盘式太阳能热动力发电

1、盘式太阳能热动力发电盘式太阳能热动力发电简称盘式发电，又称蝶式发电。采用旋转抛物面聚光器，聚光比在2500-3000之间，集热温度多在850度以上，因此盘式发电为高温太阳能发电。 盘式太阳能热动力发电装置的系统组成与工作原理 1.装置系统组成 装置由四部分组成：旋转抛物面聚光器，热动力发电机组，储能装置，监控系统。 2.装置工作原理 盘式太阳能热动力发电的工作原理是，在旋转抛物面聚光器焦点处，配置空腔接收器或热动力发电机组，加热工质，推动热动力发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。根据热力循环原理不同，又分为两种形式： a.太阳能蒸汽朗顿循环热动力发电 将小型空腔接收器配置在旋转抛物面聚光器的

2、焦点，直接或间接产生高温高压蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。 b.太阳能斯特林循环热动力发电 将热气发电机组配置在抛物面聚光器的焦点，直接接收聚焦后的太阳辐射能，加热汽缸中的工质，推动热气发电机组工作。热气机为外燃机，即著名的斯特林机。 旋转抛物面聚光器 1.旋转抛物面的聚光设计 以抛物线方程为母线方程，绕主轴线旋转一周，即为旋转抛物面，构成盘形点聚焦聚光器。旋转抛物面和槽型抛物面的母线方程均为抛物线方程，所以它们的聚光特性又很多相同和相近之处。的坐标。为旋转抛物面边缘某点为域更大，最大焦斑直径距离，所以聚光区镜底部任一点到焦点的焦点的距离都大于镜上部镜面上任一点到的定义域不同。由于相同的形式，只

3、是焦斑方程具有完全镜上部焦斑方程与镜底镜上部焦斑方程镜底部焦斑方程msmsyfyddybpffppatan)(2.222arctan,sin1tan.maxmax 2.旋转抛物面聚光器的镜面利用系数 对旋转抛物面，不同深度的镜面，所能接收到的太阳辐射强度也不一样，镜面不同部位对聚光起的作用不一样。 镜面利用系数定义为聚光器光孔面积与镜面面积之比。saAA度。边缘角要小于到镜面利用系数，一般考虑旋转抛物面聚光器时，系数越小，所以在设计利用近光孔边缘的镜面，其从结果可以看出，越接通过计算可得刨分成若干环形的镜面轴等垂直于按设将旋转抛物面聚光器90.53. 0/,63. 0/,82. 0/,.,.2

4、3,2333222111321sabsabsabsssAAAAAAAAAyppp 3.旋转抛物面的聚光性能分析 旋转抛物面的主要光学参数包括焦距f,聚光器光孔直径d,边缘角，而其主要光学性能参数是聚光比C，光学效率和投射辐射通量分布。 （1）主要光学参数关系式的光学转换效率很高。接收器内部，这样发电射进小光孔的空腔焦距很长，反射光束投都采用镜面曲率小，而转抛物面聚光器能热动力发电装置的旋越大。通常，盘式太阳离开镜面的距离，镜面曲率越小，焦点由此可见，边缘角越小之间具有以下函数关系主要光学参数)2tan(41f,ddf46200sin1sin)(cossin)2(2max222minsCC器，最

5、大聚光比为理想的旋转抛物面聚光能。义表示聚光器的聚光性这里光束品质的物理意，聚光器的最小聚光比对给定的光束品质聚光比的变化关系：边缘角的随，聚光器的最小聚光比对不同的光束品质 （3）光学效率 聚光器的光学效率，主要取决于它的各种漏光损失。 （4）投射辐射通量分布 焦平面上投射辐射通量分布，与很多设计和加工因素有关，而主要决定于聚光器的加工精度。聚光器的实际投射辐射通量，应根据实际测量确定。 （5）主要光学参数的设计选择 a.当母线方程的p值确定后，焦斑区域的尺寸和位置也就确定，通常镜深越大，焦斑区域的能量密度越高，但镜面利用系数变低。为兼顾利用系数，降低成本，选择镜深小于焦距。b.聚光器、接收

