一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的能量管理装置的制作方法

本发明涉及能量利用控制技术领域，具体涉及一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的能量管理装置。

背景技术：

海洋温差能属低品位能源，目前没有大规模商业化应用的主要原因是循环热效率低。提高otec系统循环热效率最有效的途径是提高冷、温海水的温差，但因技术限制，冷海水的抽取深度难以进一步加深。如何高效利用海洋温差能，促进我国南海地区经济发展，解决国防建设对能源电力的急切需求成为了必须面临的问题。考虑到海洋温差能储量丰富的地区，同样具有良好的太阳能资源，若将太阳能作为otec发电系统的辅助能源，可明显提高otec系统发电效率。

由于太阳能的不稳定性和不连续性，为了合理并充分利用太阳能，确保太阳能辅助海洋温差发电系统的连续性，系统要求控制系统能够根据负载需要和外界环境变化及时调整设备状态，以维持稳定发电效率，方便管理人员操控和监测。针对提出的太阳能辅助海洋温差发电系统，设计一套有效和稳定的能量管理装置十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的能量管理装置，能够根据负载需要和外界环境变化及时调整设备状态，以维持稳定发电效率，方便管理人员操控和监测。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的能量管理装置，其特征在于包括辐照度传感器、温度传感器、流量传感器、模拟量单元、plc控制系统、人机界面和上位机；温度传感器包括蓄热水温度传感器和蒸发器出口工质温度传感器，蓄热水温度传感器安装在蓄热水箱13内的上部(测量蓄热水箱内部温度)，蒸发器出口工质温度传感器安装在蒸发器9的工质出口(测量蒸发器出口工质温度)；流量传感器包括导热油流量传感器、蓄热水流量传感器、冷海水流量传感器和工质流量传感器，导热油流量传感器安装在导热油泵11的输出端(或与输出端相连的管路上)，蓄热水流量传感器安装在蓄热水箱13的进口处或出口处的管路上，冷海水流量传感器安装在冷海水泵24的输出端(或与输出端相连的管路上)，工质流量传感器安装在工质泵28的输出口(或与输出端相连的管路上)；辐照度传感器、蓄热水温度传感器、蒸发器出口工质温度传感器、导热油流量传感器、蓄热水流量传感器、冷海水流量传感器和工质流量传感器的输出端分别由信号线与模拟量单元的输入端相连；模拟量单元的输出端与plc控制系统的信号输入端相连，plc控制系统与人机界面相连，plc控制系统与上位机无线通讯连接；温海水泵6、蓄热水泵(或称淡水泵)15、冷海水泵24、工质泵28分别与plc控制系统的控制端相连(滑油泵20与plc控制系统的控制端相连)；与太阳能集热器10的输出端相连的管路(导热油管路)上的三通阀3与plc控制系统的控制端相连；

所述模拟量单元采集辐照强度、蓄热水温度、蒸发器出口工质温度等信号输出，所述plc控制系统结合采集到的信号利用模糊pid控制算法输出控制信号，调节温海水泵6、蓄热水泵15、冷海水泵24、工质泵28的转速以及三通阀的旁通活门的开度，对太阳能辅助海洋温差发电系统相应工况下温海水流量、导热油流量、蓄热水流量(即淡水流量)、冷海水流量及工质流量进行控制(流量大小进行控制，即进行能量管理)，自动调整发电系统工作状态，实现全天候高效发电。

进一步的，辐照度传感器安装设置的立柱上(立柱可安装在太阳能集热器的支撑架上)。

进一步的，所述plc控制系统采用模糊pid控制算法，根据实时辐照强度、蓄热水温度、蒸发器出口工质温度与设定值的偏差及偏差率对pid参数在线调节。

所述输出端根据plc控制系统输出信号控制白天/夜间工况相应蓄热水泵、工质泵、冷海水泵的以及三通阀旁通活门的开度，实现太阳能辅助海洋温差发电系统的能量分配控制。

所述人机界面完成系统和用户信息交互、报警显示以及手动/自动控制模式功能切换。

进一步的，plc控制系统以abbac500系列plc为核心。

进一步的，还包括压力传感器，压力传感器安装在蓄热水箱13内，压力传感器由信号线与模拟量单元的输入端相连。

模糊能量管理装置的工作原理为：plc控制系统(plc控制器)采集各传感器温度输入信号与设定温度得到温度偏差(et)与温度偏差变化率(ect)，利用模糊pid控制算法调节各输送泵的转速以及导热油的三通阀旁通活门的开度，从而对系统相应工况下导热油流量、蓄热水流量、冷海水流量及工质流量进行控制。

