1.4 槽式太阳能热发电技术研究现状

1.4.1 槽式太阳能聚光集热器及热发电系统建模研究现状

对槽式集热器及热发电系统进行建模，是对槽式热发电系统进行仿真的基础，是研究槽式热发电系统稳态特性和动态特性的基础，也是研究槽式热发电控制方案的基础。从1980年LUZ公司研制开发槽式线聚焦系统开始，这项工作就一直在进行，并不断被完善。

1.国外研究现状

Sandia国家实验室测量了不同条件下的LS2型SEGS槽式集热器的热损和集热器效率。Dudley等利用该实验数据推导出了集热器效率和热损与工质温度之间的简单多项式关系式，给出了LS2型槽式集热器的入射角修正系数。

Heinzel等建立了抛物线形槽式集热器的光学模型，并利用该光学模型和基本热损模型对导热油工质的LS2型槽式集热器进行了模拟，与美国桑迪亚国家实验室的实验数据基本吻合。

Odeh在1996—2003年的5篇论文中，分析了SEGS电站槽式集热器的热力学性质，建立了以管壁温度作为自变量的槽式集热器热力学稳态模型，该模型经与美国桑迪亚实验室导热油工质LS2型槽式集热器实验数据比较，验证了模型的正确性；根据集热管的发射率、风速、集热管管壁温度和辐射强度建立了以管壁温度为自变量的槽式集热器热损模型及效率模型，所建模型是根据管壁温度拟合的热损失曲线而不是基于工作介质的平均温度，这样扩大了模型的适用范围，适合于预测以任意流体作为工作介质的槽式集热器性能；建立了DSG槽式集热器的水动力稳态模型（包括流态模型和压降模型），并与热力学模型联立建立了槽式DSG系统的统一模型，优化了直通式DSG槽式集热器的设计，提出了DSG集热器的稳态运行策略。

Almanza等对DSG槽式集热器在不同条件下的集热管特性进行了实验分析，发现当冷水进入集热管时，集热管会发生弯曲变形，分析表明这是由于管周温差过大（约50℃）引起的。当把钢管换为铜管增大导热系数时，管周温差降低，弯曲现象基本消失。2002年，Almanza等对DSG槽式集热器在两相区分层流型发生时的钢管弯曲进行了实验研究，发现瞬态温度梯度的改变是钢管弯曲的主要原因。

Bonilla设计开发了一个基于面向对象的数学模型的DSG槽式太阳能热发电站的动态仿真方案。该动态仿真方案包含面向对象的数学模型，采集并转换传感器数据作为模型的输入并针对如何获得适合的边界条件问题的初值等，利用Matlab开发了一些测试工具。并利用多目标遗传算法校准动态模型。Bonilla只考虑了直通模式DSG槽式电站的模型。该模型的输入包括环境温度，直射太阳辐射DSI，入口工质温度、压力、流量以及喷水减温器工质的温度、压力和流量。该模型两相区采用了均相模型。采用有限体积法、交错网格法以及迎风格式对模型进行离散。但该模型中每一种状态的工质的传热系数被简化为常数，摩擦系数也被简化为常数。

Ray根据质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律建立了塔式太阳能热发电系统蒸汽发生器的相变边界随时间变化的非线性集总参数模型。虽然该模型是针对塔式太阳能发电系统设计的，但由于其工质为水，而且具有直流锅炉的特性，所以仍可为槽式太阳能直接蒸汽发电系统建模提供参考。Ray还研究了塔式系统蒸汽发生器的动态特性，但由于模型中将工质假定为不可压缩流体，因此影响了其动态特性的准确性。

Eck建立了再循环模式DSG槽式集热器的非线性分布参数模型，为了获得灵活且鲁棒性强的仿真模型，建立了显式的微分方程组，并且所有闭合方程（包括压降方程、传热方程和工质物性参数方程等）均被描述成为状态变量的函数。但该模型仅以函数符号形式表示，未给出具体关系式。

