本发明涉及一种用于控制CSP(聚光太阳能)接收器的操作的方法和系统，以及一种包含这种系统的CSP装置。
背景技术
在基于塔的CSP的一种形式中，利用太阳反射作为热源，通过使用太阳跟踪定日镜阵列将太阳聚焦到基于塔的接收器上来加热传热流体(HTF)。HTF流过接收器并被加热到目标出口温度。希望将出口温度的变化最小化，这既是为了改进动力块的过程控制，也是为了减少应力变化并提高受HTF温度影响的机械和结构部件的寿命。
由于CSP设备的热输入依赖于将太阳聚焦在接收器上，所以它几乎可以立即从满功率到零功率变化。这可能是不由自主地发生的，因为云层和其他大气扰动阻挡了太阳，也可能是自愿地发生的，因为定日镜将太阳图像偏离接收器。
用于控制来自接收器的输出温度的一个过程控制变量是通过接收器的HTF的流量，该流量通常通过设置在流量控制阀装置上的位置来调节。热输入的快速变化(无论是自愿的还是非自愿的)结合对稳定输出温度的要求，使得控制流量以调节输出温度从根本上变得困难。热输入通常可以在满功率和零功率之间变化，其时间远少于HTF通过接收器所需的时间。
因为接收器热输入变化对出口温度的影响具有明显的时间延迟，利用出口温度反馈的流量闭环控制相对不稳定，并导致明显的不希望的出口温度过冲和欠冲(over-and under-shoots)。通过使用热成像测量接收器的温度可以改进闭环控制，然而，虽然这减少了反馈中的时间延迟，但控制仍然相对不稳定。
说明书中对任何现有技术的引用并非承认或暗示该现有技术构成任何司法管辖区公知常识的一部分，或者本领域技术人员可以合理地预期该现有技术被理解、视为相关和/或与其他现有技术相结合。
技术实现要素：
在一个方面，提供了一种聚光太阳能收集系统，包括：定日镜阵列；太阳能接收器，其包括具有至少一个入口和至少一个出口的用于承载传热流体的多个管，管的外表面接收从定日镜阵列反射的太阳辐射，用于加热传热流体；流量控制装置，用于控制通过所述管的传热流体的流量；至少一个辐射传感器，用于感测代表经由定日镜落在太阳能接收器上的总太阳辐射的值；至少一个温度传感器，用于测量在入口处或附近的HTF的输入温度；控制器，响应于所述至少一个辐射传感器和所述至少一个温度传感器，用于通过控制经由所述流量控制装置通过所述管的传热流体的流量来调节所述传热流体的出口温度。
所述聚光太阳能收集系统可包括用于测量所述流量控制装置两端的压差的压差传感器装置，所述压差传感器装置向所述控制器提供输入。所述至少一个辐射传感器可以包括与所述接收器隔开并具有被配置成遮蔽不是从所述接收器发射的辐射的窗口的光度计。
该光度计可以包括日射强度计，例如热电堆日射强度计。
所述流量控制装置可以是阀装置的形式，所述阀装置包括具有至少10:1、至少12：1或大约15：1的调节比的分流阀装置。
在正常操作期间，HTF的出口温度通常完全由阀装置控制。
所述HTF可以是液态金属，是纯元素或与其他元素的共晶混合物，所述HTF选自包括液态钠、钠和钾的共晶混合物(NaK)、铅和铋的共晶混合物(PbBi)和锡的组。
聚光太阳能收集系统可以包括用于测量HTF流入接收器的流量传感器，流量传感器向控制器提供输入。
聚光太阳能收集系统可包括至少一个热成像照相机或传感器，用于向控制器提供与接收器外表面的热图像相关联的数据。
还提供了一种聚光太阳能装置，包括多个上述类型的太阳能收集系统、HTF储存器、用于将HTF再循环通过系统的泵、以及用于使用第二HTF从HTF中提取热量的热交换器，第二HTF优选为盐，其中盐用作热源以驱动一个或多个蒸汽涡轮机。
还进一步提供了一种操作聚光太阳能收集系统的方法，该系统包括：定日镜阵列；太阳能接收器，包括具有至少一个入口和至少一个出口的用于承载传热流体的多个管，所述管的外表面接收从定日镜反射的太阳辐射，用于加热传热流体；以及用于控制通过所述管的传热流体的流量的流量控制装置。该方法包括：使用至少一个辐射传感器感测代表经由定日镜落在太阳能接收器上的总太阳辐射的值；使用至少一个温度传感器在入口处或附近测量HTF的输入温度；以及响应于辐射传感器和输入温度，通过控制经由流量控制装置通过管的传热流体的流量来调节传热流体的出口温度。