蓄热水箱控制过程为：plc控制系统首先读取辐照强度传感器和蓄热水箱温度信号，利用模糊pid控制算法计算温度偏差及其变化率，经过输入量模糊化，模糊推理，输出量清晰化，对pid的三个参数(kp、ki和kd)进行不断调整，进而调节三通阀(导热油的)的旁通活门的开度和蓄热水泵转速，从而对系统相应工况下导热油流量和蓄热水输出流量进行控制，从而调节蓄热水箱温度(对蓄热水箱输出温度进行自动控制)，从而根据实时温度、流量参数实现最高发电效率(达到最佳的控制效果)。

由工质温度传感器采集的信号输入plc控制系统(plc控制器)，结合蓄热水温度得出实时工况下工质和冷海水最佳流量，控制输送泵转速，从而实现全天候高效稳定发电。

以plc为核心,利用模糊pid控制算法，将太阳能和海洋温差能通过太阳能辅热模块和otec发电模块实现高效利用，实时监测辐照强度、蓄热水温度及蒸发器出口工质温度，利用模糊pid算法精确控制热源水和工质的流量分配和输送泵转速、阀门开度，自动调整发电系统工作状态。把pid控制和模糊控制结合起来，利用模糊pid控制器整定pid控制的3个参数，改善了控制效果。plc和人机界面结合可以充分发挥plc强大的工作效率和性能以及hmi技术的直观和便于监控的优势，从而整体提升系统的人机交互和控制性能。

所述能量管理装置以plc为控制核心，采集辐照强度、蓄热水温度、蒸发器出口工质温度等信号，当辐照强度和蓄热水温度降低时，经模糊pid策略运算输出控制工质泵的转速和阀门的开度，从而调整热源水和工质的流量，自动调整发电系统工作状态。所述人机界面完成系统和用户信息交互、报警显示和交互信息手动/自动控制模式功能切换。能量管理装置可实现太阳能辅助海洋温差发电系统的能量分配，高效利用太阳能和海洋温差能，实现太阳能辅助海洋温差发电系统的全天候高效稳定运行。

传统的蓄热水箱温控系统中存在较大的滞后性和非线性等问题，而常规的pid控制算法只能对线性的控制对象有效，在温度控制不稳定的控制过程，常规的pid控制参数很难适应，所以本发明系统采用模糊自适应的控制算法，通过传感器的实时采集数据传送至plc中对pid的在线调节，从而完成实时控制，保证控制系统具有良好的自适应能力，从而充分高效利用海洋温差能和太阳能。

传统的pid控制方法对蓄热水箱温度控制中纯延迟的惯性环节控制效果不理想。所以本发明采用模糊pid控制方法对系统的温度进行控制，确定pid中kp、ki和kd与e和ec之间的模糊关系，在控制过程中循环计算e和ec的值。kp、ki和kd的值根据模糊控制原理进行在线调整，让系统动、静态性能达到控制要求，以达到理想的控制效果。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于plc控制系统(plc控制器)，利用模糊pid控制算法，将太阳能和海洋温差能通过太阳能辅热模块和otec发电模块实现高效利用，实时监测辐照强度、蓄热水温度及蒸发器出口工质温度，利用模糊pid算法精确控制热源水、工质的流量分配和各输送泵转速、三通阀的阀门开度，自动调整发电系统工作状态，实现模式的自动切换。

2、在传统pid温度控制系统中存在较大的滞后性和非线性等问题，所以系统采用模糊自适应的控制算法，通过传感器的实时采集数据传送至plc控制系统中对pid的在线调节，从而完成实时控制，保证控制系统具有良好的自适应能力，并实现人机交互，高效利用海洋温差能和太阳能的同时方便现场管理。

3、能够根据负载需要和外界环境变化及时调整设备状态，以维持稳定发电效率，方便管理人员操控和监测。由工质温度传感器采集的信号输入plc控制系统，结合蓄热水温度，得出实时工况下的工质和冷海水最佳流量，控制输送泵转速，从而实现全天候高效温度发电，充分实现海洋温差能和太阳能的合理利用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明太阳能辅助海洋温差发电系统的结构示意图。

