CN115938495A
审中
一种光催化-高温热化学耦合制燃料系统及其运行调控方法
技术领域
[0001]本发明属于光催化制氢以及太阳能热化学制氢和一氧化碳领域，具体涉及一种光催化-高温热化学耦合制燃料系统及其运行调控方法。
背景技术
[0002]利用太阳能分解水和二氧化碳制氢气和一氧化碳，进而合成燃料，可有效缓解能源短缺。其中，悬浮式光催化分解水制氢技术中光催化剂对太阳能光谱响应范围主要为紫外光以及可见光。太阳能热化学驱动金属氧化物分解水和二氧化碳制氢气和一氧化碳，主要利用太阳能近红外光谱。目前，阻碍光催化以及热化学制燃料工业化应用的主要瓶颈是其太阳能-燃料转化效率低。主要原因有，一是光催化水解制氢以及高温太阳能热化学制燃料技术对太阳能光谱有选择性，无法利用整个光谱范围，降低了能量利用率。二是，太阳能聚光系统提供能量与反应器中化学反应所需能量不匹配，降低了能量转化效率。三是，太阳能具有间歇性和不确定性，不利于系统稳定运行。
[0003]对于太阳能制氢技术，目前研究主要集中于光催化剂的研制以及高温热化学反应器的设计，忽视了聚光系统与反应系统的匹配，以及满足用户负荷时全日照条件下系统动态响应特性，同时针对太阳能不确定性对系统稳定运行的研究也较少。光催化水解制氢催化剂与高温太阳能热化学驱动金属氧化物制燃料技术对太阳光谱响应范围不同，将光催化水解制氢与热化学制燃料技术耦合，提高太阳能光谱利用响应范围。抛物线型聚光器可吸收散射光，无需跟踪太阳，因此选择带抛物线型聚光器的圆管反应器进行光催化水解制氢。对于高温太阳能热化学制燃料技术，采用氧化反应器与还原反应器串联形式，保证全日照条件下连续性制燃料。当系统运行时，根据测量燃料产量与计算的能源转换效率，调控光催化水解制氢装置中的抛物线型聚光器结构与反应器运行参数，以及高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置中氧化反应器和还原反应器的运行参数，使得反应器表面辐射分布与反应所需能量匹配，最终提高太阳能-燃料转化效率。
发明内容
[0004]为了克服现有技术能量转化效率低的瓶颈，本发明提供一种光催化-高温热化学耦合制燃料系统及其运行调控方法，其采用耦合光催化水解制氢和太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料技术。根据太阳能辐射与用户负荷，对于光催化水解制氢装置，通过调控抛物线型聚光器的结构与反应器的运行参数，提高催化剂对太阳辐射能的利用，促进电荷传输和能量转换过程，增强能量传输和能量匹配特性。对于高温太阳能热化学制燃料装置，调控反应器运行参数；通过上述操作提高能源系统在全光照条件下太阳能-燃料转化效率。
[0005]为此，本发明采用的技术方案如下：
[0006]一种光催化-热化学耦合制燃料系统，包括太阳能光谱分频器、光催化水解制氢装置、高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置、费托合成装置、产物分离装置、燃气轮机、加氢站、电网系统、以及生活与工业园区。
[0007]所述的太阳能光谱分频器在太阳能光照之后，光催化水解制氢装置和高温热化学制燃料装置之前，分频后的太阳辐射能分别射入抛物线型聚光器以及定日镜；
[0008]所述的光催化水解制氢装置包括：抛物线型聚光器，圆管反应器，第一控制系统，真空泵，控制雾化器；圆管形反应器位于抛物线型聚光器焦点附近；控制系统根据系统反馈的抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，调整抛物线型聚光器的结构以及光反应器的运行参数；所述的真空泵位于圆管反应器入口之前；所述的控制雾化器位于圆管反应器和真空泵之间；
[0009]所述的光催化水解制氢装置采用带有抛物线型聚光器的圆管型光催化反应器——圆管反应器制氢气。通过太阳能光谱分频器，将紫外光和可见光投入光催化水解制氢装置中的抛物线型聚光器，根据太阳入射角以及辐射强度，采用最佳的抛物线型聚光器原始接收半角，截断的抛物线型聚光器边缘射线角，实时调整抛物线型聚光器尖顶到反应器底部的距离、开口方向、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，使得光反应器表面的太阳能分布与化学反应进程所需能量匹配。对于高温热化学反应装置，调整圆管反应器中金属氧化物、二氧化碳和水蒸气质量流量，使得反应器入射辐射与化学反应所需能量匹配，降低能量损失。将光催化制氢与高温热化学制燃料技术相结合，拓宽太阳能光谱响应范围，提高系统的太阳能-燃料能转化效率，同时缓解可再生能源和用户能源负荷的波动性对系统稳定运行的影响。
[0010]所述的太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置利用太阳能驱动金属氧化物CeO2热化学循环制氢气和一氧化碳。高温太阳能热化学制燃料的还原反应器和氧化反应器均为腔式反应器，可以有效捕获投入的太阳辐射能。还原反应器和氧化反应器的孔径处均安装一个抛物线型聚光器，增加反射率。透明石英窗安装在抛物线型聚光器外，封闭反应腔，有助于保持反应腔内温度，同时避免反应物和生成物溢出。
[0011]所述的定日镜反射太阳辐射能聚集到还原反应器和氧化反应器入口石英窗表面，还原反应器保持温度在1500℃，氧化反应器保持温度在900℃。高温太阳能驱动金属氧化物CeO2热化学循环制氢气和一氧化碳分两步法制燃料，还原反应器和氧化反应器放置于太阳能塔顶部，还原反应器入口与氧化反应器出口通过管道连接；还原反应器出口与氧化反应器入口通过管道连接，实现连续制燃料。所述还原反应器和氧化反应器发生的还原反应和氧化反应如下：
[0012]还原反应:
[0013]氧化反应:CeO2-δ+δCO2→CeO2+δCO
[0014]CeO2-δ+δH2O→CeO2+δH2
[0015]其中，非化学计量数δ表示还原程度，具体表达式如下：
[0016]
[0017]其中，T表示还原反应温度；
和P0表示氧气偏压以及还原反应和氧化反应的压力。
[0018]所述的余热回收装置连接还原反应器和氧化反应器，吸收氧化反应器的热量加热CeO2后，通入还原反应器，提高反应器的能量利用效率；
[0019]光催化水解制氢装置制取的氢气与高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环产氢通过气体管道和长管拖车输送到加氢站，供燃料电池汽车使用。
[0020]所述的费托合成装置在商业低温甲烷化催化剂BC-H-10，温度150-200℃条件下，将一氧化碳和氢气混合气体合成甲烷，通过管道连接产物分离装置；
