碟式斯特林太阳能热发电技术及发展趋势

陈　永　张　琛　李　威　陈鸶鹭　张建敏

上海齐耀动力技术有限公司

碟式斯特林太阳能热发电技术及发展趋势

陈永张琛李威陈鸶鹭张建敏

上海齐耀动力技术有限公司

能源与环境的突出矛盾，给太阳能热发电产业带来了新的契机。本文立足于碟式斯特林热发电技术，简要介绍碟式系统的关键技术及国内外的研究成果，并对这种具有发展潜力的太阳能热发电技术进行分析，最后基于当前能源领域和研发现状，指出了我国太阳能热发电行业面临的问题和挑战，提出其广阔的发展前景。

斯特林发动机；碟式；聚焦太阳能热发电

近年来，由于气候的变暖，环境生态的恶化，各个国家对可再生能源的发展越来越重视，很多国家投入人力物力进行技术研究，同时又制定相应的激励政策，促进可再生能源的发展。太阳能作为清洁、可持续的可再生能源技术之一，将在未来40年内，通过技术创新、规模化发展、电力系统以及其他支撑技术的进步，从补充能源过渡为替代能源，并逐步成为我国“自主、自立、低碳、可持续”能源体系的主力能源之一［1］。

太阳能热发电是指将太阳能转换为热能，通过热功转换过程发电的系统。一般包括集热器、储热器和发电等几部分［2］。直接光发电和间接光发电是太阳能热发电中最常用的分类方式。直接光发电主要指太阳能热离子发电、太阳能温差发电和太阳能热磁体发电；间接光发电可分为聚光类和非聚光类，其中聚光类按照太阳采集方式可分为太阳能塔式发电、太阳能槽式发电和太阳能碟式发电；非聚光类主要有太阳能真空管发电、太阳能热气流发电和太阳能热池发电等［3］。通常所说的太阳能热发电，主要指间接光发电，目前主流的太阳能热发电技术集中在塔式、槽式和碟式。

碟式斯特林太阳能光热发电技术作为一种新型的发电技术，具有效率高、占地少、适于模块化组合、产业链污染小等优势，因具有广阔的发展前景而受到极大的关注。

1　碟式斯特林太阳能热发电技术

碟式斯特林太阳能热发电是指利用抛物碟式聚光器将太阳能聚集到焦点处的吸热器上，通过斯特林循环发电的装置。系统主要由斯特林发动机、接收器、聚光碟和控制系统等组成。通常聚光碟系统的聚光比可以达到2 000以上，加热器表面工作温度维持在600℃～750℃之间，系统峰值光-电转化效率可达到25%以上。

1.1斯特林机

碟式斯特林光热发电系统的核心部分是斯特林发动机，一般也被称为外燃机或热气机，是一种外燃式闭式循环活塞发动机，与内燃机的区别是工作介质不参与燃烧，仅通过外部热源间接加热工作介质。斯特林机最早由英国的罗伯特.斯特林于1816年发明，用于矿井取水。斯特林机对外燃方式无特殊要求只要外部热源的温度高于机器中工质的温度即可,因此加热方式灵活:既可以使用传统的化石燃料,又可以使用太阳能、生物质能,以及具有一定温度的工业废热作为热源［4］。

太阳光经过碟式聚光器和光热转换材料的汇聚和转换，加热位于碟式聚光器焦点处的斯特林发动机头部加热器内的高压氢气，通过等温压缩-等容-等温膨胀-等容的斯特林循环推动活塞（图1），并通过曲柄连杆传动机构带动发电机直接输出380 V/50 Hz的工频交流电。

图1　斯特林循环示意图

1.2聚光碟系统

聚光碟系统可分为聚光器以及跟踪系统。由于太阳辐射能量的密度很小，为了获得发电所需的温度，必须用聚光器将近似平行入射的太阳光汇聚到一个很小的面积上，从而使该面积上的热流密度增大，温度达到可以用于发电的程度。碟式太阳能热发电系统采用碟式抛物面聚光镜（见图2），按聚光器的结构可分为玻璃小镜面式、多碟式和单碟式两种形式，多碟式风阻小，自耗功率小；单碟式结构紧凑，聚光效率高。

