槽式太陽能熱發(fā)電中的控制技術(shù)及研究進(jìn)展

1、槽式太陽能熱發(fā)電中的控制技術(shù)及研究進(jìn)展引言   隨著我國對(duì)能源安全與生態(tài)環(huán)境的日益重視，對(duì)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(xiàng)具有大規(guī)模化能力，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(diǎn)，也是國際太陽能技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。經(jīng)過一些發(fā)達(dá)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(jí)容量從千瓦級(jí)發(fā)展到兆瓦級(jí)。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(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)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(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行。美國加利福尼亞從1991年開始運(yùn)行的由9個(gè)槽式系統(tǒng)組成的太陽能熱發(fā)電站總裝機(jī)容量達(dá)354MW，年發(fā)電量10TWh，至今運(yùn)行良好。1998年起，歐洲框架計(jì)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(duì)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(xiàng)目，研發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于一些發(fā)達(dá)國家。近年來我國對(duì)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(yàn)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(jìn)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(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，具有多項(xiàng)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(chǔ)存技術(shù)，控制技術(shù)等方面。由于控制技術(shù)對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的重要性，本文主要對(duì)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)進(jìn)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(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。作為太陽能量不足時(shí)的備用，系統(tǒng)配備有一個(gè)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(dòng)汽輪機(jī)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(yùn)行需要必要的測(cè)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(gè)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(jìn)水入口段。而蒸汽經(jīng)過水汽分離器進(jìn)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(gè)回路：一個(gè)為傳熱液體回路，一個(gè)為蒸汽回路，一個(gè)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(dòng)汽輪機(jī)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(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，從而不再需要換熱器裝置，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(yùn)行，涉及到兩個(gè)方面的控制問題，一個(gè)是自動(dòng)跟蹤裝置，要求使得槽式聚光器時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)太陽，以保證從源頭上最大限度的吸收太陽能，據(jù)統(tǒng)計(jì)跟蹤比非跟蹤所獲得的能量要高出37.7%。另外一個(gè)是要控制傳熱液體回路的溫度與壓力，滿足汽輪機(jī)的要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常發(fā)電。針對(duì)這兩個(gè)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(jìn)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(duì)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(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，再加上自然天氣隨時(shí)變化，因此全天候全自動(dòng)太陽跟蹤裝置的設(shè)計(jì)就成了一個(gè)難點(diǎn)。    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(jì)，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(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便，缺點(diǎn)是受到天氣的影響很大。根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤則是通過數(shù)學(xué)上對(duì)太陽軌跡的預(yù)測(cè)，從理論上精確地計(jì)算太陽運(yùn)行軌跡，按一定的程序驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟蹤太陽，缺點(diǎn)是有累積誤差。     文5以低沸點(diǎn)工質(zhì)作為傳感元件，采用液壓運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了單軸太陽自動(dòng)跟蹤。文6采用由兩

9、個(gè)同心圓組成的等面積五象限光電檢測(cè)裝置，當(dāng)光線與光電池垂直時(shí)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(dāng)光線與光電池成一夾角時(shí)，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(shí)現(xiàn)了自動(dòng)跟蹤太陽。文7則從太陽方位變化規(guī)律的分析計(jì)算入手，利用天文時(shí)間提供準(zhǔn)確可靠的自動(dòng)跟蹤信號(hào)，利用伺服電機(jī)帶動(dòng)聚光器實(shí)現(xiàn)方位角的自動(dòng)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(gè)特定的凸輪曲面上，通過絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成的一維平動(dòng)帶動(dòng)凸輪產(chǎn)生進(jìn)或退，實(shí)現(xiàn)了俯仰角的跟蹤。這種一維驅(qū)動(dòng)二維跟蹤的方式具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等新特點(diǎn)。文8則將傳感系統(tǒng)和程控系統(tǒng)相結(jié)合，采用定時(shí)法原理進(jìn)行程序控制，同時(shí)利