6、器的设计尺寸先由焦斑尺寸方程计算，再参照转换效率和成本综合选择。 4.旋转抛物面聚光器的结构设计 （1）镜面结构 旋转抛物面聚光器的镜面结构和槽型抛物面聚光器完全相同，可以是表面镜，背面镜或粘贴反光薄膜。典型设计都采用低铁超白玻璃镀银背面镜。巨形旋转抛物面聚光器，一般由多片弧形镜面组装而成，镜面研磨光洁，采用机械固件将它们和盘面结构组装成一个坚固、连续而完整的薄壳镜面盘体。 （2）镜面盘体结构 旋转抛物面聚光器镜面盘体的传统结构为型钢框架，即在整体钢结构框架上，精确定位与安装镜面，形成连续的抛物反射面。这种传统结构的镜面盘体较重，自然跟踪机构的功率消耗也大，价格也高。近年提出一种新型的结构设计

7、，是以树脂为基础结构，将一种聚合物反射薄膜或者薄玻璃反射镜面粘贴到基础结构上，使得制成的聚光器结构更加轻便也更便宜。 （3）镜面盘体跟踪机构 镜面盘体的中心支承通过三点与机座的减速齿轮机构相连接。跟踪机构的仰角传动极限为-2度到90度，传动齿轮比为18300比1，以此跟踪太阳高度角。方位角的传动极限为正负240度，传动齿轮6级变速，传动比为23850比1，以此跟踪太阳方位角。 空腔接收器 盘式太阳能热动力发电机组，一般采用圆柱形或球形陶瓷空腔接收器，取其结构上能与热气机膨胀腔具有良好的配置，以及具有良好的热性能。例如法国10kW盘式太阳能斯特林热动力发电装置，采用圆柱形空腔接收器，直径为30厘

8、米，深度为12厘米，空腔光孔直径19厘米。实际的测量结果是，从聚光器反射的太阳辐射能85%进入接收器空腔内，78%的太阳辐射直接投射到接收管上，7%投射到空腔壁面上。 1.两种加热设计 （1）直接加热设计 聚焦的入射太阳辐射直接投射到热气机加热管上，吸收太阳辐射能，加热工质，驱动斯特林发电机组发电。 优点：日落之后可以在加热管的背面燃烧天然气，从而热动力发电机组可能全天连续运行。 （2）间接加热方式 聚焦的入射太阳辐射投射到高效钠热管上，吸收太阳能，产生钠蒸汽，再去加热管加热工质，驱动斯特林发电机组发电。凝结的液态钠，经表面毛细结构返回到钠热管里，再行循环加热。 2.钠热管 盘式太阳能斯特林热

9、动力发电装置，接收器较多应用钠热管技术，取其传热性能优越，工作温度高。钠热管单位平方厘米面积的传热率为1kW，钠蒸汽的工作温度接近800度。结构设计原理钠热管接收器的主体由圆拱形钠热管和石英玻璃圆拱组成，两者配制成一体，外面包着很厚的陶瓷保温罩，形成拱形吸收空腔。圆拱形钠热管的下尖顶为钠池，沿钠热管的太阳辐射吸收面设置灯芯，用来泵吸池中的液态钠，送到钠热管的吸收面进行加热，变成钠蒸汽进入热气机的加热管腔，与加热管进行热交换，自己凝结成液态的钠从侧面的回流管回到钠池，如此循环。由于盘式太阳能斯特林机组正常工作位置是倾斜的，所以液态钠依靠自身重力作用就可回到钠池。 蒸发区钠蒸汽的压力分布 钠热管的