图2是本发明用于太阳能辅助海洋温差发电系统的能量管理装置的结构示意图。

图3是本发明模糊pid控制结构图。

图4是本发明用于太阳能辅助海洋温差发电系统能量管理装置控制算法流程图。

图1中：1、太阳能辅热模块；2、otec发电模块；3、三通阀；4、大海；5、第一海水管；6、温海水泵；7、第二海水管；8、预热器；9、蒸发器；10、太阳能集热器；11、导热油泵；12、导热油罐；13、蓄热水箱；14、换热盘管；15、蓄热水泵；16、汽轮机；17、发电机；18、负载；19、储油罐；20、滑油泵；21、油分离器；22、管路；23、冷凝器；24、冷海水泵；25、第三海水管；26、第四海水管；27、管路；28、工质泵；29-旁通管。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图理解，此处所描述具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的能量管理装置，包括辐照度传感器(或称辐照强度传感器)、温度传感器、流量传感器(或称液体流量传感器)、模拟量单元(信号采集单元)、plc控制系统(plc控制单元、plc控制电路)、人机界面和上位机；辐照度传感器安装设置的立柱上(立柱可安装在太阳能集热器的支撑架上)；温度传感器包括蓄热水温度传感器和蒸发器出口工质温度传感器，蓄热水温度传感器安装在蓄热水箱13内的上部(测量蓄热水箱内部温度)，蒸发器出口工质温度传感器安装在蒸发器9的工质出口(测量蒸发器出口工质温度)；流量传感器包括导热油流量传感器、蓄热水流量传感器、冷海水流量传感器和工质流量传感器，导热油流量传感器安装在导热油泵11的输出端(或与输出端相连的管路上)，蓄热水流量传感器安装在蓄热水箱13的进口处或出口处的管路上，冷海水流量传感器安装在冷海水泵24的输出端(或与输出端相连的管路上)，工质流量传感器安装在工质泵28的输出口(或与输出端相连的管路上)；辐照度传感器、蓄热水温度传感器、蒸发器出口工质温度传感器、导热油流量传感器、蓄热水流量传感器、冷海水流量传感器和工质流量传感器的输出端分别由信号线与模拟量单元的输入端相连；模拟量单元的输出端与plc控制系统(plc控制电路)的信号输入端相连，plc控制系统与人机界面相连，plc控制系统与上位机无线通讯连接；温海水泵6、蓄热水泵(或称淡水泵)15、冷海水泵24、工质泵28分别与plc控制系统的控制端相连(滑油泵20与plc控制系统的控制端相连)；与太阳能集热器10的输出端相连的管路(导热油管路)上的三通阀3与plc控制系统的控制端相连；

所述模拟量单元采集辐照强度、蓄热水温度、蒸发器出口工质温度等信号输出，所述plc控制系统结合采集到的信号利用模糊pid控制算法调节温海水泵6、蓄热水泵15、冷海水泵24、工质泵28的转速以及三通阀的旁通活门的开度，对太阳能辅助海洋温差发电系统相应工况下温海水流量、导热油流量、蓄热水流量(即淡水流量)、冷海水流量及工质流量进行控制(流量大小进行控制，即进行能量管理)，自动调整发电系统工作状态，实现全天候高效发电。

进一步的，辐照度传感器安装设置的立柱上，立柱可安装在太阳能集热器的支撑架上。

所述人机界面完成系统和用户信息交互、报警显示以及手动/自动控制模式功能切换。

进一步的，plc控制系统以abbac500系列plc为核心。

进一步的，还包括压力传感器，压力传感器安装在蓄热水箱13内(测量蓄热水箱内水的压力)，压力传感器由信号线与模拟量单元的输入端相连。

结合图3所示，蓄热水箱控制过程为：plc控制系统首先读取辐照强度传感器和蓄热水箱温度信号，利用模糊pid控制算法计算温度偏差及其变化率，经过输入量模糊化，模糊推理，输出量清晰化，对pid的三个参数(kp、ki和kd)进行不断调整，进而调节三通阀(导热油的)的旁通活门的开度和蓄热水泵转速，从而对系统相应工况下导热油流量和蓄热水输出流量进行控制，从而调节蓄热水箱温度(对蓄热水箱输出温度进行自动控制)，从而根据实时温度、流量参数实现最高发电效率(达到最佳的控制效果)。

模糊pid算法根据输入量的偏差和偏差变化率进行计算，经过输入量模糊化，模糊推理，输出量清晰化，对pid的三个参数进行不断调整，以达到最佳的控制效果。模糊pid算法具有模型简单，鲁棒性强，适用性广等优点。模糊pid控制结构如图3所示。