2.国内研究现状

近年来，随着我国对太阳能热发电技术研究的深入，国内学者也逐步开始了对槽式集热器的研究。

徐涛以槽式集热器的散焦现象为切入点，对集热管表面光学聚光比分布开展理论分析和计算机模拟研究，建立了光学聚光比的数学模型。

韦彪以直通模式DSG槽式集热器为研究对象，基于集热器管内水工质的流型与传热特性，建立了DSG槽式集热器稳态传热模型。

李明建立了槽式集热器的稳态数学模型，并利用实验验证了模型的正确性，但实验验证槽式集热器的出口工质温度选为40～100℃，不易反映DSG槽式集热器出口工质温度一般在400℃左右的实际情况。

熊亚选通过分析槽式太阳能集热管热损失的计算方法和传热过程，建立了槽式太阳能集热管传热损失性能计算分析的二维稳态经验模型，模型的计算结果与试验数据基本一致，验证了模型的有效性。

杨宾在传统槽式集热器研究的基础上，针对集热管内水在流动吸热的过程中状态变化，建立了管内一维稳态两相流动与传热模型。在此基础上，依照INDETEP电站设计原理，建立了5MW槽型直接蒸汽式太阳能电站的仿真模型，并结合INDETEP电站的整体运行情况，对电站的技术经济性进行了分析。

崔映红在对DSG槽式集热器中水的流型分析的基础上，进行了水在不同状态下对流换热系数计算模型的研究。利用传热热阻原理分析了DSG槽式集热器热损的计算方法，建立了稳态热传导模型，并对直通模式和再循环模式连接的DSG槽式集热器的压降进行了分析。

梁征分别建立了导热油工质槽式集热器的一维传热动态模型和水工质DSG槽式集热器的一维多相流动与传热动态模型。导热油工质模型与实验数据吻合较好，但DSG槽式集热器模型与实验数据相比误差较大。

从以上文献分析可以看出，工质为油的槽式集热器及发电系统的建模已经比较完善，而对于工质为水的DSG槽式集热器及热发电系统的建模，国外研究的相对较多，国内学者的研究还主要集中在研究聚光镜模型和槽式集热器稳态模型上，仍处于起步阶段。对于DSG槽式集热器稳态模型，国内外对其传热特性和水动力特性的耦合研究较少，且计算结果与实验数据差别较大。对于DSG槽式集热器动态模型和槽式DSG系统动态模型，国内外采用非线性集总参数方法进行建模的较为多见，而采用能够充分体现槽式太阳能热发电系统管线长、直射辐射强度沿管线方向不均匀分布特点的非线性分布参数动态模型研究得很少，国内外均尚处于探索阶段。

1.4.2 槽式太阳能热发电系统热工过程控制研究现状

为了保证太阳能热发电系统的稳定、正常运行，对于导热油工质的槽式系统，其主要控制目标是通过调节传热液体的流速，实现在不同运行状况下管路出口处导热油的温度恒定。而对于水工质的槽式DSG系统，其控制目标则是根据汽轮发电机的需要，在管路出口处实现恒定温度和压力的蒸汽输出，这样太阳辐射的变化就只影响出口蒸汽流量，而不影响蒸汽的温度和压力。

对于导热油槽式系统，关于其控制方法、控制策略的研究非常多。各国专家学者采用的方法包括PID控制、前馈控制、模型预测控制、自适应控制、增益调度控制、串级控制、内模控制、延时补偿、优化控制和神经网络控制等。

1.国外研究现状

尽管太阳能电站的所有动态特性（非线性、不确定性等）都表明其适合先进控制理论，但大多数太阳能电站还是采用了经典的PID控制器。Camacho在其《太阳能电站先进控制》一书中提到固定参数PID控制器限制了系统的安全运行工况，应在控制回路中增加额外的补偿以使电站能稳定运行。Camacho等在PID控制方案的基础上在控制回路中增加了前馈环节以减少可测量扰动的影响。Vaz提出了增益插值PID控制方案。Johansen等提出了包括太阳辐射和入口工质温度前馈的以内部能量作为控制变量的PID控制方案。上述各种PID控制方案均能提高系统的控制性能。

