNSYS模拟运行之后，根据方程，其中Tset是相应于前一次运行的温度。进行第二模拟（步骤2），这导致温度T4h，其可以不同于

Tmin，ad，因为热损失通常由于储存罐的不同温度而改变。然而，与步骤1中获得的温度相比，它更接近Tmin，ad。计算继续进行Tset，new，的评估根据上述等式。模拟可以重复多次。然而，在三个步骤之后，每天的T4h值变为非常接近于最小允许备用罐的温度Tmin，ad。在达到收敛之后，为一年的每一天计算备用辅助能量。

图6显示了10天样品的备用罐温度和电动淋浴头输出水温度的分布。 此图显示三个模拟步骤的结果。相应于步骤1的曲线表示出了温度变得低于Tmin，ad的特定日期，其被表示为虚线。可以看出，步骤1导致温度T4h，其被显示为每天不等于Tmin，ad。 相应于步骤2的图示出了更新的温度，但是不够接近Tmin，ad，因此需要新的运行程序。 相应于步骤3的曲线图示出了温度T4h非常接近最小允许备用罐温度Tmin，ad= 43℃。

图 6.显示三个模拟步骤的以℃为单位的备用罐温度分布的天数样本

1. 天气预报信息

典型气象年数据在这里被假设为用于预测太阳辐射的参考数据，以便估计每一天的最小必要备用罐设定温度Tset。在大多数站点，太阳辐射数据不可用，但只有合成典型气象年源自气象长期观测。由于缺乏数据，这里假设每天的太阳辐射分布从向后移动一天的典型气象年估计。换句话说，一天的太阳辐射分布是预报辐射后一天。 Florianoacute;polis的典型气象年数据应该是评估Tset的最关键的情况。假设使用典型气象年的模拟提供了使用站点中每天测量的气象变量的基础，以提供相应天后的预测参数。预测参数使得能够每天将备用罐加热到温度Tset。图6所示的曲线。图7（左）给出了每小时备用罐的温度分布以及由最初典型气象年系列提供的全球入射太阳辐射I的各小时总和。考虑的天数样本与图1选择的天样本相同。假设，图7（左）表示不确定性仅由于与典型气象年本身相关的不确定性的情况。图7（右）示出了对应于典型气象年数据偏移的图。该图使得能够得出结论：也可以从中获得通过使用原始典型气象年获得的温度Tset以可接受的误差移动。从这些图中可以看出，备用罐的温度与每天可用的全球太阳辐射成反比。对于具有预期低的太阳辐射的天数，Tset高。而对于预期的高太阳辐射天数，Tset低。 7（右）必须区分两次。如果太阳辐射被低估，则上午4:00的温度变得高于最小允许备用罐温度T min，ad，这导致太阳能收益的减少。另一方面，热水肯定可用于淋浴，而不需要进一步的电能，因此电动淋浴头被转动。这可以在两个图中的255和259天看到。在太阳辐射被高估的情况下，备用罐的温度变得低于39℃。对于这些天，应当向电动淋浴头提供电能，如图1所示。 7（右和左）显示特定的一天257。如图7（右）所示，对于具有过高估计的太阳辐射的剩余天，4℃的温度裕度足以防止备用罐温度在每天和在每天下降到淋浴头温度以下，如可以看出的天数为256和258。

图 7.备用罐温度和各自的太阳辐射。 原始典型气象年系列的结果（左）。 典型气象年的结果（右）。

1. 参数结果

尽管事实上在[6]中进行了关于两个储罐体积，Tset，收集器面积和收集器效率参数的参数敏感性分析，在所有进行分析的首都城市中，由于缺乏空间，只有Florianoacute;polis在这里介绍结果。适当地定义以评估预测典型气象年数据对电动淋浴头能量峰值降低的影响的参数是x和y。参数y被定义为电能分数大于x的累

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