碟式斯特林太陽能熱發(fā)電的技術(shù)發(fā)展

朱辰元，彭小方

（上海齊耀動力技術(shù)有限公司，上海 201203）

0 引言

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置通過聚焦太陽光產(chǎn)生高溫熱源，進而推動熱氣機（斯特林發(fā)動機）輸出電能，由于聚光能力強、原動機的熱效率高，因此在各類聚焦太陽光熱發(fā)電（CSP）技術(shù)中的熱電轉(zhuǎn)換效率最高，成為可再生能源利用的研究熱點。

目前，美國的SES公司和Infinia公司分別推出了兆瓦級示范工程，試運行結(jié)果表明，示范工程的發(fā)電效率高，維護成本低，今后只要能夠規(guī)模制造生產(chǎn)降低裝置成本，就可以實現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

熱氣機是碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵之一，本文將介紹近年來碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置的一些研究成果。

1 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、單位功率密度高、發(fā)電成本低、適用地域廣、無二氧化碳排放、幾乎不消耗水、發(fā)電效率高等特點，已逐漸成為西方發(fā)達國家開發(fā)與應(yīng)用的熱點。

熱氣機（又稱為斯特林發(fā)動機）運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠、效率高、噪聲低，在穩(wěn)定連續(xù)的高溫熱源驅(qū)動下可持續(xù)輸出機械能，非常適合碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的動力裝置。

目前熱氣機的技術(shù)還不成熟，對熱氣機的研制和產(chǎn)品生產(chǎn)，主要來自少數(shù)幾個發(fā)達國家的研發(fā)機構(gòu)，例如美國SES公司成功進行了小批量SunCatcherTM商業(yè)化應(yīng)用，Infinia公司也已成功進行了小規(guī)模的應(yīng)用，瑞典Ripasso公司將在2年左右的時間內(nèi)推出30kW的碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化產(chǎn)品。

典型的碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由碟式聚光鏡、太陽光接收器、熱氣機和發(fā)電機組成，其中接收器、熱氣機與發(fā)電設(shè)備組成的整體通常稱為能量轉(zhuǎn)換單元（CPU）。裝置中設(shè)計有轉(zhuǎn)向機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)聚光碟的仰角及水平角度跟蹤太陽，保證聚光鏡正對太陽獲得最多的太陽能，如圖1所示。

圖1 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置系統(tǒng)原理

運行時，太陽光經(jīng)過碟式聚光鏡聚焦后進入太陽光接收器，在太陽光接收器內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，并成為熱氣機的熱源推動熱氣機運轉(zhuǎn)，再由熱氣機帶動發(fā)電機發(fā)電。

采用碟式斯特林熱發(fā)電，裝置每1m2受光面積的平均年發(fā)電量可以達到629kWh，大于塔式和槽式太陽能熱發(fā)電的327kWh／m2和260kWh／m2，遠遠超過了跟蹤式光伏發(fā)電技術(shù)的217kWh／m2。圖2是幾種太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)電能力比較。

圖2 幾種太陽能發(fā)電技術(shù)比較

2 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用案例

目前，美國是全球碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)研制的中心，美國的SES公司、SAIC公司、Infinia公司等在碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)投入了很大力量并取得很大成果，25kW和3kW的碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于小規(guī)模商業(yè)化太陽能熱發(fā)電站。另外，德國的SOLO公司和SBP公司，采用瑞典Cleanergy公司制造的斯特林發(fā)動機研發(fā)的10kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電產(chǎn)品，以SOLO 161單缸斯特林發(fā)動機為核心的Eurodish系列碟式太陽能熱發(fā)電設(shè)備也成功地得到了應(yīng)用，安裝地點包括法國、西班牙等。

2.1 美國SES公司SunCatcherTM系統(tǒng)

成立于1996年的美國SES公司，繼承了麥道公司先前相關(guān)的開發(fā)技術(shù)，多年來致力于碟式斯特林熱發(fā)電技術(shù)的集成與測試，取得了不少成果。

圖3為SES公司早期開發(fā)的25kW碟式斯特林熱發(fā)電裝置的外觀照片。該裝置的聚光碟由82塊厚度為0.7mm的反光鏡片組合而成，聚光碟高為11.6m，總面積為87.7m2。裝置采用瑞典Kockums的4—95熱氣機為原動機，由4個氣缸組成，掃氣容積為380cm3。裝置輸出為480V三相交流電，峰值輸出功率為24.9kW，峰值熱電轉(zhuǎn)換效率為29.4%，年均為24.0%，年輸出電能為54 500kWh。

