劉蘭華，狄林文，董興萬，王瑞林

拋物槽式聚光太陽能集熱回路動態(tài)特性研究

劉蘭華，狄林文，董興萬，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）

太陽輻射存在間歇性和不穩(wěn)定性，其動態(tài)不穩(wěn)定性影響拋物槽式太陽能集熱器集熱參數(shù)的穩(wěn)定輸出，因此，針對拋物槽式太陽能集熱器開展聚光集熱過程動態(tài)特性研究極為重要?；贛ATLAB/Simulink軟件內(nèi)的Simscape環(huán)境，構(gòu)建了拋物槽式太陽能聚光集熱一維回路的動態(tài)仿真模型?；谒炞C的動態(tài)仿真模型，獲得了工質(zhì)流量及太陽直射輻射2個關(guān)鍵參數(shù)對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態(tài)調(diào)控策略，結(jié)果表明：該控制策略可在太陽直射輻射躍升時使系統(tǒng)聚光集熱溫度在2500s內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度395℃；而在太陽直射輻射下降時將輸出溫度波動維持在±2℃以內(nèi)。基于所構(gòu)建的系統(tǒng)動態(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能聚光集熱回路動態(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態(tài)運(yùn)行提供借鑒。

太陽能熱發(fā)電；拋物槽式太陽能集熱器；動態(tài)仿真模型

0 引言

太陽能發(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]。太陽能發(fā)電技術(shù)主要包含光伏發(fā)電和聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)2種[3]。光伏發(fā)電由于技術(shù)相對成熟，目前已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用。但是，太陽輻射存在不穩(wěn)定、不連續(xù)的特點(diǎn)，而光伏電池發(fā)電功率基本與太陽輻射同步，在大規(guī)模低成本的儲電技術(shù)還不成熟的背景下，光伏電池發(fā)電功率的不穩(wěn)定性會對電網(wǎng)造成較大沖擊[4-5]。因此，可借助低成本儲熱實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)逐漸受到關(guān)注。

聚光太陽能熱發(fā)電主要包含拋物槽式、線性菲涅爾式、塔式以及碟式4種形式[6]。拋物槽式聚光太陽能熱發(fā)電是目前發(fā)展最快的聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)[7]，據(jù)美國可再生能源實驗室(national renewable energy laboratory，NREL)統(tǒng)計，已建成并投產(chǎn)的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總裝機(jī)容量為4.7GW，占太陽能熱發(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，將太陽光聚焦于焦線處的真空吸熱管上，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、動態(tài)特性及控制策略需進(jìn)一步改善等問題。針對聚光集熱效率不高的問題，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)行條件對運(yùn)行調(diào)節(jié)及蒸汽存儲等方面的挑戰(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])。對此，Sun等[12-13]采用模擬及實驗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能冬季聚光集熱效率提升約10個百分點(diǎn)，全年提升約5個百分點(diǎn)。Qiu等[14]采用蒙特卡羅光線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性聚焦集熱過程中的光熱轉(zhuǎn)換特性。Zarza等[15]通過{Zarza, 2006 #88;Zarza, 2006 #88}搭建試驗臺對槽式聚光集熱場開展了實驗研究。文獻(xiàn)[16-17]則構(gòu)建了拋物槽式太陽能熱發(fā)電綜合性能的評估模型，并進(jìn)行了太陽能輸出功率與儲熱容量配比的研究。

從以上研究可知，拋物槽式太陽能熱發(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。但太陽輻射存在間歇性和不穩(wěn)定性，其動態(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，針對槽式太陽能集熱器開展聚光集熱過程動態(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DSG拋物槽式太陽能集熱回路動態(tài)特性開展研究。Wang等[19]構(gòu)建了拋物槽式太陽能聚光集熱器模型，針對交變熱流的動態(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開展了研究。Zhang等[20]研究了風(fēng)載荷變動對拋物槽式聚光集熱器的動態(tài)影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)載荷變動會導(dǎo)致拋物槽式集熱器光學(xué)效率降低約19.85%。Meaburn等[21]針對槽式集熱回路低頻振蕩問題，采用前饋補(bǔ)償調(diào)控方法，實現(xiàn)了基于預(yù)測性控制的改善。Cirre等[22]建立了線性化的反饋機(jī)制，實現(xiàn)了對小規(guī)模太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)自動啟動、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]開展研究，存在難度較高、計算資源占用較多等問題。