[0021]所述的产物分离装置包含分离罐、解吸塔、脱甲烷塔、脱乙烷塔、脱丙烷塔、脱丁烷塔、精馏塔等，一级分离罐入口通过管道连接费托合成装置，脱甲烷塔和解析塔出口通过管道连接燃气轮机。
[0022]本发明还提供一种光催化-高温热化学耦合制燃料系统的运行调控方法，包括如下步骤：
[0023]步骤一：建立光催化-高温热化学耦合制燃料系统模型，包括对圆管反应器、氧化反应器和还原反应器建立三维流体动力学-辐射传递-化学反应动力学耦合的多物理场模型，对余热回收装置、费托合成装置、产物分离装置、燃气轮机建立依据实验数据获得的输入-输出非线性模型；
[0024]步骤二：对圆管反应器，通过改变太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到圆管反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，测量产氢量，获得多个实验样本；对氧化反应器和还原反应器，通过改变太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2质量流量，测量产氢量和一氧化碳量，获得多个实验样本；
[0025]步骤三：提出极限学习机；
[0026]步骤四：基于实验数据和计算数据，利用所述步骤三的极限学习机逼近圆管反应器中太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径与产氢量的非线性关系；同时，对氧化反应器和还原反应器，利用所述步骤三的极限学习机逼近氧化反应器和还原反应器中太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比、CeO2质量流量与产氢量、一氧化碳量的非线性关系；获得代理模型，减少计算、实验时间和成本；
[0027]步骤五：建立能源系统鲁棒优化模型，采用非支配排序遗传算法求解提出的鲁棒优化模型，实时调整全天日照条件下，光催化水解制氢装置中抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度、催化剂颗粒直径，使得抛物线型聚光器提供能量与反应器所需太阳辐射分布相匹配；对于高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置，通过控制雾化器，自动调整二氧化碳和水蒸气流量比、CeO2质量流量，使能源系统获得最大的太阳能-燃料能转换效率，并缓解太阳能和用户负荷不确定性和间歇性对系统稳定运行的影响。
[0028]进一步地，所述步骤三的提出极限学习机包括：
[0029]给定一个数据集
其中si为第i个输入样本，zi为第i个输出样本，N为样本个数，，极限学习机的数学模型通过以下方式建立：
[0030]第一个模型中，输入变量为圆管反应器的运行参数，包括太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，输出参数是产氢量；
[0031]第二个模型中，输入变量为氧化反应器和还原反应器的运行参数，包括太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2质量流量，输出参数是产氢量和一氧化碳量；
[0032]Hg＝z (1)
[0033]其中，H表示模型矩阵；g表示输出权向量；z表示输出值；具体表达式为：
[0034]
[0035]
[0036]其中，φ(·)为激活函数；ai和vj定义第i个输入权重和第i个偏置；g和h定义了输出权重和输入矩阵；a1和an表示输入权向量a的第一个元素和第n个元素；v1和vn表示偏置向量v的第一个元素和第n个元素；g1和gn表示g向量的第一个元素和第n个元素；n表示向量个数；
[0037]采用正则化方法求解式(1)；
[0038]双层优化训练模型实现正则参数的自适应选择和模型参数的训练，表达为如下的数学模型:
[0039]
[0040]式中，||Hg-z||1是数据保真项，减少噪声和偏差的不利影响；λ是正则化参数；||z||1-||z||2是L1-2范数，用于确保数值解的稀疏性；HT是对应于验证集的模型矩阵；zT是对应于验证集的输出数据；
表示求解以*为变量的目标函数最小值；
是上层优化问题目标函数，试图求解最佳的正则参数λ；
是下层优化问题目标函数，试图在给定的正则参数和训练数据下计算输出权g；s.t.表示约束条件；上层优化问题和下层优化问题构成双层优化问题。
[0041]进一步地，采用嵌套算法求解式(2)的双层优化问题，具体包括：
[0042]下层优化问题
中，当g不是一个零向量时，将下层优化问题松弛为如下：
[0043]
[0044]式中，vk为辅助变量，定义为：
[0045]vk＝-λgk/||gk||2 (4)
[0046]式中，k代表迭代步数；||gk||2为gkL2范数；
[0047]采用半二次方分裂算法，通过引入两个辅助变量d1和d2，式(3)被转化为如下的等式约束优化问题：
[0048]
[0049]式中，zT为向量z的转置。
[0050]根据半二次方分裂算法，式(6)被进一步转化为一个无约束问题：
[0051]
[0052]式中，ψ(g,d1,d2)为目标函数，定义为：
[0053]
[0054]式中，gT为向量g的转置；μ1和μ2为罚参数。
[0055]采用分离优化方法求解式(7)：
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]根据式(7)，式(8)-(10)具体为：
[0060]
[0061]
[0062]
[0063]式中，||d1||1表示辅助变量d1的L1范数。
[0064]式(11)和(12)使用软阈值算法求解，即：
[0065]
[0066]
[0067]式中，shrink(·,·)代表软阈值算子。
[0068]式(13)是可微的，其解为：
[0069]
[0070]式中，HT为向量H的转置；I是单位矩阵。
[0071]根据式(14)-(16)迭代求解式(3)；
[0072]采用遗传算法求解上层优化问题。
[0073]与现有技术相比，本发明具有以下优势效果：
