自然循环式太阳能热发电系统

自然循环式太阳能热发电系统

目前，太阳能发电技术主要分为两种形式：太阳能照明设备和太阳能热发电。其中，太阳能热能源主要分为三种形式：杆型、塔型和盘型。在碟式太阳能热发电系统中,将光能转换成电能的核心装置就是斯特林发动机,可以说,斯特林发动机的工作特性决定了碟式太阳能热发电系统的工作特性,其技术的发展程度也决定了碟式太阳能热发电技术的成熟程度。一、发动机和cd-rom能源热能源系统的工作原理和特点1.热源技术的应用斯特林发动机,又称热气机,是一种外燃机,即依靠外部热源对密封在机器中的气体工质加热,使其不断热胀冷缩,进行闭式循环,推动活塞做功。斯特林发动机最早由英国的罗伯特.斯特林于1816年发明,用于矿井取水。目前,用于斯特林发动机的常见气体工质有空气、氦气、氢气。斯特林发动机对外燃方式无特殊要求,只要外部热源的温度高于机器中工质的温度即可,加热方式灵活,既可以使用传统的化石燃料,又可以使用太阳能、生物质能,以及具有一定温度的工业废热作为热源。根据斯特林发动机的设计要求,热源温度可高可低,几十摄氏度的温差即可使其运转起来。斯特林发动机的热效率很高,在热力学理论上等于同温限下的概括性卡诺循环效率。斯特林发动机与内燃机最大的区别在于:在做功时,内燃机是通过燃料在气缸内部瞬间气化,上升到很高的温度和压力,然后以爆震的方式推动活塞;而斯特林发动机是依靠外部的热源对热膨胀气缸中的工质持续传热,使其不断升温升压,然后推动活塞做功。因此,斯特林发动机在工作时较内燃机平稳,而且噪声也小很多。在石化能源危机越来越严重的今天,斯特林发动机由于具有不受热源形式限制、运行噪声低、热效率高等突出优点,在几十、几百甚至几千瓦的小功率级别分布式供能领域里,日益受到重视,并有望发展成为一种用于微小型分布式供能系统的成熟可靠的动力设备。2.发动机及发电机如图1所示,碟式太阳能热发电系统主要由以下部件组成:一套能够实现双轴转动、自动跟踪太阳位置的碟式抛物面聚光镜系统,含有太阳能集热器的斯特林发动机,发电机及其输电系统。工作时,碟式太阳能热发电系统将太阳光的能量用碟式抛物面聚光镜收集起来,并将其反射到聚光镜的焦点处,聚得集中、高温、高热流密度的热量,驱动安放在聚光镜焦点位置光斑附近的太阳能斯特林发动机,从而带动发电机进行发电。作为可再生能源发电的一种形式,碟式太阳能热发电具有光电转换效率高、布局灵活、对场地要求低、耗水量少、对环境零污染等优点,同时和其他的太阳能发电技术一样,也具有规模化发电的潜力。二、碟式热发电技术的研究从20世纪70年代末到80年代初,许多发达国家开始进行斯特林发动机及其碟式太阳能热发电技术的开发。近年来,亚洲、欧洲、美洲等地区的某些国家级实验室以及相关企业非常重视对太阳能斯特林发动机以及碟式热发电技术的研究,并不断加大相关研究经费的投放力度,在技术上取得了不少重要的进展。其中,美国和德国的某些企业和研究机构,在政府有关部门的资助下,分别成功研制出3~25kW不等功率级别的斯特林发动机及其碟式太阳能热发电系统,并已经进行了中试,技术应用趋于成熟。这些中试项目中,最为成功的碟式太阳能热发电系统分别来自于美国斯特林能源公司(StirlingEnergySystems,Inc.以下简称SES)、德国SOLO公司(现已经更名为Cleanergy公司,并于2009年迁至瑞典)以及美国的Infinia公司。1.ses公司的太阳能热发电系统早在1984年,美国AdvancoCorporation研制了1套25kW碟式斯特林发电系统,太阳能-电能的最高转换效率为29.4%。之后,MDAC曾开发了8套碟式斯特林热发电系统,净效率大于30%,后来,MDAC将硬件和技术全部转让给了现在的SES公司,并由SES公司继续开发该领域的技术。2008年1月31日,美国桑迪亚国家实验室与SES公司合作,在该实验室的测试平台上测得SES“Serial#3”斯特林太阳能热发电系统的太阳能并网转换效率(光电转换效率)达到31.25%,实验中测得用85.6kW的光热功率产出26.75kW的电功率,一举打破他们曾在1984年创下的光电转换效率为29.4%的记录,成为目前全世界在太阳能发电技术领域新的光电转换效率纪录。