【正文】 限制，技術(shù)成熟，效率高 燃煤電站 褐煤 1501000MW 硬煤 150750MW 燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán) 100425MW 1218 可再生能源 無(wú)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(fēng)力發(fā)電 陸地 13MW 58 近海 812 無(wú)排污，無(wú)資源與環(huán)境限制，有瓶頸，效率低 太陽(yáng)能發(fā)電 屋頂光伏 25kWp 2080 CSP 槽式 50500MW 1218 塔式 1020MW 核能 無(wú)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(duì)比， 太陽(yáng)能發(fā)電做到了環(huán)保節(jié)能，符合當(dāng)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(wú)法與常規(guī)能源發(fā)電方式相抗衡，但 通過(guò)熱儲(chǔ)存技術(shù)，可 實(shí)現(xiàn) 24 小時(shí)不間斷發(fā)電，即與傳統(tǒng)火力發(fā)電相兼容，形成混合動(dòng)力機(jī)組，保證 電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，具有實(shí)現(xiàn)大功率發(fā)電可能，是替代常規(guī)能源最為經(jīng)濟(jì)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(jì)社會(huì)的合理性、生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(dòng)性將會(huì)逐步凸顯，體現(xiàn)出其對(duì)環(huán) 境、能源、科技及供能（熱電冷）的貢獻(xiàn)。據(jù)悉，以降低設(shè)備造價(jià)與成本， 開展系統(tǒng)和部件開發(fā)與研究，拓展應(yīng)用市場(chǎng)為主題的 CSP 計(jì)劃已在美國(guó)和歐洲各國(guó)制定。截止 2022 年 4 月，正在進(jìn)行的商業(yè) CSP 項(xiàng)目共計(jì) 5979MW， 其中 9 個(gè)為1614MW 的槽式 項(xiàng)目。由于西班牙的開發(fā)和美國(guó)的潛在實(shí)力，全球 CSP 市場(chǎng)正在進(jìn)入新的生長(zhǎng) 階段，預(yù)計(jì)未來(lái) 10 年內(nèi)，由于資源和政策支持的雙重因素，美國(guó)和西班牙將繼續(xù)引領(lǐng)全球 CSP 市場(chǎng)的發(fā)展。 我國(guó) 已建成 并 并網(wǎng)的 第一座 容量為 75KW 的 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電示范電站、已 擬建的 300MW 新疆吐魯番槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站 、 計(jì)劃 于 2022 年 12 月 建 成的1MW 北京八達(dá)嶺太陽(yáng)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(jì)的 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電工程樣機(jī) ， 和擬建的 內(nèi)蒙古50MW 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電 示范 項(xiàng)目 等， 已說(shuō)明我國(guó) CSP 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用已 起步，工業(yè)化的裝置和應(yīng)用實(shí)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(shí)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(shì) ，非常適合商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電。 圖 1. 3 CSP 實(shí)體電站 中國(guó)計(jì)量學(xué)院碩士學(xué)位論文 7 如圖 （ b）所示為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)實(shí)體電站 圖 ， 其 利用 雙軸獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡群， 聚集 陽(yáng)光 到已固定 在 塔頂?shù)募療崞魃希渣c(diǎn)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(guò)熱蒸汽，再進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)并發(fā)電 。尚在 研究的先進(jìn)集熱器頗具吸引力，若 研究成功，屆時(shí) 大 型塔式太陽(yáng)能熱電站將有望達(dá)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(shí)現(xiàn)。 據(jù)悉， 2022 年及以后，碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的性能發(fā)展取決于 熱管集熱器，當(dāng)該集熱器年產(chǎn)量 較高 時(shí)，碟式熱發(fā)電技術(shù) 有 望發(fā)展成熟。 美國(guó)魯茲 (Luz)公司 SEGS（ solar electric generator system））系列電站總裝機(jī)容量 ，年發(fā)電高達(dá) 億 kWh。最為典型的是 SEGSⅧ電站，峰值太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)換效率為 24%， 循環(huán)效率為 %， 年平均太陽(yáng)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(shuō)該電站的運(yùn)行與發(fā)展說(shuō)明系統(tǒng)效率、初期投資與發(fā)電成本等的矛盾可通過(guò)建站與關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)技術(shù)的提高而進(jìn)一步解決。 聚光集熱子系統(tǒng)由多個(gè)聚光集熱器 SCA(Sofar Collector Assembly)組成，而每個(gè)聚光集熱器 SCA 由若干個(gè)由聚中國(guó)計(jì)量學(xué)院碩士學(xué)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(dǎo)熱油作為吸熱介質(zhì)存在安全隱患，但工作壓力一般在，無(wú)高壓風(fēng)險(xiǎn) 。 