光沼互补系统及其最大产气点跟踪控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种光沼互补系统及其最大产气点跟踪控制方法。该光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，包括如下步骤：根据所述光沼互补系统，建立沼气动态生产过程中相关设备模型和沼气动态生产模型，建立节流阀、集热器和分层蓄热水箱的模型；建立滚动优化模型；根据滚动优化模型和气象信息，计算控制时域的产气量预测值和控制计划；获取控制计划实施后当前控制域的沼气池的产气量实际值，根据产气量实际值对下一控制域的所述产气量预测值和控制计划进行校正。本发明专利技术的技术方案中，提出了基于模型预测控制的沼气最大生产点跟踪控制方法，基于流体力学建立了沼气动态生产模型，能在动态环境条件下能有效跟踪沼气最大生产点。

【技术实现步骤摘要】
光沼互补系统及其最大产气点跟踪控制方法
本专利技术涉及能源管理领域，具体涉及一种光沼互补系统及光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法。
技术介绍
在世界环境恶化及能源枯竭状况下，开发新能源利用、清洁能源的利用己经成为对于能源使用的当务之急。生物质能厌氧发酵制沼气是生物质能利用的有效途径。由于沼气的产量受环境温度的影响，农村沼气使用和推广受到严重制约。一个高效稳定的沼气生产系统，除了提高发酵温度到其产气高峰点外，还必须保持反应器内温度稳定。中温发酵的最佳温度约为36℃，而在寒冬季节，沼气池温度远低于36℃，因此产气量大幅降低。现有沼气池产气量在动态环境条件下无法跟踪高峰点，沼气池的产气效率低的问题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，旨在解决现有沼气池在动态环境条件下产气效率低的问题。为实现上述目的，本专利技术提出的一种光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，包括如下步骤：根据所述光沼互补系统，建立沼气动态生产过程中相关设备模型和沼气动态生产模型；根据所述沼气动态生产过程中相关设备模型和所述沼气动态生产过程中相关设备模型和所述沼气动态生产模型建立滚动优化模型；获取所述光沼互补系统所在位置的气象信息，根据所述滚动优化模型和所述气象信息，计算下一控制域的产气量预测值和控制计划；获取所述控制计划实施后当前控制域的所述沼气池的产气量实际值，根据所述产气量实际值对当前所述控制域的下一所述控制域的所述产气量预测值和控制计划进行校正，以使所述沼气池的下一所述控制域的产气量实际值接近所述沼气池产量的最大值。优选地，所述根据所述光沼互补系统，建立沼气动态生产过程中相关设备模型和沼气动态生产模型的步骤，包括：根据所述光沼互补系统，建立太阳能集热器热交换模型和分层蓄热水箱动态模型；根据所述光沼互补系统，基于流体动力学建立节流阀模型；根据所述光沼互补系统，建立沼气池的热路模型；根据所述太阳能集热器热交换模型、所述分层蓄热水箱动态模型、所述节流阀模型和所述沼气池的热路模型建立沼气动态生产模型。优选地，所述建立太阳能集热器热交换模型的步骤，包括：建立太阳能集热器吸收的有效输出热量和太阳能辐射的函数关系；根据上述太阳能集热器吸收的有效输出热量和太阳能辐射的函数关系建立太阳能集热器的约束条件；根据所述太阳能集热器吸收的有效输出热量和太阳能辐射的函数关系和所述太阳能集热器的约束条件，建立太阳能集热器热交换模型。优选地，所述建立分层蓄热水箱动态模型的步骤，包括：建立分层蓄热水箱的储存热水时的能量平衡关系；建立分层蓄热水箱在释放热水时的能量平衡关系；建立分层蓄热水箱的运行约束；根据所述分层蓄热水箱的储存热水时的能量平衡关系、所述分层蓄热水箱在释放热水时的能量平衡关系和所述分层蓄热水箱的运行约束，建立分层蓄热水箱动态模型。优选地，所述基于流体动力学建立节流阀模型的步骤，包括：建立节流阀的流速与所述节流阀的进出口压强的函数关系；建立节流阀的约束条件；根据所述的流速与所述节流阀的进出口压强的函数关系和所述节流阀模型的约束条件，建立节流阀模型。优选地，所述建立沼气池的热路模型的步骤，包括：获取沼气池的内部、内壁、外壁和外部环境温度、热阻和热容；建立外部注入沼气池的热量与发酵温度的函数关系；根据所述沼气池的内部、内壁、外壁和外部环境温度、热阻和热容和所述建立外部注入沼气池的热量与发酵温度的函数关系，建立沼气池的热路模型。