拋物槽式聚光太陽(yáng)能集熱回路動(dòng)態(tài)特性研究

劉蘭華，狄林文，董興萬(wàn)，王瑞林

拋物槽式聚光太陽(yáng)能集熱回路動(dòng)態(tài)特性研究

劉蘭華，狄林文，董興萬(wàn)，王瑞林*

（南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省 南京市 210042）

太陽(yáng)輻射存在間歇性和不穩(wěn)定性，其動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性影響拋物槽式太陽(yáng)能集熱器集熱參數(shù)的穩(wěn)定輸出，因此，針對(duì)拋物槽式太陽(yáng)能集熱器開(kāi)展聚光集熱過(guò)程動(dòng)態(tài)特性研究極為重要?；贛ATLAB/Simulink軟件內(nèi)的Simscape環(huán)境，構(gòu)建了拋物槽式太陽(yáng)能聚光集熱一維回路的動(dòng)態(tài)仿真模型?；谒?yàn)證的動(dòng)態(tài)仿真模型，獲得了工質(zhì)流量及太陽(yáng)直射輻射2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)槽式回路出口溫度的影響規(guī)律。根據(jù)所獲規(guī)律，基于比例積分控制，構(gòu)建了槽式一維回路的動(dòng)態(tài)調(diào)控策略，結(jié)果表明：該控制策略可在太陽(yáng)直射輻射躍升時(shí)使系統(tǒng)聚光集熱溫度在2500s內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度395℃；而在太陽(yáng)直射輻射下降時(shí)將輸出溫度波動(dòng)維持在±2℃以?xún)?nèi)。基于所構(gòu)建的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制策略進(jìn)行了系統(tǒng)典型日變工況運(yùn)行，結(jié)果表明：系統(tǒng)可在變工況條件下維持聚光集熱溫度穩(wěn)定，聚光集熱效率接近理想值，達(dá)到控制目的。研究為拋物槽式太陽(yáng)能聚光集熱回路動(dòng)態(tài)仿真模型構(gòu)建提供了新方法，所得結(jié)果可為槽式聚光集熱動(dòng)態(tài)運(yùn)行提供借鑒。

太陽(yáng)能熱發(fā)電；拋物槽式太陽(yáng)能集熱器；動(dòng)態(tài)仿真模型

0 引言

太陽(yáng)能發(fā)電是目前發(fā)展最為迅速的清潔能源發(fā)電技術(shù)[1]。2018年，太陽(yáng)能發(fā)電新增裝機(jī)容量達(dá)到103GW，占全球清潔能源新增裝機(jī)容量的56.19%[2]。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)主要包含光伏發(fā)電和聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)2種[3]。光伏發(fā)電由于技術(shù)相對(duì)成熟，目前已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用。但是，太陽(yáng)輻射存在不穩(wěn)定、不連續(xù)的特點(diǎn)，而光伏電池發(fā)電功率基本與太陽(yáng)輻射同步，在大規(guī)模低成本的儲(chǔ)電技術(shù)還不成熟的背景下，光伏電池發(fā)電功率的不穩(wěn)定性會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成較大沖擊[4-5]。因此，可借助低成本儲(chǔ)熱實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)逐漸受到關(guān)注。

聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電主要包含拋物槽式、線(xiàn)性菲涅爾式、塔式以及碟式4種形式[6]。拋物槽式聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電是目前發(fā)展最快的聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)[7]，據(jù)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(national renewable energy laboratory，NREL)統(tǒng)計(jì)，已建成并投產(chǎn)的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量為4.7GW，占太陽(yáng)能熱發(fā)電總裝機(jī)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(yáng)光聚焦于焦線(xiàn)處的真空吸熱管上，并將之轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)特性及控制策略需進(jìn)一步改善等問(wèn)題。針對(duì)聚光集熱效率不高的問(wèn)題，Kabir等[9]提出以水作為吸熱工質(zhì)，代替合成導(dǎo)熱油的直接產(chǎn)生蒸汽(direct steam generation，DSG)技術(shù)，并指出以水作為工質(zhì)可允許更高的運(yùn)行溫度，能簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在成本降低和節(jié)能環(huán)保方面具有廣闊前景。當(dāng)然，該技術(shù)目前也面臨工質(zhì)高溫高壓運(yùn)行條件對(duì)運(yùn)行調(diào)節(jié)及蒸汽存儲(chǔ)等方面的挑戰(zhàn)[10]。拋物槽式集熱器目前多為南北軸固定、東西旋轉(zhuǎn)的跟蹤方式，聚光集熱效率隨季節(jié)變化較大(夏季60%以上，冬季約為30%[11])。對(duì)此，Sun等[12-13]采用模擬及實(shí)驗(yàn)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(yáng)能冬季聚光集熱效率提升約10個(gè)百分點(diǎn)，全年提升約5個(gè)百分點(diǎn)。Qiu等[14]采用蒙特卡羅光線(xiàn)追跡及三維有限容積相結(jié)合的方法，研究了非均勻能流密度條件下拋物槽式等線(xiàn)性聚焦集熱過(guò)程中的光熱轉(zhuǎn)換特性。Zarza等[15]通過(guò){Zarza, 2006 #88;Zarza, 2006 #88}搭建試驗(yàn)臺(tái)對(duì)槽式聚光集熱場(chǎng)開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[16-17]則構(gòu)建了拋物槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電綜合性能的評(píng)估模型，并進(jìn)行了太陽(yáng)能輸出功率與儲(chǔ)熱容量配比的研究。

