碟式斯特林太阳能发电系统最新进展-solarbe文库

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1 前言太阳能热发电技术是当今世界太阳能热利用研究领域的前沿课题。它利用高精度聚光器将低密度的太阳能汇聚成高密度热能，通过加热工质来驱动发电机，实现光电转化，具有零排放、可持续利用的优点。太阳能热发电分为槽式、塔式和碟式三种形式。目前，最具发展潜力的是碟式太阳能高温发电技术，尤其是近几年碟式斯特林太阳能发电技术因其惊人的发展速度更是令世界瞩目。碟式斯特林发电系统利用旋转抛物面反射镜将太阳光聚焦到位于抛物面焦点的接收器上，接收器内的工质被加热到 750℃ 左右，驱动斯特林发电机发电。它具有光电转换效率高、耗水量低、发电方式灵活及可逐步规模化等特点。碟式斯特林热发电技术在 20 世纪 70 年代由瑞典 Kockums 公司、美国福特公司、麦道公司、南加州爱迪生公司及美国能源部等发起研究，此后美国的斯特林能源系统公司 SES、 STM 公司、 Sunpower公司、 Infinia 公司和德国的 SOLO 公司相继展开此项技术的研发，各自制作了碟式斯特林原型发电系统并进行了测试。测试结果表明，其光电转换效率远远高于其他太阳能技术。近来， SES 公司和 Infinia公司正在世界各地示范推广碟式斯特林系统，为不久的将来这项技术的大规模应用奠定了基础。国内相关科研单位 20 世纪 70 年代末也开始了碟式太阳能热发电技术的研究，经过 30 年的努力，在该领域某些方面也取得了一定的成绩。本文通过综述国内外碟式斯特林太阳能发电系统的最新进展，对碟式斯特林热发电技术的现状和发展趋势进行综合分析，旨在与国内同行共同寻找一条中国碟式斯特林太阳能热发电技术的发展道路。2 国外主要碟式斯特林发电系统最新进展2.1 SES 公司碟式斯特林系统 SunCatcher 单元SES 公司成立于 1996 年，是一家系统组合和项目管理公司，开发可再生能源电厂和发电系统分配设备。自成立以来， SES 一直与 Kockums 公司、美国能源部、 NASA-Glenn 实验室及波音公司合作开发碟式斯特林发电系统，现已发展成为全球太阳能斯特林技术领导公司。20 世纪 70 年代，福特公司首先对太阳能斯特碟式斯特林太阳能发电系统最新进展刘建明，陈革，章其初皇明太阳能股份有限公司，山东德州 253000摘要太阳能热发电技术中最具发展潜力的是碟式太阳能高温发电技术，尤其是近几年碟式斯特林太阳能发电技术更是令世界瞩目，它具有光电转换效率高、耗水量低、发电方式灵活及可逐步规模化等特点。目前，国内外碟式斯特林太阳能发电系统的研制方兴未艾，国外太阳能斯特林发电机制作及测试技术已趋于成熟，正处于中试和大规模推广阶段。国外主要的碟式斯特林发电系统包括 SES 公司的 SunCatcher 单元、 Cleanergy 公司的 Eurodish 单元、 Infinia 公司的PowerDish 单元等。国内碟式斯特林太阳能热发电技术研究取得了一些成绩，但总体来说，目前还未获得实质性的进展，相关研究尚处于初级阶段。碟式斯特林太阳能发电系统的核心部件是太阳能斯特林发电机，其某些关键部件的研发难度较大，如高温太阳能吸收器、高效回热器、工质密封、功率和转速控制等。要攻克这些关键技术，需要国内外相关部门的大力支持。我国科研工作者应通过各种形式与国外斯特林发电机制造商及科研机构进行技术合作，逐渐掌握此项技术；或者借鉴国外的研制经验自主研发，然后通过示范推广，建设大型碟式斯特林太阳能发电厂。关键词太阳能热发电碟式斯特林发电机光电转换效率关键技术示范推广作者简介刘建明，工程师， 2006 年毕业于辽宁石油化工大学化学工艺专业，获硕士学位，目前主要从事碟式斯特林太阳能发电系统的研究工作。 E-mail liujianming29163.com2011年第 16 卷· 36 ·中外能源SINO-GLOBAL ENERGY林发动机进行了早期设计。 80 年代麦道实验室对这项技术进行了改进，并对碟式斯特林系统进行了175000h 的场地测试。 90 年代， SES 整合麦道公司开发的太阳能聚光技术及 Kockums 公司的 4-95 型动态斯特林发电机技术，制作了碟式斯特林系统，在波音公司的实验场地进行了大量测试。图 1 给出了系统总发电功率随太阳辐照度的变化曲线 [1] 。如图 1 所示，随着太阳辐照度 DNI 从 200W/m 2增加到 1000W/m 2，系统总发电功率近似线性递增。聚光镜反射率为 90.9 时，系统总发电功率最高达到 26kW 。