塔式太陽能熱電系統的高效仿真與運行最佳化

《塔式太陽能熱電系統的高效仿真與運行最佳化》是依託浙江大學，由趙豫紅擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：塔式太陽能熱電系統的高效仿真與運行最佳化
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：趙豫紅
• 項目類別：面上項目

項目摘要

塔式太陽能熱發電是大型太陽能發電中最為經濟的發電方式，本項目針對塔式太陽能熱電系統商業化運作中成本較高、效率較低的問題，研究基於GPU的定日鏡場效率及太陽通量高效計算方法，在保證結果精度的同時提高計算速度；建立定日鏡場布局最佳化的大規模混合整數規劃模型，並研究求解方法，以降低投資成本及更有效地收集和利用太陽輻射能；提出聚光和集熱系統基於多時標的集成預測控制方法，保證系統安全平穩運行；研究基於混雜系統模型的系統運行最佳化方法，提高系統效率；並通過以上內容的套用研究，嘗試建立一套塔式太陽能熱電系統高效仿真及運行最佳化的理論體系和基礎算法，為我國太陽能資源的利用提供套用基礎。

結題摘要

隨著能源和環境問題的日益嚴重，太陽能等新興能源越來越受到關注。塔式太陽能發電是大型太陽能發電中最為經濟的發電方式之一，其設計與運行最佳化對於降低成本、提高效率具有重要意義。為此，本項目對塔式太陽能熱發電系統的建模與仿真、控制及操作最佳化等相關問題進行了研究。 由於聚光子系統為塔式太陽能熱電系統提供所需的太陽能，是實現太陽能熱發電的基礎，同時在整個系統中投資成本高，因此聚光子系統仿真是本項目的首要研究工作。基於圖形處理器（GPU）和CUDA計算平台，提出了幾何投影法、光線追跡法以及兩者相結合的技術來進行聚光仿真，實現了鏡場光學效率和吸熱器能流密度計算的並行加速，在保證精度的前提下顯著提高了計算速度。同時提出了新的軟影算法以及實時光線跟蹤算法和反走樣算法，為進一步地實現聚光子系統高效模擬提供了方法積累。 將吸熱管沿軸向和徑向進行空間離散化，提出了管狀接收器的分段集總參數模型，能夠反映能量分布對接收器系統的影響。針對單罐式蓄熱系統，提出了蓄熱系統的混雜動態系統模型。在上述子系統模型的基礎上，提出了基於聯立方程的整體模擬方法。對典型的以空氣和熔融硝酸鹽為傳熱工質的塔式太陽能熱發電站在不同操作模式以及全工況的仿真結果能夠反映系統特性，並且仿真速度快，為塔式太陽能熱發電系統控制方案的設計及操作最佳化奠定了良好的基礎。 由於太陽能的不穩定性，為了保證系統的平穩運行，提出了一種基於整數規劃的鏡場能量控制方法，可以在DNI變化時使鏡場輸出固定的能量值。另外，針對多層次結構模型的預測控制方法，提出了一種新的層次模型切換方法，可以改善控制系統動態控制品質，為塔式太陽能熱電系統運行過程中由於DNI變化引起的工況變化時的控制問題提供了解決方案。 在對鏡場效率進行高效模擬的基礎上，提出了一種塔式太陽能熱電系統的鏡場最佳化設計方法。考慮市場電價，提出了基於聯立方程模型的塔式太陽能熱電系統運行最佳化策略。建立了一種鏡場聚焦策略最佳化模型，在保證吸熱器接收高能量的前提下，實現吸熱器能流密度的均勻分布，有利於保障系統運行性能。進一步考慮了聚焦點變化使定日鏡會帶來額外的能量消耗以及調度周期的最佳化，提出了新的鏡場調度最佳化方法，可以同時減少系統的能耗。 上述成果形成了一套塔式太陽能熱電系統高效仿真及運行最佳化的理論體系和基礎算法，可為塔式太陽能熱電系統的實際建設和運行提供參考。