10、工作依赖于灯芯的毛细泵吸作用，灯芯的泵吸力要克服液态钠的流动阻力和体积力。灯芯中钠流动的压力降受运行温度和接收器方位的影响。对给定的太阳辐射通量，钠沿灯芯流动方向的压力将随运行温度的增高而降低，这是由于温度升高，钠的粘性降低。但另一方面，由于高温时表面张力的下降，所以灯芯的毛细泵吸力也下降。所以当系统运行在高温时，灯芯将难以供给足够的液态钠，从而影响钠热管的正常工作。此外，接收器轴的方位处于水平位置时，钠池集中在拱形钠热管下半部，上半部灯芯接触不到钠池失去供给功能，同样影响钠热管的正常工作。所以设计钠热管，必须考虑在高温下，灯芯能从钠池泵吸足够的液态钠。 灯芯的设计选择 （1）材料选择 金属丝

11、网 金属丝网的编制形式和金属丝直径，可以在很宽的范围内选择。在热管技术中，表征金属丝网性能的主要参数为有效孔隙尺寸、丝网厚度、孔隙率和渗透率。它们的数值，主要取决于编制丝网目数和金属丝直径的不同组合。用细金属丝编织成网目数少的粗网，较容易拉成拱形，而网目数大的细网，则是将其置于两片铝箔之间进行层压，制成拱形。目前的热管大都采用金属丝网制作灯芯。 粉末烧结金属 粉末烧结金属的性能，随粉末大小和形状以及在成品中粉末的密度而变化。一般粉末烧结金属的有效孔隙尺寸较小，因此制成的灯芯可以具有很高的泵吸力，但是孔隙率不高，例如10微米孔隙半径的灯芯，孔隙率只有40%，这会导致低的渗透力，增大灯芯中的压力降

12、。 粉末烧结金属制作灯芯技术，尚在研发中。 （2）参数设计选择 有效孔隙半径 研究表明，为了使灯芯中不致产生过高的压力降，灯芯的最大容许有空隙径半径必须低于70微米。当有效孔隙半径达到70微米时，灯芯厚度与渗透率的乘积必须大于750 。200目的金属丝网灯芯厚度与渗透率的乘积为5 ，如果采用这种金属丝网制作灯芯，需要150层才能满足要求，而采用单一金属丝网制作的多层灯芯，会产生过大的温度降。 复合结构 选用粗网和细网相结合的方式。比如选56目的粗网和325目的细网制作复合灯芯，不明显加大灯芯的温度降。 mmm2mmm2 斯特林发电机组 热气机又称斯特林机。1816年爱尔兰人斯特林发明。它是由气

13、缸外部加热，推动缸内气体工质循环做工，故称外燃机。 （1）热气机分类 曲柄连杆式 自由活塞式 热气机的运行1923468751、真空加热透镜，2、连接管接出口，3、换热式回热器，4、发电机，5、热量流出端网罩，6、热量流出端气缸，7、机体，8、热量流入端气缸，9、蓄热室。 蓄热式太阳能斯特林发电机结构（蓄热式太阳能斯特林发电机结构（1 1） 一种蓄热式太阳能斯特林发电机已于2013年6月26日申请中国专利，专利号201310261858.9 。 斯特林可逆热机（200710050949.2）、一种太阳能斯特林发电机（201110077563.7）、一种斯特林热机换热式回热器（201210000

14、717.7）、一种斯特林热机工况控制器（201110035499.6） 、多环连接型斯特林可逆热机（201210174097.7）、一种斯特林热机换热装置（201210383424.1）等中国发明专利是本发明的支撑技术。蓄热式太阳能斯特林发电机结构（蓄热式太阳能斯特林发电机结构（2 2） 蓄热式太阳能斯特林发电机的热机是蓄热式太阳能斯特林发电机的热机是6个工作腔、双环连接型斯特林发动机。个工作腔、双环连接型斯特林发动机。蓄热式太阳能斯特林发电机结构（蓄热式太阳能斯特林发电机结构（3 3） 真空加热透镜真空加热透镜1安装在热量流入端蓄安装在热量流入端蓄热室热室9的端面上。蓄热室的端面上。蓄热室9

