【正文】 限制，技術(shù)成熟，效率高 燃煤電站 褐煤 1501000MW 硬煤 150750MW 燃氣輪機聯(lián)合循環(huán) 100425MW 1218 可再生能源 無排污與技術(shù)瓶頸，有環(huán)境與資源限制，效率較高 水電站 小型 110MW 47 大型 1018000MW 34 風力發(fā)電 陸地 13MW 58 近海 812 無排污，無資源與環(huán)境限制，有瓶頸，效率低 太陽能發(fā)電 屋頂光伏 25kWp 2080 CSP 槽式 50500MW 1218 塔式 1020MW 核能 無排污，效率高，有核輻射可能，安全性要求高 核電站 6001300MW 就可再生能源用于發(fā)電而言， 由表 的綜合對比， 太陽能發(fā)電做到了環(huán)保節(jié)能，符合當今可持續(xù)發(fā)展觀的要求，發(fā)展前景巨大 [6]。 圖 1. 2 光伏發(fā)電與熱發(fā)電發(fā)電品質(zhì)比較圖 CSP 技術(shù) 雖然目前無法與常規(guī)能源發(fā)電方式相抗衡，但 通過熱儲存技術(shù)，可 實現(xiàn) 24 小時不間斷發(fā)電，即與傳統(tǒng)火力發(fā)電相兼容，形成混合動力機組，保證 電網(wǎng)穩(wěn)定運行，具有實現(xiàn)大功率發(fā)電可能，是替代常規(guī)能源最為經(jīng)濟但不利于環(huán)保的革命性新能源發(fā)電方 式 。 作為最可能引起能源革命的技術(shù)成果， 其 在經(jīng)濟社會的合理性、生態(tài)環(huán)境保護的重要性、能源的替代性、發(fā)電技術(shù)趨向性及科技飛速發(fā)展的推動性將會逐步凸顯，體現(xiàn)出其對環(huán) 境、能源、科技及供能（熱電冷）的貢獻。據(jù)悉，以降低設(shè)備造價與成本， 開展系統(tǒng)和部件開發(fā)與研究，拓展應(yīng)用市場為主題的 CSP 計劃已在美國和歐洲各國制定。截止 2022 年 4 月，正在進行的商業(yè) CSP 項目共計 5979MW， 其中 9 個為1614MW 的槽式 項目。由于西班牙的開發(fā)和美國的潛在實力，全球 CSP 市場正在進入新的生長 階段，預計未來 10 年內(nèi)，由于資源和政策支持的雙重因素，美國和西班牙將繼續(xù)引領(lǐng)全球 CSP 市場的發(fā)展。 我國 已建成 并 并網(wǎng)的 第一座 容量為 75KW 的 塔式太陽能熱發(fā)電示范電站、已 擬建的 300MW 新疆吐魯番槽式太陽能熱發(fā)電站 、 計劃 于 2022 年 12 月 建 成的1MW 北京八達嶺太陽能塔式電站 [12]、 已于 2022 年 2 月 發(fā)電成功 的 中航 空港 通用 設(shè)備有限 公司自主研發(fā)設(shè)計的 槽式太陽能熱發(fā)電工程樣機 ， 和擬建的 內(nèi)蒙古50MW 槽式太陽能熱發(fā)電 示范 項目 等， 已說明我國 CSP 技術(shù)的實際應(yīng)用已 起步，工業(yè)化的裝置和應(yīng)用實例隨著 其 相關(guān)技術(shù)的深入研究而增加 ，發(fā)展前景廣闊 。其建站規(guī)模大、技術(shù)易于實現(xiàn)（單軸跟蹤）和便于商業(yè)化（真空管集熱器可投入大批量生產(chǎn)、安裝）的 優(yōu)勢 ，非常適合商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電。 圖 1. 3 CSP 實體電站 中國計量學院碩士學位論文 7 如圖 （ b）所示為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)實體電站 圖 ， 其 利用 雙軸獨立跟蹤太陽的定日鏡群， 聚集 陽光 到已固定 在 塔頂?shù)募療崞魃?，以點或面聚焦產(chǎn)生高溫，加熱吸 收管中工質(zhì)以產(chǎn)生高溫氣體或過熱蒸汽，再進入汽輪機發(fā)電機組，驅(qū)動其運轉(zhuǎn)并發(fā)電 。尚在 研究的先進集熱器頗具吸引力，若 研究成功，屆時 大 型塔式太陽能熱電站將有望達到 60%甚至更高的聯(lián)合循環(huán)效率，我們翹首以待這些設(shè)想的實現(xiàn)。 據(jù)悉， 2022 年及以后，碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的性能發(fā)展取決于 熱管集熱器，當該集熱器年產(chǎn)量 較高 時，碟式熱發(fā)電技術(shù) 有 望發(fā)展成熟。 美國魯茲 (Luz)公司 SEGS（ solar electric generator system））系列電站總裝機容量 ，年發(fā)電高達 億 kWh。最為典型的是 SEGSⅧ電站，峰值太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率為 24%， 循環(huán)效率為 %， 年平均太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率為 14%，電站的初始投資為 2650 美元 /kw，發(fā)電的成本僅為 8 美分/kWh[14][21]，可以說該電站的運行與發(fā)展說明系統(tǒng)效率、初期投資與發(fā)電成本等的矛盾可通過建站與關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)技術(shù)的提高而進一步解決。 