1.4 槽式太陽能熱發電技術研究現狀

1.4.1 槽式太陽能聚光集熱器及熱發電系統建模研究現狀

對槽式集熱器及熱發電系統進行建模，是對槽式熱發電系統進行仿真的基礎，是研究槽式熱發電系統穩態特性和動態特性的基礎，也是研究槽式熱發電控制方案的基礎。從1980年LUZ公司研制開發槽式線聚焦系統開始，這項工作就一直在進行，并不斷被完善。

1.國外研究現狀

Sandia國家實驗室測量了不同條件下的LS2型SEGS槽式集熱器的熱損和集熱器效率。Dudley等利用該實驗數據推導出了集熱器效率和熱損與工質溫度之間的簡單多項式關系式，給出了LS2型槽式集熱器的入射角修正系數。

Heinzel等建立了拋物線形槽式集熱器的光學模型，并利用該光學模型和基本熱損模型對導熱油工質的LS2型槽式集熱器進行了模擬，與美國桑迪亞國家實驗室的實驗數據基本吻合。

Odeh在1996—2003年的5篇論文中，分析了SEGS電站槽式集熱器的熱力學性質，建立了以管壁溫度作為自變量的槽式集熱器熱力學穩態模型，該模型經與美國桑迪亞實驗室導熱油工質LS2型槽式集熱器實驗數據比較，驗證了模型的正確性；根據集熱管的發射率、風速、集熱管管壁溫度和輻射強度建立了以管壁溫度為自變量的槽式集熱器熱損模型及效率模型，所建模型是根據管壁溫度擬合的熱損失曲線而不是基于工作介質的平均溫度，這樣擴大了模型的適用范圍，適合于預測以任意流體作為工作介質的槽式集熱器性能；建立了DSG槽式集熱器的水動力穩態模型（包括流態模型和壓降模型），并與熱力學模型聯立建立了槽式DSG系統的統一模型，優化了直通式DSG槽式集熱器的設計，提出了DSG集熱器的穩態運行策略。

Almanza等對DSG槽式集熱器在不同條件下的集熱管特性進行了實驗分析，發現當冷水進入集熱管時，集熱管會發生彎曲變形，分析表明這是由于管周溫差過大（約50℃）引起的。當把鋼管換為銅管增大導熱系數時，管周溫差降低，彎曲現象基本消失。2002年，Almanza等對DSG槽式集熱器在兩相區分層流型發生時的鋼管彎曲進行了實驗研究，發現瞬態溫度梯度的改變是鋼管彎曲的主要原因。

Bonilla設計開發了一個基于面向對象的數學模型的DSG槽式太陽能熱發電站的動態仿真方案。該動態仿真方案包含面向對象的數學模型，采集并轉換傳感器數據作為模型的輸入并針對如何獲得適合的邊界條件問題的初值等，利用Matlab開發了一些測試工具。并利用多目標遺傳算法校準動態模型。Bonilla只考慮了直通模式DSG槽式電站的模型。該模型的輸入包括環境溫度，直射太陽輻射DSI，入口工質溫度、壓力、流量以及噴水減溫器工質的溫度、壓力和流量。該模型兩相區采用了均相模型。采用有限體積法、交錯網格法以及迎風格式對模型進行離散。但該模型中每一種狀態的工質的傳熱系數被簡化為常數，摩擦系數也被簡化為常數。

Ray根據質量守恒定律、能量守恒定律和動量守恒定律建立了塔式太陽能熱發電系統蒸汽發生器的相變邊界隨時間變化的非線性集總參數模型。雖然該模型是針對塔式太陽能發電系統設計的，但由于其工質為水，而且具有直流鍋爐的特性，所以仍可為槽式太陽能直接蒸汽發電系統建模提供參考。Ray還研究了塔式系統蒸汽發生器的動態特性，但由于模型中將工質假定為不可壓縮流體，因此影響了其動態特性的準確性。

Eck建立了再循環模式DSG槽式集熱器的非線性分布參數模型，為了獲得靈活且魯棒性強的仿真模型，建立了顯式的微分方程組，并且所有閉合方程（包括壓降方程、傳熱方程和工質物性參數方程等）均被描述成為狀態變量的函數。但該模型僅以函數符號形式表示，未給出具體關系式。

