塔式太陽(yáng)能電站接收器的運(yùn)行優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及接收器裝置，提供了一種針對(duì)塔式 太陽(yáng)能接收器的運(yùn)行優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 塔式太陽(yáng)能熱電站利用多個(gè)獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡裝置，將太陽(yáng)光聚焦到一個(gè)固 定在接收塔頂部的接收器上，加熱流經(jīng)接收器內(nèi)部的傳熱介質(zhì)成為高溫工質(zhì)，再利用高溫 工質(zhì)的熱能帶動(dòng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)發(fā)電。它是所有大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中成本最低、聚光集 熱效率最高的一種，有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 在塔式太陽(yáng)能熱電站中，接收器的功能是吸收定日鏡聚焦的太陽(yáng)能并用于加熱其 內(nèi)部流動(dòng)的傳熱介質(zhì)產(chǎn)生高溫?zé)崮堋鳠峤橘|(zhì)的工作溫度將影響整個(gè)電站的凈發(fā)電效率， 傳統(tǒng)上認(rèn)為傳熱介質(zhì)的工作溫度越高越好，這是因?yàn)闇囟仍礁吖β兽D(zhuǎn)換系統(tǒng)（一般為朗肯 循環(huán)系統(tǒng)）的效率越高且系統(tǒng)消耗的栗能也將越小。然而，傳熱工質(zhì)工作溫度的增高必然 會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)熱損失的增大。因此，在太陽(yáng)能電站中，對(duì)傳熱工質(zhì)工作溫度進(jìn)行優(yōu)化具有重要 的意義。
[0004] 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)能接收器運(yùn)行優(yōu)化的研究很少。在現(xiàn)有的接收器運(yùn)行優(yōu)化的研 究中，有的技術(shù)將功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率視為與接收器運(yùn)行溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，忽略接收 器出口溫度對(duì)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的影響；有的技術(shù)在運(yùn)行優(yōu)化過(guò)程中采用的接收器模型為集總 參數(shù)模型，忽略了接收器的典型分布參數(shù)特性，不能很好地反映電站實(shí)際情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種塔式太陽(yáng)能熱電站接收器的運(yùn)行優(yōu)化方法，保證接收器平穩(wěn)運(yùn) 行的前提下，同時(shí)提高了電站的凈發(fā)電量，為塔式太陽(yáng)能電站的商業(yè)化運(yùn)行提供了參考。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] -種塔式太陽(yáng)能電站接收器的運(yùn)行優(yōu)化方法的步驟如下：
[0008] 1)搭建塔式太陽(yáng)能電站接收器的分布參數(shù)模型并仿真得到不同光照強(qiáng)度下，當(dāng)電 站凈發(fā)電效率最高時(shí)，接收器出口溫度的數(shù)值；
[0009] 2)設(shè)計(jì)PID控制器，其中控制器的控制變量為接收器入口處傳熱介質(zhì)流速，被控 變量為接收器出口處傳熱介質(zhì)溫度；
[0010] 3)以全天電站凈發(fā)電量最大為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)造優(yōu)化問(wèn)題；
[0011] 4)通過(guò)CVP_SS將連續(xù)NLP優(yōu)化問(wèn)題的控制變量離散化，進(jìn)而采用SQP算法進(jìn)行求 解，得到電站全天發(fā)電量最大時(shí)接收器出口處傳熱介質(zhì)溫度設(shè)定值的變化曲線。
[0012] 所述的步驟1)為：
[0013] 1. 1根據(jù)能量守恒方程，接收器的分布參數(shù)模型為：
[0014]
