自然循環式太陽能熱發電系統

目前，太陽能發電技術主要分為兩種形式：太陽能照明設備和太陽能熱發電。其中，太陽能熱能源主要分為三種形式：桿型、塔型和盤型。在碟式太陽能熱發電系統中,將光能轉換成電能的核心裝置就是斯特林發動機,可以說,斯特林發動機的工作特性決定了碟式太陽能熱發電系統的工作特性,其技術的發展程度也決定了碟式太陽能熱發電技術的成熟程度。一、發動機和cd-rom能源熱能源系統的工作原理和特點1.熱源技術的應用斯特林發動機,又稱熱氣機,是一種外燃機,即依靠外部熱源對密封在機器中的氣體工質加熱,使其不斷熱脹冷縮,進行閉式循環,推動活塞做功。斯特林發動機最早由英國的羅伯特.斯特林于1816年發明,用于礦井取水。目前,用于斯特林發動機的常見氣體工質有空氣、氦氣、氫氣。斯特林發動機對外燃方式無特殊要求,只要外部熱源的溫度高于機器中工質的溫度即可,加熱方式靈活,既可以使用傳統的化石燃料,又可以使用太陽能、生物質能,以及具有一定溫度的工業廢熱作為熱源。根據斯特林發動機的設計要求,熱源溫度可高可低,幾十攝氏度的溫差即可使其運轉起來。斯特林發動機的熱效率很高,在熱力學理論上等于同溫限下的概括性卡諾循環效率。斯特林發動機與內燃機最大的區別在于:在做功時,內燃機是通過燃料在氣缸內部瞬間氣化,上升到很高的溫度和壓力,然后以爆震的方式推動活塞;而斯特林發動機是依靠外部的熱源對熱膨脹氣缸中的工質持續傳熱,使其不斷升溫升壓,然后推動活塞做功。因此,斯特林發動機在工作時較內燃機平穩,而且噪聲也小很多。在石化能源危機越來越嚴重的今天,斯特林發動機由于具有不受熱源形式限制、運行噪聲低、熱效率高等突出優點,在幾十、幾百甚至幾千瓦的小功率級別分布式供能領域里,日益受到重視,并有望發展成為一種用于微小型分布式供能系統的成熟可靠的動力設備。2.發動機及發電機如圖1所示,碟式太陽能熱發電系統主要由以下部件組成:一套能夠實現雙軸轉動、自動跟蹤太陽位置的碟式拋物面聚光鏡系統,含有太陽能集熱器的斯特林發動機,發電機及其輸電系統。工作時,碟式太陽能熱發電系統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處,聚得集中、高溫、高熱流密度的熱量,驅動安放在聚光鏡焦點位置光斑附近的太陽能斯特林發動機,從而帶動發電機進行發電。作為可再生能源發電的一種形式,碟式太陽能熱發電具有光電轉換效率高、布局靈活、對場地要求低、耗水量少、對環境零污染等優點,同時和其他的太陽能發電技術一樣,也具有規模化發電的潛力。二、碟式熱發電技術的研究從20世紀70年代末到80年代初,許多發達國家開始進行斯特林發動機及其碟式太陽能熱發電技術的開發。近年來,亞洲、歐洲、美洲等地區的某些國家級實驗室以及相關企業非常重視對太陽能斯特林發動機以及碟式熱發電技術的研究,并不斷加大相關研究經費的投放力度,在技術上取得了不少重要的進展。其中,美國和德國的某些企業和研究機構,在政府有關部門的資助下,分別成功研制出3~25kW不等功率級別的斯特林發動機及其碟式太陽能熱發電系統,并已經進行了中試,技術應用趨于成熟。這些中試項目中,最為成功的碟式太陽能熱發電系統分別來自于美國斯特林能源公司(StirlingEnergySystems,Inc.以下簡稱SES)、德國SOLO公司(現已經更名為Cleanergy公司,并于2009年遷至瑞典)以及美國的Infinia公司。1.ses公司的太陽能熱發電系統早在1984年,美國AdvancoCorporation研制了1套25kW碟式斯特林發電系統,太陽能-電能的最高轉換效率為29.4%。之后,MDAC曾開發了8套碟式斯特林熱發電系統,凈效率大于30%,后來,MDAC將硬件和技術全部轉讓給了現在的SES公司,并由SES公司繼續開發該領域的技術。2008年1月31日,美國桑迪亞國家實驗室與SES公司合作,在該實驗室的測試平臺上測得SES“Serial#3”斯特林太陽能熱發電系統的太陽能并網轉換效率(光電轉換效率)達到31.25%,實驗中測得用85.6kW的光熱功率產出26.75kW的電功率,一舉打破他們曾在1984年創下的光電轉換效率為29.4%的記錄,成為目前全世界在太陽能發電技術領域新的光電轉換效率紀錄。