[0074]本发明公开的一种新型光热耦合制燃料系统集成了光催化水解制氢和太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料技术，拓宽了光谱利用范围；为了缓解太阳辐射以及用户负荷的不确定性和波动性，建立了能源系统鲁棒优化模型；为了缓解实验和计算成本，对圆管反应器、还原反应器和氧化反应器，利用提出的改进极限学习机建立了代理模型，通过求解建立的模型，在全光照条件下，实时调整光催化水解制氢反应装置抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离，以及反应器中悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，使得光反应器表面辐射分布与化学反应所需能量匹配，提高太阳能-燃料转换效率。对于还原反应器和氧化反应器，实时调整二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2流量。将实时测量数据、运行数据结合，调控光热耦合制燃料系统运行，使系统实现最大的太阳能-燃料能转换效率，缓解太阳能不确定性和间歇性对于系统稳定运行的影响，保证系统安全高效运行。本发明采用余热利用装置回收热化学氧化反应器的放热量，提高了能量利用效率。
[0075]综上所述，本发明公开的一种光催化-热化学耦合制燃料系统及其运行调控方法，具有良好的应用前景。
附图说明
[0076]图1为本发明实施例提出的一种光催化-高温热化学耦合制燃料系统的结构示意图；
[0077]图中：A-太阳光谱分频器，B-光催化水解制氢装置，C-高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置，D-加氢站，E-费托合成装置，F-产物分离装置，G-燃气轮机，H-电网系统，I-生活与工业园区；1-真空泵，2-第一控制系统，3-控制雾化器，4-抛物线型聚光器，5-圆管反应器，6-定日镜，7-太阳能塔，8-氧化反应器，9-还原反应器，10-泵，11-第二控制系统，12-余热回收装置。
具体实施方式
[0078]以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0079]如图1所示，本发明的一种光催化-高温热化学耦合制燃料系统包括太阳光谱分频器A，根据光催化水解制氢催化剂以及高温太阳能热化学制燃料金属氧化物催化剂的光谱响应特性，对太阳光谱分割为两个波段光谱，即将太阳辐射分频为290nm-1200nm的短波段，以及剩余波段范围的长波段光线；其中短波段光线射入光催化水解制氢装置B的抛物线型聚光器4，为光催化的圆管反应器5提供能量，激发管中光催化水解制氢反应发生；长波段光线射入高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C中的定日镜6，将光线反射到热化学反应器的氧化反应器8和还原反应器9的入口；驱动CeO2热化学循环分解水和二氧化碳制氢气和一氧化碳。
[0080]所述光催化水解制氢装置B，利用光催化剂和牺牲剂在太阳光下分解水制取氢气和氧气；
[0081]所述高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C，利用定日镜6将太阳辐射能聚集到太阳能塔7顶部的热化学反应器的入口，制取向燃气轮机G投入的甲烷和向加氢站D输入的氢气；增加余热回收装置12，提高能源利用效率。
[0082]还包括：
[0083]加氢站D，用于向氢燃料电池汽车提供氢气；
[0084]费托合成装置E，用于将一氧化碳和氢气混合气体合成甲烷；
[0085]产物分离装置F，用于分离费托合成反应产物中的甲烷；
[0086]燃气轮机G，用于将气体化学能转化成机械能然后发电，给用户提供电能；
[0087]电网系统H，用于向用户提供电能；
[0088]生活与工业园区I，用户消耗能源，满足生活与工业所需。
[0089]所述的光催化水解制氢装置B，包括真空泵1，第一控制系统2，控制雾化器3，抛物线型聚光器4和圆管反应器5；通过测量圆管反应器5出口氢气流量，以及利用蒙特卡洛射线追踪法获得圆管反应器5表面辐射分布，根据计算获得的太阳能-氢能转化效率，第一控制系统2实时调整抛物线型聚光器4开口方向、抛物线型聚光器尖顶到圆管反应器5底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，使得圆管反应器5表面的太阳能分布与化学反应进程所需能量匹配，最大化系统太阳能-燃料转换效率。
[0090]所述的高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C包括定日镜6，太阳能塔7，氧化反应器8，还原反应器9，泵10，第二控制系统11和余热回收装置12。太阳能塔7、定日镜6安装太阳能跟踪传动系统，根据太阳能入射角，实时调整反射镜，将95％以上的太阳辐射能聚集到热化学还原反应器9以及氧化反应器8入口，提高系统太阳能-燃料转换效率。
[0091]所述的还原反应器9的温度保持在1500℃，O2压力为0.1mbar，氧化反应器8的温度保持在900℃，二氧化碳压力为1bar；
[0092]所述的余热回收装置12连接还原反应器9与氧化反应器8，回收氧化反应的放热量加热CeO2，将加热后的CeO2通入还原反应器9中，提高高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C的能量利用效率；
[0093]所述的加氢站D将光催化水解制氢装置B和高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C产生并输送的氢气储存，按用户需求提供给氢燃料电池汽车。
[0094]根据下述公式得到所述系统的太阳能-燃料转化效率，所述公式为：
[0095]
[0096]其中，Hco为所述产物一氧化碳的高位热值；
为所述产物氢气的高位热值；Qsolar为所述入射到光催化水解制氢反应器表面和高温热化学循环制燃料反应器入口的太阳辐射能。
[0097]所述的高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C在高温太阳能驱动下利用金属氧化物分解水和二氧化碳制氢气和一氧化碳后，将合成气输送到费托合成装置E，在催化剂和低温环境下合成甲烷，将合成产物通入产物分离装置F后分离出甲烷。分离出的甲烷通过管道依次进入燃气轮机G压气室、燃烧室、燃气透平，后带动发电机发电。
[0098]所述的费托合成装置E在低温甲烷化催化剂BC-H-10，温度在150-200℃条件下，将一氧化碳和氢气混合气体合成液态烃类，连接产物分离装置F分离甲烷。
[0099]所述的产物分离装置F包含脱甲烷塔，分离费托合成反应产物中的甲烷，通过管道连接燃气轮机G。
[0100]所述燃气轮机G燃烧喷入的甲烷生成高温高压气体，随后进入涡轮膨胀做功，输出电能。
[0101]所述电网系统H为用户提供电能。
[0102]所述生活与工业园区I的用户消耗电能和燃料。