玻璃小镜面式聚光器是将大量的小型曲面镜逐一拼接起来,固定于旋转抛物面结构的支架上,组成一个大型的旋转抛物面反射镜，其面积多在90 m2左右，输出功率为90 kW，几何聚光比为2500以上，聚光效率可达85%左右［5］。玻璃小镜面式聚光器由于采用大量小尺寸反射镜作为反射单元，可以达到很高的精度，而且可实现较大的聚光比，从而提高聚光器的光学效率；同时因为上述结构，聚光器生产过程中降低了玻璃粘贴工艺的难度，较符合当前生产工艺，成本较低，目前市场主流的聚光碟组件均采用玻璃小镜面式（图2a）。

图2　碟式聚光器结构类型

跟踪控制系统的作用是使聚光器的轴线始终对准太阳，碟式太阳能热发电系统主要采用双轴式跟踪，使碟式聚光器保持正对太阳，能最大限度收集太阳光。根据跟踪系统的结构特点，跟踪系统又可分为导轨式跟踪系统和立柱式跟踪系统，现今主流的碟式热发电系统均采用的是立柱式，因其便于安装，对于土地面积需求较小，同时在聚光碟调试过程中也较导轨式更为方便（见图3）。

图3　跟踪系统结构类型

1.3跟踪控制系统

最常见的跟踪控制控制系统主要有传感器跟踪（闭环控制）和视日运动轨迹跟踪即程序跟踪（开环控制）。

传感器跟踪是指使用光敏电阻或光敏二极管根据光线位置的变化来判断太阳的入射光线是否与聚光器相垂直［6］。当聚光器主光轴与太阳入射光线发生偏离时，按照对称方式安装的光敏传感器所接收到的太阳辐射量发生变化，因而光敏传感器阻值发生变化，输出微电流，产生偏差信号，偏差信号经放大电路放大之后，再将模拟量转换成数字量输入到计算机，计算机根据偏差信号再发出指令驱动电机转动，从而调整太阳能接收器的位置，减小偏差。只要产生偏差信号，跟踪控制系统就会不间断的对聚光器所处的位置进行调节，直到偏差信号为零［7］。传感器跟踪的优点是跟踪精度高，结构设计较为简单。其缺点是天气的变化对闭环控制的制约作用很大。如果在较长时间内出现雾霾或阴天等的情况，光电传感器就很难接收到太阳的入射光线，导致跟踪装置无法正对太阳，有时甚至会引起电机的错误运行。

程序跟踪也可称为视日运动轨迹跟踪。由于太阳每天运转的轨道十分固定，且地球每天都围绕南、北两极的地轴自西向东“自转”，同时还按照太阳偏心率很小的椭圆型轨道上“公转”，两者的运动轨迹都有很强的规律性。因此在太阳直射的经线上，纬度的差值与太阳高度角的差值相同。由此便可以计算出此经线上纬度的数值。如果太阳光直射到纬度为零的区域，则该区域上高度角的差值与经度的差值相同，如果太阳直射的位置不在纬度为零的地区，那么该地区太阳高度角的差值一定比经度的差值小［8］。以此可以推算出该纬线上的经度值和地方时。所以无论选用哪种坐标系统，聚光器的位置都一定可以根据具体的时间、日期、纬度等信息利用相关公式推导出来，之后可以根据推导结果编写程序，最终根据程序来实时调整聚光器所处的位置，保持聚光器始终正对太阳［9］。视日运动轨迹跟踪方式的优点是编程简单造价比闭环控制造价低在有云的时候也能跟踪太阳。这一控制方法要求太阳能聚光系统每天必须从固定的日出的方向跟踪这样的跟踪方法必须要对时间进行纠正。由于开环控制没有输出反馈这一控制过程，因此会产生累计误差，并且不能自行消除。

从目前国内外的研发及应用情况来看，使用程序跟踪方式的更多，这主要是从成本以及可靠性的角度考虑。

2　国内外主要企业进展

2.1国外主要发展（图4）

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、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［10］。

目前，Infinia公司开发的3 kW自由活塞热气机发电技术被以色列公司收购；SES公司已倒闭，建成的1.5 MW示范电站相关设备被我国多家企业收购，其技术完全转让湖南湘电集团。国外从事碟式斯特林热发电装置研究及商业化拓展的仅剩瑞典的Cleanergy公司，其继承了原德国SOLO公司的SOLO V161斯特林发动机技术，研制了11 kW及13 kW两款功率等级的碟式热发电装置，系统效率在25%至34%，设计寿命25年。Cleanergy公司在2012年于内蒙鄂尔多斯建设完成100 kW示范工程项目，含10台11 kW机组，并积极拓展中国光热市场，布局大型集中式电站。

2.2国内主要发展（图5）

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以及相关国外技术的引进，全球碟式光热产业的研发及推广中心已转移至中国。

