基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置

图1 基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置设计图基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置任昊泽（华北电力大学，北京 102206）摘 要： 提出一种基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置。

采用碟式斯特林发电机替换传统装置中常用的太阳能电池板，提高太阳能转换效率。

碟式斯特林发电机与风力发电装置充分互补，提高装置的稳定性和可靠性。

碟式斯特林发电机可固定在风机的塔架上，充分节约土地资源。

基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置可有效解决远离公共电网的偏远山区、牧区，以及短时间内主网难以到达的、用电负荷需求较小的地区的供电需求。

关键词： 碟式斯特林发电机；风光互补发电装置；太阳能电池板；转换效率中图分类号： TM 315 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2019) 04-007-03工业技术创新 URL : http: // DOI : 10.14103/j.issn.2095-8412.2019.04.002引言当前，能源危机与环境问题越来越严峻，洁净高效、环保无污染的可再生能源在电力系统中的应用日益广泛[1]。

在我国，太阳能和风能是最常见、最丰富的可再生能源[2]。

顾名思义，太阳能发电是将太阳能转化为电能的过程，风能发电是将风能转化为电能的过程。

然而，受昼夜、地理位置及气候的影响，单一的太阳能或风能发电系统能量密度较低，产生的电能的稳定性较差[3]。

为了充分发挥两者的共同优势，解决两种能源单独利用时的局限性，有效提高能源利用率，提升供电稳定性和可靠性，可考虑设计一种风光互补发电装置。

风光互补发电装置通常由风力发电系统、太阳能发电系统、监控系统、蓄电池、逆变器和负载等组成，其潜在优势主要体现在太阳能和风能在时间分布上的良好互补性[4-5]。

例如，白天太阳光最强，但此时风的强度却不一定很大；晚上光照非常弱，但由于地表温差变化比较大，风的强度往往很大[6]。

再如，夏季光照强度一般较大，光照时间也较长，但风能相对较小，而冬季则反之。

这种在昼夜和季节上的交替，使太阳能与风能的利用率增加，使风光互补发电装置具有稳定的输出，恰恰起到了提高系统稳定性和可靠性的作用。

斯特林发电机可有效利用太阳能，它使用高精度的聚光器把太阳光聚集在一起，推动发电机发电，实现光、热、电的相互转化[7]。

斯特林发电机常见的形式有槽式、塔式和碟式三种[8]。

与槽式和塔式相比，碟式斯特林发电机具有更好的结构灵活性，便于实现规模化应用。

此外，碟式斯特林发电机的太阳能发电峰值效率可达到30%，而槽式和塔式只有20%左右[9]。

本文提出一种基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置，其中采用碟式斯特林发电机代替传统装置中常用的太阳能电池板，以进一步提高太阳能发电效率。

碟式斯特林发电机可固定在风机的塔架上，实现节约土地资源的目的。

1 装置结构基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置主要由风力发电装置和基于蝶式斯特林发电机的太阳能发电装置（以下简称“蝶式斯特林发电装置”）组成。

装置中还包含蓄电池、DC/AC 逆变器、控制器以及负载等，柴油发电机作为备用电源。

设计图如图1所示。

2019年第04期工业技术创新Industrial Technology Innovation1.1 风力发电装置风力发电装置是通过风机将风能转化为机械能，然后将机械能转化为电能，再利用控制器对蓄电池进行充电，最后经过逆变器为负载提供电能的装置。

1.1.1 风机结构风机的关键设备主要由机舱提供。

机舱里有齿轮箱及发电机等关键设备。

风机塔架支撑着机舱，在机舱的最左侧是风机的转子，即转子叶片和轴。

转子叶片的上下部分分别是高速轴和低速轴。

低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起；高速轴高速运转，驱动发电机发电。

齿轮箱位于低速轴上方，发电机位于高速轴上方。

机舱的尾部含有控制器。

控制器与风速计和方向标相连。

1.1.2 风力发电原理风机首先将风能转化成机械能。

机械能带动转子叶片旋转，使风机输出交流电，这即是将机械能转化为电能的过程。

风机利用风力带动风车叶片转动，再通过增速机将旋转速度提升，以促使发电机发电。

由于风力具有不稳定的性质，所以发电机输出的是不稳定的交流电，需经过整流设备后才能对蓄电池充电。

1.2 蝶式斯特林发电装置蝶式斯特林发电装置主要将热能作为驱动力，通过斯特林发动机把太阳光的热能转化为电能。

电能流向蓄电池，以实现充电。

逆变器将电能转变为直流电，再对负载进行供电。

1.2.1 碟式斯特林发电装置结构碟式斯特林发电装置主要由以下三部分组成：（1）碟式太阳能收集器；（2）斯特林发动机；（3）发电站自动控制系统。

装置具体包括架体结构、镜片、光热发电系统和控制系统等，并采用双轴跟踪系统实现对装置的控制。

架体结构主要包括：立柱（作为整个结构的支柱）、镜片安装架（作为镜片的支架，是整个碟盘的关键构架）、斯特林发电机安装架（作为固定斯特林发电机的装置，使其能位于碟盘的聚焦点上）。