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

1 拋物槽式聚光集熱動態(tài)模型

1.1 集熱回路介紹

典型拋物槽式聚光集熱鏡場如圖1所示，每個鏡場由多個相互獨(dú)立的聚光集熱回路對稱并聯(lián)而成，單個集熱回路由4～6個聚光集熱器組成[24]。聚光集熱回路相互獨(dú)立運(yùn)行，槽式聚光集熱鏡場的動態(tài)集熱特性可以理解為聚光集熱回路動態(tài)變化的疊加。因而此處選取聚光集熱回路構(gòu)建動態(tài)仿真模型，并以此開展槽式聚光集熱過程動態(tài)特性研究。

拋物槽式聚光集熱器類型較多，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。每個聚光集熱器皆由多個約12m長的聚光集熱單元組成，在本研究中以集熱單元作為動態(tài)仿真建模的最小單元。

圖1 拋物槽式聚光集熱鏡場示意圖

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動態(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，并支持基于物理過程，通過圖形化編程采用各個基礎(chǔ)模塊構(gòu)建動態(tài)仿真模型，具有原理簡單、計算資源占用少等優(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)部的吸熱過程，其幾何參數(shù)(如管徑、管長)參考表1數(shù)據(jù)填寫。

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能量，又因溫差而對外散熱。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。吸熱管散熱過程包含空氣對流散熱及熱輻射過程散熱2種形式。由此，分別借助Radiative Heat Transfer和Convective Heat Transfer這2個模塊模擬熱輻射及熱對流過程。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證

Fig. 3 Model verification of parabolic trough collector unit

另外，為進(jìn)一步驗證本模型的有效性，在同等條件下(直射輻射強(qiáng)度為900W/m2，入射角為0°)，將本模型的效率計算結(jié)果和ET150型槽式聚光集熱器的實驗數(shù)據(jù)[24]進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3(b)所示?？梢钥闯?，實驗數(shù)據(jù)和計算結(jié)果之間最大的相對偏差為1.2%，平均相對偏差為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態(tài)模型，進(jìn)一步將4個聚光集熱器串聯(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入口和熱管線出口。太陽直射輻射及入射角余弦等數(shù)值由Source and ambient模塊計算確定。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)行計算，其物性依據(jù)物性手冊數(shù)據(jù)[27]得出，并輸入至Thermal Liquid Settings模塊內(nèi)。整個動態(tài)仿真模型采用固定時間步長的離散求解方法，時間步長設(shè)置為2s。

圖4 拋物槽式聚光集熱回路動態(tài)仿真模型

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)特性

由式(1)可知，工質(zhì)流量、環(huán)境溫度、太陽入射角以及直射輻射強(qiáng)度等參數(shù)都會對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)境溫度對聚光集熱性能的影響較小。太陽入射角以及直射輻射強(qiáng)度都會對槽式太陽能吸熱管接收的太陽能輻射能量產(chǎn)生影響，可選取一個物理量研究其變化對槽式太陽能聚光集熱動態(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)，研究其對槽式太陽能聚光集熱動態(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，初始太陽直射輻射強(qiáng)度為600W/m2，研究直射輻射強(qiáng)度對槽式太陽能聚光集熱動態(tài)性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 直射輻射強(qiáng)度變動對槽式聚光集熱出口溫度影響

在與直射輻射強(qiáng)度變動動態(tài)特性研究同樣的初始條件下，研究流量變動對槽式聚光集熱動態(tài)特性的影響，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯谕瑯拥某跏紬l件下，流量越小，其穩(wěn)定出口溫度越高。而與輻射階躍變動不同的是，流量增加和減少導(dǎo)致的出口溫度變化并不對稱，流量減少導(dǎo)致的出口溫度變化幅度更大。流量變動引起的聚光集熱出口溫度變化的動態(tài)趨勢與輻射的動態(tài)影響一致，亦為先線性增加后漸趨平緩。與之不同的是，不同流量對應(yīng)的穩(wěn)定時間是不同的，流量越大，所需的穩(wěn)定時間越短。

圖6 工質(zhì)流量變動對槽式聚光集熱出口溫度影響

輻射和流量變動程度對回路從初態(tài)回歸穩(wěn)態(tài)耗時影響不同，可以通過推導(dǎo)的方式予以解釋。不考慮槽式吸熱管散熱等影響，槽式吸熱管吸熱過程可以簡化為如圖7所示的零維模型。

圖7 拋物槽式太陽能吸熱管吸熱過程示意圖

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)變化過程中，管內(nèi)流體的能量平衡式如下：

針對式(8)進(jìn)一步簡化，可得

由式(10)可知，忽略散熱損失等次要影響因素，輻射變動的絕對數(shù)值大小對于吸熱管從初態(tài)到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時間沒有影響，但是流量變動會影響到所需時間。

2.2 動態(tài)調(diào)控策略

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

動態(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，防止流量過低或過高導(dǎo)致的系統(tǒng)振蕩等問題。