圖3 SES公司早期研發(fā)的25kW裝置

從2003年開始，SES公司與美國Sandia國家實驗室合作研發(fā)碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，在這期間對聚光碟進行了改進。改進前聚光碟采用82面小鏡面拼接組成，改進后聚光碟的拋物面由內(nèi)外兩圈組成，內(nèi)圈由13塊聚光鏡片拼接，外圈由27塊拼接，聚光碟結(jié)構(gòu)改進后重量減少了4 500～5 400kg。

圖4為SES公司最新研發(fā)的SunCatcherTM系統(tǒng)及其使用的熱氣機實物照片，該型號產(chǎn)品在2009年創(chuàng)造了31.25%的熱電轉(zhuǎn)換最高效率。由圖4可以看到SunCatcherTM系統(tǒng)的熱氣機在結(jié)構(gòu)上與早期研制25kW裝置采用的熱氣機已有較大的差別。

2009年8月至2010年1月，美國的SES公司聯(lián)合Tessera Solar公司，在亞利桑那州Maricopa建設(shè)了總?cè)萘繛?.5MW的小規(guī)模商業(yè)化太陽能熱發(fā)電站，如圖5所示，該項目采用了60套SunCatcherTM。

圖4 SunCatcherTM裝置

圖5 SES在Maricopa建立的示范電站

2.2 美國SAIC／STM 25kW系統(tǒng)

美國加州的SAIC（Science Applications International Corporation）公司從1984年起開始研發(fā)高性能太陽能聚光碟及其他部件，公司的核心技術(shù)是制造聚光碟的張緊膜，是全球最早商業(yè)化該技術(shù)的公司。

SAIC研制的SAIC／STM碟式斯特林發(fā)電裝置如圖6所示。

圖6 SAIC／STM 25kW碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)

由圖6可以看出，該系統(tǒng)的發(fā)動機采用原STM（Stirling Thermal Motors）公司生產(chǎn)的4—120型斜盤斯特林發(fā)動機［4］，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r／min，發(fā)電輸出額定功率為20kW。SAIC／STM碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)的聚光碟由16塊直徑為2.8m的張膜式聚光塊組成，焦距為8～10m，總反射面積為93m2。

每塊聚光板由不銹鋼鋼圈及焊接在其兩側(cè)的不銹鋼膜平面組成，其中不銹鋼膜平面由0.08 mm厚的不銹鋼條張緊焊接在一起，聚光板表面向陽的一面采用貼合玻璃鏡或者鍍銀聚酯薄膜方法增加反射率。

為了便于聚光，張膜式聚光塊采用內(nèi)部抽真空的方法保持反射面成凹面。采用負壓凹面成型方式能夠保證在緊急狀況時快速（幾秒內(nèi)）解除聚焦，防止聚焦的高溫對器件造成損壞。張膜式圓塊的尺寸及焦距設(shè)計考慮到了風力對聚焦的影響，整個聚光系統(tǒng)的設(shè)計，要求運行時能抵抗的平均風速為12m／s。

SAIC／STM的碟式斯特林發(fā)電裝置的設(shè)計年運行時間為3 576h，輸出三相交流電，功率為20～25kW，年發(fā)電能力為56 400kWh。遺憾的是由于種種原因，SAIC／STM 25kW斯特林太陽能熱發(fā)電設(shè)備未能進入商業(yè)化營運。

2.3 德國SOLO161型斯特林發(fā)動機10kW系統(tǒng)

瑞典Cleanergy公司是全球主要的斯特林發(fā)動機制造商之一，公司生產(chǎn)的斯特林發(fā)動機可以用在熱電聯(lián)供系統(tǒng)（輸出電能2～9kW，熱能8～26kW）和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（峰值輸出電能10kW）。

正在推廣的10kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，所采用的是德國SOLO 161型斯特林發(fā)動機的改進產(chǎn)品。SOLO原來是德國的一家公司，現(xiàn)被瑞士Stirling Systems Ltd.公司收購。

Cleanergy公司研制的碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置，聚光碟的直徑為8.5m，面積為56.7 m2，焦距為4.5m，鏡面材料的反射率為94%，聚光碟的平均聚焦因子為2 500。SOLO 161型斯特林發(fā)動機的掃氣容積為160cm3，工質(zhì)為氫氣，工作溫度為650℃，壓力為2～15MPa。發(fā)電機輸出為400V三相交流電。跟蹤系統(tǒng)的方位角跟蹤范圍為270°，俯仰角跟蹤范圍為－28°～90°，精度為0.1°。運行時最大抗風速為17m／s，非運行時為44m／s。該裝置的外觀如圖7照片所示。

圖7 Cleanergy碟式斯特林熱發(fā)電裝置

德國SBP（Schlaich Bergermann und Partner）公司曾與SOLO公司聯(lián)合推廣了以SOLO 161單缸斯特林發(fā)動機為核心的Eurodish系列碟式太陽能熱發(fā)電設(shè)備產(chǎn)品，安裝地點包括法國、西班牙等。圖8為9kW的該型產(chǎn)品外觀［6］。