15、位于热量流位于热量流入端中央，蓄热室入端中央，蓄热室9内有热量流入端气内有热量流入端气缸与回热器连接管，并充满熔融盐和缸与回热器连接管，并充满熔融盐和固态蓄热介质。固态蓄热介质。蓄热式太阳能斯特林发电机结构（蓄热式太阳能斯特林发电机结构（4 4） 热量流入端气缸与回热器连接管接出口热量流入端气缸与回热器连接管接出口2到换热到换热式回热器式回热器3之间的连接管没有画出，要求材料绝之间的连接管没有画出，要求材料绝热性好。换热式回热器热性好。换热式回热器3到热量流出端气缸到热量流出端气缸6之间之间的连接管也没画出，要求材料导热性好，管路上的连接管也没画出，要求材料导热性好，管路上还要设置散热片。蓄热

16、室还要设置散热片。蓄热室9和热量流入端气缸和热量流入端气缸8都都外包绝热层。外包绝热层。蓄热式太阳能斯特林发电机结构（蓄热式太阳能斯特林发电机结构（5 5）热机转子置于机体热机转子置于机体7中央，中央，6个活塞组对称卡在热机转子个活塞组对称卡在热机转子上。活塞组两端的活塞分别插入热量流入端气缸上。活塞组两端的活塞分别插入热量流入端气缸8和热量和热量流出端气缸流出端气缸6内。发电机内。发电机4置于热量流出端气缸置于热量流出端气缸6中央的中央的二级密封腔内，发电机转轴与热机转子轴相连。发电机二级密封腔内，发电机转轴与热机转子轴相连。发电机4与热量流出端网罩与热量流出端网罩5之间布置换热式回热器之间

17、布置换热式回热器3到热量流出到热量流出端气缸端气缸6之间的连接管。控制系统在此连接管上连通之间的连接管。控制系统在此连接管上连通6个个工作腔。工作腔。蓄热式太阳能斯特林发电机结构（蓄热式太阳能斯特林发电机结构（6 6）斯特林发动机设计理论计算斯特林发动机设计理论计算斯特林发动机设计理论计算（斯特林发动机设计理论计算（1 1） 斯特林可逆热机的设计理论已经很完善，由输出功计算公式、平均温度计算公式、限极压力与平均温度关系式、热机效率定义式组成。 中国发明专利多环连接型斯特林可逆热机实施例给出了计算过程。r10.1r20.1L0.12A1r1r1A2r2r2A2L3.77103T2673.15T1

18、333.15Vh0.0035Vc0.003V00.01P29 106N150.25R8.314T0VhVcVhT2VcT1P1P2A2L1sin62 T2V0T0A2L1sin62 T2V0T0A1LT1T0457.605nP2A2L1sin62 RT2P2V0RT0n25.172P15.6106W02nRT0T1T2LA1sin()A2cos6A1LT0T21cos()()A2LT0T11sin62 V0T1T2dQ2WQ11() WW3.498103Q21.399104Q11.049104PowerWNphQ2NpcQ1NPower5.247104ph2.099105pc1.574105输

19、出功计算公式：W202100120212102126sin1)cos1 (6cossinTTVTLTATLTAdAALTTnRT平均温度计算公式：120TVTVVVTCHCH极限压力与平均温度关系式：12002211minmaxTVTLATLAPP蓄热式太阳能斯特林发电机优点斯特林发电机优点 一、同时具备可蓄热和热机效率高的特点，发电质量高，可直接上网，成为基础电力。 二、实行风冷散热，适宜缺水地区发电，节约水资源，同时降成本。 三、整个发电过程没有污染物排放。 四、蓄热介质不流动，可选用价廉的固态液态混合物。 五、可利用坡地、公路隔离带等槽式系统、塔式系统无法利用的土地，提高土地资源的综合利