优选地，所述根据所述沼气动态生产过程中相关设备模型和所述沼气动态生产模型建立滚动优化模型的步骤，包括：根据所述沼气动态生产过程中相关设备模型和所述沼气动态生产模型建立滚动优化目标函数；根据所述滚动优化目标函数，建立滚动优化约束条件；根据所述优化目标函数和所述滚动优化约束条件，建立所述滚动优化模型。优选地，所述获取所述光沼互补系统所在位置的气象信息，根据所述滚动优化模型和所述气象信息，计算下一控制域的产气量预测值和控制计划的步骤，包括：获取所述光沼互补系统所在位置的气象信息、换热盘管信息和沼气池信息；根据所述滚动优化模型和所述气象信息、换热盘管信息和沼气池信息，计算下一控制域的产气量预测值，及对太阳能集热器、分层蓄热水箱和节流阀的控制计划。优选地，所述根据所述产气量实际值对当前所述控制域的下一所述控制域的所述产气量预测值和控制计划进行校正的步骤，包括：根据当前所述控制域的所述沼气池的产气量实际值和上一所述控制域对当前所述控制域的所述产气量预测值，获取预测偏差；根据所述预测偏差对当前所述控制域的下一所述控制域的所述产气量预测值和控制计划进行校正。一种光沼互补系统，包括太阳能集热器、沼气池、最大生产点跟踪控制器、水泵、分层蓄热水箱、节流阀和换热盘管，所述太阳能集热器与所述分层蓄热水箱连通，所述水泵设置在所述分层蓄热水箱内，且所述水泵与所述分层蓄热水箱的出口端连接，所述换热盘管设置在所述沼气池内壁上，所述分层蓄热水箱的出口端、所述节流阀、所述换热盘管和所述分层蓄热水箱的进口端依次连接，所述沼气池与所述最大生产点跟踪控制器信号连接；所述光沼互补系统应用如上述任一所述的光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法。本专利技术的技术方案中，提出了基于模型预测控制的沼气最大生产点跟踪控制方法，本专利技术基于流体动力学建立了沼气动态生产模型，基于模型预测控制，在系统控制过程中不断更新太阳能辐射和环境温度等实时数据，并以实际沼气池产量与最大产气量的差值最小为目标进行滚动优化以求解最优控制变量。同时利用了模型预测控制的反馈校正环节，修正模型的产气量预测值，克服了模型本身的误差及系统的不确定性，提高了参数控制准确性。能在动态环境条件下能有效跟踪沼气最大生产点，使沼气池产量的产气量实际值更接近最大产气量，沼气池的产气效率增加。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。图1为本专利技术光沼互补系统的沼气最大生产点跟踪控制动态模型框图。图2为本专利技术光沼互补系统结构图示意图。图3为本专利技术光沼互补系统的分层蓄热水箱结构图。图4为本专利技术光沼互补系统的分层蓄热水箱的蓄水池的高度与蓄水池内水温的关系曲线图。图5为本专利技术光沼互补系统的节流阀流体动力模型图。图6为本专利技术光沼互补系统的沼气池中温发酵产气量曲线图。图7为本专利技术太阳能-沼气互补能源枢纽框架图。图8为本专利技术光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法进行仿真分析的0-24小时内太阳辐射强度随时间变化的曲线图。图9为本专利技术光沼互补系统最大产气本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，其特征在于，应用于光沼互补系统，所述光沼互补系统包括太阳能集热器、沼气池、最大生产点跟踪控制器、水泵、分层蓄热水箱、节流阀和换热盘管，所述太阳能集热器与所述分层蓄热水箱连通，所述水泵设置在所述分层蓄热水箱内，且所述水泵与所述分层蓄热水箱的出口端连接，所述换热盘管设置在所述沼气池的内壁上，所述分层蓄热水箱的出口端、所述节流阀、所述换热盘管和所述分层蓄热水箱的进口端依次连接，所述沼气池与所述最大生产点跟踪控制器信号连接；所述光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，包括如下步骤：/n根据所述光沼互补系统，建立沼气动态生产过程中相关设备模型和沼气动态生产模型；/n根据所述沼气动态生产过程中相关设备模型和所述沼气动态生产模型建立滚动优化模型；/n获取所述光沼互补系统所在位置的气象信息，根据所述滚动优化模型和所述气象信息，计算下一控制域的产气量预测值和控制计划；/n获取所述控制计划实施后当前控制域的所述沼气池的产气量实际值，根据所述产气量实际值对当前所述控制域的下一所述控制域的所述产气量预测值和控制计划进行校正，以使所述沼气池的下一所述控制域的所述产气量实际值接近所述沼气池产量的最大值。/n...

