碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中斯特林發(fā)動機的研究

王譯旋

摘要：在分析碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理的基礎上，以碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的斯特林發(fā)動機為研究對象，分析斯特林循環(huán)以及斯特林發(fā)動機的關鍵技術。結合碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中斯特林發(fā)動機的研究現(xiàn)狀，指出斯特林發(fā)動機的諸多研究熱點，為碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相關研究提供依據。

關鍵詞：碟式太陽能熱；發(fā)電系統(tǒng)；斯特林發(fā)動機；斯特林循環(huán)

中圖分類號：TU995 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）03-0040-03

在化石能源儲量日益減少、環(huán)境污染問題越來越突出的背景下，太陽能因具有儲量豐富、便于獲取及無污染等特征，被認為是未來重要的可再生能源。太陽能熱發(fā)電方式憑借發(fā)電成本低、技術成熟、與化石燃料容易構成混合發(fā)電系統(tǒng)等優(yōu)點，成為最被看好的發(fā)電方式。在所有的太陽能熱發(fā)電技術中，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)因有最高的光電轉化效率而具有廣闊的發(fā)展前景。

1 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 發(fā)展動態(tài)簡介

美國Advaned Corporation于1984年建立了一套25 kW碟式斯特林太陽熱發(fā)電系統(tǒng)，太陽能—電能的最高轉換效率記錄是29.4%。MDAC建立了8套碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)凈效率大于30%，后來MDAC將硬件和技術全部轉讓給Southern Califonia Edison（SEC）。SEC在1986—1988年間進行試驗，年平均效率達12%。20世紀90年代以來，美國的若干企業(yè)和研究機構在政府部門的資助下，以項目或計劃方式加快碟式太陽熱發(fā)電技術的研發(fā)步伐。2010年1月全球首臺1.5 MW商業(yè)化碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在美國投運。

在國內，早從1980年左右就開始研究碟式太陽能熱發(fā)電技術。李鑫、李斌等以能量守恒方程為基礎，結合拋物面光學特性，建立一個計算聚光器的數(shù)學模型，并采用試算和迭代核算相結合的方法，對聚光器的尺寸進行計算，對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的經濟性進行分析。高瑤設計了一套5 kW的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，并模擬此系統(tǒng)在1 d中的實際工作情況，為我國碟式太陽能熱發(fā)電技術的開發(fā)利用提供了數(shù)據支持。

1.2 工作原理

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光器、吸熱器、斯特林機等組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。其工作原理是將投射到聚光器表面的太陽光聚集到吸熱器上，吸熱器吸收太陽輻射，將其轉化為熱能并傳遞給工質，使工質溫度升高，形成高溫熱源送入斯特林發(fā)動機，熱量轉化為機械能后推動發(fā)電機運轉，對外發(fā)出電能。

在整個碟式太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮重要功效的是斯特林發(fā)動機，它負責將吸熱器吸收的拋物面聚光鏡反射匯聚的入射太陽光能量轉化為機械能，斯特林發(fā)動機提供的機械能帶動發(fā)電機運轉，可以進一步將機械能轉化為電能。

2 斯特林發(fā)動機簡論

斯持林（strling）發(fā)動機是一種外部加熱的閉式循環(huán)發(fā)動機，主要包括冷卻器、回熱器、集熱器、冷腔、熱腔等。如圖2所示，斯特林發(fā)動機的氣缸里有兩個活塞分別和熱腔、冷腔相連，冷腔里的活塞運動將工質等溫壓縮，熱腔活塞保持不動，冷腔吸收工質放出熱量；隨后冷腔活塞繼續(xù)運動到上止點，熱腔活塞也開始以相同的速率向下止點運動，工質從冷腔流向熱腔，流經回熱器時吸收一部分熱量，溫度升高，壓力增大，實現(xiàn)等容加熱；隨后高溫高壓的工質膨脹做功，熱腔活塞運動到下止點，冷腔活塞保持不動，同時工質流經加熱器吸收熱量，溫度保持不變，實現(xiàn)等溫膨脹；隨后，冷腔活塞開始向下止點運動，熱腔活塞以相同的速率向上止點運動，工質從熱腔流向冷腔，流經回熱器時散失一部分熱量，溫度降低，壓力減小。斯特林發(fā)動機憑借上述循環(huán)過程將熱能轉化為機械能，從而帶動發(fā)電機發(fā)出電能。

2.1 斯特林循環(huán)