图2为SES公司在桑迪亚实验室的碟式太阳能热发电系统实景。值得一提的是,2010年1月,SES公司在美国亚利桑那州建成了1.5MW的示范电站并投入运行,这是世界上该项技术的第一个商业应用例子,该电站由60套SES的25kW碟式热发电系统组成。SES公司的斯特林发动机型号是SES/USAB4-95,如图3所示,这是一种4缸双作用式斯特林发动机,该技术经过从菲利普公司到瑞典Kockums公司数十年的发展和演变而趋于成熟,并最终被SES公司完全继承且获得生产许可。单台SES/USAB4-95斯特林发动机的最大输出轴功率可以达到25~29kW,热效率高达38%~42%,这样的性能水平遥遥领先于其他公司的发动机产品。SES/USAB4-95一度被认为是世界上最具发展前景的斯特林发动机。2.德国最宽颗粒聚光镜早在1984-1988年,德国SBP公司曾在沙特阿拉伯附近建造了2套50kW碟式热发电系统Eurodish,其聚光镜直径达到了17m,选用联合斯特林发动机公司的4-275作为核心动力设备。资料显示,该系统没有获得运行数据。后来又因为种种问题,SBP把这2套17m直径的聚光镜系统撤掉,取而代之地安装了2套直径缩减为8.5m左右的碟式聚光镜系统,这次选用的斯特林发动机型号为德国SOLO公司的V-160/161,额定功率为10kW。SBP公司的聚光镜由12面扇形抛物面玻璃拼接而成,形成了一个完整的旋转抛物面形状,其反光面积为56.7m2,经过多年不断的改进,该系统实测峰值发电功率曾由最初的7.5kW一度提高到了近11kW。如今,包括V-161斯特林发动机在内的10kWEurodish碟式热发电系统(图4)技术由现在位于瑞典的Cleanergy公司完全继承,并不断改进,不过,该系统目前仍处于试验阶段。另外,SOLO公司的燃气式斯特林发动机成品技术已经很成熟了,其斯特林发动机机型仍为V-161(图5),主要用于微型分布式系统的热电联供,热源为天然气。该机的最大输出功率为7.5~10kW,最大热效率为35%左右。3.infini公司的斯特林发动机Infinia公司成立于1985年,从事太阳能热发电技术开发,主要由风投基金和私人资金支持,位于美国华盛顿州。自由活塞式斯特林发动机是该公司的一个主要研发产品。经过20多年的努力,Infinia公司已取得31项专利技术,其中包括以间隙密封、弯曲轴承、气密封设计为代表性的关键技术,研发出的自由活塞式斯特林发动机配以直线发电机,发电功率从10W到3kW不等。截至2008年底,Infinia公司研发出2款3kW自由活塞式斯特林发动机,经过不断改进,该机型额定输出功率目前达到3.2kW,已经用于其碟式热发电系统PowerDish中。PowerDish碟式热发电系统用聚光镜外观直径4.6m,集热面积17.4m2,整体光电转换效率可达24%,而斯特林发动机自身的热效率可达32%,分别成功实现了独立发电和并网发电。目前,Infinia公司正发展基于3kW及30kW的自由活塞式斯特林发动机产品。2010年6月,Infinia公司向美国鹰山地区(EagleMount)捐赠了4套3kW的PowerDish碟式热发电系统,用于示范性发电工程(图6)。Infinia还将向印度提供3000套3kW的PowerDish碟式热发电系统,用于建造10MW级规模的太阳能发电厂,该项工程预计于2012年年底之前完成。值得一提的是,Infinia公司的斯特林发动机采用自由活塞式结构,受限于该机型结构的特点,3kW是一个比较合理的功率级别,自由活塞式斯特林发动机很难将单台机器的功率做得更大。图7为Infinia公司3kW自由活塞式斯特林发动机实景图。三、中国斯特林动力及其cd-rom能源热能源技术的进展和前景1.中国-日本国际合作基金项目背景下的斯特林发动机研发历程中国船舶重工集团公司第七一一研究所(简称“711研究所”)于20世纪80年代将斯特林发动机技术引入中国,并将其作为核心动力设备率先在潜艇上实现应用。后来,711研究所将用于潜艇动力的斯特林发动机技术民品化,并成立了上海齐耀动力公司。