抛物槽式聚光太阳能集热回路动态特性研究

刘兰华，狄林文，董兴万，王瑞林

抛物槽式聚光太阳能集热回路动态特性研究

刘兰华，狄林文，董兴万，王瑞林*

（南京师范大学能源与机械工程学院，江苏省 南京市 210042）

太阳辐射存在间歇性和不稳定性，其动态不稳定性影响抛物槽式太阳能集热器集热参数的稳定输出，因此，针对抛物槽式太阳能集热器开展聚光集热过程动态特性研究极为重要。基于MATLAB/Simulink软件内的Simscape环境，构建了抛物槽式太阳能聚光集热一维回路的动态仿真模型。基于所验证的动态仿真模型，获得了工质流量及太阳直射辐射2个关键参数对槽式回路出口温度的影响规律。根据所获规律，基于比例积分控制，构建了槽式一维回路的动态调控策略，结果表明：该控制策略可在太阳直射辐射跃升时使系统聚光集热温度在2500s内达到设定温度395℃；而在太阳直射辐射下降时将输出温度波动维持在±2℃以内。基于所构建的系统动态控制策略进行了系统典型日变工况运行，结果表明：系统可在变工况条件下维持聚光集热温度稳定，聚光集热效率接近理想值，达到控制目的。研究为抛物槽式太阳能聚光集热回路动态仿真模型构建提供了新方法，所得结果可为槽式聚光集热动态运行提供借鉴。

太阳能热发电；抛物槽式太阳能集热器；动态仿真模型

0 引言

太阳能发电是目前发展最为迅速的清洁能源发电技术[1]。2018年，太阳能发电新增装机容量达到103GW，占全球清洁能源新增装机容量的56.19%[2]。太阳能发电技术主要包含光伏发电和聚光太阳能热发电技术2种[3]。光伏发电由于技术相对成熟，目前已经开始商业化应用。但是，太阳辐射存在不稳定、不连续的特点，而光伏电池发电功率基本与太阳辐射同步，在大规模低成本的储电技术还不成熟的背景下，光伏电池发电功率的不稳定性会对电网造成较大冲击[4-5]。因此，可借助低成本储热实现连续稳定发电的聚光太阳能热发电技术逐渐受到关注。

聚光太阳能热发电主要包含抛物槽式、线性菲涅尔式、塔式以及碟式4种形式[6]。抛物槽式聚光太阳能热发电是目前发展最快的聚光太阳能热发电技术[7]，据美国可再生能源实验室(national renewable energy laboratory，NREL)统计，已建成并投产的槽式太阳能热发电系统总装机容量为4.7GW，占太阳能热发电总装机容量的83.5%[8]。

抛物槽式聚光集热器原理即利用抛物槽式聚光镜，将太阳光聚焦于焦线处的真空吸热管上，并将之转化为热量。目前，抛物槽式聚光集热存在聚光集热效率不高、动态特性及控制策略需进一步改善等问题。针对聚光集热效率不高的问题，Kabir等[9]提出以水作为吸热工质，代替合成导热油的直接产生蒸汽(direct steam generation，DSG)技术，并指出以水作为工质可允许更高的运行温度，能简化系统结构，在成本降低和节能环保方面具有广阔前景。当然，该技术目前也面临工质高温高压运行条件对运行调节及蒸汽存储等方面的挑战[10]。抛物槽式集热器目前多为南北轴固定、东西旋转的跟踪方式，聚光集热效率随季节变化较大(夏季60%以上，冬季约为30%[11])。对此，Sun等[12-13]采用模拟及实验方式研究了新型的槽式广角跟踪方式，证明该方式可将槽式太阳能冬季聚光集热效率提升约10个百分点，全年提升约5个百分点。Qiu等[14]采用蒙特卡罗光线追迹及三维有限容积相结合的方法，研究了非均匀能流密度条件下抛物槽式等线性聚焦集热过程中的光热转换特性。Zarza等[15]通过{Zarza, 2006 #88;Zarza, 2006 #88}搭建试验台对槽式聚光集热场开展了实验研究。文献[16-17]则构建了抛物槽式太阳能热发电综合性能的评估模型，并进行了太阳能输出功率与储热容量配比的研究。