斯特林循環(huán)是一種理想的熱力循環(huán)，由兩個等溫過程和兩個等容過程組成。圖3表明斯特林循環(huán)和實現(xiàn)斯特林循環(huán)的循環(huán)系統(tǒng)及動作過程。循環(huán)系統(tǒng)由1個裝有兩個活塞的氣缸構成，在2個活塞間設有回熱器。回熱器在一個循環(huán)中交替從工質吸收熱能和向工質釋出熱能，因而可以將它設想為一塊熱力海綿。回熱器兩側由活塞和氣缸組成的腔室分別形成熱的膨脹腔（又叫熱腔）和冷的壓縮腔（也叫冷腔）。這兩個腔室的容積變化分別由活塞控制。斯特林循環(huán)有4個熱力過程組成：等溫壓縮過程、等容加熱過程、等溫膨脹過程、等容冷卻過程。

2.2 關鍵技術

斯特林發(fā)動機的關鍵技術包括性能仿真、熱交換器設計與制造、密封和控制等。性能仿真技術主要是對實際的斯特林循環(huán)進行模擬仿真，國際上應用較多的是二級分析法和三級分析法（節(jié)點分析法）。由于這兩種分析法建立的模型與實際工作過程有很大差別，因此需要建立精度更高、更接近實際的CFD模型，以提高模型的精度，進而提高斯特林發(fā)動機的綜合性能。

換熱器是斯特林發(fā)動機的重要組成部分，換熱器上的損失（回熱損失、流阻損失、軸向導熱損失等）是斯特林發(fā)動機的主要損失，因此換熱器的設計與制造技術是影響斯特林發(fā)動機綜合性能的重要因素。

由于斯特林發(fā)動機主要靠工質在汽缸內的往復運動進行工作，因此提高斯特林發(fā)動機的密封技術（無論是對提高性能還是增加壽命）具有重要意義。

控制技術是調節(jié)斯特林發(fā)動機工作的核心技術，但斯特林發(fā)動機的控制技術遠不如內燃機成熟，因此提高斯特林發(fā)動機的控制技術，對提高斯特林發(fā)動機和碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的綜合性能有著重要意義。

3 斯特林發(fā)動機在碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的應用

斯特林發(fā)動機在太陽能熱發(fā)電領域有著重要的應用。用斯特林發(fā)動機作為動力系統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電技術，在美國和澳大利亞等國家已經取得了實質性的突破，很多實驗電站已經運行多年，大規(guī)模的商業(yè)運行電站正在建立。2005年8月11日，SCE公司（Southern California Edison）和SES公司（Stirling Energy Systems）宣布簽訂20 a采購協(xié)議，由SES公司在美國洛杉磯東北莫哈韋沙漠地區(qū)采用碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)建造一座500 MW并逐步擴大到850 MW的太陽能熱發(fā)電站。該電站預計將由2萬個碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)組成，占地18 km2，這是太陽能斯特林發(fā)動機技術在商業(yè)發(fā)電領域第一次大規(guī)模應用。2005 年10月12日，SES公司宣布與SDG&E公司（San DiegoGas & Electric）簽訂提供300～900 MW太陽能電力合同，大約是圣地亞哥地區(qū)現(xiàn)有太陽能發(fā)電能力的30倍。目前SAIC（The Science Applications International Corporation） 又和美國 Sandia 國家實驗室聯(lián)合開發(fā)商用25 kW太陽能熱電系統(tǒng)，計劃在5 a時間內分3個階段將56座碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)安裝和示范于全美各州電能利用基地。

2012年7月底，大連宏海新能源發(fā)展有限公司與瑞典Cleanergy公司合作完成的華原集團100 kW碟式太陽能光熱示范電廠在內蒙古鄂爾多斯市成功安裝，現(xiàn)完成聯(lián)合調試并進入試運行階段。這是國內第一個應用碟式太陽能斯特林技術進行發(fā)電的光熱示范電廠。

4 結語

近年來，斯特林發(fā)動機的研究在世界領域取得了突破性進展，能源危機使世界各國對斯特林發(fā)動機備加重視，進一步加快了斯特林發(fā)動機的發(fā)展速度。從目前的研究現(xiàn)狀來看，在整個碟式太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮重要功效的是斯特林發(fā)動機，控制技術是調節(jié)斯特林發(fā)動機的核心技術。所以，提高斯特林發(fā)動機的控制技術，可以大大提高碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率。這也是未來研究太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)必須認真對待的問題。

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Abstract： Based on the analysis of operating principle of dish-stirling solar power generation system， the article uses the stirling engine in the system of dish-stirling solar power generation as the object， analyzes the key technique of stirling cycle and engine， and combined the research status of stirling engine in dish-stirling solar power generation system， pointed out many research hot points of stirling engine， provides a reference for relative research of dish-stirling solar power generation system.

Key words： dish solar thermal power； generation system； stirling engine； stirling cycle