動態(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）動態(tài)調(diào)控過程出口溫度不得超過430℃(導(dǎo)熱油熱分解溫度)；3）擾動后恢復(fù)穩(wěn)定時間盡量短。在動態(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態(tài)變化過程如圖9所示?？梢钥闯觯谳椛滠S升條件下，出口溫度皆在2500s內(nèi)恢復(fù)到設(shè)定溫度，且動態(tài)最高溫度僅為407.46℃，低于熱分解溫度430℃，滿足安全要求。此外，從圖9(a)中亦可看出，輻射變動越大，其恢復(fù)目標(biāo)值的時間反而越短，這是由于輻射數(shù)值越大，其對應(yīng)的流量就越大。而從圖6的動態(tài)特性可看出，流量越大，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定的時間越短。在輻射下降過程中也出現(xiàn)類似情形，輻射下降值越小(輻射數(shù)值越大)，系統(tǒng)出口溫度的波動越小，反之則越大。雖然輻射下降會導(dǎo)致出口溫度的波動，但該波動亦處于可接受范圍內(nèi)(±2℃)。

圖8 拋物槽式太陽能聚光集熱PI動態(tài)調(diào)控模型

(a) 輻射躍升

(b) 輻射下降

圖9 變輻射動態(tài)調(diào)控過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態(tài)運(yùn)行性能。動態(tài)運(yùn)行結(jié)果如圖10所示，可以看出，09:00之前，太陽輻射較小，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過程。相應(yīng)地，實時計算的拋物槽式動態(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算的穩(wěn)態(tài)理想聚光集熱效率重合；在15:00左右，太陽輻射量開始下降，此時系統(tǒng)通過減小流量進(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，動態(tài)集熱效率又開始波動；到16:30，太陽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，動態(tài)調(diào)控策略作用下，在太陽輻射最強(qiáng)烈的時間段內(nèi)，導(dǎo)熱油出口溫度能保持在較為理想的區(qū)間波動，系統(tǒng)的動態(tài)效率亦能保持在55%～65%。

圖10 典型日變輻射動態(tài)運(yùn)行性能

3 結(jié)論

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

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

2）輻射正負(fù)變動導(dǎo)致的出口溫度正負(fù)變動基本對稱；流量提升對應(yīng)的出口溫度變化大于流量減小時出口溫度的變化。

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

4）典型日變工況運(yùn)行條件下，工作時段系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)出口溫度基本保持在395℃左右，實時動態(tài)效率基本等于穩(wěn)態(tài)理想聚光集熱效率，為55%～ 65%。

[1] 王澤眾，黃平瑞，魏高升，等．太陽能熱發(fā)電固–氣兩相化學(xué)儲熱技術(shù)研究進(jìn)展[J]．發(fā)電技術(shù)，2021，42(2)：238-246．

WANG Z Z，HUANG P R，WEI G S，et al．Research progress of solid-gas two-phase chemical heat storage technology for solar thermal power generation[J]．Power Generation Technology，2021，42(2)：238-246．

[2] MURDOCK H E，GIBB D，ANDRé T．Renewables 2020 global status report[R]．Abu Dhabi：International Renewable Energy Agency，2020．

[3] 張哲旸，巨星，潘信宇，等．太陽能光伏–光熱復(fù)合發(fā)電技術(shù)及其商業(yè)化應(yīng)用[J]．發(fā)電技術(shù)，2020，41(3)：220-230．

ZHANG Z Y，JU X，PAN X Y，et al．Photovoltaic/concentrated solar power hybrid technology and its commercial application[J]．Power Generation Technology，2020，41(3)：220-230．

[4] 劉金豆，成杰，俞高偉．基于低壓直流配電網(wǎng)并網(wǎng)的并離網(wǎng)一體光儲發(fā)電系統(tǒng)研究[J]．華電技術(shù)，2021，43(4)：63-70．

LIU J D，CHENG J，YU G W．Study on off-grid integrated optical storage power generation system based on low voltage DC distribution network grid[J]．Huadian Technology，2021，43(4)：63-70．

[5] 吳攀．光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率預(yù)測[J]．發(fā)電技術(shù)，2020，41(3)：231-236．

WU P．Power forecasting of photovoltaic power generation system[J]．Power Generation Technology，2020，41(3)：231-236．

[6] FERNANDEZ-GARCIA A，ZARZA E，VALENZUELA L，et al．Parabolic-trough solar collectors and their applications[J]．Renewable & Sustainable Energy Reviews，2010，14(7)：1695-1721．

