拋物槽式聚光太陽能集熱回路動態特性研究

劉蘭華，狄林文，董興萬，王瑞林

拋物槽式聚光太陽能集熱回路動態特性研究

劉蘭華，狄林文，董興萬，王瑞林*

（南京師范大學能源與機械工程學院，江蘇省 南京市 210042）

太陽輻射存在間歇性和不穩定性，其動態不穩定性影響拋物槽式太陽能集熱器集熱參數的穩定輸出，因此，針對拋物槽式太陽能集熱器開展聚光集熱過程動態特性研究極為重要。基于MATLAB/Simulink軟件內的Simscape環境，構建了拋物槽式太陽能聚光集熱一維回路的動態仿真模型。基于所驗證的動態仿真模型，獲得了工質流量及太陽直射輻射2個關鍵參數對槽式回路出口溫度的影響規律。根據所獲規律，基于比例積分控制，構建了槽式一維回路的動態調控策略，結果表明：該控制策略可在太陽直射輻射躍升時使系統聚光集熱溫度在2500s內達到設定溫度395℃；而在太陽直射輻射下降時將輸出溫度波動維持在±2℃以內。基于所構建的系統動態控制策略進行了系統典型日變工況運行，結果表明：系統可在變工況條件下維持聚光集熱溫度穩定，聚光集熱效率接近理想值，達到控制目的。研究為拋物槽式太陽能聚光集熱回路動態仿真模型構建提供了新方法，所得結果可為槽式聚光集熱動態運行提供借鑒。

太陽能熱發電；拋物槽式太陽能集熱器；動態仿真模型

0 引言

太陽能發電是目前發展最為迅速的清潔能源發電技術[1]。2018年，太陽能發電新增裝機容量達到103GW，占全球清潔能源新增裝機容量的56.19%[2]。太陽能發電技術主要包含光伏發電和聚光太陽能熱發電技術2種[3]。光伏發電由于技術相對成熟，目前已經開始商業化應用。但是，太陽輻射存在不穩定、不連續的特點，而光伏電池發電功率基本與太陽輻射同步，在大規模低成本的儲電技術還不成熟的背景下，光伏電池發電功率的不穩定性會對電網造成較大沖擊[4-5]。因此，可借助低成本儲熱實現連續穩定發電的聚光太陽能熱發電技術逐漸受到關注。

聚光太陽能熱發電主要包含拋物槽式、線性菲涅爾式、塔式以及碟式4種形式[6]。拋物槽式聚光太陽能熱發電是目前發展最快的聚光太陽能熱發電技術[7]，據美國可再生能源實驗室(national renewable energy laboratory，NREL)統計，已建成并投產的槽式太陽能熱發電系統總裝機容量為4.7GW，占太陽能熱發電總裝機容量的83.5%[8]。

拋物槽式聚光集熱器原理即利用拋物槽式聚光鏡，將太陽光聚焦于焦線處的真空吸熱管上，并將之轉化為熱量。目前，拋物槽式聚光集熱存在聚光集熱效率不高、動態特性及控制策略需進一步改善等問題。針對聚光集熱效率不高的問題，Kabir等[9]提出以水作為吸熱工質，代替合成導熱油的直接產生蒸汽(direct steam generation，DSG)技術，并指出以水作為工質可允許更高的運行溫度，能簡化系統結構，在成本降低和節能環保方面具有廣闊前景。當然，該技術目前也面臨工質高溫高壓運行條件對運行調節及蒸汽存儲等方面的挑戰[10]。拋物槽式集熱器目前多為南北軸固定、東西旋轉的跟蹤方式，聚光集熱效率隨季節變化較大(夏季60%以上，冬季約為30%[11])。對此，Sun等[12-13]采用模擬及實驗方式研究了新型的槽式廣角跟蹤方式，證明該方式可將槽式太陽能冬季聚光集熱效率提升約10個百分點，全年提升約5個百分點。Qiu等[14]采用蒙特卡羅光線追跡及三維有限容積相結合的方法，研究了非均勻能流密度條件下拋物槽式等線性聚焦集熱過程中的光熱轉換特性。Zarza等[15]通過{Zarza, 2006 #88;Zarza, 2006 #88}搭建試驗臺對槽式聚光集熱場開展了實驗研究。文獻[16-17]則構建了拋物槽式太陽能熱發電綜合性能的評估模型，并進行了太陽能輸出功率與儲熱容量配比的研究。