[0103]本发明通过太阳能光谱分频器A，将紫外光和可见光投入光催化水解制氢装置B中的抛物线型聚光器4，长波段光谱投入热化学制燃料装置中的定日镜6。以商业化TiO2为载体，针对半导体光催化剂的光吸收能力、光生载流子的分离和迁移、表面反应动力学等，设计并合成Pt/TiO2光催化剂。光催化水解制氢装置B采用带有抛物线型聚光器的圆柱形光催化反应器制氢气，基于太阳入射角以及辐射强度，根据优化计算结果，采用使系统全日照条件下平均能质转换效率最高时的抛物线型聚光器原始接收半角，截断的抛物线型聚光器边缘射线角。
[0104]在光催化水解制氢反应之前，利用真空泵将太阳能制氢系统中的空气等抽离，通入惰性气体后再次抽真空。为降低溶液循环泵的能耗，光催化制氢系统在自然循环模式下运行，并每半小时通入高压气体(即氢气或氮气)以干扰沉积的催化剂，保持溶液悬浮状态。
[0105]圆管反应器5由耐热玻璃管组成，通过法兰连接，PTFE垫密封。太阳能光催化产生的氢气沿管子流动，汇聚在气体出口，被抽出通入气体管道和长管拖车。长期运行后，低活性光催化剂和牺牲剂从反应器中排出后处理，同时回收团聚的光催化剂和杂质。
[0106]高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C利用太阳能驱动金属氧化物CeO2热化学循环制氢气和一氧化碳。所述还原反应器9和氧化反应器8选择腔式吸热器，可以有效捕获投入的太阳辐射能。腔式反应器的孔径处安装一个抛物线型聚光器，增加反射率。透明石英窗安装在抛物线型聚光器外封闭反应腔。
[0107]定日镜反射太阳辐射能聚集到还原反应器9和氧化反应器8入口石英窗表面，还原反应器9保持温度在1500℃，氧化反应器保持温度在900℃。高温太阳能驱动金属氧化物CeO2热化学循环制氢气和一氧化碳分两步法制燃料，首先CeO2通入还原反应器9，产物与一氧化碳、水蒸气通入氧化反应器8中，在氧化反应器8中生成CeO2、一氧化碳和氢气，CeO2进入余热回收装置12后返回还原反应器9中进行还原反应，实现连续制燃料。其中，一氧化碳和氢气通入费托合成装置E制甲烷。
[0108]将光催化水解制氢装置B产生的氢气以及高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C产生的氢气输送到加氢站，供氢燃料电池汽车使用，并将多余氢气储存，供夜晚使用。
[0109]在费托合成装置E中，采用国产BC-H-10低温甲烷化催化剂，温度保持在150-200℃，生成的合成气进入产物分离装置F，通过脱甲烷塔，将分离后的甲烷通入燃气轮机发电，并网满足生活与工业园区用户用电和用燃料需求。
[0110]本发明的运行调控方法具体实施步骤包括：
[0111]步骤一：建立光催化-高温热化学耦合制燃料系统模型，包括对圆管反应器5、氧化反应器8和还原反应器9建立三维流体动力学-辐射传递-化学反应动力学耦合的多物理场模型，对余热回收装置12、费托合成装置E、产物分离装置F、燃气轮机G建立依据实验数据获得的输入-输出非线性模型；
[0112]步骤二：对圆管反应器5，通过改变太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到圆管反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，测量产氢量，获得至少一千个实验样本；对氧化反应器8和还原反应器9，通过改变太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2质量流量，测量产氢量和一氧化碳量，获得至少一千个实验样本；
[0113]步骤三：提出改进的极限学习机，具体表述如下；
[0114]给定一个数据集
其中si为第i个输入样本，zi为第i个输出样本，N为样本个数，，极限学习机的数学模型通过以下方式建立：
[0115]第一个模型中，输入变量为圆管反应器的运行参数，包括太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，输出参数是产氢量；
[0116]第二个模型中，输入变量为氧化反应器和还原反应器的运行参数，包括太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2质量流量，输出参数是产氢量和一氧化碳量；
[0117]Hg＝z (2)
[0118]其中，H表示模型矩阵；g表示输出权向量；z表示输出值；具体表达式为：
[0119]
[0120]
[0121]其中，φ(·)为激活函数；ai和vj定义第i个输入权重和第i个偏置；g和h定义了输出权重和输入矩阵；a1和an表示输入权向量a的第一个元素和第n个元素；v1和vn表示偏置向量v的第一个元素和第n个元素；g1和gn表示g向量的第一个元素和第n个元素；n表示向量个数；
[0122]ELM属于监督学习方法，其训练需要求解方程(2)。正则化方法是实现该任务的一个首选方法。然而，正则化方法的有效性取决于正则参数的合理选择。常规基于经验的选择方法难以确保数值解的最优性，且增加了结果的不确定性。本发明提出了一个新的双层优化训练模型实现正则参数的自适应选择和模型参数的训练，可表达为如下的数学模型:
[0123]
[0124]式中，||Hg-z||1是数据保真项，减少噪声和偏差的不利影响；λ是正则化参数；||z||1-||z||2是L1-2范数，用于确保数值解的稀疏性；HT是对应于验证集的模型矩阵；zT是对应于验证集的输出数据；
表示求解以*为变量的目标函数最小值；
是上层优化问题目标函数，试图求解最佳的正则参数λ；
是下层优化问题目标函数，试图在给定的正则参数和训练数据下计算输出权g；s.t.表示约束条件；上层优化问题和下层优化问题构成双层优化问题。
[0125]方程(3)是一个双层优化问题，需要求解两个优化问题。本发明提出了一个新的嵌套算法高效地求解该问题。
[0126]首先讨论下层优化问题的求解。
[0127]下层优化问题
是一个凸函数可微的优化问题，直接求解极其困难。当g不是一个零向量时，将下层优化问题松弛为如下：
[0128]
[0129]式中，vk为辅助变量，定义为：
[0130]vk＝-λgk/||gk||2(5)
[0131]式中，k代表迭代步数；||gk||2为gkL2范数；
[0132]注意到，方程(4)中包含了非光滑项，仍难以有效求解。为了克服这个困难，采用半二次方分裂算法缓解这个求解难题。通过引入两个辅助变量d1和d2，方程(4)能够被转化为如下的等式约束优化问题：
[0133]
[0134]式中，zT为向量z的转置。
[0135]根据半二次方分裂算法，方程(6)被进一步转化为一个无约束问题：
[0136]
[0137]式中，ψ(g,d1,d2)为目标函数，定义为：
[0138]
[0139]式中，gT为向量g的转置；μ1和μ2为罚参数。
