太陽能發(fā)電斯特林熱機研究應用

1、太陽能發(fā)電斯特林熱機研究應用 太陽能發(fā)電斯特林熱機的研究及應用 楊占營 丁國紅 牛永賀 中州分公司裝備能源部 摘要 隨著國家對可再生能源開發(fā)的日益重視，太陽能發(fā)電得到了快速發(fā)展。目前，大多數(shù)太陽能發(fā)電站采用光伏發(fā)電（photovoltaic），然而，利用太陽能驅(qū)動斯特林熱機進行發(fā)電的技術(shù)也在一些地區(qū)得到了應用，并表現(xiàn)出了迅速發(fā)展的勢頭。太陽光經(jīng)過拋物面鏡聚焦后，照射到斯特林熱機的接收器上，使斯特林熱機內(nèi)的工作氣體（一般為氫氣或氦氣）達到700攝氏度以上，同時其壓力達到20兆帕以上，從而保證了斯特林熱機的穩(wěn)定運行，斯特林熱機拖動發(fā)電機產(chǎn)生電能。 關(guān)鍵詞：太陽能， 斯特林熱機， 發(fā)電 前言 采用拋

2、物面鏡-斯特林熱機將太陽光的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，然后再由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變成電能。這一過程和傳統(tǒng)的熱電廠將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成電能很相似。如圖1所示，拋物面鏡-斯特林熱機發(fā)電系統(tǒng)首先采用一組拋物面鏡將陽光聚焦并反射到斯特林熱機的受熱面上，使斯特林熱機內(nèi)部的工作氣體（一般為氫氣或氦氣）產(chǎn)生足夠的溫度及壓力，從而保證斯特林熱機高效的運轉(zhuǎn)。由于地球不停的自轉(zhuǎn)，所以拋物面鏡接收的陽光入射角度也在不停的變化，因此，拋物面鏡必須配備角度調(diào)整裝置，有利于接收陽光。 圖1 拋物面鏡-斯特林熱機太陽能發(fā)電站示意圖 拋物面鏡-斯特林熱機太陽能發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)點很多，例如，效率高、模塊式設(shè)計安裝、自動化程度高、可采用多

3、種能源（即可以采用太陽能也可以采用燃料能）等。在所有的太陽能發(fā)電技術(shù)中，有充分的證據(jù)表明，拋物面鏡-斯特林熱機太陽能發(fā)電是光電轉(zhuǎn)變效率最高的（29.4%），所以在不久的將來，這將成為一種最廉價的太陽能發(fā)電方式。而模塊式的特點又使得其應用極為廣泛，既可以單機組運行，也可多機組運行；即可以并網(wǎng)也可以不并網(wǎng)；即可以單獨采用太陽能的方式，也可以采用以太陽能為主以燃料能為輔的方式。 1. 拋物面鏡 拋物面鏡-斯特林熱機太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的拋物面鏡必須可以根據(jù)太陽光的入射角度來調(diào)整自身的角度，不僅在水平方向可以調(diào)整，在垂直方向上同樣可以調(diào)整。拋物面鏡在反射太陽光的同時將陽光聚焦在焦點上。拋物面鏡的尺寸主要取

4、決于斯特林熱機的功率。一般來 講，在太陽光的輻射功率為1000瓦每平方米的地區(qū)，一臺25千瓦的斯特林熱機需要配備的拋物面鏡的直徑一般不小于10米。 拋物面鏡一般采用塑料或玻璃制成，鏡面的鍍層采用鋁或者銀。不過根據(jù)經(jīng)驗，采用具有銀鍍層玻璃拋物面鏡比較經(jīng)久耐用，而且反光率比較高。雖然眼下也有人采用高分子材料來制作拋物面鏡，但是效果并不理想。因為拋物面鏡的焦距比較短，為了適合拋物面鏡的內(nèi)表面的弧度，其厚度要求比較?。?毫米左右）。同時，玻璃里面鐵含量很低，有利于提高拋物面鏡的反光率。采用銀質(zhì)鍍層的玻璃拋物面鏡的反光率可達9094%。如圖2所示。 圖2 拋物面鏡-斯特林熱機發(fā)電機組示意圖 2. 陽光接

5、收器 由拋物面鏡反射并聚焦后的陽光被斯特林熱機上的陽光接收器吸收。為了防止陽光反射損失，陽光接收器的光線入口比較小，因為入口處正好是拋物面鏡的焦點，雖然直徑較小，但仍能保證聚焦后的陽光全部通過。陽光接收器內(nèi)部的光線吸收裝置可非常有效地將光能 轉(zhuǎn)變成熱能，并通過有效地熱傳導加熱斯特林熱機內(nèi)部的工作介質(zhì)，使工作介質(zhì)具有足夠的工作壓力。斯特林熱機的工作介質(zhì)一般為氫氣或氦氣。 陽光接收器接受陽光有兩種方式，即直接接收式和間接接收式。直接接收式是通過金屬接收器吸收陽光并將其轉(zhuǎn)化為熱能，直接由金屬接收器加熱斯特林熱機內(nèi)的工作介質(zhì)，保證斯特林熱機穩(wěn)定運行，從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電；間接接收式是采用金屬熱管吸收陽光

