自然循環(huán)式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

自然循環(huán)式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

目前，太陽能發(fā)電技術(shù)主要分為兩種形式：太陽能照明設(shè)備和太陽能熱發(fā)電。其中，太陽能熱能源主要分為三種形式：桿型、塔型和盤型。在碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中,將光能轉(zhuǎn)換成電能的核心裝置就是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),可以說,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性決定了碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作特性,其技術(shù)的發(fā)展程度也決定了碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的成熟程度。一、發(fā)動(dòng)機(jī)和cd-rom能源熱能源系統(tǒng)的工作原理和特點(diǎn)1.熱源技術(shù)的應(yīng)用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),又稱熱氣機(jī),是一種外燃機(jī),即依靠外部熱源對(duì)密封在機(jī)器中的氣體工質(zhì)加熱,使其不斷熱脹冷縮,進(jìn)行閉式循環(huán),推動(dòng)活塞做功。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)最早由英國(guó)的羅伯特.斯特林于1816年發(fā)明,用于礦井取水。目前,用于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的常見氣體工質(zhì)有空氣、氦氣、氫氣。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)外燃方式無特殊要求,只要外部熱源的溫度高于機(jī)器中工質(zhì)的溫度即可,加熱方式靈活,既可以使用傳統(tǒng)的化石燃料,又可以使用太陽能、生物質(zhì)能,以及具有一定溫度的工業(yè)廢熱作為熱源。根據(jù)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求,熱源溫度可高可低,幾十?dāng)z氏度的溫差即可使其運(yùn)轉(zhuǎn)起來。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率很高,在熱力學(xué)理論上等于同溫限下的概括性卡諾循環(huán)效率。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)最大的區(qū)別在于:在做功時(shí),內(nèi)燃機(jī)是通過燃料在氣缸內(nèi)部瞬間氣化,上升到很高的溫度和壓力,然后以爆震的方式推動(dòng)活塞;而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是依靠外部的熱源對(duì)熱膨脹氣缸中的工質(zhì)持續(xù)傳熱,使其不斷升溫升壓,然后推動(dòng)活塞做功。因此,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)較內(nèi)燃機(jī)平穩(wěn),而且噪聲也小很多。在石化能源危機(jī)越來越嚴(yán)重的今天,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)由于具有不受熱源形式限制、運(yùn)行噪聲低、熱效率高等突出優(yōu)點(diǎn),在幾十、幾百甚至幾千瓦的小功率級(jí)別分布式供能領(lǐng)域里,日益受到重視,并有望發(fā)展成為一種用于微小型分布式供能系統(tǒng)的成熟可靠的動(dòng)力設(shè)備。2.發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)如圖1所示,碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由以下部件組成:一套能夠?qū)崿F(xiàn)雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)、自動(dòng)跟蹤太陽位置的碟式拋物面聚光鏡系統(tǒng),含有太陽能集熱器的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),發(fā)電機(jī)及其輸電系統(tǒng)。工作時(shí),碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)將太陽光的能量用碟式拋物面聚光鏡收集起來,并將其反射到聚光鏡的焦點(diǎn)處,聚得集中、高溫、高熱流密度的熱量,驅(qū)動(dòng)安放在聚光鏡焦點(diǎn)位置光斑附近的太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。作為可再生能源發(fā)電的一種形式,碟式太陽能熱發(fā)電具有光電轉(zhuǎn)換效率高、布局靈活、對(duì)場(chǎng)地要求低、耗水量少、對(duì)環(huán)境零污染等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)和其他的太陽能發(fā)電技術(shù)一樣,也具有規(guī)?；l(fā)電的潛力。二、碟式熱發(fā)電技術(shù)的研究從20世紀(jì)70年代末到80年代初,許多發(fā)達(dá)國(guó)家開始進(jìn)行斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及其碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的開發(fā)。近年來,亞洲、歐洲、美洲等地區(qū)的某些國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室以及相關(guān)企業(yè)非常重視對(duì)太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)以及碟式熱發(fā)電技術(shù)的研究,并不斷加大相關(guān)研究經(jīng)費(fèi)的投放力度,在技術(shù)上取得了不少重要的進(jìn)展。