[0140]为了计算方便，采用分离优化方法求解式(8)：
[0141]
[0142]
[0143]
[0144]根据式(8)，式(9)-(11)具体为：
[0145]
[0146]
[0147]
[0148]式中，d11表示辅助变量d1的L1范数。
[0149]方程(12)和(13)能够用软阈值算法求解，即：
[0150]
[0151]
[0152]式中，shrink(·,·)代表软阈值算子。
[0153]方程(14)是可微的，其解为：
[0154]
[0155]式中，HT为向量H的转置；I是单位矩阵。
[0156]根据方程(15)-(17)迭代求解方程(4)。为了便于理解，将整个计算过程总结在如下的算法1中。算法1的显著特点是利用松弛方法和半二次方分裂算法降低了问题求解的难度和有效处理非光滑优化问题，仅仅需要计算子问题的梯度向量，计算复杂性相对较低。
[0157]
[0158]
[0159]上层优化问题的决策变量被隐含地包含在目标函数中，难以直接求解梯度向量或者Hessian矩阵。为了克服这个困难，本发明使用遗传算法求解上层优化问题。
[0160]为了有效的应对双层优化问题的层次结构，考虑到上层优化和下层优化问题的特殊性，本发明提出了一个新的嵌套算法，用遗传算法求解上层优化问题，嵌套上文的下层优化问题算法。所述算法的计算过程如下表。该算法能够有效利用了双层优化问题的层次结构，具有快速、低计算复杂性等优点。
[0161]
[0162]步骤四：基于实验数据和计算数据，利用提出改进的极限学习机逼近圆管反应器5中太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径与产氢量的非线性关系；同时，对氧化反应器8和还原反应器9，利用改进的极限学习机逼近氧化反应器8和还原反应器9中太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比、CeO2质量流量与产氢量、一氧化碳量的非线性关系；获得代理模型，减少计算、实验时间和成本；
[0163]步骤五：为了缓解太阳能和用户负荷的波动性和不确定性，建立能源系统鲁棒优化模型，采用非支配排序的遗传算法求解提出的模型，实时调整全天日照条件下，光催化水解制氢装置B中抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度、催化剂颗粒直径，使得抛物线型聚光器提供能量与反应器所需太阳辐射分布相匹配。对于高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C，通过控制雾化器，自动调整二氧化碳和水蒸气流量比、CeO2质量流量，使能源系统获得最大的太阳能-燃料能转换效率，并缓解太阳能和用户负荷不确定性和间歇性对系统稳定运行的影响。
[0164]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0013]氧化反应:CeO2-δ+δCO2→CeO2+δCO
[0014]CeO2-δ+δH2O→CeO2+δH2
[0015]其中，非化学计量数δ表示还原程度，具体表达式如下：
[0016]
[0017]其中，T表示还原反应温度；和P0表示氧气偏压以及还原反应和氧化反应的压力。
[0018]所述的余热回收装置连接还原反应器和氧化反应器，吸收氧化反应器的热量加热CeO2后，通入还原反应器，提高反应器的能量利用效率；
[0019]光催化水解制氢装置制取的氢气与高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环产氢通过气体管道和长管拖车输送到加氢站，供燃料电池汽车使用。
[0020]所述的费托合成装置在商业低温甲烷化催化剂BC-H-10，温度150-200℃条件下，将一氧化碳和氢气混合气体合成甲烷，通过管道连接产物分离装置；
[0021]所述的产物分离装置包含分离罐、解吸塔、脱甲烷塔、脱乙烷塔、脱丙烷塔、脱丁烷塔、精馏塔等，一级分离罐入口通过管道连接费托合成装置，脱甲烷塔和解析塔出口通过管道连接燃气轮机。
[0022]本发明还提供一种光催化-高温热化学耦合制燃料系统的运行调控方法，包括如下步骤：
[0023]步骤一：建立光催化-高温热化学耦合制燃料系统模型，包括对圆管反应器、氧化反应器和还原反应器建立三维流体动力学-辐射传递-化学反应动力学耦合的多物理场模型，对余热回收装置、费托合成装置、产物分离装置、燃气轮机建立依据实验数据获得的输入-输出非线性模型；
[0024]步骤二：对圆管反应器，通过改变太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到圆管反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，测量产氢量，获得多个实验样本；对氧化反应器和还原反应器，通过改变太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2质量流量，测量产氢量和一氧化碳量，获得多个实验样本；
[0025]步骤三：提出极限学习机；
[0026]步骤四：基于实验数据和计算数据，利用所述步骤三的极限学习机逼近圆管反应器中太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径与产氢量的非线性关系；同时，对氧化反应器和还原反应器，利用所述步骤三的极限学习机逼近氧化反应器和还原反应器中太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比、CeO2质量流量与产氢量、一氧化碳量的非线性关系；获得代理模型，减少计算、实验时间和成本；
[0027]步骤五：建立能源系统鲁棒优化模型，采用非支配排序遗传算法求解提出的鲁棒优化模型，实时调整全天日照条件下，光催化水解制氢装置中抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度、催化剂颗粒直径，使得抛物线型聚光器提供能量与反应器所需太阳辐射分布相匹配；对于高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置，通过控制雾化器，自动调整二氧化碳和水蒸气流量比、CeO2质量流量，使能源系统获得最大的太阳能-燃料能转换效率，并缓解太阳能和用户负荷不确定性和间歇性对系统稳定运行的影响。
[0028]进一步地，所述步骤三的提出极限学习机包括：
[0029]给定一个数据集其中si为第i个输入样本，zi为第i个输出样本，N为样本个数，，极限学习机的数学模型通过以下方式建立：