2.國內研究現狀

近年來，隨著我國對太陽能熱發電技術研究的深入，國內學者也逐步開始了對槽式集熱器的研究。

徐濤以槽式集熱器的散焦現象為切入點，對集熱管表面光學聚光比分布開展理論分析和計算機模擬研究，建立了光學聚光比的數學模型。

韋彪以直通模式DSG槽式集熱器為研究對象，基于集熱器管內水工質的流型與傳熱特性，建立了DSG槽式集熱器穩態傳熱模型。

李明建立了槽式集熱器的穩態數學模型，并利用實驗驗證了模型的正確性，但實驗驗證槽式集熱器的出口工質溫度選為40～100℃，不易反映DSG槽式集熱器出口工質溫度一般在400℃左右的實際情況。

熊亞選通過分析槽式太陽能集熱管熱損失的計算方法和傳熱過程，建立了槽式太陽能集熱管傳熱損失性能計算分析的二維穩態經驗模型，模型的計算結果與試驗數據基本一致，驗證了模型的有效性。

楊賓在傳統槽式集熱器研究的基礎上，針對集熱管內水在流動吸熱的過程中狀態變化，建立了管內一維穩態兩相流動與傳熱模型。在此基礎上，依照INDETEP電站設計原理，建立了5MW槽型直接蒸汽式太陽能電站的仿真模型，并結合INDETEP電站的整體運行情況，對電站的技術經濟性進行了分析。

崔映紅在對DSG槽式集熱器中水的流型分析的基礎上，進行了水在不同狀態下對流換熱系數計算模型的研究。利用傳熱熱阻原理分析了DSG槽式集熱器熱損的計算方法，建立了穩態熱傳導模型，并對直通模式和再循環模式連接的DSG槽式集熱器的壓降進行了分析。

梁征分別建立了導熱油工質槽式集熱器的一維傳熱動態模型和水工質DSG槽式集熱器的一維多相流動與傳熱動態模型。導熱油工質模型與實驗數據吻合較好，但DSG槽式集熱器模型與實驗數據相比誤差較大。

從以上文獻分析可以看出，工質為油的槽式集熱器及發電系統的建模已經比較完善，而對于工質為水的DSG槽式集熱器及熱發電系統的建模，國外研究的相對較多，國內學者的研究還主要集中在研究聚光鏡模型和槽式集熱器穩態模型上，仍處于起步階段。對于DSG槽式集熱器穩態模型，國內外對其傳熱特性和水動力特性的耦合研究較少，且計算結果與實驗數據差別較大。對于DSG槽式集熱器動態模型和槽式DSG系統動態模型，國內外采用非線性集總參數方法進行建模的較為多見，而采用能夠充分體現槽式太陽能熱發電系統管線長、直射輻射強度沿管線方向不均勻分布特點的非線性分布參數動態模型研究得很少，國內外均尚處于探索階段。

1.4.2 槽式太陽能熱發電系統熱工過程控制研究現狀

為了保證太陽能熱發電系統的穩定、正常運行，對于導熱油工質的槽式系統，其主要控制目標是通過調節傳熱液體的流速，實現在不同運行狀況下管路出口處導熱油的溫度恒定。而對于水工質的槽式DSG系統，其控制目標則是根據汽輪發電機的需要，在管路出口處實現恒定溫度和壓力的蒸汽輸出，這樣太陽輻射的變化就只影響出口蒸汽流量，而不影響蒸汽的溫度和壓力。

對于導熱油槽式系統，關于其控制方法、控制策略的研究非常多。各國專家學者采用的方法包括PID控制、前饋控制、模型預測控制、自適應控制、增益調度控制、串級控制、內模控制、延時補償、優化控制和神經網絡控制等。

1.國外研究現狀

盡管太陽能電站的所有動態特性（非線性、不確定性等）都表明其適合先進控制理論，但大多數太陽能電站還是采用了經典的PID控制器。Camacho在其《太陽能電站先進控制》一書中提到固定參數PID控制器限制了系統的安全運行工況，應在控制回路中增加額外的補償以使電站能穩定運行。Camacho等在PID控制方案的基礎上在控制回路中增加了前饋環節以減少可測量擾動的影響。Vaz提出了增益插值PID控制方案。Johansen等提出了包括太陽輻射和入口工質溫度前饋的以內部能量作為控制變量的PID控制方案。上述各種PID控制方案均能提高系統的控制性能。