其中,美國(guó)和德國(guó)的某些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu),在政府有關(guān)部門的資助下,分別成功研制出3~25kW不等功率級(jí)別的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及其碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),并已經(jīng)進(jìn)行了中試,技術(shù)應(yīng)用趨于成熟。這些中試項(xiàng)目中,最為成功的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)分別來自于美國(guó)斯特林能源公司(StirlingEnergySystems,Inc.以下簡(jiǎn)稱SES)、德國(guó)SOLO公司(現(xiàn)已經(jīng)更名為Cleanergy公司,并于2009年遷至瑞典)以及美國(guó)的Infinia公司。1.ses公司的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)早在1984年,美國(guó)AdvancoCorporation研制了1套25kW碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng),太陽能-電能的最高轉(zhuǎn)換效率為29.4%。之后,MDAC曾開發(fā)了8套碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng),凈效率大于30%,后來,MDAC將硬件和技術(shù)全部轉(zhuǎn)讓給了現(xiàn)在的SES公司,并由SES公司繼續(xù)開發(fā)該領(lǐng)域的技術(shù)。2008年1月31日,美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與SES公司合作,在該實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試平臺(tái)上測(cè)得SES“Serial#3”斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的太陽能并網(wǎng)轉(zhuǎn)換效率(光電轉(zhuǎn)換效率)達(dá)到31.25%,實(shí)驗(yàn)中測(cè)得用85.6kW的光熱功率產(chǎn)出26.75kW的電功率,一舉打破他們?cè)?984年創(chuàng)下的光電轉(zhuǎn)換效率為29.4%的記錄,成為目前全世界在太陽能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域新的光電轉(zhuǎn)換效率紀(jì)錄。圖2為SES公司在桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)實(shí)景。值得一提的是,2010年1月,SES公司在美國(guó)亞利桑那州建成了1.5MW的示范電站并投入運(yùn)行,這是世界上該項(xiàng)技術(shù)的第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用例子,該電站由60套SES的25kW碟式熱發(fā)電系統(tǒng)組成。SES公司的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)是SES/USAB4-95,如圖3所示,這是一種4缸雙作用式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),該技術(shù)經(jīng)過從菲利普公司到瑞典Kockums公司數(shù)十年的發(fā)展和演變而趨于成熟,并最終被SES公司完全繼承且獲得生產(chǎn)許可。單臺(tái)SES/USAB4-95斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出軸功率可以達(dá)到25~29kW,熱效率高達(dá)38%~42%,這樣的性能水平遙遙領(lǐng)先于其他公司的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。SES/USAB4-95一度被認(rèn)為是世界上最具發(fā)展前景的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。2.德國(guó)最寬顆粒聚光鏡早在1984-1988年,德國(guó)SBP公司曾在沙特阿拉伯附近建造了2套50kW碟式熱發(fā)電系統(tǒng)Eurodish,其聚光鏡直徑達(dá)到了17m,選用聯(lián)合斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)公司的4-275作為核心動(dòng)力設(shè)備。資料顯示,該系統(tǒng)沒有獲得運(yùn)行數(shù)據(jù)。后來又因?yàn)榉N種問題,SBP把這2套17m直徑的聚光鏡系統(tǒng)撤掉,取而代之地安裝了2套直徑縮減為8.5m左右的碟式聚光鏡系統(tǒng),這次選用的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為德國(guó)SOLO公司的V-160/161,額定功率為10kW。SBP公司的聚光鏡由12面扇形拋物面玻璃拼接而成,形成了一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)拋物面形狀,其反光面積為56.7m2,經(jīng)過多年不斷的改進(jìn),該系統(tǒng)實(shí)測(cè)峰值發(fā)電功率曾由最初的7.5kW一度提高到了近11kW。如今,包括V-161斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的10kWEurodish碟式熱發(fā)電系統(tǒng)(圖4)技術(shù)由現(xiàn)在位于瑞典的Cleanergy公司完全繼承,并不斷改進(jìn),不過,該系統(tǒng)目前仍處于試驗(yàn)階段。另外,SOLO公司的燃?xì)馐剿固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)成品技術(shù)已經(jīng)很成熟了,其斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型仍為V-161(圖5),主要用于微型分布式系統(tǒng)的熱電聯(lián)供,熱源為天然氣。