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槽式太阳能热发电中的控制技术及研究进展 |
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作者：张先勇 舒杰 吴昌宏 |
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摘要：本文简述了槽式太阳能热发电系统在国内外的发展现状，并对系统的具体结构形式进行了详细介绍。由于槽式太阳能热发电系统为一个强非线性系统，高质量的控制对系统运行至关重要。本文对其中的关键控制问题：太阳跟踪控制，温度与压力控制系统进行了详细的分析研究，对各种控制方法在其中的应用现状做了较为全面的综述。
关键词：槽式太阳能热发电；温度控制；跟踪控制
图书分类号：TK513 文献标识码：B
0 引言
随着我国对能源安全与生态环境的日益重视，对可再生能源的研发投入也越来越大。其中太阳能热发电技术是一项具有大规模化能力，在近期内可步入商业化的技术，是能源技术发展的热点，也是国际太阳能技术发展的重点。经过一些发达国家的持续研究，目前已开发出多种形式的太阳能热发电系统，单级容量从千瓦级发展到兆瓦级。按集热器类型的不同，聚光式太阳能热发电系统可分为槽式系统，塔式系统和碟式系统三大类[1]。
槽式太阳能热发电技术是目前最为成熟的太阳能热发电利用技术，目前只有槽式太阳能热发电实现了商业化运行。LUZ公司于1980年开始开发此类热发电系统，5年后实现了商业化运行。美国加利福尼亚从1991年开始运行的由9个槽式系统组成的太阳能热发电站总装机容量达354MW，年发电量10TWh，至今运行良好。1998年起，欧洲框架计划资助西班牙开发新一代抛物线聚光镜，以提高槽式太阳能热发电系统的效率和降低系统成本[2]。
我国对太阳能热发电技术的研究起步较晚，一直局限于小型部件和材料的攻关项目，研发远远落后于一些发达国家。近年来我国对太阳能热发电的研究取得到了一定的发展。2007年张耀明院士主持建设的国内首座塔式70千瓦太阳能热发电系统通过了鉴定验收，在我国太阳能热发电领域走出了“开创性的一步”。中科院广州能源研究所在综合调研的基础上，在槽式太阳能热发电领域开展了相关的研究，并取得了初步进展。
槽式太阳能热发电系统的研发及应用涉及到多个学科领域的知识，具有多项关键技术，包括聚光器和吸收器的研制，高效换热系统的研制，热能储存技术，控制技术等方面。由于控制技术对整个发电系统安全高效运行的重要性，本文主要对槽式太阳能热发电系统及其控制技术进行研究。
1 槽式太阳能热发电系统
建于西班牙的Acurex槽式太阳能热发电系统框图如图1所示[3]。借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。作为太阳能量不足时的备用，系统配备有一个辅助燃烧炉，用天然气或燃油来产生蒸汽。
图1 Acurex槽式太阳能热发电系统框图
图2所示的槽式太阳能直接蒸汽发电系统具有三种工作模式，分别称为直通模式，注射模式以及循环模式[4]。直通模式中的水经过预热，蒸发和过热后直接推动汽轮机发电，该模式最简单，投资较少，但控制复杂。注射模式中水分别从集热管不同的地方注入，该模式的正常运行需要必要的测试系统，由于系统的复杂性和系统投资较大，该模式已经不具有竞争力。循环模式是目前最有竞争力的方式，在集热管路的蒸发段的末端安装一个水汽分离装置，注入到蒸发段的水量大于系统可以蒸发的水量，过量的水就通过分离器被循环泵送到集热环路的进水入口段。而蒸汽经过水汽分离器进入到集热管的过热段，这种模式具有高度可控性，但是有循环管路的存在以及水汽分离装置等增加了系统的投资。
图2 槽式太阳能直接产生蒸汽发电系统