从以上研究可知，抛物槽式太阳能热发电相关研究多集中于新型工质、跟踪方式改进、热应力及综合性能提升等方面。但太阳辐射存在间歇性和不稳定性，其动态不稳定性影响抛物槽式集热器集热参数的稳定输出，针对槽式太阳能集热器开展聚光集热过程动态特性研究亦非常重要。李陆[18]基于自编程的程序软件，针对DSG抛物槽式太阳能集热回路动态特性开展研究。Wang等[19]构建了抛物槽式太阳能聚光集热器模型，针对交变热流的动态条件下抛物槽式聚光集热器的热应力形变及相应的聚光集热性能变动开展了研究。Zhang等[20]研究了风载荷变动对抛物槽式聚光集热器的动态影响，发现风载荷变动会导致抛物槽式集热器光学效率降低约19.85%。Meaburn等[21]针对槽式集热回路低频振荡问题，采用前馈补偿调控方法，实现了基于预测性控制的改善。Cirre等[22]建立了线性化的反馈机制，实现了对小规模太阳能热发电系统自动启动、定值追踪和抗干扰控制的优化运行。从以上研究可知，当前多采用自编程[18]或者商业软件等[23]开展研究，存在难度较高、计算资源占用较多等问题。

为此，本文拟基于MATLAB/Simulink软件内计算资源占用少、准确度高的Simscape环境，提出抛物槽式太阳能聚光集热回路动态模型的建模方法，并基于所构建模型开展抛物槽式太阳能集热回路的动态特性及调控的研究。

1 抛物槽式聚光集热动态模型

1.1 集热回路介绍

典型抛物槽式聚光集热镜场如图1所示，每个镜场由多个相互独立的聚光集热回路对称并联而成，单个集热回路由4～6个聚光集热器组成[24]。聚光集热回路相互独立运行，槽式聚光集热镜场的动态集热特性可以理解为聚光集热回路动态变化的叠加。因而此处选取聚光集热回路构建动态仿真模型，并以此开展槽式聚光集热过程动态特性研究。

抛物槽式聚光集热器类型较多，如LS-2、LS-3、ET100及ET150等，此处选取应用较为广泛的ET150型聚光集热器的几何参数及性能参数进行模型构建。ET150型聚光集热器的主要参数[24]如表1所示。每个聚光集热器皆由多个约12m长的聚光集热单元组成，在本研究中以集热单元作为动态仿真建模的最小单元。

图1 抛物槽式聚光集热镜场示意图

表1 ET-150槽式聚光集热器主要参数

1.2 抛物槽式聚光集热单元动态建模

抛物槽式聚光集热单元包含钢制支架、跟踪装置、聚光镜以及吸热管，其中与槽式聚光集热动态特性直接相关的是吸热管与聚光镜，吸热管与聚光镜的动态能量平衡关系式如下：

MATLAB/Simulink软件内的Simscape模块包含机械、电气、热能、气体、流体等多个物理域的基础模块及其他详尽的分析工具，并支持基于物理过程，通过图形化编程采用各个基础模块构建动态仿真模型，具有原理简单、计算资源占用少等优点。因此，基于抛物槽式聚光集热器的聚光吸热过程，于MATLAB/Simulink软件的Simscape模块内构建仿真模型，如图2所示。其中，以Thermal fluid内的pipe部件模拟吸热管内部的吸热过程，其几何参数(如管径、管长)参考表1数据填写。

图2 抛物槽式聚光集热单元Simscape物理模型

吸热管既吸收聚光镜聚焦的太阳能量，又因温差而对外散热。由此，借助Simscape内Thermal 物理域部件进行构建。采用Controlled Heat Flow Rate Source模块模拟聚焦太阳能量输入，具体输入量依据给定的直射辐射强度、光学效率、入射角余弦值等确定。吸热管散热过程包含空气对流散热及热辐射过程散热2种形式。由此，分别借助Radiative Heat Transfer和Convective Heat Transfer这2个模块模拟热辐射及热对流过程。另一端加设Controlled Temperature Source模块，模拟环境散热端，数值依据环境温度数值给定。