【技术特征摘要】
1.一种光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，其特征在于，应用于光沼互补系统，所述光沼互补系统包括太阳能集热器、沼气池、最大生产点跟踪控制器、水泵、分层蓄热水箱、节流阀和换热盘管，所述太阳能集热器与所述分层蓄热水箱连通，所述水泵设置在所述分层蓄热水箱内，且所述水泵与所述分层蓄热水箱的出口端连接，所述换热盘管设置在所述沼气池的内壁上，所述分层蓄热水箱的出口端、所述节流阀、所述换热盘管和所述分层蓄热水箱的进口端依次连接，所述沼气池与所述最大生产点跟踪控制器信号连接；所述光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，包括如下步骤：
根据所述光沼互补系统，建立沼气动态生产过程中相关设备模型和沼气动态生产模型；
根据所述沼气动态生产过程中相关设备模型和所述沼气动态生产模型建立滚动优化模型；
获取所述光沼互补系统所在位置的气象信息，根据所述滚动优化模型和所述气象信息，计算下一控制域的产气量预测值和控制计划；
获取所述控制计划实施后当前控制域的所述沼气池的产气量实际值，根据所述产气量实际值对当前所述控制域的下一所述控制域的所述产气量预测值和控制计划进行校正，以使所述沼气池的下一所述控制域的所述产气量实际值接近所述沼气池产量的最大值。


2.根据权利要求1所述的光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，其特征在于，所述根据所述光沼互补系统，建立沼气动态生产过程中相关设备模型和沼气动态生产模型的步骤，包括：
根据所述光沼互补系统，建立太阳能集热器热交换模型和分层蓄热水箱动态模型；
根据所述光沼互补系统，基于流体动力学建立节流阀模型；
根据所述光沼互补系统，建立沼气池的热路模型；
根据所述太阳能集热器热交换模型、所述分层蓄热水箱动态模型、所述节流阀模型和所述沼气池的热路模型建立沼气动态生产模型。


3.根据权利要求2所述的光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，其特征在于，所述根据所述光沼互补系统，建立太阳能集热器热交换模型和分层蓄热水箱动态模型的步骤中的建立太阳能集热器热交换模型的步骤，包括：
建立太阳能集热器吸收的有效输出热量和太阳能辐射的函数关系；
根据上述太阳能集热器吸收的有效输出热量和太阳能辐射的函数关系建立太阳能集热器的约束条件；
根据所述太阳能集热器吸收的有效输出热量和太阳能辐射的函数关系和所述太阳能集热器的约束条件，建立太阳能集热器热交换模型。


4.根据权利要求2所述的光沼互补系统最大产气点跟踪控制方法，其特征在于，所述根据所述光沼互补系统，建立太阳能集热器热交换模型和分层蓄热水箱动态模型的步骤中建立分层蓄热水箱动态模型的步骤，包括：
建立分层蓄热水箱的储存热水时的能量平衡关系；
建立分层蓄热水箱在释放热水时的能量平衡关系；
建立分层蓄热水箱的运行约束；
根据所述分层蓄热水箱的储存热水时的能量平衡关系、所述分层蓄热水箱在释放热水时的能量平衡关系和所述分层蓄热水箱的运行约束，建立分层蓄...

【专利技术属性】
技术研发人员：周斌，杨瑞江，黎灿兵，王怀智，曹应平，张娜，王韬，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43