槽式太陽能熱發(fā)電中的控制技術(shù)及研究進展

1、槽式太陽能熱發(fā)電中的控制技術(shù)及研究進展引言   隨著我國對能源安全與生態(tài)環(huán)境的日益重視，對可再生能源的研發(fā)投入也越來越大。其中太陽能熱發(fā)電技術(shù)是一項具有大規(guī)?；芰?，在近期內(nèi)可步入商業(yè)化的技術(shù)，是能源技術(shù)發(fā)展的熱點，也是國際太陽能技術(shù)發(fā)展的重點。經(jīng)過一些發(fā)達國家的持續(xù)研究，目前已開發(fā)出多種形式的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，單級容量從千瓦級發(fā)展到兆瓦級。按集熱器類型的不同，聚光式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為槽式系統(tǒng)，塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)三大類1。   槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是目前最為成熟的太陽能熱發(fā)電利用技術(shù)，目前只有槽式太陽能熱發(fā)電實現(xiàn)了商業(yè)化運行。LUZ公司于1980年開

2、始開發(fā)此類熱發(fā)電系統(tǒng)，5年后實現(xiàn)了商業(yè)化運行。美國加利福尼亞從1991年開始運行的由9個槽式系統(tǒng)組成的太陽能熱發(fā)電站總裝機容量達354MW，年發(fā)電量10TWh，至今運行良好。1998年起，歐洲框架計劃資助西班牙開發(fā)新一代拋物線聚光鏡，以提高槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率和降低系統(tǒng)成本2。   我國對太陽能熱發(fā)電技術(shù)的研究起步較晚，一直局限于小型部件和材料的攻關(guān)項目，研發(fā)遠遠落后于一些發(fā)達國家。近年來我國對太陽能熱發(fā)電的研究取得到了一定的發(fā)展。2007年張耀明院士主持建設(shè)的國內(nèi)首座塔式70千瓦太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)通過了鑒定驗收，在我國太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域走出了“開創(chuàng)性的一步”。中科院廣州

3、能源研究所在綜合調(diào)研的基礎(chǔ)上，在槽式太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域開展了相關(guān)的研究，并取得了初步進展。   槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域的知識，具有多項關(guān)鍵技術(shù)，包括聚光器和吸收器的研制，高效換熱系統(tǒng)的研制，熱能儲存技術(shù)，控制技術(shù)等方面。由于控制技術(shù)對整個發(fā)電系統(tǒng)安全高效運行的重要性，本文主要對槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)進行研究。1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)     建于西班牙的Acurex槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖1所示3。借助槽形拋物面聚光器將太陽光聚焦反射到接收聚熱管上，通過管內(nèi)熱載體將太陽光聚焦反射到接收聚熱管上，

4、通過管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽，推動汽輪機發(fā)電。作為太陽能量不足時的備用，系統(tǒng)配備有一個輔助燃燒爐，用天然氣或燃油來產(chǎn)生蒸汽。圖1  Acurex槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)框圖圖2 槽式太陽能直接產(chǎn)生蒸汽發(fā)電系統(tǒng)    圖2所示的槽式太陽能直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)具有三種工作模式，分別稱為直通模式，注射模式以及循環(huán)模式4。直通模式中的水經(jīng)過預(yù)熱，蒸發(fā)和過熱后直接推動汽輪機發(fā)電，該模式最簡單，投資較少，但控制復(fù)雜。注射模式中水分別從集熱管不同的地方注入，該模式的正常運行需要必要的測試系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)投資較大，該模式已經(jīng)不具有競爭力。循環(huán)模式是目前最有競爭力的方

5、式，在集熱管路的蒸發(fā)段的末端安裝一個水汽分離裝置，注入到蒸發(fā)段的水量大于系統(tǒng)可以蒸發(fā)的水量，過量的水就通過分離器被循環(huán)泵送到集熱環(huán)路的進水入口段。而蒸汽經(jīng)過水汽分離器進入到集熱管的過熱段，這種模式具有高度可控性，但是有循環(huán)管路的存在以及水汽分離裝置等增加了系統(tǒng)的投資。（a）直通模式（b）注射模式     上述的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)存在著三個回路：一個為傳熱液體回路，一個為蒸汽回路，一個為冷水回路。傳熱液體通常采用合成油，合成油吸收太陽熱量產(chǎn)生高溫，然后通過熱交換器在蒸汽回路里產(chǎn)生所需蒸汽推動汽輪機發(fā)電。為了減少投資和提高系統(tǒng)效率，西班牙出現(xiàn)了一種新的槽式