结合图4所示，主程序中首先读取辐照强度和蓄热水箱温度信息，计算温度偏差及其变化率，通过模糊pid调节器模糊化、查询模糊规则表、去模糊化、计算pid控制器输出值，输出信号控制导热油三通阀旁通活门的开度和蓄热水泵转速，从而调节蓄热水箱输出温度。之后工质温度传感器输出信号，结合蓄热随温度计算最优发电效率下各工况相应的流量，调节输出泵转速进而实现最佳能源利用效率。

太阳能辅助海洋温差发电系统，该发电系统以低沸点有机工质作为循环工质，太阳能和表层温海水为热源，海洋深层900-1100米的冷海水作为冷源，通过有机朗肯循环实现热功转换，过热工质气体进入汽轮机推动叶轮旋转，驱动发电机发电。

如图1所示，一种太阳能辅助海洋温差发电系统，包括太阳能辅热模块1、otec发电模块2、能量管理装置(或称plc能量管理模块)；otec发电模块2以低沸点的有机工质(如：低沸点的液氨)作为循环工质，以大海(海洋)表层温海水为热源对有机工质进行预热，太阳能辅热模块1的太阳能作为补充热源对有机工质进行二次加热(提升工质在膨胀机前的过热度)；大海(海洋)深层900-1100米的冷海水作为冷源，通过有机朗肯循环实现热功转换，过热工质气体进入汽轮机推动叶轮旋转，驱动发电机发电；能量管理装置对太阳能辅热模块1和otec发电模块2实现能量调度和运行控制。

所述太阳能辅热模块1选用导热油作为中间介质，导热油泵11将导热油罐12中导热油通过太阳能集热器10吸收太阳辐射能，再通过蓄热水箱13内的换热盘管14将热量传递到蓄热水箱中的淡水，换热后导热油回到导热油罐12；蓄热水箱中的淡水通过蒸发器9对otec发电模块2中的经大海表层温海水预热后的有机工质进行二次加热(有机工质热交换后形成过热工质气体)。

所述otec发电模块2将有机工质(如：液氨)由工质泵28加压输送到以表层温海水为热源的预热器8预热，液氨等压吸热后进入蒸发器9，湿蒸汽状态的工质在蒸发器中被高温热源水二次加热变成过热工质气体，过热工质气体进入汽轮机后流经喷嘴膨胀为高速气流，推动汽轮机叶轮旋转，驱动发电机发电；从汽轮机排出的氨气经冷凝器23冷却成液氨，冷疑器23由海洋深层低温海水作为冷却液，再由工质泵加压后送入预热器8，完成工质动力循环过程。

所述能量管理装置控制导热油泵11，将导热油通过太阳能集热器10吸收太阳能后再通过换热盘管14将热量传递到蓄热水箱13内的水实现热量的储存；所述能量管理装置控制蓄热水泵(或称淡水泵)15将蓄热水箱13中的高温热源水通入蒸发器9中与工质换热，实现循环工质的蒸发与过热。

参照图1、图2，太阳能辅热模块1包括太阳能集热器10、导热油泵11、导热油罐12、蓄热水箱13、换热盘管14、蒸发器9(通过管路依次连接并形成回路)；太阳能集热器10的输出端由管路与换热盘管14的输入端相连通，所述管路上安装有三通阀3(三通阀的旁通活口由旁通管29与导热油罐12相连通)，换热盘管14的输出端由管路与导热油罐12的输入端相连通，导热油罐12内装有导热油，换热盘管14位于蓄热水箱13内(换热盘管14位于蓄热水箱13内的水中)，蓄热水箱13内装有用于进行热交换的水(淡水)；导热油罐12的输出端由管路与导热油泵11的输入端相连通，导热油泵11的输出端由管路与阳能集热器10的输入端相连通，导热油泵11由导线与能量管理装置的控制端相连。由于配置了蓄热水箱，系统可实现全天候稳定发电。