該機(jī)的最大輸出功率為7.5~10kW,最大熱效率為35%左右。3.infini公司的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)Infinia公司成立于1985年,從事太陽能熱發(fā)電技術(shù)開發(fā),主要由風(fēng)投基金和私人資金支持,位于美國(guó)華盛頓州。自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是該公司的一個(gè)主要研發(fā)產(chǎn)品。經(jīng)過20多年的努力,Infinia公司已取得31項(xiàng)專利技術(shù),其中包括以間隙密封、彎曲軸承、氣密封設(shè)計(jì)為代表性的關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)出的自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)配以直線發(fā)電機(jī),發(fā)電功率從10W到3kW不等。截至2008年底,Infinia公司研發(fā)出2款3kW自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),經(jīng)過不斷改進(jìn),該機(jī)型額定輸出功率目前達(dá)到3.2kW,已經(jīng)用于其碟式熱發(fā)電系統(tǒng)PowerDish中。PowerDish碟式熱發(fā)電系統(tǒng)用聚光鏡外觀直徑4.6m,集熱面積17.4m2,整體光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)24%,而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)自身的熱效率可達(dá)32%,分別成功實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立發(fā)電和并網(wǎng)發(fā)電。目前,Infinia公司正發(fā)展基于3kW及30kW的自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品。2010年6月,Infinia公司向美國(guó)鷹山地區(qū)(EagleMount)捐贈(zèng)了4套3kW的PowerDish碟式熱發(fā)電系統(tǒng),用于示范性發(fā)電工程(圖6)。Infinia還將向印度提供3000套3kW的PowerDish碟式熱發(fā)電系統(tǒng),用于建造10MW級(jí)規(guī)模的太陽能發(fā)電廠,該項(xiàng)工程預(yù)計(jì)于2012年年底之前完成。值得一提的是,Infinia公司的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)采用自由活塞式結(jié)構(gòu),受限于該機(jī)型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),3kW是一個(gè)比較合理的功率級(jí)別,自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)很難將單臺(tái)機(jī)器的功率做得更大。圖7為Infinia公司3kW自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)景圖。三、中國(guó)斯特林動(dòng)力及其cd-rom能源熱能源技術(shù)的進(jìn)展和前景1.中國(guó)-日本國(guó)際合作基金項(xiàng)目背景下的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)歷程中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所(簡(jiǎn)稱“711研究所”)于20世紀(jì)80年代將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)引入中國(guó),并將其作為核心動(dòng)力設(shè)備率先在潛艇上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。后來,711研究所將用于潛艇動(dòng)力的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)民品化,并成立了上海齊耀動(dòng)力公司。他們已經(jīng)成功研制出3臺(tái)天然氣/沼氣驅(qū)動(dòng)的50kW級(jí)4缸雙作用型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),其中一臺(tái)在2010年上海世博會(huì)上進(jìn)行了示范性發(fā)電,為世博園中的一個(gè)餐廳提供電力。“十五”期間,中國(guó)科學(xué)院電工研究所(簡(jiǎn)稱“中科院電工所”)申請(qǐng)到科技部“863”項(xiàng)目“碟式聚光太陽熱發(fā)電系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究”,主要研究?jī)?nèi)容為碟式聚光鏡系統(tǒng);中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所承擔(dān)子課題“碟式聚光太陽能高效光熱轉(zhuǎn)換與利用技術(shù)”,負(fù)責(zé)太陽能腔式集熱器的研究。后來,中科院電工所和皇明太陽能集團(tuán)共同研制了3套直徑5m的太陽能碟式聚光鏡,其聚光鏡焦點(diǎn)處溫度約1600℃,這些系統(tǒng)具有自動(dòng)跟蹤太陽的功能,精度達(dá)到±0.2°,見圖8。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所(簡(jiǎn)稱“中科院工程熱物理所”)傳熱傳質(zhì)中心于2007年申請(qǐng)到“863”課題“10kW級(jí)太陽熱發(fā)電用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的前期探索”,同年與北京勢(shì)焰天強(qiáng)科技有限公司開始合作,共同自主研發(fā)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)及其碟式熱發(fā)電系統(tǒng)。在過去的幾年里,他們?cè)陉P(guān)鍵技術(shù)上取得了一些成果,已經(jīng)成功研制出數(shù)款幾百瓦至幾千瓦級(jí)不等功率的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)。