应当理解，本公开不仅针对作为整体的系统或装置，而且还包括单独的模块或组件或这些模块或组件的协同组。作为非限制性示例，这将包括控制器，具有输入和输出的控制器包括提供输入的各种传感器和提供可控输出的阀装置，特别是用于执行上述方法。所述组件或模块组可进一步包括接收器，特别是具有同样以申请人的名义在共同未决的公开PCT申请PCT/AU2018/051220中描述和要求的一个或多个特征。
如本文所用，除非上下文另有要求，否则术语“包括”和术语的变化，例如“包含”、“具有”和“含有”，并不打算排除进一步的添加剂、组分、整体或步骤。
本发明的其他方面和前述段落中描述的方面的其他实施例将从以下通过示例并参考附图给出的描述中变得显而易见。
附图说明
图1示出了CSP安装的高度示意图；
图2示出了根据本公开的接收器控制系统的第一实施例的示意图；
图3示出了根据本公开的接收器控制系统的第二实施例；
图4示出了根据本公开的接收器控制系统的第三实施例；
图5示出了根据本公开的接收器控制系统的第四实施例；
图6示出了根据本公开的接收器控制系统的第五实施例；
图7示出了安装在太阳能塔上的一个位置上的一个日射强度计组件的部分示意透视图；
图8示出了图7所示的日射强度计组件的透视剖面细节；和
图9示出了响应DNI和通过接收器的钠流速变化的液态钠输出温度随时间变化的曲线图。
具体实施方式
通过将入射到太阳场的太阳辐射测量值作为控制系统的输入，可以提高控制稳定性。太阳辐射测量可以通过太阳辐射对HTF温度影响的模拟或经验测量来实现前馈控制回路或其他非线性预测控制。因此，太阳辐射测量可以用来预测不同控制阀设置的未来出口温度。为了准确地测量场中的太阳辐射，需要在整个太阳辐射场安装许多太阳辐射或通量探测器。这可以在每个定日镜上或在/集中在小群定日镜上完成。这是资源密集型的，并且当所有定日镜没有精确地或根本没有聚焦在接收器上时，它并不总是代表落在接收器上的辐射。
另一个HTF控制复杂性涉及用于控制通过接收器的HTF流量的流量控制阀的可实现的调节比(turn down ratio)。调节比是最大流速除以通过流量控制阀及其相关控制元件可达到的最小流速。在这方面，应该理解，最大流速与最大热输入相关，而系统所需的最小流速是需要操作的最小热输入的函数。
典型地，CSP设备使用传统加热系统中采用的阀和控制方法，实现大约5：1或更低的调节比。虽然流量控制阀和相关的控制元件在最大流速附近具有良好的可调性，并允许在最大热输入附近进行合理的控制，但在最小流速附近的可调性较差。在传统的加热系统中，例如炉子驱动的加热器，加热器的热质量和一致的燃烧速率提供了显著的惯性，使得对最小流速附近的良好可调性的需求变得不那么重要。
然而，对于CSP系统，在较低的热量水平(早晨和晚上、冬天、轻云)下，热输入的变化几乎仍然是瞬时的，并且对可调性和相关的可控性的要求更加困难，尤其是当使用上述传统的流量控制阀和控制元件时。在可变低辐射的情况下，一种常见的方法是通过关闭阀和散焦定日镜来简单地停用系统。应该理解，这种方法并不代表可用辐射的最佳使用。
CSP加热的最后一个进一步的复杂性发生在接收器不包含限定于单一受控流速的明确接收器部分的地方。例如，一些中央塔接收器在塔加热元件的底部有一个底部歧管，在顶部有一个顶部歧管，两个歧管通过一系列紧密间隔的垂直管连接。在通过单个流量控制来控制整个接收器的流速的情况下，可以理解，在接收器的不同部分上的瞬时热输入可能非常不同，导致在接收器周围延伸的垂直管线的温度显著变化。
如果可以隔离接收器的一部分，使得流经接收器该部分的所有HTF和仅接收器的该部分可以由流量控制装置控制，并且，仅在接收器该部分上的总太阳辐射可以使用光度计直接测量，例如日射强度计，或更具体地说，热电堆日射强度计或其他测量入射到接收器该部分的热量的传感器，则可以实现控制的改进。在这种情况下，如果入口温度或其代理已知，则可实现前馈控制器，以使用总太阳能输入来计算接收器的热输入，并预测作为流量控制装置设置的函数的未来出口温度。该控制实施的要求是了解入口温度或其代理、所需出口温度、接收器元件上的总太阳辐射的测量、流量控制装置的设置以及经验的或其他模型，这提供了在任何时刻所需的流量控制设备设置的前馈计算，作为入口温度和总太阳辐射的函数。