從以上研究可知，拋物槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電相關(guān)研究多集中于新型工質(zhì)、跟蹤方式改進(jìn)、熱應(yīng)力及綜合性能提升等方面。但太陽(yáng)輻射存在間歇性和不穩(wěn)定性，其動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性影響拋物槽式集熱器集熱參數(shù)的穩(wěn)定輸出，針對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱器開(kāi)展聚光集熱過(guò)程動(dòng)態(tài)特性研究亦非常重要。李陸[18]基于自編程的程序軟件，針對(duì)DSG拋物槽式太陽(yáng)能集熱回路動(dòng)態(tài)特性開(kāi)展研究。Wang等[19]構(gòu)建了拋物槽式太陽(yáng)能聚光集熱器模型，針對(duì)交變熱流的動(dòng)態(tài)條件下拋物槽式聚光集熱器的熱應(yīng)力形變及相應(yīng)的聚光集熱性能變動(dòng)開(kāi)展了研究。Zhang等[20]研究了風(fēng)載荷變動(dòng)對(duì)拋物槽式聚光集熱器的動(dòng)態(tài)影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)載荷變動(dòng)會(huì)導(dǎo)致拋物槽式集熱器光學(xué)效率降低約19.85%。Meaburn等[21]針對(duì)槽式集熱回路低頻振蕩問(wèn)題，采用前饋補(bǔ)償調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)了基于預(yù)測(cè)性控制的改善。Cirre等[22]建立了線(xiàn)性化的反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小規(guī)模太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)、定值追蹤和抗干擾控制的優(yōu)化運(yùn)行。從以上研究可知，當(dāng)前多采用自編程[18]或者商業(yè)軟件等[23]開(kāi)展研究，存在難度較高、計(jì)算資源占用較多等問(wèn)題。

為此，本文擬基于MATLAB/Simulink軟件內(nèi)計(jì)算資源占用少、準(zhǔn)確度高的Simscape環(huán)境，提出拋物槽式太陽(yáng)能聚光集熱回路動(dòng)態(tài)模型的建模方法，并基于所構(gòu)建模型開(kāi)展拋物槽式太陽(yáng)能集熱回路的動(dòng)態(tài)特性及調(diào)控的研究。

1 拋物槽式聚光集熱動(dòng)態(tài)模型

1.1 集熱回路介紹

典型拋物槽式聚光集熱鏡場(chǎng)如圖1所示，每個(gè)鏡場(chǎng)由多個(gè)相互獨(dú)立的聚光集熱回路對(duì)稱(chēng)并聯(lián)而成，單個(gè)集熱回路由4～6個(gè)聚光集熱器組成[24]。聚光集熱回路相互獨(dú)立運(yùn)行，槽式聚光集熱鏡場(chǎng)的動(dòng)態(tài)集熱特性可以理解為聚光集熱回路動(dòng)態(tài)變化的疊加。因而此處選取聚光集熱回路構(gòu)建動(dòng)態(tài)仿真模型，并以此開(kāi)展槽式聚光集熱過(guò)程動(dòng)態(tài)特性研究。