[0015]
^
[0016] 其中，&為接收器管壁內(nèi)表面面積，為定日鏡場(chǎng)總面積，A。為接收器管道受 光面外部面積，(；為接收器管壁比熱，Cf為傳熱介質(zhì)比熱，h 接收器管壁與內(nèi)部傳熱介質(zhì) 對(duì)流換熱系數(shù)，h。為接收器管壁與外部環(huán)境對(duì)流換熱系數(shù)，I為光照強(qiáng)度，m為傳熱介質(zhì)流 速，t為時(shí)間，Ta為環(huán)境溫度，Tf為傳熱介質(zhì)溫度，T"為接收器管壁溫度，Vf為接收器管道內(nèi) 傳熱介質(zhì)體積，Vn為接收器管壁體積，x為接收器長(zhǎng)度，e黑度，n_為鏡場(chǎng)綜合效率，Pf 為傳熱介質(zhì)密度，pn為接收器管壁密度，〇為黑體輻射常數(shù)；
[0017] 1. 2選取太陽(yáng)光照強(qiáng)度I分別為I。、IQ+A、1。+2A、1。+3A、1。+4A的典型值；其中 Ic為電站能否發(fā)電的最低光照強(qiáng)度，Ic+4A為一天內(nèi)最大光照強(qiáng)度；
[0018] 1. 3塔式太陽(yáng)能電站接收器部件的運(yùn)行優(yōu)化需要對(duì)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及電栗做如下 計(jì)算：
[0019] 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等效為一個(gè)朗肯循環(huán)模型，其轉(zhuǎn)換效率qMnk為：
[0020]
O)
[0021] 其中，了^為接收器出口處溫度，
[0022] 電栗消耗的功率P_p為：
[0023]
C4)
[0024] 其中，I、1(2與g為常數(shù)，L為管道的長(zhǎng)度，d為管道的直徑；
[0025] 同時(shí)，接收器內(nèi)流動(dòng)的傳熱介質(zhì)吸收的功率PSC]1v為：
[0026] Psolar=mCf(Tout_Tfin) (5)
[0027] 因此，電站在某固定太陽(yáng)光照強(qiáng)度下的凈發(fā)電功率P"fit為：
[0028]
(6)
[0029] 1. 4仿真得到不同光照強(qiáng)度I下電站凈發(fā)電效率關(guān)于接收器出口處傳熱介質(zhì)溫度 的曲線，其中，凈發(fā)電效率的計(jì)算公式為：
[0030]
(7)
[0031] 其中，I為步驟1. 2中選定的某一典型值，
[0032] 1.5通過(guò)曲線觀察電站凈發(fā)電效率關(guān)于接收器出口處傳熱介質(zhì)溫度的關(guān)系，得到 當(dāng)凈發(fā)電效率最高時(shí)，接收器出口處傳熱介質(zhì)的溫度。
[0033] 所述的步驟2)為：
[0034] 采用前饋加單回路反饋的復(fù)合控制系統(tǒng)，確定前饋控制器的Kpl以及單回路反饋 控制器的&2與K:，使得被控變量接收器出口處傳熱介質(zhì)溫度能夠跟蹤設(shè)定值。
[0035] 所述的步驟3)為：
[0036] 當(dāng)不考慮電價(jià)變化的影響時(shí)，電站收益的影響因素是能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的熱損失以 及運(yùn)行的操作成本，即電站能夠提供的凈發(fā)電量，電站一天內(nèi)n個(gè)小時(shí)的總發(fā)電量為各個(gè) 小時(shí)發(fā)電量的積分，考慮到實(shí)際意義，以決策變量即優(yōu)化變量為接收器出口處傳熱介質(zhì)溫 度的設(shè)定值、全天電站凈發(fā)電量最大為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化命題可描述為：
[0037] (8；
[0038]
[0039] 。
[0040] 所述的步驟4)為：
[0041] 步驟3)中的優(yōu)化命題為連續(xù)的非線性問(wèn)題，在求解上采用基于控制向量參數(shù)化 方法的CVP_SS方法，僅離散化控制向量而保持狀態(tài)向量不變，將兩點(diǎn)邊界值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為初 值問(wèn)題進(jìn)行求解，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0042] 4. 1初始化，設(shè)定時(shí)間分段常數(shù)N，將時(shí)間區(qū)間[0,T]分成N段，每段的時(shí)間長(zhǎng)度為 Sk，k= 1，…，N，這些量不一定要全部相等，但是要滿足下列的方程：