Cirre等對導熱油槽式系統提出了基于反饋線性化的控制方案，控制目標為當擾動（主要是太陽輻射和入口工質溫度的變化）作用時通過調整工質流速使出口蒸汽溫度跟蹤其設定值。反饋線性化方法是一種非線性控制方法，其主要思想是將非線性系統轉化為線性系統，這樣就可以應用很多成熟的線性控制策略進行控制。該控制策略在西班牙Acurex集熱場上進行了檢測，實驗結果驗證了方案的可行性。

文獻［111］采用參數自整定控制方法實現了對輸出油溫的恒定控制。通過系統階躍響應實驗，建立了輸出油溫關于輸入流率的簡化單入單出一階帶時延傳遞函數模型。傳遞函數中有3個模型參數，通過最小二乘回歸算法進行在線估計，然后基于極點配置算法實現了PI控制器參數的自整定。太陽輻射和輸入油溫對輸出油溫的影響則根據穩態關系采用并聯反饋結構和串聯前饋兩種方式進行補償。仿真和實驗結果表明串聯前饋補償方式更有利于系統的在線辨識。

Henriques等為導熱油槽式系統建立了基于遞歸神經網絡和輸出調節理論的間接自適應非線性控制方案。Henriques等先離線訓練神經網絡模型，再利用李雅普諾夫穩定性理論和非線性觀測理論對模型采用在線學習策略進行改進。該控制策略在西班牙Acurex集熱場上進行了檢測，實驗結果驗證了方案的可行性。

但是對于工質為水的槽式DSG系統，由于2012年第一座商業化的DSG槽式電站才投入運行，因此關于其控制系統的研究可以說是剛剛開始。公開發表的研究成果非常有限，僅有的幾篇關于DSG系統控制方法和策略的文章都是基于DISS項目完成的。目前，國外采用的主要還是經典的比例-積分（PI）控制方法。

Valenzuela設計實施了DISS項目直通模式和再循環模式槽式DSG系統的控制方案，并對其做了實驗對比，驗證了控制方案的可行性。所有的控制模型（包括蒸汽溫度、汽水分離器水位以及蒸汽壓力等）均采用傳遞函數模型，該模型通過在不同工況下對系統進行階躍實驗得到。Valenzuela采用了經典的PI/PID控制器，控制器參數采用極點配置法得到。實驗中，再循環模式槽式DSG系統表現出的控制性能可以接受；而直通模式槽式DSG系統較難控制，因此，在PI控制的基礎上增加了前饋控制器，并采用了串級控制。

Eck對再循環模式槽式DSG系統的汽水分離器水位和出口蒸汽給出了控制方案。對于汽水分離器水位控制，Eck針對現有給水流量PI控制滯后大、調節慢的現象，在給水流量PI控制基礎上，增加了集熱場出口蒸汽產量的快速反饋回路，提高了控制性能。對于出口蒸汽控制，在PI控制的基礎上并聯前饋控制以提高控制性能。

2.國內研究現狀

與國外相比較，國內關于槽式DSG系統控制方案、控制策略的研究更是剛剛起步。張先勇等對槽式太陽能熱發電系統中的太陽跟蹤控制、溫度與壓力控制系統等關鍵控制問題的應用現狀作了較為全面的綜述。王桂榮、潘小弟等采用PI控制為輔的反饋線性化串級控制器對注入模式下的槽式DSG系統出口蒸汽溫度控制進行了研究。但由于實驗證明注入模式的測量系統不能正常工作，因此一般不采用注入模式作為槽式DSG系統的系統結構，但文中的控制方法和控制策略還是可以借鑒的。

從上面的文獻分析可以看出，對油工質槽式系統的控制研究已經比較完善。而對工質為水的槽式DSG系統的控制研究，目前主要集中在以PID控制為基礎的相關控制方案上。由于槽式DSG系統的控制對象多具有滯后大、慣性大、參數時變等特點，經典的PID控制方法較難達到良好控制效果，因此應該將先進控制理論應用到槽式DSG系統的控制中。