聚光集熱子系統(tǒng)由多個聚光集熱器 SCA(Sofar Collector Assembly)組成，而每個聚光集熱器 SCA 由若干個由聚中國計量學院碩士學位論文 10 光鏡、接收器 /集熱管和跟蹤裝置 組成 的聚光集熱單元 SCE(Solar Colleetor ElementS)構(gòu)成 。采用導熱油作為吸熱介質(zhì)存在安全隱患，但工作壓力一般在，無高壓風險 。 圖 1. 4 槽。若 以水為循環(huán)工質(zhì)直接產(chǎn)生蒸汽，簡化子系統(tǒng)稱為 DSG 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)， 稱 為單回路，如圖 (b)所示 。 當工質(zhì)為油時， 系統(tǒng)有 導熱油、水 /蒸汽換熱子系統(tǒng) ，稱為 雙回路 。但是 歐美研發(fā)運行經(jīng)驗 豐富 ，我國 才 進入實驗性階段，制約 我 國太陽能熱發(fā)電站發(fā)展的主要因素仍是技術(shù) 難題 ，可 商業(yè)化的 槽式 技術(shù)仍在研究突破階段。九座電站 [19]特征如表 所示： 表 1. 4 SEGSⅠ Ⅸ 電站特征比較 SEGS 電站 并網(wǎng) 時間 凈輸出（ MWe） 太陽能場出口溫度（ ℃ /℉ ） 太陽能場面積 （ 104㎡） 太陽渦輪機效率（ %） 輔助燃料渦輪機效率（ %） 年輸出 能量（ MWh） Ⅰ 1985 307/585 30100 Ⅱ 1986 30 316/601 80500 Ⅲ amp。 據(jù) IEA（ International Energy Agency） 預測 的從 1997 到 2030 年 間，這 三種類型 CSP 系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟參數(shù)對比 [13][17]，如表 所示 。碟式太陽能 熱發(fā)電系統(tǒng)維護費用少、 自動控制性好 、 運行成本低 、建設(shè)周期短及可獨立或模塊化結(jié)合動作 。其典型電站有1982 年 4 月投運的美國 10Mw 的 “太陽一號 ”Solar one 和 1996 年 4 月并網(wǎng)發(fā)電的 10MW 的 “太陽二號 ”Solar Two 塔式太陽能熱發(fā)電站。 具 一定傾角的集熱器 將 引入槽式太陽能熱發(fā)電直接蒸汽 DSG（ Direct Steam Generating）技術(shù) ，而且 一種低成本、 85%循環(huán)效率的儲熱系統(tǒng)將開發(fā)并應(yīng)用于 DSG 系統(tǒng) 。 槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù) 發(fā)展優(yōu)勢 據(jù)《中國新能源和可再生能源 1999 白皮書》 與《科學研究動態(tài)監(jiān)測快報》[13]中對 CSP 三種熱發(fā)電方式進行的全面比較，及太陽能熱發(fā)電技術(shù)三亞國際論壇簡報所述，槽式 系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)實體電站如圖 所示。根據(jù)發(fā)改委公布的 2022 年發(fā)展規(guī)劃，我國太陽能熱發(fā)電站的裝機容量將達到 150MW[9]。 據(jù) 2022 年 7 月的 EER 研究專欄，西班牙 處于太陽能熱發(fā)電飛速發(fā)展時期 ， 2022 年至 2022 年 發(fā)展 目標為2440MW，這必將促使西班牙繼續(xù)保持在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的全球領(lǐng)導地位。 美國能源部發(fā)展 CSP（聚光式太陽能熱發(fā)電）的目標 [9]是 ： 2022 年 CSP 電力成本 由 目前的 1316 美分 /KWh（無儲能）降到 810 美分 /KWh（儲能 6 小時），且在 2020 年低于 7 美分 /KWh（儲能 1217 小時）。 如果 CSP 突破其技術(shù) 與 利 用 瓶頸， 提高發(fā)電效率 ，降低 發(fā)中國計量學院碩士學位論文 5 電成本 與上網(wǎng)電價 ， 其 將會為國家提供根本的可再生能源解決方案?？傮w來 說 ，CSP 技術(shù)完全符合徐建中院士提出的運用多領(lǐng)域交叉和綜合的戰(zhàn)略，建立完整的無碳、低碳能源和經(jīng)濟體系構(gòu)想。 CSP 技術(shù)熱利用可將水作為熱循環(huán)工質(zhì)， 土地選擇性較大，應(yīng)用范圍廣闊，包括太陽輻射較強地帶（包括地廣人稀的沙漠地帶 等）， 在大規(guī)模應(yīng)用時有著明顯優(yōu)勢 ，而且由圖 可知， CSP 發(fā)電電力品質(zhì)好，可擔當基礎(chǔ)電力負荷。 CSP 聚光系統(tǒng)可進一步分為點聚焦和線聚焦系統(tǒng)，點聚焦系統(tǒng)聚集太陽光到一個中央吸熱器上， 其 包括塔式 和 碟式發(fā)電系統(tǒng)，而線聚焦系統(tǒng)則是把光線聚集到一個線性吸熱管上，槽式發(fā)電系統(tǒng)就是此類型。 