[7] 劉堯東，張燕平，萬亮，等．基于Al2O3納米流體的槽式太陽能熱發(fā)電集熱器傳熱建模及性能分析[J]．發(fā)電技術(shù)，2021，42(2)：230-237．

LIU Y D，ZHANG Y P，WAN L，et al. Heat transfer modelling and performance analysis of trough solar thermal power collector based on Al2O3nanofluid[J]．Power Generation Technology，2021，42(2)：230-237．

[8] National Renewable Energy Laboratory．Concentrating solar power projects by technology [EB/OL]．(2020-12-31)[2021-05-25]．https://solarpaces.nrel.gov/by-technology．

[9] KABIR E，KUMAR P，KUMAR S，et al．Solar energy：potential and future prospects[J]．Renewable & Sustainable Energy Reviews，2018，82：894-900．

[10] PRIETO C，RODRIGUEZ A，PATINO D，et al．Thermal energy storage evaluation in direct steam generation solar plants[J]．Solar Energy，2018，159：501-509．

[11] PENG S，HONG H，JIN H G，et al．A new rotatable-axis tracking solar parabolic-trough collector for solar-hybrid coal-fired power plants[J]．Solar Energy，2013，98：492-502．

[12] WANG R L，QU W J，HONG H，et al．Experimental performance of 300kW (th) prototype of parabolic trough collector with rotatable axis and irreversibility analysis[J]．Energy，2018，161：595-609．

[13] SUN J，WANG R L，HONG H，et al．An optimized tracking strategy for small-scale double-axis parabolic trough collector[J]．Applied Thermal Engineering，2017，112：1408-1420．

[14] QIU Y，HE Y L，CHENG Z D，et al．Study on optical and thermal performance of a linear Fresnel solar reflector using molten salt as HTF with MCRT and FVM methods[J]．Applied Energy，2015，146：162- 173．

[15] ZARZA E，ROJAS M E，GONZALEZ L，et al．INDITEP：the first pre-commercial DSG solar power plant[J]．Solar Energy，2006，80(10)：1270- 1276．

[16] PATNODE A M．Simulation and performance evaluation of parabolic trough solar power plants [EB/OL]．(2006-01-10)[2021-05-01]．https://minds.wisconsin.edu/bitstream/handle/1793/7590/patnode06.pdf?sequence=1．

[17] MONTES M J，ABANADES A，MARTINEZ-VAL J M．Performance of a direct steam generation solar thermal power plant for electricity production as a function of the solar multiple[J]．Solar Energy，2009，83(5)：679-689．

[18] 李陸．槽式太陽能熱利用多層次問題跨緯度耦合分析方法與動態(tài)調(diào)控策略[D]．西安：西安交通大學(xué)，2020．

LI L．Slot solar thermal utilization multi-level problem cross-latitude coupling analysis method and dynamic regulation strategy[D]．Xi’an：Xi’an Jiaotong University，2020．

[19] WANG Y J，LIU Q B，LEI J，et al．A three-dimensional simulation of a parabolic trough solar collector system using molten salt as heat transfer fluid[J]．Applied Thermal Engineering，2014，70(1)：462-476．

[20] ZHANG Z，SUN J，WANG L，et al．Multiphysics-coupled study of wind load effects on optical performance of parabolic trough collector[J]．Solar Energy，2020，207：1078-1087．

[21] MEABURN A，HUGHES F M．A simple predictive controller for use on large scale arrays of parabolic trough collectors[J]．Solar Energy，1996，56(6)：583- 595．

[22] CIRRE C M，BERENGUEL M，VALENZUELA L，et al．Feedback linearization control for a distributed solar collector field[J]．Control Engineering Practice，2007，15(12)：1533-1544．

[23] LIANG H B，YOU S J，ZHANG H．Comparison of different heat transfer models for parabolic trough solar collectors[J]．Applied Energy，2015，148：105-114．

[24] GEYER M，LüPFERT E，OSUNA R，et al．Eurotrough：parabolic trough collector developed for cost efficient solar power generation[C]// 11th Solar PACES International Symposium on Concentrated Solar Power and Chemical Energy Technologies，September 4-6，Zurich, Switzerland：SolarPACES，2002：1-7．

[25] WANG R L，SUN J，HONG H，et al．An on-site test method for thermal and optical performances of parabolic-trough loop for utility-scale concentrating solar power plant[J]．Solar Energy，2017，153：142-152．

[26] DUFFIE J A ，BECKMAN W A．Solar engineering of thermal processes[M]．Cairo，Egypt：A Wiley- interscience Publication，2013．

[27] DOW．DOWTHERM A heat transfer fluid product technical data[R]．Michigan：DOW Corning Corporation，1997．

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。

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(52106014)。

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

(責(zé)任編輯 尚彩娟)