碟式斯特林太阳能热发电的技术发展_朱辰元

ＳＡＩＣ 研 制 的 ＳＡＩＣ／ＳＴＭ 碟 式 斯 特 林 发 电 装置如图６所示。
图６ ＳＡＩＣ／ＳＴＭ ２５ｋＷ 碟式斯特林热发电系统
由图 ６ 可 以 看 出，该 系 统 的 发 动 机 采 用 原
ＳＴＭ（Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｍｏｔｏｒｓ）公 司 生 产 的 ４— １２０ 型 斜 盘 斯 特 林 发 动 机［４］，额 定 转 速 为 １ ８００ ｒ／ｍｉｎ，发 电 输 出 额 定 功 率 为 ２０ ｋＷ。ＳＡＩＣ／ ＳＴＭ 碟式斯特林发电系统的聚光碟由１６块直径 为２．８ｍ 的张膜式聚光块组成，焦距为８～１０ｍ， 总 反 射 面 积 为 ９３ ｍ２。
图 ２ 几 种 太 阳 能 发 电 技 术 比 较
２ 碟式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 系 统 的 应 用 案例
目 前 ，美 国 是 全 球 碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 系 统 研 制 的 中 心 ，美 国 的 ＳＥＳ公 司 、ＳＡＩＣ 公 司 、 Ｉｎｆｉｎｉａ公 司 等 在 碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 系 统 投 入 了 很 大 力 量 并 取 得 很 大 成 果 ，２５ ｋＷ 和 ３ｋＷ的 碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 系 统 已 经 被 成 功地应用于小规模商业化太阳能热发电站。另 外 ，德 国 的 ＳＯＬＯ 公 司 和 ＳＢＰ 公 司 ，采 用 瑞 典 Ｃｌｅａｎｅｒｇｙ公 司 制 造 的 斯 特 林 发 动 机 研 发 的 １０ｋＷ 碟式斯特林 太 阳 能 热 发 电 产 品，以 ＳＯＬＯ 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 的 技 术 发 展
图１所示。
图 １ 碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 装 置 系 统 原 理
运行时，太阳 光 经 过 碟 式 聚 光 镜 聚 焦 后 进 入 太 阳 光 接 收 器 ，在 太 阳 光 接 收 器 内 转 化 为 热 能 ，并 成为热气机的热 源 推 动 热 气 机 运 转，再 由 热 气 机 带动发电机发电。
０ 引 言
碟式斯特林太阳能热发电装置通过聚焦太阳 光产生高 温 热 源，进 而 推 动 热 气 机 （斯 特 林 发 动 机）输出电能，由 于 聚 光 能 力 强、原 动 机 的 热 效 率 高，因此在各类 聚 焦 太 阳 光 热 发 电 （ＣＳＰ）技 术 中 的热电转换效率 最 高，成 为 可 再 生 能 源 利 用 的 研 究热点。
空的方法保持反射面成凹面。采用负压凹面成型 方 式 能 够 保 证 在 紧 急 状 况 时 快 速 （几 秒 内 ）解 除 聚 焦，防止聚焦 的 高 温 对 器 件 造 成 损 坏。 张 膜 式 圆
Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｆ Ｄｉｓｈ－Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｚｈｕ Ｃｈｅｎｙｕａｎ，Ｐｅｎｇ Ｘｉａｏｆａｎｇ
（Ｍｉｃｒｏｐｏｗｅｒｓ Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ Ｓｏｌａｒ Ｄｉｓｈ－Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｓｏｍｅ ｔｅｓｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ Ｓｏｌａｒ Ｄｉｓｈ－Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ－ｔｏ－ｇｒｉｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ｐｅｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．Ｒｅｃｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉｓｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ｔｅｃｈ－ ｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ａｌｓｏ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｇａｓ Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｂｒｅａｃｈｅｄ，ａ ｔｅｃｈ－ ｎｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ２５ｋＷ ｄｉｓｈ－Ｓｔｉｒｌｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ ｓｏｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｒｍｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｔｉｒｌｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅ；Ｄｉｓｈ；ＣＳＰ（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ）
图３ ＳＥＳ公司早期研发的２５ｋＷ 装置
从２００３ 年 开 始，ＳＥＳ 公 司 与 美 国 Ｓａｎｄｉａ 国 家实验室 合 作 研 发 碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 系
