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）

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。

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。

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。

热气机（又称为斯特林发动机）运转平稳可靠、效率高、噪声低，在稳定连续的高温热源驱动下可持续输出机械能，非常适合碟式太阳能热发电系统的动力装置。

目前热气机的技术还不成熟，对热气机的研制和产品生产，主要来自少数几个发达国家的研发机构，例如美国SES公司成功进行了小批量SunCatcherTM商业化应用，Infinia公司也已成功进行了小规模的应用，瑞典Ripasso公司将在2年左右的时间内推出30kW的碟式斯特林太阳能热发电系统的商业化产品。

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。

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。

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，25kW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 161单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

成立于1996年的美国SES公司，继承了麦道公司先前相关的开发技术，多年来致力于碟式斯特林热发电技术的集成与测试，取得了不少成果。

图3为SES公司早期开发的25kW碟式斯特林热发电装置的外观照片。该装置的聚光碟由82块厚度为0.7mm的反光镜片组合而成，聚光碟高为11.6m，总面积为87.7m2。装置采用瑞典Kockums的4—95热气机为原动机，由4个气缸组成，扫气容积为380cm3。装置输出为480V三相交流电，峰值输出功率为24.9kW，峰值热电转换效率为29.4%，年均为24.0%，年输出电能为54 500kWh。

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。

图4为SES公司最新研发的SunCatcherTM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SunCatcherTM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。

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Maricopa建设了总容量为1.5MW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SunCatcherTM。

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。

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20kW。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93m2。

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。张膜式圆块的尺寸及焦距设计考虑到了风力对聚焦的影响，整个聚光系统的设计，要求运行时能抵抗的平均风速为12m／s。

SAIC／STM的碟式斯特林发电装置的设计年运行时间为3 576h，输出三相交流电，功率为20～25kW，年发电能力为56 400kWh。遗憾的是由于种种原因，SAIC／STM 25kW斯特林太阳能热发电设备未能进入商业化营运。

2.3 德国SOLO161型斯特林发动机10kW系统

瑞典Cleanergy公司是全球主要的斯特林发动机制造商之一，公司生产的斯特林发动机可以用在热电联供系统（输出电能2～9kW，热能8～26kW）和太阳能热发电系统（峰值输出电能10kW）。

正在推广的10kW碟式斯特林太阳能热发电系统，所采用的是德国SOLO 161型斯特林发动机的改进产品。SOLO原来是德国的一家公司，现被瑞士Stirling Systems Ltd.公司收购。

Cleanergy公司研制的碟式斯特林太阳能热发电装置，聚光碟的直径为8.5m，面积为56.7 m2，焦距为4.5m，镜面材料的反射率为94%，聚光碟的平均聚焦因子为2 500。SOLO 161型斯特林发动机的扫气容积为160cm3，工质为氢气，工作温度为650℃，压力为2～15MPa。发电机输出为400V三相交流电。跟踪系统的方位角跟踪范围为270°，俯仰角跟踪范围为－28°～90°，精度为0.1°。运行时最大抗风速为17m／s，非运行时为44m／s。该装置的外观如图7照片所示。

图7 Cleanergy碟式斯特林热发电装置

德国SBP（Schlaich Bergermann und Partner）公司曾与SOLO公司联合推广了以SOLO 161单缸斯特林发动机为核心的Eurodish系列碟式太阳能热发电设备产品，安装地点包括法国、西班牙等。图8为9kW的该型产品外观［6］。

图8 SBP／SOLO碟式斯特林太阳能热发电装置

2.4 Infinia公司3kW太阳能热发电系统

美国Infinia公司研发的3kW碟式斯特林太阳能热发电装置如图9照片所示。该装置采用自由活塞式斯特林机作为动力机，装置的净发电效率可以达到24%，是一般光伏发电组件的2倍。

图9 Infinia公司3kW碟式斯特林太阳能热发电装置

3kW太阳能热发电系统能量转换单元结构图如图10所示。

图10 3kW太阳能热发电系统能量转换单元

斯特林发动机采用闭式冷却方式，发动机排出的热量由内循环冷却水带至风冷处散发，风冷流道的设计可以保证发动机的壳体内的环境温度得到有效控制。

Infinia公司生产的PowerdishTM3kW碟式斯特林太阳能热发电装置产品，长4.6m，宽4.7m，高5.6m，总重量为864kg。安装的海拔高度要求－75～1 890m，风速不大于162km／h；运行的环境温度要求－20～55℃，运行风速不大于50km／h。装置输出为单相240V或者三相208V交流电，峰值功率3kW。

目前，Infinia公司已经与美国Sandia国家实验室合作，建成了6套供测试和研究改进的系统，并进行了冷却水系统与斯特林发动机太阳光高精度对焦的改进工作。

到目前统计为止，美国Infinia公司已经累计安装了30套3kW碟式斯特林太阳能热发电装置，其中在华盛顿州Kennewick，新墨西哥州Belen各安装了3套，在加利福尼亚州Las Virgenes安装了4套，安装的地点还有西班牙Villarrobledo等。西班牙Villarrbledo示范工程照片如图11所示。

图11 西班牙Villarrobledo的示范工程

截至2009年12月份，Infinia公司开发的110套3kW自由活塞式斯特林发动机太阳能热发电装置产品，内部测试时间已经达到5 000h，客户测试时间达到了19 200h，总测试时间累计24 200h，其中单机最长测试时间为1 800h。

在开发3kW自由活塞式斯特林发动机热发电系统的同时，Infinia公司正在进一步开发30kW免维护的自由活塞式斯特林太阳能热发电系统。该系统由2个15kW多缸自由活塞式斯特林发动机组成，具有热发电系统振动小、长寿命、免维护和高效率等特点。2010年，Infinia公司制作了3套该系统，上半年进行样机测试，美国Sandia国家实验室承担了该系统的技术监控、接收器设计咨询和系统测试等工作，按照规划，2012年7月后进入商业化应用［8］。

3 展望

发展和推广碟式斯特林太阳能热发电的关键是开发性能优异的热气机。热气机除了可以用于碟式太阳能热发电外，还可以应用在许多节能项目中，但是由于技术复杂，比较先进的热气机技术主要掌握在发达国家的少数几个公司。我国也一直重视热气机的研发工作，目前也取得了很多成果，特别是已成功研发了50kW级燃气热气机的热电联供机组，并进入了示范应用，不久可以进入商业化应用阶段。

热气机的研发成果为我国发展碟式斯特林太阳能热发电技术提供了坚实的基础，通过太阳能热发电的一些关键的技术攻关，如接收器的优化设计、焦平面和接收器形状的耦合以及内部温度的均匀控制、热气机紧凑型的总体设计，大直径、高聚光比聚光碟的设计和制造，太阳自动跟踪控制的方法，以及遇云控制的策略等，完全有能力依靠国内的技术力量研发具有完全自主知识产权的碟式斯特林太阳能热发电系统产品。

借鉴西方发达国家进行过多年的发展成果，可以发现25～30kW级斯特林发动机技术相对比较成熟，而且应用在发电系统可以取得最大的效费比，因此25kW碟式斯特林太阳能热发装置的研发应该是发展我国太阳能热发电技术的首选方案。通过一系列关键技术攻关，结合我国已掌握的热气机技术，有望很快在碟式斯特林太阳能热发电设备的制造方面取得成功。