6、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)將圖1的傳熱液體回路和蒸汽回路合二為一，采用水作為傳熱介質(zhì)，直接產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電，從而不再需要換熱器裝置，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。圖3 槽式太陽能直接產(chǎn)生蒸汽發(fā)電系統(tǒng)工作模式    要提高槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率與正常運行，涉及到兩個方面的控制問題，一個是自動跟蹤裝置，要求使得槽式聚光器時刻對準太陽，以保證從源頭上最大限度的吸收太陽能，據(jù)統(tǒng)計跟蹤比非跟蹤所獲得的能量要高出37.7%。另外一個是要控制傳熱液體回路的溫度與壓力，滿足汽輪機的要求實現(xiàn)系統(tǒng)的正常發(fā)電。針對這兩個控制問題，國內(nèi)外學(xué)者都展開了研究，取得了一定的研究進展。2

7、太陽跟蹤系統(tǒng)    拋物柱面槽式聚焦集熱器只能收集太陽的直射光線，而對散射部分無能為力，因此集熱器的聚光系統(tǒng)必須使光軸指向太陽，即跟蹤太陽。由于太陽時刻處于運動狀態(tài)，再加上自然天氣隨時變化，因此全天候全自動太陽跟蹤裝置的設(shè)計就成了一個難點。    太陽能熱發(fā)電跟蹤系統(tǒng)按照入射光線和主光軸位置關(guān)系可以劃分為兩軸跟蹤系統(tǒng)和單軸跟蹤系統(tǒng)。兩軸跟蹤要求入射光和主光軸方向一致；單軸跟蹤只要求入射光線位于含有主光軸和焦線的平面內(nèi)。兩軸跟蹤根據(jù)太陽高度角和赤緯角的變化情況而設(shè)計，它具有最理想的光學(xué)性能，是最好的跟蹤方式，能夠使入射光與主光軸方向一致

8、，獲得最多的太陽能。但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維修成本高。單軸跟蹤型只要求入射光線位于含有主光軸和焦線的平面就行，且結(jié)構(gòu)簡單，跟蹤精度要求不高或陽光充裕的地方一般優(yōu)先考慮單軸跟蹤。    跟蹤太陽的方式大致可分為兩類：光電跟蹤和根據(jù)視日運動軌跡跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點是靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為方便，缺點是受到天氣的影響很大。根據(jù)視日運動軌跡跟蹤則是通過數(shù)學(xué)上對太陽軌跡的預(yù)測，從理論上精確地計算太陽運行軌跡，按一定的程序驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)跟蹤太陽，缺點是有累積誤差。     文5以低沸點工質(zhì)作為傳感元件，采用液壓運動實現(xiàn)了單軸太陽自動跟蹤。文6采用由兩

9、個同心圓組成的等面積五象限光電檢測裝置，當光線與光電池垂直時其投影光斑經(jīng)過一透鏡后正好完全覆蓋五片光電池，而當光線與光電池成一夾角時，投影光斑必然發(fā)生偏移，將光斑在光電池上的偏移轉(zhuǎn)換成光電流差值的變化，實現(xiàn)了自動跟蹤太陽。文7則從太陽方位變化規(guī)律的分析計算入手，利用天文時間提供準確可靠的自動跟蹤信號，利用伺服電機帶動聚光器實現(xiàn)方位角的自動跟蹤，而將俯仰角的緩慢變化按其非線性規(guī)律反映在一個特定的凸輪曲面上，通過絲杠轉(zhuǎn)動時形成的一維平動帶動凸輪產(chǎn)生進或退，實現(xiàn)了俯仰角的跟蹤。這種一維驅(qū)動二維跟蹤的方式具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等新特點。文8則將傳感系統(tǒng)和程控系統(tǒng)相結(jié)合，采用定時法原理進行程序控制，同時利

10、用傳感器對聚光器進行實時檢測和定位，消除由機械結(jié)構(gòu)等因素引起的累計誤差，利用步進電機實現(xiàn)了高度角和方位角兩個方向的跟蹤。陜西師范大學(xué)的王存義教授發(fā)明的簧輪自動跟日機實現(xiàn)了廣義時角自動跟蹤和廣義赤緯跟蹤，并且具有成本低，不耗電，精度高，運載能力大等優(yōu)點，達到了國際領(lǐng)先水平。3 溫度與壓力控制系統(tǒng)    為了保證太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定正常運行，對于Acurex這類存在換熱器的系統(tǒng)主要的控制目標就是要通過調(diào)節(jié)傳熱液體的流速，實現(xiàn)在不同運行狀況下管路出口處傳熱油的溫度恒定。而對于直接產(chǎn)生蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，控制目標則為根據(jù)汽輪發(fā)電機的需要，在管路出口處實現(xiàn)恒定溫度和壓力的蒸汽輸

11、出，這樣太陽輻射的變化就只影響出口蒸汽的數(shù)量，而不影響蒸汽的質(zhì)量。由于太陽輻射的變化范圍比較大，相應(yīng)流速也需要做較大調(diào)整，整個熱傳遞回路的動態(tài)特性（響應(yīng)時間，延時等）也產(chǎn)生了相當大的變化。因此基于系統(tǒng)簡化模型基礎(chǔ)上的常規(guī)控制方法對于這類工作點大范圍變動的系統(tǒng)控制效果不佳，正是由于該傳動系統(tǒng)具有的強非線性特性，使得各種現(xiàn)代控制理論得到了用武之地。    文9采用參數(shù)自整定控制方法實現(xiàn)了對輸出油溫的恒定控制。通過系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗，建立了輸出油溫關(guān)于輸入流率的簡化單入單出一階帶時延傳遞函數(shù)模型。傳遞函數(shù)中有三個模型參數(shù)，通過最小二乘回歸算法進行在線估計，然后基于極點配置