当反射率降至 85 和 69.2 时，系统总发电功率依次递减。2000 年以后， SES 公司与山帝亚国家实验室及美国能源部合作，继续优化这个碟式系统，最终开发出被称为 SunCatcher 的碟式斯特林发电系统。该系统发电功率为 25kW ，光电转换效率达到 28.9 。2005 年， SES 公司在山帝亚国家实验室的场地上建起一座由 6 个 SunCatcher 单元组成的实验机组。山帝亚和 SES的研究人员对整个系统的性能和可靠性进行了大量的试验， 2008 年 1 月 31 日，测得“ Serial 3” SunCatcher 单元的并网光电转换效率达到 31.25 用 85.6kW 的热功率产出 26.75kW 的电功率，这是目前太阳能发电技术领域新的世界纪录 [2] 。该实验机组已累计运行超过 26000h ，可靠性较高，为该技术的大规模配置和推广铺平了道路。2009 年 12 月， SES 在美国亚利桑那州的 Peoria建成容量为 1.5MW 由 60 个 SunCatcher 单元组成的 Maricopa 碟式太阳能电厂。 SunCatcher 单元的聚光镜组件由密歇根州的汽车供应商 Tower Automo-tive 提供，动力转换单元由加拿大 Linamar 公司制作。 Maricopa 电厂 2010 年 1 月投入运行，已达到甚至超过预期目标，并能在 75km/h 的大风下正常运行。不久的将来该电厂还将扩增至 9MW 。 Maricopa电厂是加州和得克萨斯州大规模碟式太阳能发电厂的预备项目 [3] 。2005 年 8 月 9 日， SES 与南加州爱迪生公司签订合作项目 Solar One，在加州莫哈维沙漠 Calico 建造一座装机容量为 500MW 的大型太阳能电厂，此后该电厂还将扩增至 850MW 。 SES 还与圣地亚哥燃气电力公司开发另一项目 Solar Two，在加州帝国谷建设一座容量为 900MW 的太阳能电厂 [4] 。此外，SES 还给 West Ranch 项目提供 1080 个 SunCatcher单元，在得克萨斯西部建设一座 27MW 的太阳能电厂。这三个项目将于 2010 年底陆续动工。2.2 Cleanergy 公司碟式斯特林系统 Eurodish单元Cleanergy 公司原 SOLO 公司总部位于瑞典哥德堡，是当今世界斯特林技术领域主要发动机制造商之一。该公司的斯特林发电机起源于瑞典 Kock-ums 公司的动态 Stirling V-160 发动机， 1993-2002年 SOLO 公司在此基础上研制了 Stirling V-161 发电机并组成了碟式斯特林系统，在德国和西班牙沙漠地区累计运行 200 104h 以上。2003 年，美国山帝亚国家实验室使用自制的聚光镜对 5 台 Stirling V-161 斯特林发电机进行了近24000h 测试 [5] 。图 2 为 Eurodish 单元输出功率和发电效率性能图 [6] 。如图，随着 DNI 从 450W/m 2 增至480W/m 2，系统输出功率和效率分别骤增至 9.4kW 、7.8 ；当 DNI 从 480W/m 2 升至 1050W/m 2，系统输出功率和效率逐渐增长至最大值 11.4kW 和 20 。2009 年，为了扩大规模， Cleanergy 公司把斯特林发电机生产线从德国搬到瑞典魡 m覽 l 的新工厂，24201612840总发电功率/kW200 300 400 500 600 700 800 900 1000太阳辐照度 /W · m -2 反射率 90.9反射率 85反射率 69.2图 1 SES 碟式斯特林系统功率性能图图 2 Eurodish 单元输出功率和效率性能图121086420输出功率/kW201612840效率，400 500 600 700 800 900 1000太阳辐照度 /W · m -2 输出功率效率· 37 ·第 4 期刘建明等 . 碟式斯特林太阳能发电系统最新进展生产能力为每年 5000 台发电机。 2009 年 12 月 4日， Cleanergy 与西班牙一开发商签署协议， 2011 年为其提供 200 套碟式斯特林系统。其中 2 套系统已于 2010 年供货，现正在西班牙某地接受测试 [7] 。为了降低 Eurodish 单元成本， 2010 年 5 月 20日， Cleanergy 公司与加拿大太阳能接收器制造商SHEC 能源公司签订协议，共同开发高性能碟式斯特林发电系统 [5] 。2.3 Infinia 公司碟式斯特林系统 PowerDish 单元Infinia 公司成立于 1985 年，总部位于华盛顿州的 Kennewick ，其斯特林发电机技术起源于 20 世纪6070 年代麦道实验室。