参照图1、图2，otec发电模块2包括第一海水管5、温海水泵6、第二海水管7、预热器8、蒸发器9、蓄热水泵(或称淡水泵)15、汽轮机16、发电机17、储油罐19、滑油泵20、油分离器21、冷凝器23、冷海水泵24、第三海水管25、第四海水管26、工质泵28；第二海水管7的输入端位于大海4的表层内，第二海水管7的输出端与预热器8的第一介质(温海水)的输入端相连通，第二海水管7上安装有温海水泵6(利用大海4表层25℃左右的温海水作为预热源，温海水被温海水泵6通过海水管7送入预热器8中)，预热器8的第一介质(温海水)的输出端与第一海水管5的输入端相连通；预热器8的第二介质(有机工质，或称饱和液相工质氨)的输出端由管路与蒸发器9的工质入口{即第二介质入口相连通(工质，或称饱和液相工质氨)，蒸发器9的工质出口由管路与汽轮机16的工质气体输入端相连通；汽轮机16的输出轴由联轴器与发电机17的旋转轴相连(工质在蒸发器9中进一步吸热、蒸发后变成过热气体，具有一定压力、温度的过热工质气体进入汽轮机16后流经喷嘴膨胀为高速气流，推动汽轮机16的叶轮旋转，带动发电机17发电并输送给负载18)，发电机17的电源输出端由电源线与负载18相连；蓄热水泵(或称淡水泵)15的输入端由管路与太阳能辅热模块1的蓄热水箱13的循环淡水输出口相连通，蓄热水泵(或称淡水泵)15的输出端由管路与蒸发器9的第一介质(循环的淡水)的输入端相连通，蒸发器9的第一介质(循环的淡水)的输出端由管路与蓄热水箱13的循环淡水输入口相连通；

汽轮机16的工质气体输出端由管路与油分离器21相连通；油分离器21的油出口由管路与储油罐19相连通，储油罐19的输出口由管路与滑油泵20的输入口相连通，滑油泵20的输出口由管路与汽轮机16的滑油输入口相连通；油分离器21的工质气体(即过热氨气)出口由管路22与冷凝器23的第二介质(工质，或称工质氨)的输入端相连通，冷凝器23的第二介质(工质，或称工质氨)的输出端由管路27与工质泵28的输入口相连通，工质泵28的输出口(输出端)由管路与预热器8的第二介质(饱和液相工质氨)的输入端相连通；第三海水管25的输入端位于大海4深度900-1100m处，第三海水管25的输出端与冷海水泵24的输入端相连通，冷海水泵24的输出端由管路与冷凝器23的第一介质(冷海水)的输入端相连通；冷凝器23的第一介质(冷海水)的输出端与第四海水管26的输入端相连通(由汽轮机16排出的过热氨气，沿管路22进入冷凝器23；冷海水泵24抽取大海4深度1000m左右、5℃左右的冷海水作为冷源，冷海水通过海水管25进入冷凝器23冷凝过热氨气，然后从海水管26排出；过热氨气被冷凝为液氨，沿管路27进入工质泵28继续进行循环)；温海水泵6、蓄热水泵(或称淡水泵)15、滑油泵20、冷海水泵24、工质泵28分别与能量管理装置的控制端相连。

参照图1，otec发电模块2利用大海4表层25℃左右的温海水作为预热源，温海水被温海水泵6通过第二海水管7送入预热器8。有机工质(饱和液相工质氨)被工质泵28绝热压缩后，输送到预热器8与预热器8内的大海4表层的温海水进行热量交换，等压吸热后进入蒸发器9，预热器8内经过热交换后的温海水则从预热器8通过第一海水管5排出。蓄热水箱13内的循环淡水被导热油加热为高温热源水，然后流入蒸发器9，与湿蒸汽状态的工质在蒸发器9中进行换热。工质在蒸发器9中进一步吸热、蒸发后变成过热气体，具有一定压力、温度的过热工质气体进入汽轮机16后流经喷嘴膨胀为高速气流，推动汽轮机16的叶轮旋转，带动发电机17发电并输送给负载18。汽轮机16配有一套滑油系统，储油罐19储存的润滑油被滑油泵20输送到汽轮机16内润滑和冷却各个轴承，润滑结束后，润滑油与混入润滑油中的少量工质通过油分离器21，润滑油被分离后进入储油罐19继续循环。

参照图1，由汽轮机16排出的过热氨气，沿管路22进入冷凝器23。冷海水泵24抽取大海4深度900-1100m(优选1000m)、4-6℃(优选5℃)的冷海水作为冷源，冷海水通过第三海水管25进入冷凝器23冷凝过热氨气，然后从第四海水管26排出。过热氨气被冷凝为液氨，沿管路27进入工质泵28继续进行循环。

所述otec发电模块的汽轮机的各个轴承需要油润滑和冷却，每台汽轮机都配有一套滑油系统。