20、用率。 六、发电成本有低于现有火电的潜力。 机组支撑结构 （1）支杆支撑结构 早期研发的盘式发电装置，多采用支杆支撑结构，即在盘体上伸出3根或4根支撑杆，将发电机组架置在旋转抛物面聚光器的焦点位置，与镜面盘体构成一体。其优点是结构简单，缺点是跟踪系统的负载大，以及需要解决高温高压油管、水管、汽管等的活动密封连接技术。目前这种支撑结构已不再采用。 （2）桁架或鹅颈结构 现代盘式发电装置，机座大多采用桁架或鹅颈结构，将热动力发电机组定位架设在旋转抛物面聚光器的焦点位置。其优点是热动力发电机组与镜面盘体分开，这样镜面跟踪系统负载小，没有油、气、水等管路的活动密封连接问题，但机组与镜面盘体两者之间，需

21、要精密的结构配置设计。 典型盘式太阳能热动力发电装置介绍 1.盘式太阳能3kW自由活塞式斯特林发电装置 美国公司早年生产有RG-1000型自由活塞式斯特林发电机组，发电功率1kW，全封闭结构，运行噪声极低，由于全封闭，机组寿命长，大约50000小时。公司从2008年开始研发同型号3kW自由活塞式斯特林发电机组，制成3kW盘式太阳能自由活塞式斯特林热动力发电装置，该装置高6.4米，聚光器直径4.6米，可以多台并联发电，构成发电场。目前正在推广商用，每台价格20000美元。 2.盘式太阳能25kW曲柄连杆式斯特林发电装置 这是美国公司早期生产的盘式太阳能斯特林热动力发电装置。其抛物面聚光器由82枚

22、反射镜面组成，每枚镜面尺寸为91cm122cm,动力机为曲柄连杆式斯特林机，4缸，双行程。热气机膨胀腔由大量U形管围成圆柱空腔，构成圆柱形空腔接收器，空腔开口直径20厘米。盘形抛物面聚光器直径11米，当太阳直射辐射强度850W/m2时，投射到接收器上的热功率为86.8kW,U形管对太阳辐射能直接吸收，多台装置组成发电场。 3.盘式太阳能朗顿循环热动力发电装置 20世纪80年代，我国湘潭电机厂与美国公司合作，研制了5kW盘式太阳能朗顿循环热动力发电装置。整机由六个部件组成：旋转抛物面聚光器，空腔接收器，热动力发电机组，储能装置，跟踪系统，机座。从聚光器镜面盘体上伸出4根支撑杆，将空腔接收器架置在

23、旋转抛物面聚光器的焦点处，构成一整体，通过齿轮变速机构承架在机座上。热动力发电装置与聚光器分置于机座两侧。系统配置了一个蓄电池组，置于地面基础上。装置总高2.8米，重4.6吨。 A.旋转抛物面聚光器 整个聚光器由16块面板组成，采用螺钉链接，构成一个坚固而连续的薄壳结构，在其表面粘贴反光薄膜。盘架通过3点与机座相连。在盘架中心孔对面的水平中心线上，装有两个仰角轴承，来支撑从机座伸出的轴，第三点则在仰角轴承下部的垂直中心线上，与机座上的滚珠丝杆相连，用以驱动聚光器的仰角。 B.空腔接收器 空腔接收器为空腔型圆筒直流式单管热交换器，采用直径14毫米，壁厚1毫米的不锈钢管盘绕而成，底部绕成平面。圆筒直径为41厘米，轴向长度为42厘米，空腔圆筒的外表面包覆一定厚度的隔热层，与铝外壳包成一体。开口端加挡风罩，伸出10.2厘米，用来降低接收器的热损失。进出空腔接收器的硅油管，沿上部位的两根支撑杆铺设，以减少遮光，并防止机械损伤。 C.热动力发电机组 热动力循环回路由单机轴流式汽轮机、蒸发器、过热器、预热器、回热器、凝汽器、蓄热器、泵等组成。循环工质为甲苯，汽轮机工质入口蒸汽参数为，温度371度，压力2.1兆帕。配套发电机为交流高速发电机，其额定输出电参数为，电压23伏特，功率6.