最初 Infinia 研制人工心脏电源，后来为美国航空航天局 NASA 研制放射性同位素发电机。 20072008 年， 3kW 太阳能斯特林发电样机和第一个碟式发电系统相继研制成功，并在山帝亚国家实验室接受测试，产生了电压 240V 、频率 5060Hz 具有电网质量的交流电 [8] 。图 3 为 PowerDish 单元净功率和系统效率性能图 [9]。随着 DNI 从 100W/m 2 增加至 850W/m 2，系统净功率和效率逐渐增至最大值 3000W 和 24 。当DNI 大于等于 850W/m 2 时， PowerDish 自动校正额外的电力输出，使净功率稳定在 3000W ，而系统效率呈现下降趋势。该系统核心部件斯特林发电机为自由活塞式，采用非接触气体密封和弹性轴承技术，将工质氦气紧密密封在系统中，无润滑、无需维修，模块化设计，被专家称为世界上第一个适合自动化大规模制造的碟式太阳能发电产品。2009 年，西班牙 Renovailia 公司与美国 Infinia合作，耗资 4 亿欧元在西班牙 Villarobledo 建设一座71MW 的碟式太阳能发电厂。项目动工前，该技术已获得欧洲规则制订权威机构 the European Reg-ulatory Authority 可商业应用的认证。 2009 年 10 月，一期工程 1MW 发电厂由 334 个 PowerDish 单元组成已建成并投入运行。这是西班牙第一次把 NASA技术用于太阳能热发电 [10]。Infinia 的碟式斯特林技术得到美国联合实验室United Laboratories 的认证后，新墨西哥州 Belen 市政厅引进了 3 个 PowerDish 单元。 2009 年 12 月， 3个太阳碟在办公楼外建成并正常运行。有报道称，2010 年 12 月， Belen 市政厅电费账单比同期节支1000 美元。此外， Belen 正计划筹建 1.9MW 的碟式电站 [8]。2010 年 6 月， Infinia 在亚利桑那州 Yuma 安装了 35 个 PowerDish 单元，且对其性能进行了测试。测试结果表明，这些单元性能与协议书上的指标相符。亚利桑那州的电力公司现已批准其并网，给该市 110 万居民供电 [11]。2009 年 5 月 15 日， Infinia 公司与印度 Dalmia水泥公司签订协议。投资 23 亿卢比约 3.5 亿元人民币在印度 Rajasthan 州 Bap 建一座规模为 10MW的发电厂，项目实施周期为 26 个月，一期工程1MW 项目计划 2010 年 8 月完工 [12]。此外， Infinia 还将在中东地区建设碟式太阳能电厂。3 国内碟式斯特林发电技术的研究我国碟式太阳能热发电技术的研究起步并不晚，但因技术上难以取得突破及研究经费不足，发展十分滞后。进入 21 世纪，随着国家对新能源领域发展给予足够的重视，国内相关科研单位开始加强对此项技术的研究。“ 十五 ” 期间，中科院电工研究所与皇明太阳能集团联合研制了 3 种直径 5m 的太阳能聚光镜和一个 1kW 碟式斯特林发电系统。 3 种聚光镜分别采用蜗轮蜗杆式、轨道链传动式和双蜗轮均力式，聚光镜焦点处的温度最高达到 1600 ℃ 。目前，研究单位已掌握了太阳位置三维跟踪技术和高精度控制传动技术，聚光系统精度达到 ± 0.2 ° ；高反射率旋转抛物面反射镜制备技术，镜面反射率大于等于 94 ；高密度热流传热技术，吸热器能在 0.65 106W/m 2 的热流密度下正常工作，且热效率不小于 91 [13]。2010 年，中科院理化技术研究所研制了 1kW3500300025002000150010005000净功率/W24201612840系统效率，100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000太阳辐照度 /W· m-2 净功率系统效率图 3 PowerDish 单元净功率和系统效率性能图2011年第 16 卷· 38 ·中外能源SINO-GLOBAL ENERGY碟式太阳能行波热声发电系统。该系统利用碟式集热器收集太阳辐射热量，通过高温热管换热器将热量传输到行波热声发动机热端后，驱动直线发电机发电。初步调试以 3.5MPa 氦气为工质，在热管加热温度为 798℃ 时，实现了 255W 的电功输出，初步验证了系统的可行性 [14]。上海齐耀动力技术有限公司研制的 50kW 燃气式斯特林发电机为国内首创。