国内主要研制碟式的企业有中航工业西安航空发动机（集团）有限公司、湘电集团、杭州聚达能源科技有限公司（简称杭州聚达）、大连宏海新能源发展有限公司以及上海齐耀动力技术有限公司（中船重工第711研究所）等。其中各家均已完成样机研制，西航动力在铜川的示范项目已接近尾声；上海齐耀动力则已完成上海浦东的100 kW示范基地的建设，后续将积极推动产业化发展；杭州聚达能源收购SES公司在Maricopa的1.5 MW电站60台机组，目前国产化设备进展顺利；大连宏海早前与与瑞典Cleanergy公司合作，在鄂尔多斯建立100 kW示范项目，近期成立东方宏海新能源，并在张江口成立斯特林产业基地，布局产业化。

从上述各家的研制进展情况来看，我国的碟式斯特林热发电产业正处于示范阶段，产品的成熟仍需进一步提升，随着相关政策的落实，相信我国的碟式产业将快速得到发展。

图4　国外企业发展现状

图5　我国碟式系统发展现状

3　前景与展望

光热发电的成本很高，所以其是否能够真正商业化，一方面依靠技术的成熟（ 主要是光热转换材料、聚光系统、斯特林发动机和上述的储能问题），另一方面就是要看其装机成本是否与其他新能源发电相比具有竞争力。我国除了聚光系统和跟踪系统形成产业之外，其核心部件斯特林发动机的成熟和逐步标准化是碟式斯特林光热发电装机成本能够迅速下降的主要原因。

碟式系统有着最高的聚光比及跟踪精度，在对太阳光的有效采集方面优势明显，针对这一特征，在目前新兴的海水淡化（蒸馏法）、稠油开采、工业蒸汽等方面，碟式技术也有较多的应用空间。

综合来看，大力研发关键技术，完善工艺，降低成本，并对系统进行有机集成，实现高效的热工转化，增强系统整体的可靠性和安全性，加快产业化的步伐，是未来碟式热发电行业的努力方向。可以预见，在不久的将来，碟式斯特林光热发电的商业化就将会迎来蓬勃的发展。

［1］ 中国可再生能源发展路线图2050，国家可再生能源中心，2014.12

［2］ 聚光型太阳能热发电术语 GB/T 26972—2011，5.1条

［3］ 张耀明.太阳能热发电技术.山西能源与节能，2009（3）:1-4.

［4］ 金东寒.斯特林发动机技术.哈尔滨工程大学出版社，2009

［5］ Stone KW，Leingang EF，Drubka RE. Solar Thermophotovoltaic Power Experim en ts at M cDonnell Douglas［A］.Proceed ings of the 29th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference［C］.Monterey，CA，1994.8

［6］ 薛仰全，杨天虎，李玉宏，冯黎成.关于太阳能双轴跟踪系统教学实训设备研发的一点思考［J］.甘肃科技，2012，28（22）：15-18.

［7］ 许启明，冯俊伟，宫明.太阳能利用跟踪技术的研究进展［J］.安徽农业科学，2011，39（10）:6294-6297.

［8］ X.W u，K.W ang.Design of track contro l system in PV［J］.Acam enic Communications，2009 ，1: 129-130.

［9］ E.Aranda，J.Gala´N，M.Cardona，J.Rquez. Measuring the I-V curve of PV generators［J］.IEEE Industrial Electronics M agazine，2009，3（3）: 4-14.

［10］ 刘建明，陈革，章其初.碟式斯特林太阳能发电系统最新进展.中外能源，2011年第16卷

Introduction and Developm ent T rend of D ish-Type Stirling Engine Solar Energy Therm al Power Generation Technology

Chen Yong， Zhang Chen， Li Wei， Chen Silu， Zhang Jianm in
Shanghai Qiyao Engine Co.,Ltd

W ith energy and environment con flicts em erging， there is some new opportunity for so lar energy thermal power generation technology. The article is based on dish-type stirling engine so lar energy therm al power generation techno logy and introduces key techno logies and domestic and foreign research resu lts of dishtype system. It a lso ana lyzes p rom ising so lar energy therm a l power generation techno logy and finally points out that confronting p roblems and cha llenges of domestic solar energy thermal power generation industry w ith w ild deve lopment p rospects based on current energy industry and research design situation.

Stirling Engine， Dish-Type， Concentrating So lar Energy Thermal Power Generation

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.09.001

陈永：（1988-），男，硕士研究生；研究方向碟式斯特林太阳能热发电系统。