槽式太阳能聚光集热器热发电系统建模研究现状分析

对槽式集热器及热发电系统进行建模，是对槽式热发电系统进行仿真的基础，是研究槽式热发电系统稳态特性和动态特性的基础，也是研究槽式热发电控制方案的基础。从1980年LUZ公司研制开发槽式线聚焦系统开始，这项工作就一直在进行，并不断被完善。

1.国外研究现状

Sandia国家实验室测量了不同条件下的LS2型SEGS槽式集热器的热损和集热器效率。Dudley等利用该实验数据推导出了集热器效率和热损与工质温度之间的简单多项式关系式，给出了LS2型槽式集热器的入射角修正系数。

Heinzel等建立了抛物线形槽式集热器的光学模型，并利用该光学模型和基本热损模型对导热油工质的LS2型槽式集热器进行了模拟，与美国桑迪亚国家实验室的实验数据基本吻合。

Odeh在1996—2003年的5篇论文中，分析了SEGS电站槽式集热器的热力学性质，建立了以管壁温度作为自变量的槽式集热器热力学稳态模型，该模型经与美国桑迪亚实验室导热油工质LS2型槽式集热器实验数据比较，验证了模型的正确性；根据集热管的发射率、风速、集热管管壁温度和辐射强度建立了以管壁温度为自变量的槽式集热器热损模型及效率模型，所建模型是根据管壁温度拟合的热损失曲线而不是基于工作介质的平均温度，这样扩大了模型的适用范围，适合于预测以任意流体作为工作介质的槽式集热器性能；建立了DSG槽式集热器的水动力稳态模型（包括流态模型和压降模型），并与热力学模型联立建立了槽式DSG系统的统一模型，优化了直通式DSG槽式集热器的设计，提出了DSG集热器的稳态运行策略。

Almanza等对DSG槽式集热器在不同条件下的集热管特性进行了实验分析，发现当冷水进入集热管时，集热管会发生弯曲变形，分析表明这是由于管周温差过大（约50℃）引起的。当把钢管换为铜管增大导热系数时，管周温差降低，弯曲现象基本消失。2002年，Almanza等对DSG槽式集热器在两相区分层流型发生时的钢管弯曲进行了实验研究，发现瞬态温度梯度的改变是钢管弯曲的主要原因。

Bonilla设计开发了一个基于面向对象的数学模型的DSG槽式太阳能热发电站的动态仿真方案。该动态仿真方案包含面向对象的数学模型，采集并转换传感器数据作为模型的输入并针对如何获得适合的边界条件问题的初值等，利用Matlab开发了一些测试工具。并利用多目标遗传算法校准动态模型。Bonilla只考虑了直通模式DSG槽式电站的模型。该模型的输入包括环境温度，直射太阳辐射DSI，入口工质温度、压力、流量以及喷水减温器工质的温度、压力和流量。该模型两相区采用了均相模型。采用有限体积法、交错网格法以及迎风格式对模型进行离散。但该模型中每一种状态的工质的传热系数被简化为常数，摩擦系数也被简化为常数。

Ray根据质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律建立了塔式太阳能热发电系统蒸汽发生器的相变边界随时间变化的非线性集总参数模型。虽然该模型是针对塔式太阳能发电系统设计的，但由于其工质为水，而且具有直流锅炉的特性，所以仍可为槽式太阳能直接蒸汽发电系统建模提供参考。Ray还研究了塔式系统蒸汽发生器的动态特性，但由于模型中将工质假定为不可压缩流体，因此影响了其动态特性的准确性。

Eck建立了再循环模式DSG槽式集热器的非线性分布参数模型，为了获得灵活且鲁棒性强的仿真模型，建立了显式的微分方程组，并且所有闭合方程（包括压降方程、传热方程和工质物性参数方程等）均被描述成为状态变量的函数。但该模型仅以函数符号形式表示，未给出具体关系式。

2.国内研究现状(www.xing528.com)

近年来，随着我国对太阳能热发电技术研究的深入，国内学者也逐步开始了对槽式集热器的研究。

徐涛以槽式集热器的散焦现象为切入点，对集热管表面光学聚光比分布开展理论分析和计算机模拟研究，建立了光学聚光比的数学模型。

韦彪以直通模式DSG槽式集热器为研究对象，基于集热器管内水工质的流型与传热特性，建立了DSG槽式集热器稳态传热模型。

李明建立了槽式集热器的稳态数学模型，并利用实验验证了模型的正确性，但实验验证槽式集热器的出口工质温度选为40～100℃，不易反映DSG槽式集热器出口工质温度一般在400℃左右的实际情况。

熊亚选通过分析槽式太阳能集热管热损失的计算方法和传热过程，建立了槽式太阳能集热管传热损失性能计算分析的二维稳态经验模型，模型的计算结果与试验数据基本一致，验证了模型的有效性。

杨宾在传统槽式集热器研究的基础上，针对集热管内水在流动吸热的过程中状态变化，建立了管内一维稳态两相流动与传热模型。在此基础上，依照INDETEP电站设计原理，建立了5MW槽型直接蒸汽式太阳能电站的仿真模型，并结合INDETEP电站的整体运行情况，对电站的技术经济性进行了分析。

崔映红在对DSG槽式集热器中水的流型分析的基础上，进行了水在不同状态下对流换热系数计算模型的研究。利用传热热阻原理分析了DSG槽式集热器热损的计算方法，建立了稳态热传导模型，并对直通模式和再循环模式连接的DSG槽式集热器的压降进行了分析。

梁征分别建立了导热油工质槽式集热器的一维传热动态模型和水工质DSG槽式集热器的一维多相流动与传热动态模型。导热油工质模型与实验数据吻合较好，但DSG槽式集热器模型与实验数据相比误差较大。

从以上文献分析可以看出，工质为油的槽式集热器及发电系统的建模已经比较完善，而对于工质为水的DSG槽式集热器及热发电系统的建模，国外研究的相对较多，国内学者的研究还主要集中在研究聚光镜模型和槽式集热器稳态模型上，仍处于起步阶段。对于DSG槽式集热器稳态模型，国内外对其传热特性和水动力特性的耦合研究较少，且计算结果与实验数据差别较大。对于DSG槽式集热器动态模型和槽式DSG系统动态模型，国内外采用非线性集总参数方法进行建模的较为多见，而采用能够充分体现槽式太阳能热发电系统管线长、直射辐射强度沿管线方向不均匀分布特点的非线性分布参数动态模型研究得很少，国内外均尚处于探索阶段。