圖8 SBP／SOLO碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置

2.4 Infinia公司3kW太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

美國Infinia公司研發(fā)的3kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置如圖9照片所示。該裝置采用自由活塞式斯特林機作為動力機，裝置的凈發(fā)電效率可以達到24%，是一般光伏發(fā)電組件的2倍。

圖9 Infinia公司3kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置

3kW太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 3kW太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換單元

斯特林發(fā)動機采用閉式冷卻方式，發(fā)動機排出的熱量由內(nèi)循環(huán)冷卻水帶至風冷處散發(fā)，風冷流道的設(shè)計可以保證發(fā)動機的殼體內(nèi)的環(huán)境溫度得到有效控制。

Infinia公司生產(chǎn)的PowerdishTM3kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置產(chǎn)品，長4.6m，寬4.7m，高5.6m，總重量為864kg。安裝的海拔高度要求－75～1 890m，風速不大于162km／h；運行的環(huán)境溫度要求－20～55℃，運行風速不大于50km／h。裝置輸出為單相240V或者三相208V交流電，峰值功率3kW。

目前，Infinia公司已經(jīng)與美國Sandia國家實驗室合作，建成了6套供測試和研究改進的系統(tǒng)，并進行了冷卻水系統(tǒng)與斯特林發(fā)動機太陽光高精度對焦的改進工作。

到目前統(tǒng)計為止，美國Infinia公司已經(jīng)累計安裝了30套3kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電裝置，其中在華盛頓州Kennewick，新墨西哥州Belen各安裝了3套，在加利福尼亞州Las Virgenes安裝了4套，安裝的地點還有西班牙Villarrobledo等。西班牙Villarrbledo示范工程照片如圖11所示。

圖11 西班牙Villarrobledo的示范工程

截至2009年12月份，Infinia公司開發(fā)的110套3kW自由活塞式斯特林發(fā)動機太陽能熱發(fā)電裝置產(chǎn)品，內(nèi)部測試時間已經(jīng)達到5 000h，客戶測試時間達到了19 200h，總測試時間累計24 200h，其中單機最長測試時間為1 800h。

在開發(fā)3kW自由活塞式斯特林發(fā)動機熱發(fā)電系統(tǒng)的同時，Infinia公司正在進一步開發(fā)30kW免維護的自由活塞式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2個15kW多缸自由活塞式斯特林發(fā)動機組成，具有熱發(fā)電系統(tǒng)振動小、長壽命、免維護和高效率等特點。2010年，Infinia公司制作了3套該系統(tǒng)，上半年進行樣機測試，美國Sandia國家實驗室承擔了該系統(tǒng)的技術(shù)監(jiān)控、接收器設(shè)計咨詢和系統(tǒng)測試等工作，按照規(guī)劃，2012年7月后進入商業(yè)化應(yīng)用［8］。

3 展望

發(fā)展和推廣碟式斯特林太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵是開發(fā)性能優(yōu)異的熱氣機。熱氣機除了可以用于碟式太陽能熱發(fā)電外，還可以應(yīng)用在許多節(jié)能項目中，但是由于技術(shù)復(fù)雜，比較先進的熱氣機技術(shù)主要掌握在發(fā)達國家的少數(shù)幾個公司。我國也一直重視熱氣機的研發(fā)工作，目前也取得了很多成果，特別是已成功研發(fā)了50kW級燃氣熱氣機的熱電聯(lián)供機組，并進入了示范應(yīng)用，不久可以進入商業(yè)化應(yīng)用階段。

熱氣機的研發(fā)成果為我國發(fā)展碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術(shù)提供了堅實的基礎(chǔ)，通過太陽能熱發(fā)電的一些關(guān)鍵的技術(shù)攻關(guān)，如接收器的優(yōu)化設(shè)計、焦平面和接收器形狀的耦合以及內(nèi)部溫度的均勻控制、熱氣機緊湊型的總體設(shè)計，大直徑、高聚光比聚光碟的設(shè)計和制造，太陽自動跟蹤控制的方法，以及遇云控制的策略等，完全有能力依靠國內(nèi)的技術(shù)力量研發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品。

借鑒西方發(fā)達國家進行過多年的發(fā)展成果，可以發(fā)現(xiàn)25～30kW級斯特林發(fā)動機技術(shù)相對比較成熟，而且應(yīng)用在發(fā)電系統(tǒng)可以取得最大的效費比，因此25kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)裝置的研發(fā)應(yīng)該是發(fā)展我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)的首選方案。通過一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，結(jié)合我國已掌握的熱氣機技術(shù)，有望很快在碟式斯特林太陽能熱發(fā)電設(shè)備的制造方面取得成功。