6、，首先加熱熱管中的導熱介質(zhì)（例如，熔鹽），然后再由導熱介質(zhì)加熱斯特林熱機中的工作介質(zhì)，從而驅(qū)動斯特林熱機發(fā)電。實踐證明，后者對光的吸收率更高。 圖3所示為間接加熱式陽光接收器示意圖。 圖3 間接加熱式陽光接收器示意圖 3. 斯特林熱機 拋物面鏡-斯特林熱機發(fā)電系統(tǒng)依靠斯特林熱機把熱能轉(zhuǎn)變成機械能，其原理和傳統(tǒng)的熱力發(fā)動機相似。先將低溫的工作氣體壓縮， 然后將工作氣體加熱到一定溫度從而獲得一定的壓力，然后高壓氣體推動活塞做功。機械能再經(jīng)過發(fā)電機轉(zhuǎn)變成電能。 拋物面鏡-斯特林熱機發(fā)電系統(tǒng)采用的斯特林熱機是高溫高壓外加熱式的熱機，工作氣體是氫氣或氦氣，氣體的工作溫度是700，工作壓力最大可達20Mp

7、a。斯特林熱機在運轉(zhuǎn)中，工作氣體持續(xù)地被加熱及冷卻，其體積也在不停地被壓縮及膨脹。 如圖4所示。斯特林熱機包括做功的活塞及活塞缸，加熱及冷卻工作氣體的熱交換器，以及迫使工作氣體不斷在冷熱端流動的移氣活塞。多數(shù)斯特林熱機采用了飛輪、曲柄連桿、軛等裝置將做功活塞及移氣活塞聯(lián)起來。也有些斯特林熱機采用了自由活塞式，做功活塞的運動及移氣活塞的運動靠彈簧來實現(xiàn)。 采用斯特林熱機發(fā)電可獲得比較高的熱能電能轉(zhuǎn)變效率，高的已經(jīng)達到了40%，而斯特林熱機的冷卻水則成為了發(fā)電產(chǎn)生的副產(chǎn)品，可用于采暖、洗浴等。綜合看來，斯特林熱機發(fā)電的熱利用效率非常高。所以斯特林熱機在太陽能發(fā)電中的應用將會越來越廣泛。 圖4 斯特

8、林熱機工作原理示意圖 4. 斯特林熱機在太陽能發(fā)電中的應用舉例 目前在在歐美市場上銷售的拋物面鏡-斯特林熱機發(fā)電機組多種多樣，美國、英國、法國、德國等比較發(fā)達的國家都研制成功了拋物面鏡-斯特林熱機太陽能發(fā)電機組并先后投放市場。 用于太陽能發(fā)電的比較典型的斯特林熱機有以下幾種： 4.1 四缸聯(lián)合式斯特林熱機 圖5 四缸聯(lián)合式斯特林熱機總裝示意圖 四缸聯(lián)合式斯特林熱機總裝示意圖如圖5所示。整機有4個活塞缸，活塞既充當了做功活塞又充當了移氣活塞，其工作原理如圖6所示。 圖6 四缸聯(lián)合式斯特林熱機工作原理示意圖 4.2 密閉轉(zhuǎn)動式斯特林熱機發(fā)電機 為了解決斯特林熱機內(nèi)工作氣體的密封問題，某企業(yè)研發(fā)了密

9、閉轉(zhuǎn)動式斯特林熱機發(fā)電機，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。 圖7 密閉轉(zhuǎn)動式斯特林熱機發(fā)電機 密閉轉(zhuǎn)動式斯特林熱機的活塞運動原理同樣符合圖6所示的原理，優(yōu)點是其外殼是密閉的，確保熱機的工作氣體不泄漏；另一個優(yōu)點是通過軛桿、活絡接頭等裝置，直接將活塞的往復運動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動，有利于驅(qū)動轉(zhuǎn)子式發(fā)電機。 4.3 自由活塞式斯特林熱機發(fā)電機 如前所述，自由活塞式斯特林熱機沒有轉(zhuǎn)動裝置，做功活塞及移氣活塞均懸掛在若干個彈簧上，由彈簧的彈性力使活塞復位。圖8是自由活塞式斯特林熱機發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖。這樣的發(fā)電機不是普通的轉(zhuǎn)子式發(fā)電機，而是直線擺動式發(fā)電機。 1.軸 2.彈簧 3.擺動鐵芯 4.機殼 5.做功活塞 6.陽光接收器 7.移氣活塞缸 8.光能輸入 9.彈簧 10.固定鐵芯 11.電能輸出 12.做功活塞缸 13.移氣活塞及懸掛彈簧 圖8 自由活塞式斯特林熱機發(fā)電機 5. 結(jié)語 拋物面鏡-斯特林熱機發(fā)電機組的太陽能-電能轉(zhuǎn)變效率非