[0043]
(9)
[0044]將控制變量u(t)即優(yōu)化問(wèn)題的決策變量按照時(shí)間的分段離散成參數(shù)向量G，動(dòng) 態(tài)優(yōu)化問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問(wèn)題；
[0045] 4. 2設(shè)定參數(shù)向量的初始值（/，置j= 0,其中，k表示第k個(gè)時(shí)間分段；
[0046] 4. 3根據(jù)計(jì)算得到目標(biāo)函數(shù)值Q];
[0047] 4. 4計(jì)算梯度信息▽Qj，并根據(jù)梯度基于SQP算法獲得下一迭代點(diǎn)C'+1>;
[0048] 4. 5若滿足停止準(zhǔn)則，則算法終止；否則，置j=j+1 ;重復(fù)步驟4. 3和4. 4。
【附圖說(shuō)明】
[0049] 圖1是塔式太陽(yáng)能熱電站接收器運(yùn)行優(yōu)化方法流程圖；
[0050] 圖2是實(shí)例中的接收器內(nèi)傳熱介質(zhì)流動(dòng)示意圖；
[0051 ]圖3是實(shí)例中的接收器控制系統(tǒng)方塊圖；
[0052] 圖4是實(shí)例中電站凈發(fā)電效率在不同光照強(qiáng)度下隨溫度變化的曲線；
[0053] 圖5是實(shí)例中太陽(yáng)光照強(qiáng)度變化曲線；
[0054] 圖6是實(shí)例中電站發(fā)電量?jī)?yōu)化結(jié)果與未優(yōu)化結(jié)果對(duì)比。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 如圖1所示，一種塔式太陽(yáng)能電站接收器的運(yùn)行優(yōu)化方法的步驟如下：
[0056] 1)搭建塔式太陽(yáng)能電站接收器的分布參數(shù)模型并仿真得到不同光照強(qiáng)度下，當(dāng)電 站凈發(fā)電效率最高時(shí)，接收器出口溫度的數(shù)值；
[0057] 2)設(shè)計(jì)PID控制器，其中控制器的控制變量為接收器入口處傳熱介質(zhì)流速，被控 變量為接收器出口處傳熱介質(zhì)溫度；
[0058] 3)以全天電站凈發(fā)電量最大為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)造優(yōu)化問(wèn)題；
[0059] 4)通過(guò)CVP_SS將連續(xù)NLP優(yōu)化問(wèn)題的控制變量離散化，進(jìn)而采用SQP算法進(jìn)行求 解，得到電站全天發(fā)電量最大時(shí)接收器出口處傳熱介質(zhì)溫度設(shè)定值的變化曲線。
[0060] 所述的步驟1)為：
[0061] 1. 1根據(jù)能量守恒方程，接收器的分布參數(shù)模型為：
[0062]
[0063]
[0064] 其中，&為接收器管壁內(nèi)表面面積，為定日鏡場(chǎng)總面積，A。為接收器管道受 光面外部面積，(；為接收器管壁比熱，Cf為傳熱介質(zhì)比熱，h 接收器管壁與內(nèi)部傳熱介質(zhì) 對(duì)流換熱系數(shù)，h。為接收器管壁與外部環(huán)境對(duì)流換熱系數(shù)，I為光照強(qiáng)度，m為傳熱介質(zhì)流 速，t為時(shí)間，Ta為環(huán)境溫度，Tf為傳熱介質(zhì)溫度，T"為接收器管壁溫度，Vf為接收器管道內(nèi) 傳熱介質(zhì)體積，Vn為接收器管壁體積，x為接收器長(zhǎng)度，e黑度，n_為鏡場(chǎng)綜合效率，Pf 為傳熱介質(zhì)密度，pn為接收器管壁密度，〇為黑體輻射常數(shù)；
[0065] 1. 2選取太陽(yáng)光照強(qiáng)度I分別為I。、IQ+A、1。+2A、1。+3A、1。+4A的典型值；其中 Ic為電站能否發(fā)電的最低光照強(qiáng)度，Ic+4A為一天內(nèi)最大光照強(qiáng)度；
[0066] 1. 3塔式太陽(yáng)能電站接收器部件的運(yùn)行優(yōu)化需要對(duì)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)以及電栗做如下 計(jì)算：
[0067] 功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等效為一個(gè)朗肯循環(huán)模型，其轉(zhuǎn)換效率qMnk為：
[0068](3? \
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[0069] 其中，1^為接收器出口處溫度，
[0070] 電栗消耗的功