Cirre等对导热油槽式系统提出了基于反馈线性化的控制方案，控制目标为当扰动（主要是太阳辐射和入口工质温度的变化）作用时通过调整工质流速使出口蒸汽温度跟踪其设定值。反馈线性化方法是一种非线性控制方法，其主要思想是将非线性系统转化为线性系统，这样就可以应用很多成熟的线性控制策略进行控制。该控制策略在西班牙Acurex集热场上进行了检测，实验结果验证了方案的可行性。

文献［111］采用参数自整定控制方法实现了对输出油温的恒定控制。通过系统阶跃响应实验，建立了输出油温关于输入流率的简化单入单出一阶带时延传递函数模型。传递函数中有3个模型参数，通过最小二乘回归算法进行在线估计，然后基于极点配置算法实现了PI控制器参数的自整定。太阳辐射和输入油温对输出油温的影响则根据稳态关系采用并联反馈结构和串联前馈两种方式进行补偿。仿真和实验结果表明串联前馈补偿方式更有利于系统的在线辨识。

Henriques等为导热油槽式系统建立了基于递归神经网络和输出调节理论的间接自适应非线性控制方案。Henriques等先离线训练神经网络模型，再利用李雅普诺夫稳定性理论和非线性观测理论对模型采用在线学习策略进行改进。该控制策略在西班牙Acurex集热场上进行了检测，实验结果验证了方案的可行性。

但是对于工质为水的槽式DSG系统，由于2012年第一座商业化的DSG槽式电站才投入运行，因此关于其控制系统的研究可以说是刚刚开始。公开发表的研究成果非常有限，仅有的几篇关于DSG系统控制方法和策略的文章都是基于DISS项目完成的。目前，国外采用的主要还是经典的比例-积分（PI）控制方法。

Valenzuela设计实施了DISS项目直通模式和再循环模式槽式DSG系统的控制方案，并对其做了实验对比，验证了控制方案的可行性。所有的控制模型（包括蒸汽温度、汽水分离器水位以及蒸汽压力等）均采用传递函数模型，该模型通过在不同工况下对系统进行阶跃实验得到。Valenzuela采用了经典的PI/PID控制器，控制器参数采用极点配置法得到。实验中，再循环模式槽式DSG系统表现出的控制性能可以接受；而直通模式槽式DSG系统较难控制，因此，在PI控制的基础上增加了前馈控制器，并采用了串级控制。

Eck对再循环模式槽式DSG系统的汽水分离器水位和出口蒸汽给出了控制方案。对于汽水分离器水位控制，Eck针对现有给水流量PI控制滞后大、调节慢的现象，在给水流量PI控制基础上，增加了集热场出口蒸汽产量的快速反馈回路，提高了控制性能。对于出口蒸汽控制，在PI控制的基础上并联前馈控制以提高控制性能。

2.国内研究现状

与国外相比较，国内关于槽式DSG系统控制方案、控制策略的研究更是刚刚起步。张先勇等对槽式太阳能热发电系统中的太阳跟踪控制、温度与压力控制系统等关键控制问题的应用现状作了较为全面的综述。王桂荣、潘小弟等采用PI控制为辅的反馈线性化串级控制器对注入模式下的槽式DSG系统出口蒸汽温度控制进行了研究。但由于实验证明注入模式的测量系统不能正常工作，因此一般不采用注入模式作为槽式DSG系统的系统结构，但文中的控制方法和控制策略还是可以借鉴的。

从上面的文献分析可以看出，对油工质槽式系统的控制研究已经比较完善。而对工质为水的槽式DSG系统的控制研究，目前主要集中在以PID控制为基础的相关控制方案上。由于槽式DSG系统的控制对象多具有滞后大、惯性大、参数时变等特点，经典的PID控制方法较难达到良好控制效果，因此应该将先进控制理论应用到槽式DSG系统的控制中。