该公司具有 30 余年斯特林发电机的研发和生产经验，拥有 5 项发明专利和 17 项实用新型专利。该发电机结构简单，零部件比内燃机少 40 ，可燃烧天然气、垃圾填埋气、沼气等可燃气体。机组采用异步发电机，从启动到并网发电实现平滑过渡，无需配备专门的并网设备，自动化程度高，一键启动，一键停车。目前，该公司正准备研制 25kW 太阳能斯特林发电机及碟式发电系统。西安航空动力公司已经完成 25kW 太阳能斯特林发电样机的制作，并使用电炉作热源对其进行了初步测试，发电功率达到 17kW ，光电转化效率接近30 。该公司计划 2011 年制作碟式斯特林太阳能发电原型系统。综上所述，国内碟式斯特林太阳能热发电技术研究还是取得了一些成绩。但总体来说，目前还未获得实质性的进展，这说明中国碟式斯特林太阳能热发电研究还处于初级阶段。4 国内碟式斯特林太阳能热发电技术展望碟式斯特林太阳能发电系统的核心部件是太阳能斯特林发电机。就结构而言，斯特林发电机比内燃机简单得多，但其某些关键部件的研发难度较大，如高温太阳能吸收器、高效回热器、工质密封、功率和转速控制等。要攻克这些关键技术，需要国内外相关部门从财力和技术上提供大力支持。国内的科研工作者也应适时寻找机会，通过各种形式与国外斯特林发电机制造商及科研机构进行技术合作，或直接从国外引进斯特林发电机，经消化吸收，逐渐掌握此项技术，这样可大大缩短研发周期。若暂时不能引进，相关科研单位需借鉴国外斯特林发电机的研制经验，自主研发，发挥各自的优势，在某些方面取得突破后，再通过系统集成的方式获得此项技术。然后通过示范推广，建设大型碟式斯特林太阳能发电厂，通过规模效益降低发电成本，逐步加大太阳能发电占总发电量的比重，最终实现可再生能源替代。2010 年 9 月 12 日，中国内燃机协会特种发动机分会主办的中国特种发动机工程及应用学术会议在上海举行。会议主要内容为国内外特种发动机研究动向和最新研究成果。包括中科院在内的 30多个单位的代表参加了会议， 11 个单位的代表作了学术报告，其中 7 个报告与斯特林发电机相关，说明国内研制斯特林发电机的春天已经到来。只要科研工作者齐心协力，共同攻关，在不久的将来，我国一定能在碟式斯特林太阳能热发电技术领域赶超国际先进水平。参考文献 [1] BRAU H W ， DIVER R B， NELVING H ， et al.Status of theboeing dish engine critical component 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Ltd. ， Dezhou Shandong 253000[Abstract] Dish high-temperature solar energy power generation is the most promising solar energy-based pow-er generating technology.In recent years， dish Stirling solar energy power generating technology has drawnworldwide attention.This technology features high photoelectric conversion efficiency ， low water consumption ，flexible generating methods and allowing for gradual commercialization.Many countries including China are de-veloping dish Stirling solar energy power generating systems.Some countries have developed nearly matureStirling generator manufacturing and testing technologies and are conducting pilot-scale experiments or deploy-ing such generators on a commercial scale.The main dish Stirling power generating systems developed by for -eign companies include SES′ s SunCatcher unit ， Cleanergy′ s Eurodish