有几个步骤可用于进一步提高系统的可控性，包括明确测量出口温度和流速。这些测量确认流量控制装置的设置已达到所需的流速，并且前馈控制策略已达到所需的出口温度。
还可以使用一个或多个热照相机来实现控制方面的进一步改进，该热照相机提供接收器两端温度的热图像作为控制器的输入，以提高控制流量控制装置或阀装置的模型的准确性。
该流量控制装置可以被修改以提供调节比的显著增加，从而改善系统在较低热输入下的可调性，并因此改善系统的可控性。这可以通过改进的流量控制阀和具有更精细控制能力的相关控制元件来实现，或者通过可以选择性地操作以提高低流速下的可调节性的流量控制阀的并联阵列来实现。在并联阀或分流阀的情况下，应当理解，各个阀可以具有5:1或甚至更低的调节比，它们的调节比组合是各个调节比的乘积。举个例子，如果两个调节比为5：1的阀并联配置，最大流量将是每一个阀独立时最大流量的两倍，并且组合时的调节比将是10：1的量级。也可以使用具有并联的高流量阀和低流量阀的分流阀布置，在这种情况下，净调节比可以是每个阀的单独调节比的乘积。使用分流阀布置或如上所述具有更精细控制能力的单个阀可以实现高达20:1的调节比。
在流量控制装置中具有高调节比，连同对总太阳辐射的测量，可以提高在较低入射辐射下保持恒定出口温度的能力，特别是在辐射高度可变的情况下。
应当理解，将用于太阳场的接收器元件设置为多个离散接收器元件允许更容易地测量每个离散接收器元件上的总太阳辐射，并且该控制技术因此特别适合于多个离散接收器元件的控制。
可以进一步理解的是，使用腔式广告牌接收器(cavity-style billboard receivers)作为接收器元件将可能提高总太阳辐射测量的精确度，因为这种配置有助于总辐射的测量。使用高传导性传热流体(包括液态钠、钠和钾的共晶混合物(NaK)、铅和铋的共晶混合物(PbBi)和锡)允许使用更紧凑的接收器，提高总太阳辐射的可测量性，并通过减少HTF通过接收器元件加热到所需温度所需的时间来减少控制时间常数。因此，使用这种高电导率的HTF非常适合这种控制技术。
现在将参考附图更详细地描述本公开的各种实施例。首先参考图1，CSP系统10包括定日镜12-1、12-2、12-N的阵列(统称为阵列12)，用于将太阳光反射到塔15上的太阳能热接收器模块14。在其最简单的形式中，每个定日镜包括支撑构件16和由支撑构件16支撑的反射构件18。支撑构件16固定在地面上并因此意图是静止的，而反射构件18相对于支撑构件16绕至少两个轴(通常是方位角和仰角，但也可以使用其他轴)可调节或可控制地旋转。在两种情况下需要相对旋转。第一种情况是补偿白天太阳的明显移动，以促进持续的太阳能被引导到太阳能接收器模块14。第二种是定日镜方位校准。
太阳能热接收器模块可以是在公开的PCT申请PCT/AU2018/051220的完整说明书中描述和图示的太阳能热接收器的形式，其内容通过引用整体并入本文。
现在参考图2，所示的接收器控制系统20包括上述PCT公开中描述和示出的类型的CSP接收器22，其包括管24的蛇形阵列，所述管24具有由相应的入口管线30和出口管线32供给和排出的下入口歧管26和上出口歧管28。在上述PCT公开中教导的从入口歧管延伸到出口歧管的多个管的情况下，每个管的长度相似或相同，因此HTF通过每个管的过渡时间基本上相同，导致每个管的相似加热曲线。在本实施例中，通过管线和管的蛇形阵列输送的传热流体是液体钠。钠的流量由位于入口管线30中的阀装置34调节或控制。阀装置34的操作又由中央控制器36控制。中央控制器36被设计成调节离开出口管线32的钠的出口温度，使其保持恒定并在目标温度内。在钠的情况下，这个目标温度通常在550℃-650℃的范围内。钠保持液态的宽温度范围(98℃-883℃)，在过热的情况下，提供了高于550℃-650℃范围内的工作温度的足够上限，以及与传统上使用的熔盐相比较的较低的凝固温度。
控制器36的输入包括用于感测入口区域中液体钠的温度的温度传感器38和流量或辐射传感器40。辐射传感器40被配置为在连续的基础上测量穿过接收器22的总通量或辐射，并将该测量结果传送到控制器36。应当理解，当提及总辐射时，这并不是指落在接收器上的所有太阳辐射。传感器被配置为通过测量例如从接收器反射的辐射和由接收器的表面发射的黑体辐射的组合来感测以W/M2为单位的值，该值代表落在接收器上的太阳辐射。