12、算法實現(xiàn)了PI控制器參數(shù)的自整定。太陽輻射和輸入油溫對輸出油溫的影響則根據(jù)穩(wěn)態(tài)關(guān)系采用并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)和串聯(lián)前饋兩種方式進行補償。仿真和實驗結(jié)果表明串聯(lián)前饋補償方式更有利于系統(tǒng)的在線辨識。文10則采用了多模型間接自適應(yīng)控制方法。根據(jù)系統(tǒng)的運行范圍選擇了5個不同的系統(tǒng)運行點，在每個運行點處采用線性ARMAX模型進行系統(tǒng)建模，不同模型間的切換由特征變量穩(wěn)態(tài)流速的值決定。分別采用LQG控制器和GPC控制器進行了實驗，并且采用了帶限幅特性的并聯(lián)積分環(huán)節(jié)，不僅消除了系統(tǒng)響應(yīng)的振蕩和穩(wěn)態(tài)誤差，而且不影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。文11采用帶預(yù)測環(huán)節(jié)的自適應(yīng)控制方法進行了研究，根據(jù)系統(tǒng)的特性選擇預(yù)測環(huán)節(jié)的動態(tài)結(jié)構(gòu)和參數(shù)消

13、除系統(tǒng)的共振模態(tài)，并通過極點配置達到系統(tǒng)期望的阻尼，控制器參數(shù)均離線實驗獲得。文12提出了基于非線性模型的廣義預(yù)測控制算法。非線性模型使得控制器可以適應(yīng)系統(tǒng)過程動態(tài)的變化。文13提出的基于線性模型的模糊預(yù)測控制算法，在預(yù)測控制算法的基礎(chǔ)上對控制目標采用模糊化處理，對不同的控制目標要求選用不同的隸屬函數(shù)，文中分別采用三角隸屬函數(shù)和自定義的隸屬函數(shù)進行了仿真研究和實驗研究，實驗結(jié)果表明系統(tǒng)控制效果好，響應(yīng)快且具有強魯棒性。文14在模糊控制的基礎(chǔ)上采用遺傳算法對模糊規(guī)則進行優(yōu)化設(shè)計。模糊規(guī)則集由49條“if-then”經(jīng)驗規(guī)則組成，對每條規(guī)則的影響因子進行基因編碼組成染色體，適應(yīng)性函數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)

14、時間確定，染色體經(jīng)過80代進化后系統(tǒng)性能就得到了大幅提高,系統(tǒng)對擾動具有強魯棒性，遺傳算法在這類非線性系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方面具有非常好的應(yīng)用前景。    對于槽式太陽能直接產(chǎn)生蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，水經(jīng)過太陽能場后由液體轉(zhuǎn)化為蒸汽直接推動汽輪機發(fā)電，系統(tǒng)不僅包含有液氣兩相流動，而且要對要求對出口處的溫度和壓力同時控制到要求值，因此系統(tǒng)控制也更為復(fù)雜，對其控制問題目前也已經(jīng)做了大量的工作。文15對循環(huán)模式和直通模式的出口蒸汽的溫度和壓力控制進行了研究。在循環(huán)模式下系統(tǒng)具有5個控制回路，對于每個控制回路的開環(huán)傳遞函數(shù)采用線性化的方法在三個不同的運行穩(wěn)態(tài)點采用單入單出的一階延時加純

15、延遲進行建模，控制器均采用比例積分控制并對控制參數(shù)進行優(yōu)化。在直通模式下系統(tǒng)具有3個控制回路。由于沒有蒸汽分離裝置，蒸發(fā)段的擾動將直接對過熱段產(chǎn)生影響，溫度對于系統(tǒng)的擾動更為敏感，文中采用了前饋控制和PI控制結(jié)合的控制方式，實驗結(jié)果證明了控制策略的有效性。文16引入了系統(tǒng)的非線性建模方法，首次對循環(huán)模式下系統(tǒng)的瞬時動態(tài)響應(yīng)以及集熱環(huán)路與控制環(huán)路的相互影響進行了研究，并對不同控制方式的效果進行了比較驗證。由于目前對直接產(chǎn)生蒸汽發(fā)電系統(tǒng)正處于研究階段，已有的控制手段基本上以PI控制為主，再加以適當改進，而采用現(xiàn)代控制理論來進一步提高系統(tǒng)性能則正處于探索階段，未見具體的應(yīng)用報道。4 結(jié)論    太陽能熱發(fā)電作為有望得到大規(guī)模推