unit and Infinia ′ s PowerDish unit.Al -though China has made some achievements in developing dish Stirling solar energy power generating technolo -gy ， overall no substantial progress has been made and research is still in the early stage.At the heart of dishStirling solar energy power generating systems is the Stirling solar energy power generator.The research anddevelopment of some of its key components is very difficult.These components include high-temperature solarenergy absorber， high -efficiency heat regenerator， medium sealing and power and rotating speed controls.Toovercome these technical challenges， support from relevant domestic and foreign institutions is needed.Domesticresearchers should seek opportunities to establish partnership with overseas Stirling generator manufacturers orscientific research institutions to gradually pick up this technology.Alternatively ， they can develop this technolo-gy independently by drawing on their foreign peers′ successful experience and build large dish Stirling solarenergy power plants in demonstration and deployment programs.[Keywords] solar energy power generation； dish system； Stirling power generator； photoelectric conversion effi -ciency ； key technology ； demonstration and deploymentpropia.Renovalia Energy en Villarrobledo[EB/OL].2009-08-18.http//www.rankingsolar.com / noticias / 1448 - renovalia - en -ergy-en-villarrobledo-.html.[11] BREHM P.The rare earth′ s supply technology and resourcestransformation act of 2010[R].Kennewick Committee on En -ergy and Natural Resources U.S. Senate， 2010.[12] Detailed project report for developing Solar Power Plant atBap， Jodhpur ， Rajasthan[R].India The Energy and ResourcesInstitute ， 2009.[13] 李鑫，张喜良 . 太阳能热发电技术的发展 [EB/OL].2008-04-30.http//159.226.64.60/Website/index.phpNewsID4607.[14] 吴张华，罗二仓，李海冰，等 .1kWe 碟式太阳能行波热声发电系统的研制 [C]//2010 年中国特种发动机工程及应用学术会议论文集， 2010 29-34.编辑张峰欢迎广大读者订阅本刊zhongwny163.com2011年第 16 卷· 40 ·中外能源SINO-GLOBAL ENERGY