(a) 热损失比较

(b) 效率比较

图3 抛物槽式聚光集热单元模型验证

Fig. 3 Model verification of parabolic trough collector unit

另外，为进一步验证本模型的有效性，在同等条件下(直射辐射强度为900W/m2，入射角为0°)，将本模型的效率计算结果和ET150型槽式聚光集热器的实验数据[24]进行比较，结果如图3(b)所示。可以看出，实验数据和计算结果之间最大的相对偏差为1.2%，平均相对偏差为0.18%，皆小于5%，足以证明模型的有效性。

1.3 抛物槽式聚光集热回路动态仿真模型

将已构建的聚光集热单元模型串联即构成了抛物槽式聚光集热器的动态模型，进一步将4个聚光集热器串联，即可得到抛物槽式聚光集热回路模型，如图4所示。此外，采用Thermal Fluid物理域内的Reservior模块分别模拟回路的冷管线入口和热管线出口。太阳直射辐射及入射角余弦等数值由Source and ambient模块计算确定。另外，抛物槽式聚光集热的主流吸热工质包含导热油、清洁工质水以及熔盐。此处选取应用最为广泛的VP-1型导热油作为传热工质进行计算，其物性依据物性手册数据[27]得出，并输入至Thermal Liquid Settings模块内。整个动态仿真模型采用固定时间步长的离散求解方法，时间步长设置为2s。

图4 抛物槽式聚光集热回路动态仿真模型

2 结果与讨论

2.1 动态特性

由式(1)可知，工质流量、环境温度、太阳入射角以及直射辐射强度等参数都会对抛物槽式聚光集热器的集热性能产生影响。其中，槽式太阳能集热器运行温度较高，并采用抽真空及选择性吸收涂层等方式降低散热损失，因而环境温度对聚光集热性能的影响较小。太阳入射角以及直射辐射强度都会对槽式太阳能吸热管接收的太阳能辐射能量产生影响，可选取一个物理量研究其变化对槽式太阳能聚光集热动态特性的影响。因此，本文选取直射辐射强度以及回路工质流量作为关键参数，研究其对槽式太阳能聚光集热动态特性的影响。

基于所构建模型，选取流量为8kg/s，入口温度为280℃，入射角余弦值为0.95，初始太阳直射辐射强度为600W/m2，研究直射辐射强度对槽式太阳能聚光集热动态性能的影响，结果如图5所示。

图5 直射辐射强度变动对槽式聚光集热出口温度影响

在与直射辐射强度变动动态特性研究同样的初始条件下，研究流量变动对槽式聚光集热动态特性的影响，结果如图6所示。可以看出，在同样的初始条件下，流量越小，其稳定出口温度越高。而与辐射阶跃变动不同的是，流量增加和减少导致的出口温度变化并不对称，流量减少导致的出口温度变化幅度更大。流量变动引起的聚光集热出口温度变化的动态趋势与辐射的动态影响一致，亦为先线性增加后渐趋平缓。与之不同的是，不同流量对应的稳定时间是不同的，流量越大，所需的稳定时间越短。

图6 工质流量变动对槽式聚光集热出口温度影响

辐射和流量变动程度对回路从初态回归稳态耗时影响不同，可以通过推导的方式予以解释。不考虑槽式吸热管散热等影响，槽式吸热管吸热过程可以简化为如图7所示的零维模型。

图7 抛物槽式太阳能吸热管吸热过程示意图

其中，在初始状态和最终状态条件下，管内流体的能量平衡式分别为：

在瞬态变化过程中，管内流体的能量平衡式如下：

针对式(8)进一步简化，可得

由式(10)可知，忽略散热损失等次要影响因素，辐射变动的绝对数值大小对于吸热管从初态到达稳态所需时间没有影响，但是流量变动会影响到所需时间。

2.2 动态调控策略

抛物槽式聚光集热器实际工作于辐射、环境温度等参数时常变动的条件之下，本文基于所获动态特性，研究抛物槽式太阳能在变幅照条件下的动态运行调控策略。

动态调控的主要目的是：在变幅照条件下维持槽式聚光集热参数稳定，即维持抛物槽式太阳能出口温度稳定或者按照要求变化。由此，基于比例积分(proportional integral，PI)动态调控模型如图8所示。其中，目标温度参考SEGS电站参数[6]设定为395℃，并添加限幅模块，防止流量过低或过高导致的系统振荡等问题。