拋物槽式聚光集熱器類(lèi)型較多，如LS-2、LS-3、ET100及ET150等，此處選取應(yīng)用較為廣泛的ET150型聚光集熱器的幾何參數(shù)及性能參數(shù)進(jìn)行模型構(gòu)建。ET150型聚光集熱器的主要參數(shù)[24]如表1所示。每個(gè)聚光集熱器皆由多個(gè)約12m長(zhǎng)的聚光集熱單元組成，在本研究中以集熱單元作為動(dòng)態(tài)仿真建模的最小單元。

圖1 拋物槽式聚光集熱鏡場(chǎng)示意圖

表1 ET-150槽式聚光集熱器主要參數(shù)

1.2 拋物槽式聚光集熱單元?jiǎng)討B(tài)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(dòng)態(tài)特性直接相關(guān)的是吸熱管與聚光鏡，吸熱管與聚光鏡的動(dòng)態(tài)能量平衡關(guān)系式如下：

MATLAB/Simulink軟件內(nèi)的Simscape模塊包含機(jī)械、電氣、熱能、氣體、流體等多個(gè)物理域的基礎(chǔ)模塊及其他詳盡的分析工具，并支持基于物理過(guò)程，通過(guò)圖形化編程采用各個(gè)基礎(chǔ)模塊構(gòu)建動(dòng)態(tài)仿真模型，具有原理簡(jiǎn)單、計(jì)算資源占用少等優(yōu)點(diǎn)。因此，基于拋物槽式聚光集熱器的聚光吸熱過(guò)程，于MATLAB/Simulink軟件的Simscape模塊內(nèi)構(gòu)建仿真模型，如圖2所示。其中，以Thermal fluid內(nèi)的pipe部件模擬吸熱管內(nèi)部的吸熱過(guò)程，其幾何參數(shù)(如管徑、管長(zhǎng))參考表1數(shù)據(jù)填寫(xiě)。

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(yáng)能量，又因溫差而對(duì)外散熱。由此，借助Simscape內(nèi)Thermal 物理域部件進(jìn)行構(gòu)建。采用Controlled Heat Flow Rate Source模塊模擬聚焦太陽(yáng)能量輸入，具體輸入量依據(jù)給定的直射輻射強(qiáng)度、光學(xué)效率、入射角余弦值等確定。吸熱管散熱過(guò)程包含空氣對(duì)流散熱及熱輻射過(guò)程散熱2種形式。由此，分別借助Radiative Heat Transfer和Convective Heat Transfer這2個(gè)模塊模擬熱輻射及熱對(duì)流過(guò)程。另一端加設(shè)Controlled Temperature Source模塊，模擬環(huán)境散熱端，數(shù)值依據(jù)環(huán)境溫度數(shù)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(yàn)證

Fig. 3 Model verification of parabolic trough collector unit

另外，為進(jìn)一步驗(yàn)證本模型的有效性，在同等條件下(直射輻射強(qiáng)度為900W/m2，入射角為0°)，將本模型的效率計(jì)算結(jié)果和ET150型槽式聚光集熱器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[24]進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3(b)所示。可以看出，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果之間最大的相對(duì)偏差為1.2%，平均相對(duì)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(dòng)態(tài)仿真模型

將已構(gòu)建的聚光集熱單元模型串聯(lián)即構(gòu)成了拋物槽式聚光集熱器的動(dòng)態(tài)模型，進(jìn)一步將4個(gè)聚光集熱器串聯(lián)，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(nèi)的Reservior模塊分別模擬回路的冷管線(xiàn)入口和熱管線(xiàn)出口。太陽(yáng)直射輻射及入射角余弦等數(shù)值由Source and ambient模塊計(jì)算確定。另外，拋物槽式聚光集熱的主流吸熱工質(zhì)包含導(dǎo)熱油、清潔工質(zhì)水以及熔鹽。此處選取應(yīng)用最為廣泛的VP-1型導(dǎo)熱油作為傳熱工質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，其物性依據(jù)物性手冊(cè)數(shù)據(jù)[27]得出，并輸入至Thermal Liquid Settings模塊內(nèi)。整個(gè)動(dòng)態(tài)仿真模型采用固定時(shí)間步長(zhǎng)的離散求解方法，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為2s。