[0030]第一个模型中，输入变量为圆管反应器的运行参数，包括太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，输出参数是产氢量；
[0031]第二个模型中，输入变量为氧化反应器和还原反应器的运行参数，包括太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2质量流量，输出参数是产氢量和一氧化碳量；
[0032]Hg＝z (1)
[0033]其中，H表示模型矩阵；g表示输出权向量；z表示输出值；具体表达式为：
[0034]
[0035]
[0036]其中，φ(·)为激活函数；ai和vj定义第i个输入权重和第i个偏置；g和h定义了输出权重和输入矩阵；a1和an表示输入权向量a的第一个元素和第n个元素；v1和vn表示偏置向量v的第一个元素和第n个元素；g1和gn表示g向量的第一个元素和第n个元素；n表示向量个数；
[0037]采用正则化方法求解式(1)；
[0038]双层优化训练模型实现正则参数的自适应选择和模型参数的训练，表达为如下的数学模型:
[0039]
[0040]式中，||Hg-z||1是数据保真项，减少噪声和偏差的不利影响；λ是正则化参数；||z||1-||z||2是L1-2范数，用于确保数值解的稀疏性；HT是对应于验证集的模型矩阵；zT是对应于验证集的输出数据；表示求解以*为变量的目标函数最小值；是上层优化问题目标函数，试图求解最佳的正则参数λ；是下层优化问题目标函数，试图在给定的正则参数和训练数据下计算输出权g；s.t.表示约束条件；上层优化问题和下层优化问题构成双层优化问题。
[0041]进一步地，采用嵌套算法求解式(2)的双层优化问题，具体包括：
[0042]下层优化问题中，当g不是一个零向量时，将下层优化问题松弛为如下：
[0043]
[0044]式中，vk为辅助变量，定义为：
[0045]vk＝-λgk/||gk||2 (4)
[0046]式中，k代表迭代步数；||gk||2为gkL2范数；
[0047]采用半二次方分裂算法，通过引入两个辅助变量d1和d2，式(3)被转化为如下的等式约束优化问题：
[0048]
[0049]式中，zT为向量z的转置。
[0050]根据半二次方分裂算法，式(6)被进一步转化为一个无约束问题：
[0051]
[0052]式中，ψ(g,d1,d2)为目标函数，定义为：
[0053]
[0054]式中，gT为向量g的转置；μ1和μ2为罚参数。
[0055]采用分离优化方法求解式(7)：
[0056]
[0057]
[0058]
[0059]根据式(7)，式(8)-(10)具体为：
[0060]
[0061]
[0062]
[0063]式中，||d1||1表示辅助变量d1的L1范数。
[0064]式(11)和(12)使用软阈值算法求解，即：
[0065]
[0066]
[0067]式中，shrink(·,·)代表软阈值算子。
[0068]式(13)是可微的，其解为：
[0069]
[0070]式中，HT为向量H的转置；I是单位矩阵。
[0071]根据式(14)-(16)迭代求解式(3)；
[0072]采用遗传算法求解上层优化问题。
[0073]与现有技术相比，本发明具有以下优势效果：
[0074]本发明公开的一种新型光热耦合制燃料系统集成了光催化水解制氢和太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料技术，拓宽了光谱利用范围；为了缓解太阳辐射以及用户负荷的不确定性和波动性，建立了能源系统鲁棒优化模型；为了缓解实验和计算成本，对圆管反应器、还原反应器和氧化反应器，利用提出的改进极限学习机建立了代理模型，通过求解建立的模型，在全光照条件下，实时调整光催化水解制氢反应装置抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离，以及反应器中悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，使得光反应器表面辐射分布与化学反应所需能量匹配，提高太阳能-燃料转换效率。对于还原反应器和氧化反应器，实时调整二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2流量。将实时测量数据、运行数据结合，调控光热耦合制燃料系统运行，使系统实现最大的太阳能-燃料能转换效率，缓解太阳能不确定性和间歇性对于系统稳定运行的影响，保证系统安全高效运行。本发明采用余热利用装置回收热化学氧化反应器的放热量，提高了能量利用效率。
[0075]综上所述，本发明公开的一种光催化-热化学耦合制燃料系统及其运行调控方法，具有良好的应用前景。
附图说明
[0076]图1为本发明实施例提出的一种光催化-高温热化学耦合制燃料系统的结构示意图；
[0077]图中：A-太阳光谱分频器，B-光催化水解制氢装置，C-高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置，D-加氢站，E-费托合成装置，F-产物分离装置，G-燃气轮机，H-电网系统，I-生活与工业园区；1-真空泵，2-第一控制系统，3-控制雾化器，4-抛物线型聚光器，5-圆管反应器，6-定日镜，7-太阳能塔，8-氧化反应器，9-还原反应器，10-泵，11-第二控制系统，12-余热回收装置。
具体实施方式
[0078]以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
[0079]如图1所示，本发明的一种光催化-高温热化学耦合制燃料系统包括太阳光谱分频器A，根据光催化水解制氢催化剂以及高温太阳能热化学制燃料金属氧化物催化剂的光谱响应特性，对太阳光谱分割为两个波段光谱，即将太阳辐射分频为290nm-1200nm的短波段，以及剩余波段范围的长波段光线；其中短波段光线射入光催化水解制氢装置B的抛物线型聚光器4，为光催化的圆管反应器5提供能量，激发管中光催化水解制氢反应发生；长波段光线射入高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C中的定日镜6，将光线反射到热化学反应器的氧化反应器8和还原反应器9的入口；驱动CeO2热化学循环分解水和二氧化碳制氢气和一氧化碳。
[0080]所述光催化水解制氢装置B，利用光催化剂和牺牲剂在太阳光下分解水制取氢气和氧气；
[0081]所述高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C，利用定日镜6将太阳辐射能聚集到太阳能塔7顶部的热化学反应器的入口，制取向燃气轮机G投入的甲烷和向加氢站D输入的氢气；增加余热回收装置12，提高能源利用效率。