镜片的作用是对太阳光进行汇聚，利用高密度的热能驱动发电机发电。

镜片整体设计为抛物面，使其有聚焦的作用。

光热发电系统需要对太阳进行实时追踪，进而保证在阳光充足的时候持续发电，其由功率可调节的斯特林光热发电机组成。

控制系统保证斯特林发电装置能进行俯仰和水平两个方向的角度调节。

1.2.2 碟式斯特林发电装置原理碟式斯特林发电装置是通过抛物面镜片将太阳光汇聚，把热量聚集到斯特林发电机，从而实现发电的。

碟式斯特林发电装置通常采用双轴跟踪结构。

根据旋转抛物面的反射原理，在斯特林发电机上聚集入射的太阳热量，运用自动追踪控制系统实时追踪太阳。

斯特林发电机上太阳辐射汇聚点的温度可达到700~1 300℃。

最后，利用吸热器将太阳热能集中到一起，加热热机驱动电机工作，实现光热转换。

运行时，温度可高达1 500℃以上。

1.2.3 碟式斯特林发电装置的固定位置在引言中提出将碟式斯特林发电机固定于风机的塔架上。

这是因为斯特林发电机具有结构简单、体积小、重量轻等特点，其作为碟式太阳能热发电装置的原动机，可使风光互补发电装置安全、高效、稳定地运行，同时提高资源利用率。

1.3 蓄电池蓄电池是储能装置，是风光互补发电装置的重要组成部分。

可再生能源发电时段不易与尖峰用电时段同步，所以储能装置在风光互补发电装置独立供电时必不可少。

当风力和日照强度都较强时，蓄电池可以先将系统发出的多余电力储备起来，以用于电负荷较大时的供电。

1.4 DC/AC逆变器DC/AC逆变器是一种电能变换装置，在DC/ AC逆变器中，蓄电池中储存的直流电被转换为交流电，这是提供给负载的合格的交流电。

3 应用场景讨论基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置的发电效率明显提高，系统整体更加稳定和可靠，这是因为采用碟式斯特林发电机代替传统的太阳能电池板，可以很好地利用时间上的互补性。

由此可见，该装置可用于解决远离公共电网的偏远山区和牧区的供电问题，也可用于解决短时间内主网还难以到达的、用电负荷需求较小的地区的供电问题。

3.1 偏远山区、牧区供电在我国青藏高原和内蒙古自治区等偏远山区、牧区，虽然电能供不应求，但太阳能和风能充足[10]。

本文提出的基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置，能够有效利用这些资源，解决偏远山区、牧区供电问题，提高能源利用率，带动地区经济增长。

任昊泽：基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置3.2 近海地区生产生活用电近年来，我国能源需求量日益增加。

海上边际油田是新发现，然而至今并未得到飞速发展，其根本原因就在于电能供应不足。

众所周知，海边的太阳能与风能资源十分充足。

基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置，能够迅速有效地为近海地区提供足够的生产生活用电，同时大量节省天然气等不可再生能源，不仅节约能源、保护环境，还能帮助建立完善的供电体系。

3.3 偏远地区通信基站用电通信为地区的发展带来了不可估量的作用。

对通信基站来说，可靠持续的供电系统是其正常稳定工作的必要条件和保障，但我国许多偏远地区通信基站的供电系统质量不过关。

基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置，不仅能够使通信基站稳定工作，还能节省资源、降低发电成本。

4 结论与展望本文提出了一种基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置，其采用碟式斯特林发电机取代了传统装置中常用的太阳能电池板，提高了太阳能转换效率。

装置发电成本低、制作简易、运行效率高、热稳定性好、机器使用寿命长、噪音低，具有大规模开发利用的价值和良好的商业前景。

为了进一步提高风光互补发电装置的发展潜力，以下方向应在未来得以广泛探索：（1）太阳能发电和风力发电虽然带来了经济效益和环境效益，然而，可再生能源的不确定性和间歇性依然是一大重要挑战。

例如，太阳能系统的输出功率受到斜坡上升，因为输出功率依赖于太阳辐照度和其他变化幅度较大的气象因素。

因此，功率输出预测应该得到足够重视，以进一步提高供电质量。

（2）应推进利用大数据分析当前风光互补发电装置的动态运行特性，为风光互补发电系统平滑可靠地并网奠定足够的基础。

（3）应设计将碟式斯特林发电机固定于风机塔架上的有效结构，使风光互补发电装置更加安全、高效、稳定地运行。

参考文献[1] 慈松, 李宏佳, 陈鑫, 等. 能源互联网重要基础支撑: 分布式储能技术的探索与实践[J]. 中国科学: 信息科学, 2014, 44(6): 762-773.[2] 赵英庆. 风力发电机原理及风力发电技术[J]. 科技资讯, 2015,13(25): 25-26.[3] 孔小兵, 刘向杰, 韩梅. 风光互补发电系统的分级递阶分布式预测控制[J]. 中国科学: 信息科学, 2018, 48(10): 1316-1332. [4] 普子恒, 倪浩, 黄杨珏. 浅析风光互补发电系统及其应用前景[J]. 科协论坛, 2009(6): 82-83.[5] 杨琦, 张建华, 刘自发, 等. 风光互补混合供电系统多目标优化设计[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(17): 86-90.[6] 孙兵. 风光互补发电集成装置及其控制系统设计[J]. 制造业自动化, 2012, 34(22): 1-4.[7] 张智博. 碟式斯特林太阳能光热发电装置中的光追踪控制系统研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2016.[8] 陈昕, 范海涛. 太阳能光热发电技术发展现状[J]. 能源与环境,2012(1): 90-92.[9] 陈鹏旭. 碟式斯特林光热发电系统有限元分析及结构优化设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2017.[10] 樊刚强, 马罕志, 杨勇. 风光互补发电系统的优化设计[J]. 科技风, 2018(20): 192-193.任昊泽（1998—），通信作者，男，湖南长沙人，本科。

研究方向：能源与动力工程。