圖4 拋物槽式聚光集熱回路動(dòng)態(tài)仿真模型

2 結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)特性

由式(1)可知，工質(zhì)流量、環(huán)境溫度、太陽(yáng)入射角以及直射輻射強(qiáng)度等參數(shù)都會(huì)對(duì)拋物槽式聚光集熱器的集熱性能產(chǎn)生影響。其中，槽式太陽(yáng)能集熱器運(yùn)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(huán)境溫度對(duì)聚光集熱性能的影響較小。太陽(yáng)入射角以及直射輻射強(qiáng)度都會(huì)對(duì)槽式太陽(yáng)能吸熱管接收的太陽(yáng)能輻射能量產(chǎn)生影響，可選取一個(gè)物理量研究其變化對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光集熱動(dòng)態(tài)特性的影響。因此，本文選取直射輻射強(qiáng)度以及回路工質(zhì)流量作為關(guān)鍵參數(shù)，研究其對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光集熱動(dòng)態(tài)特性的影響。

基于所構(gòu)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(yáng)直射輻射強(qiáng)度為600W/m2，研究直射輻射強(qiáng)度對(duì)槽式太陽(yáng)能聚光集熱動(dòng)態(tài)性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 直射輻射強(qiáng)度變動(dòng)對(duì)槽式聚光集熱出口溫度影響

在與直射輻射強(qiáng)度變動(dòng)動(dòng)態(tài)特性研究同樣的初始條件下，研究流量變動(dòng)對(duì)槽式聚光集熱動(dòng)態(tài)特性的影響，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，在同樣的初始條件下，流量越小，其穩(wěn)定出口溫度越高。而與輻射階躍變動(dòng)不同的是，流量增加和減少導(dǎo)致的出口溫度變化并不對(duì)稱(chēng)，流量減少導(dǎo)致的出口溫度變化幅度更大。流量變動(dòng)引起的聚光集熱出口溫度變化的動(dòng)態(tài)趨勢(shì)與輻射的動(dòng)態(tài)影響一致，亦為先線(xiàn)性增加后漸趨平緩。與之不同的是，不同流量對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定時(shí)間是不同的，流量越大，所需的穩(wěn)定時(shí)間越短。

圖6 工質(zhì)流量變動(dòng)對(duì)槽式聚光集熱出口溫度影響

輻射和流量變動(dòng)程度對(duì)回路從初態(tài)回歸穩(wěn)態(tài)耗時(shí)影響不同，可以通過(guò)推導(dǎo)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(guò)程可以簡(jiǎn)化為如圖7所示的零維模型。

圖7 拋物槽式太陽(yáng)能吸熱管吸熱過(guò)程示意圖

其中，在初始狀態(tài)和最終狀態(tài)條件下，管內(nèi)流體的能量平衡式分別為：

在瞬態(tài)變化過(guò)程中，管內(nèi)流體的能量平衡式如下：

針對(duì)式(8)進(jìn)一步簡(jiǎn)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(dòng)的絕對(duì)數(shù)值大小對(duì)于吸熱管從初態(tài)到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間沒(méi)有影響，但是流量變動(dòng)會(huì)影響到所需時(shí)間。

2.2 動(dòng)態(tài)調(diào)控策略

拋物槽式聚光集熱器實(shí)際工作于輻射、環(huán)境溫度等參數(shù)時(shí)常變動(dòng)的條件之下，本文基于所獲動(dòng)態(tài)特性，研究拋物槽式太陽(yáng)能在變幅照條件下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行調(diào)控策略。

動(dòng)態(tài)調(diào)控的主要目的是：在變幅照條件下維持槽式聚光集熱參數(shù)穩(wěn)定，即維持拋物槽式太陽(yáng)能出口溫度穩(wěn)定或者按照要求變化。由此，基于比例積分(proportional integral，PI)動(dòng)態(tài)調(diào)控模型如圖8所示。其中，目標(biāo)溫度參考SEGS電站參數(shù)[6]設(shè)定為395℃，并添加限幅模塊，防止流量過(guò)低或過(guò)高導(dǎo)致的系統(tǒng)振蕩等問(wèn)題。