圖2為SES公司在桑迪亞實驗室的碟式太陽能熱發電系統實景。值得一提的是,2010年1月,SES公司在美國亞利桑那州建成了1.5MW的示范電站并投入運行,這是世界上該項技術的第一個商業應用例子,該電站由60套SES的25kW碟式熱發電系統組成。SES公司的斯特林發動機型號是SES/USAB4-95,如圖3所示,這是一種4缸雙作用式斯特林發動機,該技術經過從菲利普公司到瑞典Kockums公司數十年的發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許可。單臺SES/USAB4-95斯特林發動機的最大輸出軸功率可以達到25~29kW,熱效率高達38%~42%,這樣的性能水平遙遙領先于其他公司的發動機產品。SES/USAB4-95一度被認為是世界上最具發展前景的斯特林發動機。2.德國最寬顆粒聚光鏡早在1984-1988年,德國SBP公司曾在沙特阿拉伯附近建造了2套50kW碟式熱發電系統Eurodish,其聚光鏡直徑達到了17m,選用聯合斯特林發動機公司的4-275作為核心動力設備。資料顯示,該系統沒有獲得運行數據。后來又因為種種問題,SBP把這2套17m直徑的聚光鏡系統撤掉,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,這次選用的斯特林發動機型號為德國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,形成了一個完整的旋轉拋物面形狀,其反光面積為56.7m2,經過多年不斷的改進,該系統實測峰值發電功率曾由最初的7.5kW一度提高到了近11kW。如今,包括V-161斯特林發動機在內的10kWEurodish碟式熱發電系統(圖4)技術由現在位于瑞典的Cleanergy公司完全繼承,并不斷改進,不過,該系統目前仍處于試驗階段。另外,SOLO公司的燃氣式斯特林發動機成品技術已經很成熟了,其斯特林發動機機型仍為V-161(圖5),主要用于微型分布式系統的熱電聯供,熱源為天然氣。該機的最大輸出功率為7.5~10kW,最大熱效率為35%左右。3.infini公司的斯特林發動機Infinia公司成立于1985年,從事太陽能熱發電技術開發,主要由風投基金和私人資金支持,位于美國華盛頓州。自由活塞式斯特林發動機是該公司的一個主要研發產品。經過20多年的努力,Infinia公司已取得31項專利技術,其中包括以間隙密封、彎曲軸承、氣密封設計為代表性的關鍵技術,研發出的自由活塞式斯特林發動機配以直線發電機,發電功率從10W到3kW不等。截至2008年底,Infinia公司研發出2款3kW自由活塞式斯特林發動機,經過不斷改進,該機型額定輸出功率目前達到3.2kW,已經用于其碟式熱發電系統PowerDish中。PowerDish碟式熱發電系統用聚光鏡外觀直徑4.6m,集熱面積17.4m2,整體光電轉換效率可達24%,而斯特林發動機自身的熱效率可達32%,分別成功實現了獨立發電和并網發電。目前,Infinia公司正發展基于3kW及30kW的自由活塞式斯特林發動機產品。2010年6月,Infinia公司向美國鷹山地區(EagleMount)捐贈了4套3kW的PowerDish碟式熱發電系統,用于示范性發電工程(圖6)。Infinia還將向印度提供3000套3kW的PowerDish碟式熱發電系統,用于建造10MW級規模的太陽能發電廠,該項工程預計于2012年年底之前完成。值得一提的是,Infinia公司的斯特林發動機采用自由活塞式結構,受限于該機型結構的特點,3kW是一個比較合理的功率級別,自由活塞式斯特林發動機很難將單臺機器的功率做得更大。圖7為Infinia公司3kW自由活塞式斯特林發動機實景圖。三、中國斯特林動力及其cd-rom能源熱能源技術的進展和前景1.中國-日本國際合作基金項目背景下的斯特林發動機研發歷程中國船舶重工集團公司第七一一研究所(簡稱“711研究所”)于20世紀80年代將斯特林發動機技術引入中國,并將其作為核心動力設備率先在潛艇上實現應用。后來,711研究所將用于潛艇動力的斯特林發動機技術民品化,并成立了上海齊耀動力公司。