塔式太阳能电站接收器的运行优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能发电技术领域，特别是涉及接收器装置，提供了一种针对塔式 太阳能接收器的运行优化方法。
【背景技术】
[0002] 塔式太阳能热电站利用多个独立跟踪太阳的定日镜装置，将太阳光聚焦到一个固 定在接收塔顶部的接收器上，加热流经接收器内部的传热介质成为高温工质，再利用高温 工质的热能带动汽轮机、发电机发电。它是所有大规模太阳能发电技术中成本最低、聚光集 热效率最高的一种，有着广泛的应用前景。
[0003] 在塔式太阳能热电站中，接收器的功能是吸收定日镜聚焦的太阳能并用于加热其 内部流动的传热介质产生高温热能。传热介质的工作温度将影响整个电站的净发电效率， 传统上认为传热介质的工作温度越高越好，这是因为温度越高功率转换系统（一般为朗肯 循环系统）的效率越高且系统消耗的栗能也将越小。然而，传热工质工作温度的增高必然 会导致系统热损失的增大。因此，在太阳能电站中，对传热工质工作温度进行优化具有重要 的意义。
[0004] 目前国内外对太阳能接收器运行优化的研究很少。在现有的接收器运行优化的研 究中，有的技术将功率转换系统的转换效率视为与接收器运行温度无关的常数，忽略接收 器出口温度对功率转换系统的影响；有的技术在运行优化过程中采用的接收器模型为集总 参数模型，忽略了接收器的典型分布参数特性，不能很好地反映电站实际情况。
【发明内容】
[0005] 本发明提供了一种塔式太阳能热电站接收器的运行优化方法，保证接收器平稳运 行的前提下，同时提高了电站的净发电量，为塔式太阳能电站的商业化运行提供了参考。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] -种塔式太阳能电站接收器的运行优化方法的步骤如下：
[0008] 1)搭建塔式太阳能电站接收器的分布参数模型并仿真得到不同光照强度下，当电 站净发电效率最高时，接收器出口温度的数值；
[0009] 2)设计PID控制器，其中控制器的控制变量为接收器入口处传热介质流速，被控 变量为接收器出口处传热介质温度；
[0010] 3)以全天电站净发电量最大为优化目标，构造优化问题；
[0011] 4)通过CVP_SS将连续NLP优化问题的控制变量离散化，进而采用SQP算法进行求 解，得到电站全天发电量最大时接收器出口处传热介质温度设定值的变化曲线。
[0012] 所述的步骤1)为：
[0013] 1. 1根据能量守恒方程，接收器的分布参数模型为：
[0014]
[0015]
^
[0016] 其中，&为接收器管壁内表面面积，为定日镜场总面积，A。为接收器管道受 光面外部面积，(；为接收器管壁比热，Cf为传热介质比热，h 接收器管壁与内部传热介质 对流换热系数，h。为接收器管壁与外部环境对流换热系数，I为光照强度，m为传热介质流 速，t为时间，Ta为环境温度，Tf为传热介质温度，T"为接收器管壁温度，Vf为接收器管道内 传热介质体积，Vn为接收器管壁体积，x为接收器长度，e黑度，n_为镜场综合效率，Pf 为传热介质密度，pn为接收器管壁密度，〇为黑体辐射常数；
[0017] 1. 2选取太阳光照强度I分别为I。、IQ+A、1。+2A、1。+3A、1。+4A的典型值；其中 Ic为电站能否发电的最低光照强度，Ic+4A为一天内最大光照强度；
[0018] 1. 3塔式太阳能电站接收器部件的运行优化需要对功率转换系统以及电栗做如下 计算：
[0019] 功率转换系统等效为一个朗肯循环模型，其转换效率qMnk为：
[0020]
O)
[0021] 其中，了^为接收器出口处温度，
[0022] 电栗消耗的功率P_p为：
[0023]
C4)
[0024] 其中，I、1(2与g为常数，L为管道的长度，d为管道的直径；
[0025] 同时，接收器内流动的传热介质吸收的功率PSC]1v为：
[0026] Psolar=mCf(Tout_Tfin) (5)
[0027] 因此，电站在某固定太阳光照强度下的净发电功率P"fit为：
[0028]
(6)
[0029] 1. 4仿真得到不同光照强度I下电站净发电效率关于接收器出口处传热介质温度 的曲线，其中，净发电效率的计算公式为：
[0030]
(7)
[0031] 其中，I为步骤1. 2中选定的某一典型值，