從以上研究可知，拋物槽式太陽能熱發電相關研究多集中于新型工質、跟蹤方式改進、熱應力及綜合性能提升等方面。但太陽輻射存在間歇性和不穩定性，其動態不穩定性影響拋物槽式集熱器集熱參數的穩定輸出，針對槽式太陽能集熱器開展聚光集熱過程動態特性研究亦非常重要。李陸[18]基于自編程的程序軟件，針對DSG拋物槽式太陽能集熱回路動態特性開展研究。Wang等[19]構建了拋物槽式太陽能聚光集熱器模型，針對交變熱流的動態條件下拋物槽式聚光集熱器的熱應力形變及相應的聚光集熱性能變動開展了研究。Zhang等[20]研究了風載荷變動對拋物槽式聚光集熱器的動態影響，發現風載荷變動會導致拋物槽式集熱器光學效率降低約19.85%。Meaburn等[21]針對槽式集熱回路低頻振蕩問題，采用前饋補償調控方法，實現了基于預測性控制的改善。Cirre等[22]建立了線性化的反饋機制，實現了對小規模太陽能熱發電系統自動啟動、定值追蹤和抗干擾控制的優化運行。從以上研究可知，當前多采用自編程[18]或者商業軟件等[23]開展研究，存在難度較高、計算資源占用較多等問題。

為此，本文擬基于MATLAB/Simulink軟件內計算資源占用少、準確度高的Simscape環境，提出拋物槽式太陽能聚光集熱回路動態模型的建模方法，并基于所構建模型開展拋物槽式太陽能集熱回路的動態特性及調控的研究。

1 拋物槽式聚光集熱動態模型

1.1 集熱回路介紹

典型拋物槽式聚光集熱鏡場如圖1所示，每個鏡場由多個相互獨立的聚光集熱回路對稱并聯而成，單個集熱回路由4～6個聚光集熱器組成[24]。聚光集熱回路相互獨立運行，槽式聚光集熱鏡場的動態集熱特性可以理解為聚光集熱回路動態變化的疊加。因而此處選取聚光集熱回路構建動態仿真模型，并以此開展槽式聚光集熱過程動態特性研究。

拋物槽式聚光集熱器類型較多，如LS-2、LS-3、ET100及ET150等，此處選取應用較為廣泛的ET150型聚光集熱器的幾何參數及性能參數進行模型構建。ET150型聚光集熱器的主要參數[24]如表1所示。每個聚光集熱器皆由多個約12m長的聚光集熱單元組成，在本研究中以集熱單元作為動態仿真建模的最小單元。

圖1 拋物槽式聚光集熱鏡場示意圖

表1 ET-150槽式聚光集熱器主要參數

1.2 拋物槽式聚光集熱單元動態建模

拋物槽式聚光集熱單元包含鋼制支架、跟蹤裝置、聚光鏡以及吸熱管，其中與槽式聚光集熱動態特性直接相關的是吸熱管與聚光鏡，吸熱管與聚光鏡的動態能量平衡關系式如下：

MATLAB/Simulink軟件內的Simscape模塊包含機械、電氣、熱能、氣體、流體等多個物理域的基礎模塊及其他詳盡的分析工具，并支持基于物理過程，通過圖形化編程采用各個基礎模塊構建動態仿真模型，具有原理簡單、計算資源占用少等優點。因此，基于拋物槽式聚光集熱器的聚光吸熱過程，于MATLAB/Simulink軟件的Simscape模塊內構建仿真模型，如圖2所示。其中，以Thermal fluid內的pipe部件模擬吸熱管內部的吸熱過程，其幾何參數(如管徑、管長)參考表1數據填寫。

圖2 拋物槽式聚光集熱單元Simscape物理模型

吸熱管既吸收聚光鏡聚焦的太陽能量，又因溫差而對外散熱。由此，借助Simscape內Thermal 物理域部件進行構建。采用Controlled Heat Flow Rate Source模塊模擬聚焦太陽能量輸入，具體輸入量依據給定的直射輻射強度、光學效率、入射角余弦值等確定。吸熱管散熱過程包含空氣對流散熱及熱輻射過程散熱2種形式。由此，分別借助Radiative Heat Transfer和Convective Heat Transfer這2個模塊模擬熱輻射及熱對流過程。另一端加設Controlled Temperature Source模塊，模擬環境散熱端，數值依據環境溫度數值給定。

(a) 熱損失比較

(b) 效率比較

圖3 拋物槽式聚光集熱單元模型驗證

Fig. 3 Model verification of parabolic trough collector unit

另外，為進一步驗證本模型的有效性，在同等條件下(直射輻射強度為900W/m2，入射角為0°)，將本模型的效率計算結果和ET150型槽式聚光集熱器的實驗數據[24]進行比較，結果如圖3(b)所示。可以看出，實驗數據和計算結果之間最大的相對偏差為1.2%，平均相對偏差為0.18%，皆小于5%，足以證明模型的有效性。