他們已經成功研制出3臺天然氣/沼氣驅動的50kW級4缸雙作用型斯特林發動機,其中一臺在2010年上海世博會上進行了示范性發電,為世博園中的一個餐廳提供電力。“十五”期間,中國科學院電工研究所(簡稱“中科院電工所”)申請到科技部“863”項目“碟式聚光太陽熱發電系統及關鍵技術研究”,主要研究內容為碟式聚光鏡系統;中國科學院工程熱物理研究所承擔子課題“碟式聚光太陽能高效光熱轉換與利用技術”,負責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,其聚光鏡焦點處溫度約1600℃,這些系統具有自動跟蹤太陽的功能,精度達到±0.2°,見圖8。中國科學院工程熱物理研究所(簡稱“中科院工程熱物理所”)傳熱傳質中心于2007年申請到“863”課題“10kW級太陽熱發電用斯特林發動機關鍵技術的前期探索”,同年與北京勢焰天強科技有限公司開始合作,共同自主研發斯特林發動機及其碟式熱發電系統。在過去的幾年里,他們在關鍵技術上取得了一些成果,已經成功研制出數款幾百瓦至幾千瓦級不等功率的斯特林發動機試驗樣機。2010年8月,中科院工程熱物理所成功承辦國家自然科學基金委-日本科學技術振興機構在環境、能源領域的系列國際會議之一“廢棄物和廢熱的能源循環技術”研討會,會上報告了余熱用斯特林發動機關鍵技術研究成果,并在會后現場展示了完全自主設計并制造的10kW余熱用斯特林發動機,得到了與會專家的一致認可。2011年,中科院工程熱物理所成功申請到中國-日本國際合作基金項目“生物燃氣與太陽能互補加熱斯特林發動機熱電聯供系統”,正在對生物燃氣-太陽能互補驅動的混合熱源式斯特林發動機開展研究。除上述提到的成果外,中科院工程熱物理所與北京勢焰天強科技有限公司聯合研制的具有代表性的斯特林發動機還有:5m直徑碟式熱發電系統及其3kWβ型太陽能斯特林發動機(圖9),汽油機廢氣驅動的1kW斯特林發動機發電系統(圖10)。西安航空發動機集團(即430廠,簡稱“西航公司”)曾在2009年與美國SES公司簽訂了斯特林發動機零部件生產的協議,為后者代工吸熱器、回熱器、冷卻器和熱保護器。后來,西航公司投入經費3000萬元,做出了3臺20kW級4缸雙作用斯特林發動機,并用電加熱器進行了實驗。中國科學院理化技術研究所于2010年研制出一套1kW級碟式太陽能行波熱聲發電系統,所采用的動力設備為一臺行波熱聲發動機,其工作原理類似于自由活塞式斯特林發動機。他們采用高頻加熱器模擬太陽能加熱進行實驗,采用平均壓力為3.5MPa的氦氣作為工質。實驗結果顯示,在加熱溫度為751℃和798℃時分別實現了116W和255W的電功率輸出。但以真實太陽光作為熱源的室外碟式發電系統尚在調試中。2011年4月,中國寧夏回族自治區石嘴山市惠農區境內立起了一套10kW級碟式聚光太陽能熱發電系統樣機,并在現場進行了試運行,如圖11所示。該系統中跟蹤太陽進行聚光的碟式聚光鏡系統由浙江華儀康迪斯太陽能科技有限公司自主研發,但系統中的斯特林發動機是由瑞典Cleanergy公司提供的SOLOV-160/161。除上述提到的單位外,北京工業大學、中國科技大學、南京工業大學等單位也做過碟式熱發電相關的研究。總體來說,國內起步晚,研發力度和研發水平有待于進一步加強和提高。每一項新技術在起步階段都是離不開國家政府大量經費的投入及相關優惠政策的扶持,風電、光伏的發展過程等大量事實都足以證明這一點。碟式熱發電技術在中國剛剛興起,正處在起步發展階段,需要國家相關部門投入大量的研發經費,并制定相關優惠政策進行大力扶持。2.中國太陽能發電技術的研究中國是一個化石資源短缺而太陽能資源非常豐富的國家,有2/3以上地區的年太陽輻照量超過5000MJ/m2,平均年日照時間在2200h以上,平均太陽熱流密度達到了500W/m2,這些地區的太陽能資源具有可利用價值。因此,我國在碟式熱發電方面具有巨大的潛在市場,將來該技術可用于以下地區或場合:(1)高耗能企業工廠或農村自給發電;(2)在海邊別墅區自給發電;(3)中國西北沙漠地區建造太陽能發電廠;(4)無法拉電網的地區,用于自給發電。然而,斯特林發動機屬于國外對我國的禁運產品,中國必須靠自主研發才能