他们已经成功研制出3台天然气/沼气驱动的50kW级4缸双作用型斯特林发动机,其中一台在2010年上海世博会上进行了示范性发电,为世博园中的一个餐厅提供电力。“十五”期间,中国科学院电工研究所(简称“中科院电工所”)申请到科技部“863”项目“碟式聚光太阳热发电系统及关键技术研究”,主要研究内容为碟式聚光镜系统;中国科学院工程热物理研究所承担子课题“碟式聚光太阳能高效光热转换与利用技术”,负责太阳能腔式集热器的研究。后来,中科院电工所和皇明太阳能集团共同研制了3套直径5m的太阳能碟式聚光镜,其聚光镜焦点处温度约1600℃,这些系统具有自动跟踪太阳的功能,精度达到±0.2°,见图8。中国科学院工程热物理研究所(简称“中科院工程热物理所”)传热传质中心于2007年申请到“863”课题“10kW级太阳热发电用斯特林发动机关键技术的前期探索”,同年与北京势焰天强科技有限公司开始合作,共同自主研发斯特林发动机及其碟式热发电系统。在过去的几年里,他们在关键技术上取得了一些成果,已经成功研制出数款几百瓦至几千瓦级不等功率的斯特林发动机试验样机。2010年8月,中科院工程热物理所成功承办国家自然科学基金委-日本科学技术振兴机构在环境、能源领域的系列国际会议之一“废弃物和废热的能源循环技术”研讨会,会上报告了余热用斯特林发动机关键技术研究成果,并在会后现场展示了完全自主设计并制造的10kW余热用斯特林发动机,得到了与会专家的一致认可。2011年,中科院工程热物理所成功申请到中国-日本国际合作基金项目“生物燃气与太阳能互补加热斯特林发动机热电联供系统”,正在对生物燃气-太阳能互补驱动的混合热源式斯特林发动机开展研究。除上述提到的成果外,中科院工程热物理所与北京势焰天强科技有限公司联合研制的具有代表性的斯特林发动机还有:5m直径碟式热发电系统及其3kWβ型太阳能斯特林发动机(图9),汽油机废气驱动的1kW斯特林发动机发电系统(图10)。西安航空发动机集团(即430厂,简称“西航公司”)曾在2009年与美国SES公司签订了斯特林发动机零部件生产的协议,为后者代工吸热器、回热器、冷却器和热保护器。后来,西航公司投入经费3000万元,做出了3台20kW级4缸双作用斯特林发动机,并用电加热器进行了实验。中国科学院理化技术研究所于2010年研制出一套1kW级碟式太阳能行波热声发电系统,所采用的动力设备为一台行波热声发动机,其工作原理类似于自由活塞式斯特林发动机。他们采用高频加热器模拟太阳能加热进行实验,采用平均压力为3.5MPa的氦气作为工质。实验结果显示,在加热温度为751℃和798℃时分别实现了116W和255W的电功率输出。但以真实太阳光作为热源的室外碟式发电系统尚在调试中。2011年4月,中国宁夏回族自治区石嘴山市惠农区境内立起了一套10kW级碟式聚光太阳能热发电系统样机,并在现场进行了试运行,如图11所示。该系统中跟踪太阳进行聚光的碟式聚光镜系统由浙江华仪康迪斯太阳能科技有限公司自主研发,但系统中的斯特林发动机是由瑞典Cleanergy公司提供的SOLOV-160/161。除上述提到的单位外,北京工业大学、中国科技大学、南京工业大学等单位也做过碟式热发电相关的研究。总体来说,国内起步晚,研发力度和研发水平有待于进一步加强和提高。每一项新技术在起步阶段都是离不开国家政府大量经费的投入及相关优惠政策的扶持,风电、光伏的发展过程等大量事实都足以证明这一点。碟式热发电技术在中国刚刚兴起,正处在起步发展阶段,需要国家相关部门投入大量的研发经费,并制定相关优惠政策进行大力扶持。2.中国太阳能发电技术的研究中国是一个化石资源短缺而太阳能资源非常丰富的国家,有2/3以上地区的年太阳辐照量超过5000MJ/m2,平均年日照时间在2200h以上,平均太阳热流密度达到了500W/m2,这些地区的太阳能资源具有可利用价值。因此,我国在碟式热发电方面具有巨大的潜在市场,将来该技术可用于以下地区或场合:(1)高耗能企业工厂或农村自给发电;(2)在海边别墅区自给发电;(3)中国西北沙漠地区建造太阳能发电厂;(4)无法拉电网的地区,用于自给发电。然而,斯特林发动机属于国外对我国的禁运产品,中国必须靠自主研发才能