動(dòng)態(tài)控制目標(biāo)如下：1）穩(wěn)態(tài)的聚光集熱溫度等于目標(biāo)設(shè)定溫度；2）動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程出口溫度不得超過(guò)430℃(導(dǎo)熱油熱分解溫度)；3）擾動(dòng)后恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間盡量短。在動(dòng)態(tài)調(diào)控模型調(diào)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(dòng)態(tài)變化過(guò)程如圖9所示?？梢钥闯?，在輻射躍升條件下，出口溫度皆在2500s內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定溫度，且動(dòng)態(tài)最高溫度僅為407.46℃，低于熱分解溫度430℃，滿(mǎn)足安全要求。此外，從圖9(a)中亦可看出，輻射變動(dòng)越大，其恢復(fù)目標(biāo)值的時(shí)間反而越短，這是由于輻射數(shù)值越大，其對(duì)應(yīng)的流量就越大。而從圖6的動(dòng)態(tài)特性可看出，流量越大，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的時(shí)間越短。在輻射下降過(guò)程中也出現(xiàn)類(lèi)似情形，輻射下降值越小(輻射數(shù)值越大)，系統(tǒng)出口溫度的波動(dòng)越小，反之則越大。雖然輻射下降會(huì)導(dǎo)致出口溫度的波動(dòng)，但該波動(dòng)亦處于可接受范圍內(nèi)(±2℃)。

圖8 拋物槽式太陽(yáng)能聚光集熱PI動(dòng)態(tài)調(diào)控模型

(a) 輻射躍升

(b) 輻射下降

圖9 變輻射動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)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(dòng)態(tài)運(yùn)行

選取華北地區(qū)(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(dòng)態(tài)運(yùn)行性能。動(dòng)態(tài)運(yùn)行結(jié)果如圖10所示，可以看出，09:00之前，太陽(yáng)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(dǎo)熱油出口溫度迅速提升，并在10:00—10:30發(fā)生振蕩，此為槽式聚光集熱回路的冷啟動(dòng)過(guò)程。相應(yīng)地，實(shí)時(shí)計(jì)算的拋物槽式動(dòng)態(tài)聚光集熱效率亦隨之振蕩。之后槽式聚光集熱溫度穩(wěn)定在395℃左右，聚光集熱效率亦與計(jì)算的穩(wěn)態(tài)理想聚光集熱效率重合；在15:00左右，太陽(yáng)輻射量開(kāi)始下降，此時(shí)系統(tǒng)通過(guò)減小流量進(jìn)行調(diào)控，出口溫度依舊在合理范圍內(nèi)，但是發(fā)生波動(dòng)，動(dòng)態(tài)集熱效率又開(kāi)始波動(dòng)；到16:30，太陽(yáng)輻射量下降幅度變大，系統(tǒng)停止運(yùn)行，導(dǎo)熱油出口溫度亦隨之下降。由此可見(jiàn)，動(dòng)態(tài)調(diào)控策略作用下，在太陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈的時(shí)間段內(nèi)，導(dǎo)熱油出口溫度能保持在較為理想的區(qū)間波動(dòng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效率亦能保持在55%～65%。

圖10 典型日變輻射動(dòng)態(tài)運(yùn)行性能

3 結(jié)論

針對(duì)拋物槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電聚光集熱過(guò)程，基于MATLAB/Simulink軟件的Simscape環(huán)境構(gòu)建了槽式太陽(yáng)能集熱回路的一維動(dòng)態(tài)仿真模型，分析了太陽(yáng)直射輻射和流量階躍變化對(duì)槽式聚光集熱動(dòng)態(tài)特性的影響，基于PI調(diào)控給出了動(dòng)態(tài)控制策略，并于典型日進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬仿真，驗(yàn)證了控制策略的有效性。所得結(jié)論如下：

1）流量穩(wěn)定，輻射階躍變動(dòng)時(shí)，不同輻射變動(dòng)所需的穩(wěn)定時(shí)間基本一致，約為430s；輻射穩(wěn)定，流量變動(dòng)時(shí)，流量越小，所需的穩(wěn)定時(shí)間越短。

2）輻射正負(fù)變動(dòng)導(dǎo)致的出口溫度正負(fù)變動(dòng)基本對(duì)稱(chēng)；流量提升對(duì)應(yīng)的出口溫度變化大于流量減小時(shí)出口溫度的變化。

3）動(dòng)態(tài)控制策略可在太陽(yáng)輻射階躍上升時(shí)，控制系統(tǒng)最高出口溫度低于熱分解溫度，滿(mǎn)足安全需求；在太陽(yáng)輻射階躍下降時(shí)，控制系統(tǒng)出口溫度在393～397℃波動(dòng)，并最終趨于穩(wěn)定。

4）典型日變工況運(yùn)行條件下，工作時(shí)段系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)出口溫度基本保持在395℃左右，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)效率基本等于穩(wěn)態(tài)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(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(52106014)。

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

(責(zé)任編輯 尚彩娟)