10、用傳感器對(duì)聚光器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和定位，消除由機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素引起的累計(jì)誤差，利用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了高度角和方位角兩個(gè)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(dòng)跟日機(jī)實(shí)現(xiàn)了廣義時(shí)角自動(dòng)跟蹤和廣義赤緯跟蹤，并且具有成本低，不耗電，精度高，運(yùn)載能力大等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)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(yùn)行，對(duì)于Acurex這類存在換熱器的系統(tǒng)主要的控制目標(biāo)就是要通過調(diào)節(jié)傳熱液體的流速，實(shí)現(xiàn)在不同運(yùn)行狀況下管路出口處傳熱油的溫度恒定。而對(duì)于直接產(chǎn)生蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，控制目標(biāo)則為根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)的需要，在管路出口處實(shí)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(gè)熱傳遞回路的動(dòng)態(tài)特性（響應(yīng)時(shí)間，延時(shí)等）也產(chǎn)生了相當(dāng)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(duì)于這類工作點(diǎn)大范圍變動(dòng)的系統(tǒng)控制效果不佳，正是由于該傳動(dòng)系統(tǒng)具有的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出油溫的恒定控制。通過系統(tǒng)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，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(shí)延傳遞函數(shù)模型。傳遞函數(shù)中有三個(gè)模型參數(shù)，通過最小二乘回歸算法進(jìn)行在線估計(jì)，然后基于極點(diǎn)配置

12、算法實(shí)現(xiàn)了PI控制器參數(shù)的自整定。太陽輻射和輸入油溫對(duì)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(jìn)行補(bǔ)償。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明串聯(lián)前饋補(bǔ)償方式更有利于系統(tǒng)的在線辨識(shí)。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(yùn)行范圍選擇了5個(gè)不同的系統(tǒng)運(yùn)行點(diǎn)，在每個(gè)運(yùn)行點(diǎn)處采用線性ARMAX模型進(jìn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)。文11采用帶預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的自適應(yīng)控制方法進(jìn)行了研究，根據(jù)系統(tǒng)的特性選擇預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)的動(dòng)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(diǎn)配置達(dá)到系統(tǒng)期望的阻尼，控制器參數(shù)均離線實(shí)驗(yàn)獲得。文12提出了基于非線性模型的廣義預(yù)測(cè)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(dòng)態(tài)的變化。文13提出的基于線性模型的模糊預(yù)測(cè)控制算法，在預(yù)測(cè)控制算法的基礎(chǔ)上對(duì)控制目標(biāo)采用模糊化處理，對(duì)不同的控制目標(biāo)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(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)控制效果好，響應(yīng)快且具有強(qiáng)魯棒性。文14在模糊控制的基礎(chǔ)上采用遺傳算法對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。模糊規(guī)則集由49條“if-then”經(jīng)驗(yàn)規(guī)則組成，對(duì)每條規(guī)則的影響因子進(jìn)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(shí)間確定，染色體經(jīng)過80代進(jìn)化后系統(tǒng)性能就得到了大幅提高,系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)具有強(qiáng)魯棒性，遺傳算法在這類非線性系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面具有非常好的應(yīng)用前景。    對(duì)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(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，系統(tǒng)不僅包含有液氣兩相流動(dòng)，而且要對(duì)要求對(duì)出口處的溫度和壓力同時(shí)控制到要求值，因此系統(tǒng)控制也更為復(fù)雜，對(duì)其控制問題目前也已經(jīng)做了大量的工作。文15對(duì)循環(huán)模式和直通模式的出口蒸汽的溫度和壓力控制進(jìn)行了研究。在循環(huán)模式下系統(tǒng)具有5個(gè)控制回路，對(duì)于每個(gè)控制回路的開環(huán)傳遞函數(shù)采用線性化的方法在三個(gè)不同的運(yùn)行穩(wěn)態(tài)點(diǎn)采用單入單出的一階延時(shí)加純

15、延遲進(jìn)行建模，控制器均采用比例積分控制并對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在直通模式下系統(tǒng)具有3個(gè)控制回路。由于沒有蒸汽分離裝置，蒸發(fā)段的擾動(dòng)將直接對(duì)過熱段產(chǎn)生影響，溫度對(duì)于系統(tǒng)的擾動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(duì)循環(huán)模式下系統(tǒng)的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及集熱環(huán)路與控制環(huán)路的相互影響進(jìn)行了研究，并對(duì)不同控制方式的效果進(jìn)行了比較驗(yàn)證。由于目前對(duì)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(dāng)改進(jìn)，而采用現(xiàn)代控制理論來進(jìn)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(bào)道。4 結(jié)論    太陽能熱發(fā)電作為有望得到大規(guī)模推