2010年8月,中科院工程熱物理所成功承辦國(guó)家自然科學(xué)基金委-日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)在環(huán)境、能源領(lǐng)域的系列國(guó)際會(huì)議之一“廢棄物和廢熱的能源循環(huán)技術(shù)”研討會(huì),會(huì)上報(bào)告了余熱用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究成果,并在會(huì)后現(xiàn)場(chǎng)展示了完全自主設(shè)計(jì)并制造的10kW余熱用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),得到了與會(huì)專家的一致認(rèn)可。2011年,中科院工程熱物理所成功申請(qǐng)到中國(guó)-日本國(guó)際合作基金項(xiàng)目“生物燃?xì)馀c太陽能互補(bǔ)加熱斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)”,正在對(duì)生物燃?xì)?太陽能互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)的混合熱源式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)開展研究。除上述提到的成果外,中科院工程熱物理所與北京勢(shì)焰天強(qiáng)科技有限公司聯(lián)合研制的具有代表性的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)還有:5m直徑碟式熱發(fā)電系統(tǒng)及其3kWβ型太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(圖9),汽油機(jī)廢氣驅(qū)動(dòng)的1kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)(圖10)。西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)(即430廠,簡(jiǎn)稱“西航公司”)曾在2009年與美國(guó)SES公司簽訂了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)零部件生產(chǎn)的協(xié)議,為后者代工吸熱器、回?zé)崞?、冷卻器和熱保護(hù)器。后來,西航公司投入經(jīng)費(fèi)3000萬元,做出了3臺(tái)20kW級(jí)4缸雙作用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),并用電加熱器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所于2010年研制出一套1kW級(jí)碟式太陽能行波熱聲發(fā)電系統(tǒng),所采用的動(dòng)力設(shè)備為一臺(tái)行波熱聲發(fā)動(dòng)機(jī),其工作原理類似于自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。他們采用高頻加熱器模擬太陽能加熱進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用平均壓力為3.5MPa的氦氣作為工質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在加熱溫度為751℃和798℃時(shí)分別實(shí)現(xiàn)了116W和255W的電功率輸出。但以真實(shí)太陽光作為熱源的室外碟式發(fā)電系統(tǒng)尚在調(diào)試中。2011年4月,中國(guó)寧夏回族自治區(qū)石嘴山市惠農(nóng)區(qū)境內(nèi)立起了一套10kW級(jí)碟式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī),并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試運(yùn)行,如圖11所示。該系統(tǒng)中跟蹤太陽進(jìn)行聚光的碟式聚光鏡系統(tǒng)由浙江華儀康迪斯太陽能科技有限公司自主研發(fā),但系統(tǒng)中的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是由瑞典Cleanergy公司提供的SOLOV-160/161。除上述提到的單位外,北京工業(yè)大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)等單位也做過碟式熱發(fā)電相關(guān)的研究?？傮w來說,國(guó)內(nèi)起步晚,研發(fā)力度和研發(fā)水平有待于進(jìn)一步加強(qiáng)和提高。每一項(xiàng)新技術(shù)在起步階段都是離不開國(guó)家政府大量經(jīng)費(fèi)的投入及相關(guān)優(yōu)惠政策的扶持,風(fēng)電、光伏的發(fā)展過程等大量事實(shí)都足以證明這一點(diǎn)。碟式熱發(fā)電技術(shù)在中國(guó)剛剛興起,正處在起步發(fā)展階段,需要國(guó)家相關(guān)部門投入大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi),并制定相關(guān)優(yōu)惠政策進(jìn)行大力扶持。2.中國(guó)太陽能發(fā)電技術(shù)的研究中國(guó)是一個(gè)化石資源短缺而太陽能資源非常豐富的國(guó)家,有2/3以上地區(qū)的年太陽輻照量超過5000MJ/m2,平均年日照時(shí)間在2200h以上,平均太陽熱流密度達(dá)到了500W/m2,這些地區(qū)的太陽能資源具有可利用價(jià)值。因此,我國(guó)在碟式熱發(fā)電方面具有巨大的潛在市場(chǎng),將來該技術(shù)可用于以下地區(qū)或場(chǎng)合:(1)高耗能企業(yè)工廠或農(nóng)村自給發(fā)電;(2)在海邊別墅區(qū)自給發(fā)電;(3)中國(guó)西北沙漠地區(qū)建造太陽能發(fā)電廠;(4)無法拉電網(wǎng)的地區(qū),用于自給發(fā)電。然而,斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)屬于國(guó)外對(duì)我國(guó)的禁運(yùn)產(chǎn)品,中國(guó)必須靠自主研發(fā)才能