辐射传感器可以是光度计或日射强度计。这可以采用热电堆日射强度计的形式，例如由位于犹他州洛根市721W St 1800N St的Apogee Instruments,Inc制造的SP-510仰视传感器。在本说明书中将进一步详细地描述日射强度计。
根据一个或多个实施例，控制器36可以集中在单个计算机中或分布在多个处理器或PLC之间。例如，中央控制器系统可以通过数据通信网络分层通信。这可以包括单个定日镜的控制器，以及温度控制器36。整个数据通信网络可以没有层次结构，例如在使用对等通信协议的分布式处理布置中。
控制器36使用标准工业模拟或数字硬连线或无线通信与阀和传感器通信。根据需要，该控制器包括经典PID控制回路的组合，以及具有反馈和前馈回路的非线性控制元件。
通过测量代表从定日镜阵列落在接收器上的总辐射的值，该测量可以输入到控制器36，并且在出口温度响应接收器上测量的辐射增加或减少之前充当熔融钠出口温度的预测器。在图2的实施例中，阀装置34控制通过整个接收器22的液体钠的流动。出口管线32进入主出口管线33a，主出口管线33a将加热的液体钠从接收器22以及从附加接收器22a和22b输送回中央热交换器41a，在中央热交换器41a处，液体钠用于加热中间传热流体，例如熔融盐，熔融盐又用于将水转化为驱动一个或多个蒸汽轮机的过热蒸汽。根据适当的安全措施，熔融的钠也可用于直接加热水。冷却后的熔融钠通过储罐41b、泵41c和返回管线33b被反馈到输入管线30、30a和30b。
在一个例子中，经过的云会暂时遮蔽或至少减弱来自阵列中至少一些定日镜的辐射。当云移动时，当阵列中的定日镜相继被遮蔽或显露时，辐射分布将发生波动。这又对接收器22上的总辐射产生影响，然后该波动由辐射传感器40感测。前馈控制器36基于来自辐射传感器40和入口流体温度传感器38的输入产生控制信号，该控制信号转而传输到控制阀34，如42处所示，以增加或减少通过接收器22的管24的液体钠的流速。
在图3中，示出了接收器控制系统的第三实施例，其中附加的温度传感器44、46设置在来自接收器22的相应出口管线32和出口管线33a处。除了出口温度传感器之外，还设置了流量传感器48，以将流量信息直接反馈给控制器36，从而能够更准确地控制输出温度。
现在参考图4，示出了接收器控制系统的另一实施例，其中表面温度传感器50与辐射或通量测量传感器40结合使用。表面温度传感器可以是一个或多个热成像照相机或红外传感器的形式，其用于测量整个接收器22的外表面的表面温度。温度测量可以包括在接收器两端的平均温度TAV，在接收器上的任何一个或多个点的最高温度Tmax以及最低温度Tmin。代表这些值的信号随后被传送到控制器36，以提供用于控制目的的进一步输入。
在图5中，示出了接收器控制系统的另一实施例，其中阀装置包括分离阀组件51，分离阀组件51具有与相应的流量传感器56和58并联配置的两个流量阀52、54。可以理解的是，可以并联地添加更多的阀，并且这些阀可以具有相同的最大流量，或者设置为具有较高和较低流量的一个或多个阀，以适合于控制系统和结合输送较高调节比的意图。分流阀组件可以使调节比提高到5：1以上。这可能包括超过8:1、10:1和15:1，最高到约20：1的比例。这允许在宽范围内进行流量控制，进而使流量能够从最小流量(这会发生在部分阴天或早晨和傍晚(尤其是在冬天)的情况下)变化到最大流量，其中由定日镜场传送到接收器的热通量达到最大值，这又取决于太阳的辐照度和太阳相对于特定太阳场的位置。
图6示出了另一个实施例，在该实施例中，除了分流阀装置51之外，还结合了表面温度传感器40，以向控制器36提供变化的温度数据。图6还示出了测量流量控制装置51的入口和出口之间的压差的附加压差传感器59的选择。压差传感器的使用提供了用于描述流量控制装置中的一个或多个阀的流量特性的附加信息，并改进了流量控制装置的可控性。