1.3 拋物槽式聚光集熱回路動態仿真模型

將已構建的聚光集熱單元模型串聯即構成了拋物槽式聚光集熱器的動態模型，進一步將4個聚光集熱器串聯，即可得到拋物槽式聚光集熱回路模型，如圖4所示。此外，采用Thermal Fluid物理域內的Reservior模塊分別模擬回路的冷管線入口和熱管線出口。太陽直射輻射及入射角余弦等數值由Source and ambient模塊計算確定。另外，拋物槽式聚光集熱的主流吸熱工質包含導熱油、清潔工質水以及熔鹽。此處選取應用最為廣泛的VP-1型導熱油作為傳熱工質進行計算，其物性依據物性手冊數據[27]得出，并輸入至Thermal Liquid Settings模塊內。整個動態仿真模型采用固定時間步長的離散求解方法，時間步長設置為2s。

圖4 拋物槽式聚光集熱回路動態仿真模型

2 結果與討論

2.1 動態特性

由式(1)可知，工質流量、環境溫度、太陽入射角以及直射輻射強度等參數都會對拋物槽式聚光集熱器的集熱性能產生影響。其中，槽式太陽能集熱器運行溫度較高，并采用抽真空及選擇性吸收涂層等方式降低散熱損失，因而環境溫度對聚光集熱性能的影響較小。太陽入射角以及直射輻射強度都會對槽式太陽能吸熱管接收的太陽能輻射能量產生影響，可選取一個物理量研究其變化對槽式太陽能聚光集熱動態特性的影響。因此，本文選取直射輻射強度以及回路工質流量作為關鍵參數，研究其對槽式太陽能聚光集熱動態特性的影響。

基于所構建模型，選取流量為8kg/s，入口溫度為280℃，入射角余弦值為0.95，初始太陽直射輻射強度為600W/m2，研究直射輻射強度對槽式太陽能聚光集熱動態性能的影響，結果如圖5所示。

圖5 直射輻射強度變動對槽式聚光集熱出口溫度影響

在與直射輻射強度變動動態特性研究同樣的初始條件下，研究流量變動對槽式聚光集熱動態特性的影響，結果如圖6所示。可以看出，在同樣的初始條件下，流量越小，其穩定出口溫度越高。而與輻射階躍變動不同的是，流量增加和減少導致的出口溫度變化并不對稱，流量減少導致的出口溫度變化幅度更大。流量變動引起的聚光集熱出口溫度變化的動態趨勢與輻射的動態影響一致，亦為先線性增加后漸趨平緩。與之不同的是，不同流量對應的穩定時間是不同的，流量越大，所需的穩定時間越短。

圖6 工質流量變動對槽式聚光集熱出口溫度影響

輻射和流量變動程度對回路從初態回歸穩態耗時影響不同，可以通過推導的方式予以解釋。不考慮槽式吸熱管散熱等影響，槽式吸熱管吸熱過程可以簡化為如圖7所示的零維模型。

圖7 拋物槽式太陽能吸熱管吸熱過程示意圖

其中，在初始狀態和最終狀態條件下，管內流體的能量平衡式分別為：

在瞬態變化過程中，管內流體的能量平衡式如下：

針對式(8)進一步簡化，可得

由式(10)可知，忽略散熱損失等次要影響因素，輻射變動的絕對數值大小對于吸熱管從初態到達穩態所需時間沒有影響，但是流量變動會影響到所需時間。

2.2 動態調控策略

拋物槽式聚光集熱器實際工作于輻射、環境溫度等參數時常變動的條件之下，本文基于所獲動態特性，研究拋物槽式太陽能在變幅照條件下的動態運行調控策略。

動態調控的主要目的是：在變幅照條件下維持槽式聚光集熱參數穩定，即維持拋物槽式太陽能出口溫度穩定或者按照要求變化。由此，基于比例積分(proportional integral，PI)動態調控模型如圖8所示。其中，目標溫度參考SEGS電站參數[6]設定為395℃，并添加限幅模塊，防止流量過低或過高導致的系統振蕩等問題。

動態控制目標如下：1）穩態的聚光集熱溫度等于目標設定溫度；2）動態調控過程出口溫度不得超過430℃(導熱油熱分解溫度)；3）擾動后恢復穩定時間盡量短。在動態調控模型調控下，拋物槽式聚光集熱出口溫度在輻射躍升及下降條件下的動態變化過程如圖9所示。可以看出，在輻射躍升條件下，出口溫度皆在2500s內恢復到設定溫度，且動態最高溫度僅為407.46℃，低于熱分解溫度430℃，滿足安全要求。此外，從圖9(a)中亦可看出，輻射變動越大，其恢復目標值的時間反而越短，這是由于輻射數值越大，其對應的流量就越大。而從圖6的動態特性可看出，流量越大，系統恢復穩定的時間越短。在輻射下降過程中也出現類似情形，輻射下降值越小(輻射數值越大)，系統出口溫度的波動越小，反之則越大。雖然輻射下降會導致出口溫度的波動，但該波動亦處于可接受范圍內(±2℃)。