圖 1. 4 槽。若 以水為循環(huán)工質(zhì)直接產(chǎn)生蒸汽，簡(jiǎn)化子系統(tǒng)稱為 DSG 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)， 稱 為單回路，如圖 (b)所示 。 當(dāng)工質(zhì)為油時(shí)， 系統(tǒng)有 導(dǎo)熱油、水 /蒸汽換熱子系統(tǒng) ，稱為 雙回路 。但是 歐美研發(fā)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn) 豐富 ，我國(guó) 才 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)性階段，制約 我 國(guó)太陽(yáng)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(shí)間 凈輸出（ MWe） 太陽(yáng)能場(chǎng)出口溫度（ ℃ /℉ ） 太陽(yáng)能場(chǎng)面積 （ 104㎡） 太陽(yáng)渦輪機(jī)效率（ %） 輔助燃料渦輪機(jī)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(yù)測(cè) 的從 1997 到 2030 年 間，這 三種類型 CSP 系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)參數(shù)對(duì)比 [13][17]，如表 所示 。碟式太陽(yáng)能 熱發(fā)電系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用少、 自動(dòng)控制性好 、 運(yùn)行成本低 、建設(shè)周期短及可獨(dú)立或模塊化結(jié)合動(dòng)作 。其典型電站有1982 年 4 月投運(yùn)的美國(guó) 10Mw 的 “太陽(yáng)一號(hào) ”Solar one 和 1996 年 4 月并網(wǎng)發(fā)電的 10MW 的 “太陽(yáng)二號(hào) ”Solar Two 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站。 具 一定傾角的集熱器 將 引入槽式太陽(yáng)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(chǔ)熱系統(tǒng)將開發(fā)并應(yīng)用于 DSG 系統(tǒng) 。 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù) 發(fā)展優(yōu)勢(shì) 據(jù)《中國(guó)新能源和可再生能源 1999 白皮書》 與《科學(xué)研究動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)快報(bào)》[13]中對(duì) CSP 三種熱發(fā)電方式進(jìn)行的全面比較，及太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)三亞國(guó)際論壇簡(jiǎn)報(bào)所述，槽式 系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)實(shí)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(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電站的裝機(jī)容量將達(dá)到 150MW[9]。 據(jù) 2022 年 7 月的 EER 研究專欄，西班牙 處于太陽(yáng)能熱發(fā)電飛速發(fā)展時(shí)期 ， 2022 年至 2022 年 發(fā)展 目標(biāo)為2440MW，這必將促使西班牙繼續(xù)保持在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。 美國(guó)能源部發(fā)展 CSP（聚光式太陽(yáng)能熱發(fā)電）的目標(biāo) [9]是 ： 2022 年 CSP 電力成本 由 目前的 1316 美分 /KWh（無(wú)儲(chǔ)能）降到 810 美分 /KWh（儲(chǔ)能 6 小時(shí)），且在 2020 年低于 7 美分 /KWh（儲(chǔ)能 1217 小時(shí)）。 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(guó)計(jì)量學(xué)院碩士學(xué)位論文 5 電成本 與上網(wǎng)電價(jià) ， 其 將會(huì)為國(guó)家提供根本的可再生能源解決方案?？傮w來(lái) 說(shuō) ，CSP 技術(shù)完全符合徐建中院士提出的運(yùn)用多領(lǐng)域交叉和綜合的戰(zhàn)略，建立完整的無(wú)碳、低碳能源和經(jīng)濟(jì)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(yáng)輻射較強(qiáng)地帶（包括地廣人稀的沙漠地帶 等）， 在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)有著明顯優(yōu)勢(shì) ，而且由圖 可知， CSP 發(fā)電電力品質(zhì)好，可擔(dān)當(dāng)基礎(chǔ)電力負(fù)荷。 CSP 聚光系統(tǒng)可進(jìn)一步分為點(diǎn)聚焦和線聚焦系統(tǒng)，點(diǎn)聚焦系統(tǒng)聚集太陽(yáng)光到一個(gè)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(gè)線性吸熱管上，槽式發(fā)電系統(tǒng)就是此類型。 太陽(yáng)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(guó) 太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量巨大， 居世界第二位， 約等于上萬(wàn)個(gè)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(guó)際合作 和協(xié)議大規(guī)模推動(dòng)全球發(fā)展 新 能源 ， 新能源帶來(lái)的 “ 第四次 ” 能源革命已經(jīng)到來(lái)。 因而， 正確處理好能源開發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)和氣侯變化的關(guān)系，是世界各國(guó)迫切需要解決的問(wèn)題。 關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)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(hào) ： 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