[0032] 1.5通过曲线观察电站净发电效率关于接收器出口处传热介质温度的关系，得到 当净发电效率最高时，接收器出口处传热介质的温度。
[0033] 所述的步骤2)为：
[0034] 采用前馈加单回路反馈的复合控制系统，确定前馈控制器的Kpl以及单回路反馈 控制器的&2与K:，使得被控变量接收器出口处传热介质温度能够跟踪设定值。
[0035] 所述的步骤3)为：
[0036] 当不考虑电价变化的影响时，电站收益的影响因素是能量转换过程中的热损失以 及运行的操作成本，即电站能够提供的净发电量，电站一天内n个小时的总发电量为各个 小时发电量的积分，考虑到实际意义，以决策变量即优化变量为接收器出口处传热介质温 度的设定值、全天电站净发电量最大为优化目标的优化命题可描述为：
[0037] (8；
[0038]
[0039] 。
[0040] 所述的步骤4)为：
[0041] 步骤3)中的优化命题为连续的非线性问题，在求解上采用基于控制向量参数化 方法的CVP_SS方法，仅离散化控制向量而保持状态向量不变，将两点边界值问题转化为初 值问题进行求解，具体实现步骤如下：
[0042] 4. 1初始化，设定时间分段常数N，将时间区间[0,T]分成N段，每段的时间长度为 Sk，k= 1，…，N，这些量不一定要全部相等，但是要满足下列的方程：
[0043]
(9)
[0044]将控制变量u(t)即优化问题的决策变量按照时间的分段离散成参数向量G，动 态优化问题就转化为非线性规划问题；
[0045] 4. 2设定参数向量的初始值（/，置j= 0,其中，k表示第k个时间分段；
[0046] 4. 3根据计算得到目标函数值Q];
[0047] 4. 4计算梯度信息▽Qj，并根据梯度基于SQP算法获得下一迭代点C'+1>;
[0048] 4. 5若满足停止准则，则算法终止；否则，置j=j+1 ;重复步骤4. 3和4. 4。
【附图说明】
[0049] 图1是塔式太阳能热电站接收器运行优化方法流程图；
[0050] 图2是实例中的接收器内传热介质流动示意图；
[0051 ]图3是实例中的接收器控制系统方块图；
[0052] 图4是实例中电站净发电效率在不同光照强度下随温度变化的曲线；
[0053] 图5是实例中太阳光照强度变化曲线；
[0054] 图6是实例中电站发电量优化结果与未优化结果对比。
【具体实施方式】
[0055] 如图1所示，一种塔式太阳能电站接收器的运行优化方法的步骤如下：
[0056] 1)搭建塔式太阳能电站接收器的分布参数模型并仿真得到不同光照强度下，当电 站净发电效率最高时，接收器出口温度的数值；
[0057] 2)设计PID控制器，其中控制器的控制变量为接收器入口处传热介质流速，被控 变量为接收器出口处传热介质温度；
[0058] 3)以全天电站净发电量最大为优化目标，构造优化问题；
[0059] 4)通过CVP_SS将连续NLP优化问题的控制变量离散化，进而采用SQP算法进行求 解，得到电站全天发电量最大时接收器出口处传热介质温度设定值的变化曲线。
[0060] 所述的步骤1)为：
[0061] 1. 1根据能量守恒方程，接收器的分布参数模型为：
[0062]
[0063]
[0064] 其中，&为接收器管壁内表面面积，为定日镜场总面积，A。为接收器管道受 光面外部面积，(；为接收器管壁比热，Cf为传热介质比热，h 接收器管壁与内部传热介质 对流换热系数，h。为接收器管壁与外部环境对流换热系数，I为光照强度，m为传热介质流 速，t为时间，Ta为环境温度，Tf为传热介质温度，T"为接收器管壁温度，Vf为接收器管道内 传热介质体积，Vn为接收器管壁体积，x为接收器长度，e黑度，n_为镜场综合效率，Pf 为传热介质密度，pn为接收器管壁密度，〇为黑体辐射常数；
[0065] 1. 2选取太阳光照强度I分别为I。、IQ+A、1。+2A、1。+3A、1。+4A的典型值；其中 Ic为电站能否发电的最低光照强度，Ic+4A为一天内最大光照强度；
[0066] 1. 3塔式太阳能电站接收器部件的运行优化需要对功率转换系统以及电栗做如下 计算：
[0067] 功率转换系统等效为一个朗肯循环模型，其转换效率qMnk为：
[0068](3? \
out/
[0069] 其中，1^为接收器出口处温度，
[0070] 电栗消耗的功