上述的槽式太阳能热发电系统存在着三个回路：一个为传热液体回路，一个为蒸汽回路，一个为冷水回路。传热液体通常采用合成油，合成油吸收太阳热量产生高温，然后通过热交换器在蒸汽回路里产生所需蒸汽推动汽轮机发电。为了减少投资和提高系统效率，西班牙出现了一种新的槽式太阳能热发电系统，如图2所示。该系统将图1的传热液体回路和蒸汽回路合二为一，采用水作为传热介质，直接产生蒸汽推动汽轮机发电，从而不再需要换热器装置，简化了系统设计。
图3 槽式太阳能直接产生蒸汽发电系统工作模式
要提高槽式太阳能热发电系统的效率与正常运行，涉及到两个方面的控制问题，一个是自动跟踪装置，要求使得槽式聚光器时刻对准太阳，以保证从源头上最大限度的吸收太阳能，据统计跟踪比非跟踪所获得的能量要高出37.7%。另外一个是要控制传热液体回路的温度与压力，满足汽轮机的要求实现系统的正常发电。针对这两个控制问题，国内外学者都展开了研究，取得了一定的研究进展。
2 太阳跟踪系统
抛物柱面槽式聚焦集热器只能收集太阳的直射光线，而对散射部分无能为力，因此集热器的聚光系统必须使光轴指向太阳，即跟踪太阳。由于太阳时刻处于运动状态，再加上自然天气随时变化，因此全天候全自动太阳跟踪装置的设计就成了一个难点。
太阳能热发电跟踪系统按照入射光线和主光轴位置关系可以划分为两轴跟踪系统和单轴跟踪系统。两轴跟踪要求入射光和主光轴方向一致；单轴跟踪只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面内。两轴跟踪根据太阳高度角和赤纬角的变化情况而设计，它具有最理想的光学性能，是最好的跟踪方式，能够使入射光与主光轴方向一致，获得最多的太阳能。但设备结构复杂，制造和维修成本高。单轴跟踪型只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面就行，且结构简单，跟踪精度要求不高或阳光充裕的地方一般优先考虑单轴跟踪。
跟踪太阳的方式大致可分为两类：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。光电跟踪的优点是灵敏度高，结构设计较为方便，缺点是受到天气的影响很大。根据视日运动轨迹跟踪则是通过数学上对太阳轨迹的预测，从理论上精确地计算太阳运行轨迹，按一定的程序驱动执行机构跟踪太阳，缺点是有累积误差。
文[5]以低沸点工质作为传感元件，采用液压运动实现了单轴太阳自动跟踪。文[6]采用由两个同心圆组成的等面积五象限光电检测装置，当光线与光电池垂直时其投影光斑经过一透镜后正好完全覆盖五片光电池，而当光线与光电池成一夹角时，投影光斑必然发生偏移，将光斑在光电池上的偏移转换成光电流差值的变化，实现了自动跟踪太阳。文[7]则从太阳方位变化规律的分析计算入手，利用天文时间提供准确可靠的自动跟踪信号，利用伺服电机带动聚光器实现方位角的自动跟踪，而将俯仰角的缓慢变化按其非线性规律反映在一个特定的凸轮曲面上，通过丝杠转动时形成的一维平动带动凸轮产生进或退，实现了俯仰角的跟踪。这种一维驱动二维跟踪的方式具有结构简单，成本低等新特点。文[8]则将传感系统和程控系统相结合，采用定时法原理进行程序控制，同时利用传感器对聚光器进行实时检测和定位，消除由机械结构等因素引起的累计误差，利用步进电机实现了高度角和方位角两个方向的跟踪。陕西师范大学的王存义教授发明的簧轮自动跟日机实现了广义时角自动跟踪和广义赤纬跟踪，并且具有成本低，不耗电，精度高，运载能力大等优点，达到了国际领先水平。
3 温度与压力控制系统
为了保证太阳能热发电系统的稳定正常运行，对于Acurex这类存在换热器的系统主要的控制目标就是要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传热油的温度恒定。而对于直接产生蒸汽发电系统，控制目标则为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的数量，而不影响蒸汽的质量。由于太阳辐射的变化范围比较大，相应流速也需要做较大调整，整个热传递回路的动态特性（响应时间，延时等）也产生了相当大的变化。因此基于系统简化模型基础上的常规控制方法对于这类工作点大范围变动的系统控制效果不佳，正是由于该传动系统具有的强非线性特性，使得各种现代控制理论得到了用武之地。