动态控制目标如下：1）稳态的聚光集热温度等于目标设定温度；2）动态调控过程出口温度不得超过430℃(导热油热分解温度)；3）扰动后恢复稳定时间尽量短。在动态调控模型调控下，抛物槽式聚光集热出口温度在辐射跃升及下降条件下的动态变化过程如图9所示。可以看出，在辐射跃升条件下，出口温度皆在2500s内恢复到设定温度，且动态最高温度仅为407.46℃，低于热分解温度430℃，满足安全要求。此外，从图9(a)中亦可看出，辐射变动越大，其恢复目标值的时间反而越短，这是由于辐射数值越大，其对应的流量就越大。而从图6的动态特性可看出，流量越大，系统恢复稳定的时间越短。在辐射下降过程中也出现类似情形，辐射下降值越小(辐射数值越大)，系统出口温度的波动越小，反之则越大。虽然辐射下降会导致出口温度的波动，但该波动亦处于可接受范围内(±2℃)。

图8 抛物槽式太阳能聚光集热PI动态调控模型

(a) 辐射跃升

(b) 辐射下降

图9 变辐射动态调控过程聚光集热出口温度变化

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

2.3 典型日动态运行

选取华北地区(40.0°N，116.5°E)夏至日作为典型日，研究抛物槽式集热回路在该条件下的动态运行性能。动态运行结果如图10所示，可以看出，09:00之前，太阳辐射较小，槽式聚光集热回路暂不聚光集热。抛物槽式聚光集热之后，导热油出口温度迅速提升，并在10:00—10:30发生振荡，此为槽式聚光集热回路的冷启动过程。相应地，实时计算的抛物槽式动态聚光集热效率亦随之振荡。之后槽式聚光集热温度稳定在395℃左右，聚光集热效率亦与计算的稳态理想聚光集热效率重合；在15:00左右，太阳辐射量开始下降，此时系统通过减小流量进行调控，出口温度依旧在合理范围内，但是发生波动，动态集热效率又开始波动；到16:30，太阳辐射量下降幅度变大，系统停止运行，导热油出口温度亦随之下降。由此可见，动态调控策略作用下，在太阳辐射最强烈的时间段内，导热油出口温度能保持在较为理想的区间波动，系统的动态效率亦能保持在55%～65%。

图10 典型日变辐射动态运行性能

3 结论

针对抛物槽式太阳能热发电聚光集热过程，基于MATLAB/Simulink软件的Simscape环境构建了槽式太阳能集热回路的一维动态仿真模型，分析了太阳直射辐射和流量阶跃变化对槽式聚光集热动态特性的影响，基于PI调控给出了动态控制策略，并于典型日进行了动态模拟仿真，验证了控制策略的有效性。所得结论如下：

1）流量稳定，辐射阶跃变动时，不同辐射变动所需的稳定时间基本一致，约为430s；辐射稳定，流量变动时，流量越小，所需的稳定时间越短。

2）辐射正负变动导致的出口温度正负变动基本对称；流量提升对应的出口温度变化大于流量减小时出口温度的变化。

3）动态控制策略可在太阳辐射阶跃上升时，控制系统最高出口温度低于热分解温度，满足安全需求；在太阳辐射阶跃下降时，控制系统出口温度在393～397℃波动，并最终趋于稳定。

4）典型日变工况运行条件下，工作时段系统稳态出口温度基本保持在395℃左右，实时动态效率基本等于稳态理想聚光集热效率，为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。

国家自然科学基金青年基金项目(52106014)。

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

(责任编辑 尚彩娟)