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(guān)鍵技術(shù)。結(jié)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(guān)研究提供依據(jù)。

關(guān)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(shù)成熟、與化石燃料容易構(gòu)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(shù)中，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)因有最高的光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)全部轉(zhuǎn)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(gòu)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(shù)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(nèi)，早從1980年左右就開始研究碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)。李鑫、李斌等以能量守恒方程為基礎，結(jié)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(jié)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(jīng)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(shù)的開發(fā)利用提供了數(shù)據(jù)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(zhuǎn)化為熱能并傳遞給工質(zhì)，使工質(zhì)溫度升高，形成高溫熱源送入斯特林發(fā)動機，熱量轉(zhuǎn)化為機械能后推動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(zhuǎn)，可以進一步將機械能轉(zhuǎn)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(zhì)等溫壓縮，熱腔活塞保持不動，冷腔吸收工質(zhì)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(zhì)從冷腔流向熱腔，流經(jīng)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(zhì)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(zhì)流經(jīng)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(zhì)從熱腔流向冷腔，流經(jīng)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(zhuǎn)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(gòu)成，在2個活塞間設有回熱器?；責崞髟谝粋€循環(huán)中交替從工質(zhì)吸收熱能和向工質(zhì)釋出熱能，因而可以將它設想為一塊熱力海綿?；責崞鲀蓚?cè)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(guān)鍵技術(shù)

斯特林發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)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?qū)釗p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(shù)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(zhì)在汽缸內(nèi)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(shù)（無論是對提高性能還是增加壽命）具有重要意義。

控制技術(shù)是調(diào)節(jié)斯特林發(fā)動機工作的核心技術(shù)，但斯特林發(fā)動機的控制技術(shù)遠不如內(nèi)燃機成熟，因此提高斯特林發(fā)動機的控制技術(shù)，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(shù)，在美國和澳大利亞等國家已經(jīng)取得了實質(zhì)性的突破，很多實驗電站已經(jīng)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(shù)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(nèi)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(nèi)蒙古鄂爾多斯市成功安裝，現(xiàn)完成聯(lián)合調(diào)試并進入試運行階段。這是國內(nèi)第一個應用碟式太陽能斯特林技術(shù)進行發(fā)電的光熱示范電廠。

4 結(jié)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(shù)是調(diào)節(jié)斯特林發(fā)動機的核心技術(shù)。所以，提高斯特林發(fā)動機的控制技術(shù)，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。

參考文獻

[1] 高瑤.5kW點聚焦太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)的性能分析[D].南京：南京航空航天大學，2006.

[2] 金東寒.斯特林發(fā)動機技術(shù)[M].黑龍江：哈爾濱工程大學出版社，2009

[3] 王軍，劉德有，張文進，等.碟式太陽能熱發(fā)電[J].太陽能，2006（3）：31-3.

[4] 王國瑩，霍天強.太陽能熱發(fā)電—太陽能斯特林熱發(fā)電[J].西北水力發(fā)電，2006（22）：45-46.

[5] 楊泰蓉，葉宏，王軍，等.斯特林循環(huán)分析法的發(fā)展及1 kW斯特林機二級簡化分析[J].太陽能學報，2008，29（8）：999-1 007.

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