现在参考图7，示出了朝向太阳塔62的顶部安装的广告牌型接收器60。广告牌接收器60包括环绕件64和相对于环绕件凹入的蛇形管状阵列66，管状阵列包括流体入口管线68和流体出口管线70。门72铰接到环绕件的底部，用于选择性地关闭接收器。可以理解，门72也可以是PCT/AU2018/051220中描述和示出的类型的顶铰链门。承载日射强度计组件76的翼梁74从塔的前部向外延伸，直接位于接收器门72的下方。
图8示出了安装到翼梁74的端部的日射强度计组件76的更详细的视图。日射强度计组件76包括日射强度计，例如前述的Apogee SP-510日射强度计，其具有顶部窗口80并安装在壳体82内。壳体82的最上壁形成有梯形开口84，梯形开口84提供掩模，该掩模被配置成将落在日射强度计窗口80上的辐射限制为来自接收器22的辐射。由于接收器相对于日射强度计的倾斜角度，开口84是梯形的。在一个非限制性示例中，其中掩模离日射强度计传感器92mm，孔径在其较长一侧为54mm宽，可以看到大约6.1m外的接收器3.6m边缘。该孔径在其最小侧为38mm宽，以观察8.8m以外的接收器的3.6m上边缘，并且大约为30mm高，以观察接收器的3.6m侧边，应注意，它们被相对锐角的视角缩短。
现在参考图9，示出了响应于DNI和通过接收器的钠流速的变化的液态钠的输出温度随时间的图形读出。该读出包括来自位于现场区域并直接对准太阳的日射强度计从中午到大约14点30分的DNI测量值90(以W/m2为单位)，以测量DNI的整体设备性能，而不考虑所有定日镜的总影响。
还示出了来自设定点控制器36的温度输出读出92以及通过接收器的钠的流量的输出读出94，该输出读出由阀装置34响应于来自控制器的控制信号而控制。控制器对来自日射强度计的表示接收器上的总辐射值的读出作出响应，而不是对来自日射强度计的只给出太阳场某一点的直接光束太阳辐照度的读出作出响应。
经过一段时间的相对恒定的DNI，如日射强度计读出在90.1处所示，在12点50分左右，温度设定点从保持恒定的约450℃调高到455℃。这几乎立即导致流速从4.15L/s左右逐步下降到3.85L/s，温度在92.1处上升并在455℃以上保持不变。直到13点40分，辐射逐渐减少，并且流速相应降低以将温度保持在正确的设定点。在13点40分左右，云显著降低DNI约30分钟，如90.2处所示。这导致流速94.2的相应向下调整，以将出口温度92保持在恒定水平，没有可察觉的下冲或过冲。在整个期间没有定日镜散焦。
在特定的实施例中，中等流速4L/s的液态钠将需要大约10秒才能通过接收器，而典型的对应于约2.5L/s较慢流速，需要16秒才能通过接收器。在下端工作的调节控制器可以将其下调到0.4L/s，在最大流速为6L/s的情况下，调节比约为15：1。因此，该系统能够在清晨或傍晚云层覆盖的高度可变条件下以及在冬季运行，例如，流速可能需要在3L/s和0.4L/s之间变化以保持恒定的输出温度。传统上，在这些高度可变的低最大值期间，系统简单地关闭，在此期间，输出温度的有效控制变得越来越困难。
可以理解的是，孔窗口84的尺寸和形状将根据日射强度计和壳体的精确位置和相对位置而变化。例如，日射强度计组件可以横向地位于接收器的一侧或两侧，壳体的孔被适当地成形以捕获来自接收器的辐射。还应当理解，日射强度计不能直接位于接收器的前面或与定日镜阵列的焦点区域相对应或接近的任何地方，导致日射强度计暴露于远远超过其典型的最高工作温度80℃的过高温度下。还应当理解，与单个定日镜上的辐射相反，日射强度计将用于获得接收器上的总辐射的测量值，即使总的通常也不代表接收器上的总辐射，因为这将基于所有定日镜都被完美聚焦在接收器上。在一个实施例中，日射强度计位于接收器的任一侧，以提供两个辐射测量源以获得更高的精度，并在日射强度计之一发生故障时允许冗余。
在夏季无云的情况下，当预计峰值DNI(直接正常辐照度)大于最大流速下所能处理的情况下，一定数量的定日镜会散焦。然而，这并不是作为一种持续控制入射到接收器上的辐射的方式来进行的，而是为了限制由于环境条件而产生的总辐射。
应当理解，在本说明书中公开和定义的本发明扩展到从文本或附图中提及或显而易见的两个或多个单独特征的所有替代组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种替代方面。