圖8 拋物槽式太陽能聚光集熱PI動態調控模型

(a) 輻射躍升

(b) 輻射下降

圖9 變輻射動態調控過程聚光集熱出口溫度變化

Fig. 9 Outlet temperature variation of parabolic trough solar collector during dynamic regulation process of variable irradiation

2.3 典型日動態運行

選取華北地區(40.0°N，116.5°E)夏至日作為典型日，研究拋物槽式集熱回路在該條件下的動態運行性能。動態運行結果如圖10所示，可以看出，09:00之前，太陽輻射較小，槽式聚光集熱回路暫不聚光集熱。拋物槽式聚光集熱之后，導熱油出口溫度迅速提升，并在10:00—10:30發生振蕩，此為槽式聚光集熱回路的冷啟動過程。相應地，實時計算的拋物槽式動態聚光集熱效率亦隨之振蕩。之后槽式聚光集熱溫度穩定在395℃左右，聚光集熱效率亦與計算的穩態理想聚光集熱效率重合；在15:00左右，太陽輻射量開始下降，此時系統通過減小流量進行調控，出口溫度依舊在合理范圍內，但是發生波動，動態集熱效率又開始波動；到16:30，太陽輻射量下降幅度變大，系統停止運行，導熱油出口溫度亦隨之下降。由此可見，動態調控策略作用下，在太陽輻射最強烈的時間段內，導熱油出口溫度能保持在較為理想的區間波動，系統的動態效率亦能保持在55%～65%。

圖10 典型日變輻射動態運行性能

3 結論

針對拋物槽式太陽能熱發電聚光集熱過程，基于MATLAB/Simulink軟件的Simscape環境構建了槽式太陽能集熱回路的一維動態仿真模型，分析了太陽直射輻射和流量階躍變化對槽式聚光集熱動態特性的影響，基于PI調控給出了動態控制策略，并于典型日進行了動態模擬仿真，驗證了控制策略的有效性。所得結論如下：

1）流量穩定，輻射階躍變動時，不同輻射變動所需的穩定時間基本一致，約為430s；輻射穩定，流量變動時，流量越小，所需的穩定時間越短。

2）輻射正負變動導致的出口溫度正負變動基本對稱；流量提升對應的出口溫度變化大于流量減小時出口溫度的變化。

3）動態控制策略可在太陽輻射階躍上升時，控制系統最高出口溫度低于熱分解溫度，滿足安全需求；在太陽輻射階躍下降時，控制系統出口溫度在393～397℃波動，并最終趨于穩定。

4）典型日變工況運行條件下，工作時段系統穩態出口溫度基本保持在395℃左右，實時動態效率基本等于穩態理想聚光集熱效率，為55%～ 65%。

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Study on Dynamic Characteristics of Parabolic Trough Solar Collector Circuit

LIU Lanhua, DI Linwen, DONG Xingwan, WANG Ruilin*

(School of Energy & Mechanical Engineering, Nanjing Normal University, Nanjing 210042, Jiangsu Province, China)

The solar radiation is intermittent and unstable, and its dynamic instability affects the stable output of parabolic trough solar collector. Therefore, it is extremely important to study the dynamic characteristics of the solar heating process of parabolic trough solar collector. The dynamic simulation model of parabolic trough solar collector one-dimensional loop was constructed based on the Simscape environment in MATLAB/Simulink software. Based on the verified dynamic simulation model, the influence of mass flow and direct normal irradiance on the outlet temperature of the loop of parabolic trough solar collector was obtained. According to the obtained law, the dynamic regulation model of the loop of parabolic trough solar collector was constructed based on the proportionalintegral. The results show that the control strategy can make the outlet temperature of the loop reach the set temperature of 395℃ within 2 500s when the direct normal irradiance increases suddenly, and maintain the output temperature fluctuation within ?2℃ to 2℃ when the direct normal irradiance decreases suddenly. Based on the dynamic regulation strategy, the operation of the loop of parabolic trough solar collector in typical day was simulated. The results show that the regulation strategy can maintain the outlet temperature of the loop in the operation time and the thermal efficiency close to the ideal value. The study provides a new method for the construction of dynamic model of the parabolic trough solar collector, and the results can provide reference for the dynamic operation of the parabolic trough solar field.

solar thermal power generation; parabolic trough solar collector; dynamic simulation model

10.12096/j.2096-4528.pgt.21066

TK 513

2021-05-26。

國家自然科學基金青年基金項目(52106014)。

Project Supported by National Natural Science Foundation Youth Fund of China (52106014).

(責任編輯 尚彩娟)