[0082]还包括：
[0083]加氢站D，用于向氢燃料电池汽车提供氢气；
[0084]费托合成装置E，用于将一氧化碳和氢气混合气体合成甲烷；
[0085]产物分离装置F，用于分离费托合成反应产物中的甲烷；
[0086]燃气轮机G，用于将气体化学能转化成机械能然后发电，给用户提供电能；
[0087]电网系统H，用于向用户提供电能；
[0088]生活与工业园区I，用户消耗能源，满足生活与工业所需。
[0089]所述的光催化水解制氢装置B，包括真空泵1，第一控制系统2，控制雾化器3，抛物线型聚光器4和圆管反应器5；通过测量圆管反应器5出口氢气流量，以及利用蒙特卡洛射线追踪法获得圆管反应器5表面辐射分布，根据计算获得的太阳能-氢能转化效率，第一控制系统2实时调整抛物线型聚光器4开口方向、抛物线型聚光器尖顶到圆管反应器5底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，使得圆管反应器5表面的太阳能分布与化学反应进程所需能量匹配，最大化系统太阳能-燃料转换效率。
[0090]所述的高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C包括定日镜6，太阳能塔7，氧化反应器8，还原反应器9，泵10，第二控制系统11和余热回收装置12。太阳能塔7、定日镜6安装太阳能跟踪传动系统，根据太阳能入射角，实时调整反射镜，将95％以上的太阳辐射能聚集到热化学还原反应器9以及氧化反应器8入口，提高系统太阳能-燃料转换效率。
[0091]所述的还原反应器9的温度保持在1500℃，O2压力为0.1mbar，氧化反应器8的温度保持在900℃，二氧化碳压力为1bar；
[0092]所述的余热回收装置12连接还原反应器9与氧化反应器8，回收氧化反应的放热量加热CeO2，将加热后的CeO2通入还原反应器9中，提高高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C的能量利用效率；
[0093]所述的加氢站D将光催化水解制氢装置B和高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C产生并输送的氢气储存，按用户需求提供给氢燃料电池汽车。
[0094]根据下述公式得到所述系统的太阳能-燃料转化效率，所述公式为：
[0095]
[0096]其中，Hco为所述产物一氧化碳的高位热值；为所述产物氢气的高位热值；Qsolar为所述入射到光催化水解制氢反应器表面和高温热化学循环制燃料反应器入口的太阳辐射能。
[0097]所述的高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C在高温太阳能驱动下利用金属氧化物分解水和二氧化碳制氢气和一氧化碳后，将合成气输送到费托合成装置E，在催化剂和低温环境下合成甲烷，将合成产物通入产物分离装置F后分离出甲烷。分离出的甲烷通过管道依次进入燃气轮机G压气室、燃烧室、燃气透平，后带动发电机发电。
[0098]所述的费托合成装置E在低温甲烷化催化剂BC-H-10，温度在150-200℃条件下，将一氧化碳和氢气混合气体合成液态烃类，连接产物分离装置F分离甲烷。
[0099]所述的产物分离装置F包含脱甲烷塔，分离费托合成反应产物中的甲烷，通过管道连接燃气轮机G。
[0100]所述燃气轮机G燃烧喷入的甲烷生成高温高压气体，随后进入涡轮膨胀做功，输出电能。
[0101]所述电网系统H为用户提供电能。
[0102]所述生活与工业园区I的用户消耗电能和燃料。
[0103]本发明通过太阳能光谱分频器A，将紫外光和可见光投入光催化水解制氢装置B中的抛物线型聚光器4，长波段光谱投入热化学制燃料装置中的定日镜6。以商业化TiO2为载体，针对半导体光催化剂的光吸收能力、光生载流子的分离和迁移、表面反应动力学等，设计并合成Pt/TiO2光催化剂。光催化水解制氢装置B采用带有抛物线型聚光器的圆柱形光催化反应器制氢气，基于太阳入射角以及辐射强度，根据优化计算结果，采用使系统全日照条件下平均能质转换效率最高时的抛物线型聚光器原始接收半角，截断的抛物线型聚光器边缘射线角。
[0104]在光催化水解制氢反应之前，利用真空泵将太阳能制氢系统中的空气等抽离，通入惰性气体后再次抽真空。为降低溶液循环泵的能耗，光催化制氢系统在自然循环模式下运行，并每半小时通入高压气体(即氢气或氮气)以干扰沉积的催化剂，保持溶液悬浮状态。
[0105]圆管反应器5由耐热玻璃管组成，通过法兰连接，PTFE垫密封。太阳能光催化产生的氢气沿管子流动，汇聚在气体出口，被抽出通入气体管道和长管拖车。长期运行后，低活性光催化剂和牺牲剂从反应器中排出后处理，同时回收团聚的光催化剂和杂质。
[0106]高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C利用太阳能驱动金属氧化物CeO2热化学循环制氢气和一氧化碳。所述还原反应器9和氧化反应器8选择腔式吸热器，可以有效捕获投入的太阳辐射能。腔式反应器的孔径处安装一个抛物线型聚光器，增加反射率。透明石英窗安装在抛物线型聚光器外封闭反应腔。
[0107]定日镜反射太阳辐射能聚集到还原反应器9和氧化反应器8入口石英窗表面，还原反应器9保持温度在1500℃，氧化反应器保持温度在900℃。高温太阳能驱动金属氧化物CeO2热化学循环制氢气和一氧化碳分两步法制燃料，首先CeO2通入还原反应器9，产物与一氧化碳、水蒸气通入氧化反应器8中，在氧化反应器8中生成CeO2、一氧化碳和氢气，CeO2进入余热回收装置12后返回还原反应器9中进行还原反应，实现连续制燃料。其中，一氧化碳和氢气通入费托合成装置E制甲烷。
[0108]将光催化水解制氢装置B产生的氢气以及高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C产生的氢气输送到加氢站，供氢燃料电池汽车使用，并将多余氢气储存，供夜晚使用。
[0109]在费托合成装置E中，采用国产BC-H-10低温甲烷化催化剂，温度保持在150-200℃，生成的合成气进入产物分离装置F，通过脱甲烷塔，将分离后的甲烷通入燃气轮机发电，并网满足生活与工业园区用户用电和用燃料需求。
[0110]本发明的运行调控方法具体实施步骤包括：
[0111]步骤一：建立光催化-高温热化学耦合制燃料系统模型，包括对圆管反应器5、氧化反应器8和还原反应器9建立三维流体动力学-辐射传递-化学反应动力学耦合的多物理场模型，对余热回收装置12、费托合成装置E、产物分离装置F、燃气轮机G建立依据实验数据获得的输入-输出非线性模型；