太陽能發(fā)電 主要 有 如圖 （ a）與 （ b）所示的 光伏和熱發(fā)電兩種形式 。 我國 太陽能資源儲量巨大， 居世界第二位， 約等于上萬個三峽工程發(fā)電量 。隨著 氣候變化、貿(mào)易和發(fā)展合作的國際合作 和協(xié)議大規(guī)模推動全球發(fā)展 新 能源 ， 新能源帶來的 “ 第四次 ” 能源革命已經(jīng)到來。 因而， 正確處理好能源開發(fā)利用與環(huán)境保護和氣侯變化的關(guān)系，是世界各國迫切需要解決的問題。 關(guān)鍵詞： 太陽能熱發(fā)電；拋物槽；直接蒸汽發(fā)電；注入模式； 溫度 控制 ；反饋線性化；滑模算法 ； HOLLiASMACS 中圖 分類號 ： TM615 UDC： II Temperature control system for Direct Steam Generation in Parabolic Troughs under Injection mode Abstract: The great fluctuations of vapor temperature, caused by the inconsistency and the inconsecution of the solar radiation at the outlet of the solar field in the solar thermal generation system, which can hardly meet the stability of the inlet vapor temperature of steam turbine, result in its starting and stopping frequently as well as the low efficiency of the very system. The article presents research on temperature control system for direct steam generation in parabolic troughs under injection mode with the object of solar arrays, under the condition of enabled solar radiation without auxiliary boiler and energy storage device, and the given flow temperature that has been heated and steadily reached to 200℃ ,aiming at controlling outlet steam temperature to 320℃ steadily and accurately, and ensuring the outlet steam temperature of all levels steadily reaching to the expected value through adjusting the feed flow to embody the high controllable status of vapor steam, and to preliminarily resolve the stability and accuracy of the outlet steam temperature. Based on the certain simplifications and assumptions with the bination of the theoretical analyses and the test researches, and in view of rich controller algorithm library and powerful operation advantages of HOLLiAS MACSV Codesys, this dissertation realizes this research by HOLLiAS MACSV configuration software and hardware platform. Research work of this paper mainly includes： （ 1） Enstablishing a dynamic equation of solar thermal collectors and solar arrays under the injection mode for the first time to module construction model of solar arrays with concerning idea and algorithm implementation. （ 2） Using a new control algorithm such as feedback linearization and sliding mode creatively, bining PI and cascade algorithm to design temperature controller, and r