1.5 本書主要研究內容與成果

槽式太陽能熱發電系統的發展方向是工質為水/水蒸氣的槽式DSG系統。優化再循環模式和直通模式的集熱場性能，提高其運行控制的穩定性是槽式DSG技術的研究方向。建立DSG槽式集熱器和槽式DSG系統的數學模型，研究其運行機理、控制方法和策略，是實現上述研究目標的基礎。而國內外針對槽式DSG系統建模與控制所做的研究還非常有限。

本書依據槽式系統的研究方向，針對目前DSG槽式集熱器和槽式DSG系統集熱場模型精確度不高、控制方案達不到預想控制效果的研究現狀，從DSG槽式集熱器、直通模式槽式DSG系統集熱場、再循環模式槽式DSG系統集熱場的工作機理以及工作特點出發，建立能較準確描述其熱工特性的傳熱和水動力耦合（Heat-transfer and Hydrodynamic Coupling,HHC）穩態模型和非線性分布參數動態模型，并利用所建模型對其穩態特性和動態特性進行仿真分析，并在此基礎上探討再循環模式槽式DSG系統的控制策略及控制方案。具體包括以下幾個方面：

（1）以典型DSG槽式集熱器為研究對象，針對國內外現有DSG槽式集熱器穩態模型不夠精確的現狀，基于熱力學第一定律，根據DSG槽式集熱器的傳熱特性和水動力特性，選擇合適的參數模型，建立DSG槽式集熱器HHC穩態模型。并運用Fortran語言編制計算程序，在求解中采用太陽輻射熱能、工質焓值和工質壓力耦合判定方法，對管內流體換熱系數、蒸汽含汽率、壓降、流體溫度以及管壁溫度等參數進行耦合求解，提高所得DSG槽式集熱器管路沿線及出口處工質參數計算結果的精度，并對DSG槽式集熱器的穩態特性進行仿真分析。利用實驗數據對比和仿真分析，驗證該模型的正確性和精確性。揭示在直射輻射強度、工質流量、入口工質溫度、入口工質壓力變化時，DSG槽式集熱器出口參數的變化規律。

（2）以典型DSG槽式集熱器為研究對象，針對DSG槽式集熱器長度很長，其能量來源——太陽輻射沿集熱器管線方向分布不穩定、不均勻的特點，利用質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、能量平衡方程、流體流動和傳熱半經驗關系式、水/水蒸氣熱動力學特性狀態關系式等方程，采用實時的傳熱系數和摩擦系數，沿時間方向和管長方向建立DSG槽式集熱器的非線性分布參數動態模型。建立適用于移動云遮工況的云遮始末時間模型。利用上述模型解決DSG槽式集熱器非線性集總參數模型不能模擬局部云遮、移動云遮等實際直射輻射強度變化工況的問題。并對全集熱器范圍內直射輻射強度、局部集熱器范圍內直射輻射強度、給水流量、給水溫度等擾動時出口分別為熱水、兩相流、過熱蒸汽的DSG槽式集熱器以及移動云遮情況下出口為過熱蒸汽的DSG槽式集熱器的主要參數進行動態仿真及特性分析，驗證模型的正確性。揭示直射輻射強度、工質流量、入口工質溫度等變化時，DSG槽式集熱器主要工質參數的動態變化規律。

（3）以直通模式槽式DSG系統集熱場為研究對象，建立直通模式槽式DSG系統集熱場非線性分布參數模型。該模型由DSG槽式集熱器非線性分布參數模型以及噴水減溫器非線性集總參數模型組成。利用仿真分析驗證該模型的正確性。揭示在直射輻射強度、工質流量、入口工質溫度、入口工質壓力變化時，直通模式槽式DSG系統集熱場出口參數的變化規律。揭示全集熱器范圍內直射輻射強度、局部集熱器范圍內直射輻射強度、給水流量、噴水量等擾動時直通模式槽式DSG系統集熱場工質參數的動態變化規律。揭示直射輻射強度 擾動位置對其集熱場工質參數的影響。在動態仿真的基礎上，給出給水流量、噴水量變化時，集熱場出口蒸汽溫度的傳遞函數。

（4）以再循環模式槽式DSG系統集熱場為研究對象，建立再循環模式槽式DSG系統集熱場非線性分布參數模型，該模型由DSG槽式集熱器非線性分布參數模型、汽水分離器非線性集總參數模型以及噴水減溫器非線性集總參數模型組成。利用實驗數據對比和仿真分析，驗證該模型的正確性。揭示在直射輻射強度、工質流量、入口工質溫度、入口工質壓力變化時，再循環模式槽式DSG系統集熱場出口參數的變化規律。揭示在全集熱器范圍內直射輻射強度、局部集熱器范圍內直射輻射強度、給水量、噴水量等等變化時，再循環模式槽式DSG系統集熱場工質參數的動態變化規律。揭示直射輻射強度、擾動位置對其集熱場工質參數的影響。在動態仿真的基礎上，給出給水流量變化時，集熱場汽水分離器水位的傳遞函數；以及噴水減溫器噴水量變化時，集熱場出口蒸汽溫度的傳遞函數。

（5）對再循環模式槽式DSG系統控制方案進行研究。提出再循環模式槽式DSG系統全廠運行控制策略。以汽水分離器水位為控制對象，利用仿真得到的汽水分離器水位傳遞函數，采用抗積分飽和PI控制方案對其進行控制。提出多模型切換廣義預測控制策略，并以再循環模式槽式DSG系統出口蒸汽溫度為例，分別利用仿真得到的集熱場出口蒸汽溫度傳遞函數和文獻測量模型驗證該策略的可行性和有效性。

本書研究思路及具體的研究技術路線如圖1.14所示。

圖1.14 技術路線圖