文[9]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。传递函数中有三个模型参数，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。文[10]则采用了多模型间接自适应控制方法。根据系统的运行范围选择了5个不同的系统运行点，在每个运行点处采用线性ARMAX模型进行系统建模，不同模型间的切换由特征变量稳态流速的值决定。分别采用LQG控制器和GPC控制器进行了实验，并且采用了带限幅特性的并联积分环节，不仅消除了系统响应的振荡和稳态误差，而且不影响系统的动态响应。文[11]采用带预测环节的自适应控制方法进行了研究，根据系统的特性选择预测环节的动态结构和参数消除系统的共振模态，并通过极点配置达到系统期望的阻尼，控制器参数均离线实验获得。文[12]提出了基于非线性模型的广义预测控制算法。非线性模型使得控制器可以适应系统过程动态的变化。文[13]提出的基于线性模型的模糊预测控制算法，在预测控制算法的基础上对控制目标采用模糊化处理，对不同的控制目标要求选用不同的隶属函数，文中分别采用三角隶属函数和自定义的隶属函数进行了仿真研究和实验研究，实验结果表明系统控制效果好，响应快且具有强鲁棒性。文[14]在模糊控制的基础上采用遗传算法对模糊规则进行优化设计。模糊规则集由49条“if-then”经验规则组成，对每条规则的影响因子进行基因编码组成染色体，适应性函数根据系统的响应时间确定，染色体经过80代进化后系统性能就得到了大幅提高,系统对扰动具有强鲁棒性，遗传算法在这类非线性系统的优化设计方面具有非常好的应用前景。
对于槽式太阳能直接产生蒸汽发电系统，水经过太阳能场后由液体转化为蒸汽直接推动汽轮机发电，系统不仅包含有液气两相流动，而且要对要求对出口处的温度和压力同时控制到要求值，因此系统控制也更为复杂，对其控制问题目前也已经做了大量的工作。文[15]对循环模式和直通模式的出口蒸汽的温度和压力控制进行了研究。在循环模式下系统具有5个控制回路，对于每个控制回路的开环传递函数采用线性化的方法在三个不同的运行稳态点采用单入单出的一阶延时加纯延迟进行建模，控制器均采用比例积分控制并对控制参数进行优化。在直通模式下系统具有3个控制回路。由于没有蒸汽分离装置，蒸发段的扰动将直接对过热段产生影响，温度对于系统的扰动更为敏感，文中采用了前馈控制和PI控制结合的控制方式，实验结果证明了控制策略的有效性。文[16]引入了系统的非线性建模方法，首次对循环模式下系统的瞬时动态响应以及集热环路与控制环路的相互影响进行了研究，并对不同控制方式的效果进行了比较验证。由于目前对直接产生蒸汽发电系统正处于研究阶段，已有的控制手段基本上以PI控制为主，再加以适当改进，而采用现代控制理论来进一步提高系统性能则正处于探索阶段，未见具体的应用报道。
4 结论
太阳能热发电作为有望得到大规模推广应用的可再生能源具有极大的发展潜力。本文对槽式太阳能热发电系统的构成以及国内外的研究现状进行了介绍，并对槽式太阳能热发电中的控制问题及研究进展进行了详细综述。槽式太阳能热发电系统作为一个强非线性系统，现代控制理论的应用必将在其稳定运行与提高效率方面发挥重要作用，因此有必要大力开展对该系统的控制研究，寻求适合该系统的高效控制方法，促进槽式太阳能热发电在我国的推广应用。
(张先勇 舒杰 吴昌宏中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室)(end)
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(1/6/2009) |
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