[0112]步骤二：对圆管反应器5，通过改变太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到圆管反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，测量产氢量，获得至少一千个实验样本；对氧化反应器8和还原反应器9，通过改变太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2质量流量，测量产氢量和一氧化碳量，获得至少一千个实验样本；
[0113]步骤三：提出改进的极限学习机，具体表述如下；
[0114]给定一个数据集其中si为第i个输入样本，zi为第i个输出样本，N为样本个数，，极限学习机的数学模型通过以下方式建立：
[0115]第一个模型中，输入变量为圆管反应器的运行参数，包括太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径，输出参数是产氢量；
[0116]第二个模型中，输入变量为氧化反应器和还原反应器的运行参数，包括太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比，以及CeO2质量流量，输出参数是产氢量和一氧化碳量；
[0117]Hg＝z (2)
[0118]其中，H表示模型矩阵；g表示输出权向量；z表示输出值；具体表达式为：
[0119]
[0120]
[0121]其中，φ(·)为激活函数；ai和vj定义第i个输入权重和第i个偏置；g和h定义了输出权重和输入矩阵；a1和an表示输入权向量a的第一个元素和第n个元素；v1和vn表示偏置向量v的第一个元素和第n个元素；g1和gn表示g向量的第一个元素和第n个元素；n表示向量个数；
[0122]ELM属于监督学习方法，其训练需要求解方程(2)。正则化方法是实现该任务的一个首选方法。然而，正则化方法的有效性取决于正则参数的合理选择。常规基于经验的选择方法难以确保数值解的最优性，且增加了结果的不确定性。本发明提出了一个新的双层优化训练模型实现正则参数的自适应选择和模型参数的训练，可表达为如下的数学模型:
[0123]
[0124]式中，||Hg-z||1是数据保真项，减少噪声和偏差的不利影响；λ是正则化参数；||z||1-||z||2是L1-2范数，用于确保数值解的稀疏性；HT是对应于验证集的模型矩阵；zT是对应于验证集的输出数据；表示求解以*为变量的目标函数最小值；是上层优化问题目标函数，试图求解最佳的正则参数λ；是下层优化问题目标函数，试图在给定的正则参数和训练数据下计算输出权g；s.t.表示约束条件；上层优化问题和下层优化问题构成双层优化问题。
[0125]方程(3)是一个双层优化问题，需要求解两个优化问题。本发明提出了一个新的嵌套算法高效地求解该问题。
[0126]首先讨论下层优化问题的求解。
[0127]下层优化问题是一个凸函数可微的优化问题，直接求解极其困难。当g不是一个零向量时，将下层优化问题松弛为如下：
[0128]
[0129]式中，vk为辅助变量，定义为：
[0130]vk＝-λgk/||gk||2(5)
[0131]式中，k代表迭代步数；||gk||2为gkL2范数；
[0132]注意到，方程(4)中包含了非光滑项，仍难以有效求解。为了克服这个困难，采用半二次方分裂算法缓解这个求解难题。通过引入两个辅助变量d1和d2，方程(4)能够被转化为如下的等式约束优化问题：
[0133]
[0134]式中，zT为向量z的转置。
[0135]根据半二次方分裂算法，方程(6)被进一步转化为一个无约束问题：
[0136]
[0137]式中，ψ(g,d1,d2)为目标函数，定义为：
[0138]
[0139]式中，gT为向量g的转置；μ1和μ2为罚参数。
[0140]为了计算方便，采用分离优化方法求解式(8)：
[0141]
[0142]
[0143]
[0144]根据式(8)，式(9)-(11)具体为：
[0145]
[0146]
[0147]
[0148]式中，d11表示辅助变量d1的L1范数。
[0149]方程(12)和(13)能够用软阈值算法求解，即：
[0150]
[0151]
[0152]式中，shrink(·,·)代表软阈值算子。
[0153]方程(14)是可微的，其解为：
[0154]
[0155]式中，HT为向量H的转置；I是单位矩阵。
[0156]根据方程(15)-(17)迭代求解方程(4)。为了便于理解，将整个计算过程总结在如下的算法1中。算法1的显著特点是利用松弛方法和半二次方分裂算法降低了问题求解的难度和有效处理非光滑优化问题，仅仅需要计算子问题的梯度向量，计算复杂性相对较低。
[0157]
[0158]
[0159]上层优化问题的决策变量被隐含地包含在目标函数中，难以直接求解梯度向量或者Hessian矩阵。为了克服这个困难，本发明使用遗传算法求解上层优化问题。
[0160]为了有效的应对双层优化问题的层次结构，考虑到上层优化和下层优化问题的特殊性，本发明提出了一个新的嵌套算法，用遗传算法求解上层优化问题，嵌套上文的下层优化问题算法。所述算法的计算过程如下表。该算法能够有效利用了双层优化问题的层次结构，具有快速、低计算复杂性等优点。
[0161]
[0162]步骤四：基于实验数据和计算数据，利用提出改进的极限学习机逼近圆管反应器5中太阳辐射强度、太阳入射角、抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度以及催化剂颗粒直径与产氢量的非线性关系；同时，对氧化反应器8和还原反应器9，利用改进的极限学习机逼近氧化反应器8和还原反应器9中太阳辐射强度、太阳入射角、二氧化碳和水蒸气流量比、CeO2质量流量与产氢量、一氧化碳量的非线性关系；获得代理模型，减少计算、实验时间和成本；
[0163]步骤五：为了缓解太阳能和用户负荷的波动性和不确定性，建立能源系统鲁棒优化模型，采用非支配排序的遗传算法求解提出的模型，实时调整全天日照条件下，光催化水解制氢装置B中抛物线型聚光器开口方向、尖顶到反应器底部的距离、悬浮液进口流速、光催化剂浓度、催化剂颗粒直径，使得抛物线型聚光器提供能量与反应器所需太阳辐射分布相匹配。对于高温太阳能驱动金属氧化物热化学循环制燃料装置C，通过控制雾化器，自动调整二氧化碳和水蒸气流量比、CeO2质量流量，使能源系统获得最大的太阳能-燃料能转换效率，并缓解太阳能和用户负荷不确定性和间歇性对系统稳定运行的影响。
[0164]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