统，在这期间 对 聚 光 碟 进 行 了 改 进。 改 进 前 聚 光 碟 采 用 ８２ 面 小 镜 面 拼 接 组 成 ，改 进 后 聚 光 碟 的 抛 物面 由 内 外 两 圈 组 成，内 圈 由 １３ 块 聚 光 镜 片 拼 接，外 圈 由 ２７ 块 拼 接，聚 光 碟 结 构 改 进 后 重 量 减 少 了 ４ ５００～５ ４００ｋｇ。
采用碟式斯特林热发电，装置每１ｍ２ 受光面积 的平均年发 电 量 可 以 达 到 ６２９ｋＷｈ，大 于 塔 式 和 槽 式太阳能热发电的３２７ｋＷｈ／ｍ２ 和２６０ｋＷｈ／ｍ２，远 远超过了跟踪式光伏发电技术的２１７ｋＷｈ／ｍ２。图 ２是几种太阳能发电技术的发电能力比较。
缸斯特林发 动 机 为 核 心 的 Ｅｕｒｏｄｉｓｈ 系 列 碟 式 太 阳能热发电设备 也 成 功 地 得 到 了 应 用，安 装 地 点 包 括 法 国 、西 班 牙 等 。 ２．１ 美国 ＳＥＳ公司 ＳｕｎＣａｔｃｈｅｒＴＭ 系统
２００９年８ 月 至 ２０１０ 年 １ 月，美 国 的 ＳＥＳ 公 司联合 Ｔｅｓｓｅｒａ Ｓｏｌａｒ公 司，在 亚 利 桑 那 州 Ｍａｒｉ－ ｃｏｐａ建 设 了 总 容 量 为 １．５ ＭＷ 的 小 规 模 商 业 化 太阳能热发电 站，如 图 ５ 所 示，该 项 目 采 用 了 ６０ 套 ＳｕｎＣａｔｃｈｅｒ ＴＭ 。
每块聚光板由不锈钢钢圈及焊接在其两侧的
不锈钢膜 平 面 组 成，其 中 不 锈 钢 膜 平 面 由 ０．０８ ｍｍ 厚的不锈 钢 条 张 紧 焊 接 在 一 起，聚 光 板 表 面 向阳的一面采用贴合玻璃镜或者镀银聚酯薄膜方
法增加反射率。 为了便于聚光，张 膜 式 聚 光 块 采 用 内 部 抽 真
目前，美国的 ＳＥＳ公司和Ｉｎｆｉｎｉａ公司分别推 出 了 兆 瓦 级 示 范 工 程 ，试 运 行 结 果 表 明 ，示 范 工 程 的 发 电 效 率 高 ，维 护 成 本 低 ，今 后 只 要 能 够 规 模 制 造 生 产 降 低 装 置 成 本 ，就 可 以 实 现 商 业 应 用 。
热气机是碟式斯特林太阳能热发电技术的关 键之一，本文将介 绍 近 年 来 碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发电装置的一些研究成果。
典型的碟式斯特林太阳能热发电系统主要由 碟式 聚 光 镜、太 阳 光 接 收 器、热 气 机 和 发 电 机 组 成 ，其 中 接 收 器 、热 气 机 与 发 电 设 备 组 成 的 整 体 通 常称为 能 量 转 换 单 元 （ＣＰＵ）。 装 置 中 设 计 有 转 向机构，通过调节 聚 光 碟 的 仰 角 及 水 平 角 度 跟 踪 太 阳 ，保 证 聚 光 镜 正 对 太 阳 获 得 最 多 的 太 阳 能 ，如
朱 辰 元 ，等 ：碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 的 技 术 发 展
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图４ ＳｕｎＣａｔｃｈｅｒＴＭ 装置
图５ ＳＥＳ在 Ｍａｒｉｃｏｐａ建立的示范电站
２．２ 美国 ＳＡＩＣ／ＳＴＭ ２５ｋＷ 系统 美 国 加 州 的 ＳＡＩＣ （Ｓｃｉｅｎｃｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）公 司 从 １９８４ 年 起 开 始 研发高性能太阳 能 聚 光 碟 及 其 他 部 件，公 司 的 核 心技术是制造聚 光 碟 的 张 紧 膜，是 全 球 最 早 商 业 化该技术的公司。
第 ３２ 卷 第 ６ 期 ２０１１ 年 １２ 月
电力与能源
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碟式斯特林太阳能热发电的技术发展
朱辰元，彭小方
（上 海 齐 耀 动 力 技 术 有 限 公 司 ，上 海 ２０１２０３）
摘 要 ：碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 是 目 前 发 电 效 率 最 高 的 太 阳 能 热 发 电 的 技 术 。 介 绍 了 碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 系 统 原 理 ，论 述 了 国 际 上 目 前 以 热 气 机 为 核 心 技 术 的 碟 式 太 阳 能 热 发 电 系 统 发 展 状 况 。 指 出 我 国 的 燃 气 热气机发电技术已经取 得 了 突 破 性 的 发 展 ，２５ｋＷ 级 碟 式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 系 统 的 研 发 已 具 备 了 技 术 基础。 关 键 词 ：斯 特 林 发 动 机 ；聚 光 碟 ；聚 焦 太 阳 能 热 发 电 资 助 项 目 ：课 题 受 “上 海 市 优 秀 技 术 带 头 人 计 划 项 目 ”资 助 。 中 图 分 类 号 ：ＴＭ６１５ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：２０９５－１２５６（２０１１）０６－０５０７－０５
１ 碟式 斯 特 林 太 阳 能 热 发 电 系 统 的 结 构 与特点
太 阳 能 热 发 电 系 统 具 有 节 能 、环 保 、单 位 功 率 密度 高、发 电 成 本 低、适 用 地 域 广、无 二 氧 化 碳 排
放、几 乎 不 消 耗 水、发 电 效 率 高 等 特 点，已 逐 渐 成 为西方发达国家开发与应用的热点。
图４ 为 ＳＥＳ 公 司 最 新 研 发 的 ＳｕｎＣａｔｃｈｅｒ ＴＭ 系统及其使用的 热 气 机 实 物 照 片，该 型 号 产 品 在 ２００９ 年 创 造 了 ３１．２５％ 的 热 电 转 换 最 高 效 率 。 由 图４ 可 以 看 到 ＳｕｎＣａｔｃｈｅｒ ＴＭ 系 统 的 热 气 机 在 结 构上与早期 研 制 ２５ｋＷ 装 置 采 用 的 热 气 机 已 有 较大的差别。