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5   碟式太阳能热发电系统

碟式(也称盘式)太阳能热发电系统的原理如图10所示。碟式太阳能热动力发电系统是将碟式聚光镜聚集的太阳能集中到其焦点处的集热器上,集热器吸收这部分高密度的能量,将其转换为热能,并传输给热机,如斯特林发动机、低沸点工质汽轮机及燃汽轮机等,驱动发电机发电,从而将热能转换为电能。碟式太阳能热发电系统最大的优势在于其相对较高的效率和可实现灵活部署的模块化特点。碟式系统的最大供应商斯特林能源系统的产品已达到31%的峰值效率,全年发电效率可达到19%～25%(单台功率25kW,直径12m),是目前的四项太阳能热发电技术中实现效率最高的一种;模块化的特点使碟式太阳能热发电系统既适合碟式单元(见图11)或以数百千瓦的规模进行分布式部署,又有能力构建数百兆瓦的大型电站(见图12);此外,碟式太阳能热发电系统在发电过程中不使用水进行导热或冷却,

图10  碟式太阳能热发电系统的原理图

图11  碟式单元太阳能热发电系统

图12  数百兆瓦的大型碟式太阳能热发电站

仅需要少量水用于设备清洁。碟式太阳能热发电系统的缺点在于较难配置储能系统,这也是由于其独特的结构原理所导致的(每台碟式单元直接进行热电转换,输出并网交流电)。因此在使用该项技术建设大规模电站时,所输出电力的可调度性将会较低。

合图13说明碟式太阳能热发电系统的工作原理。碟式太阳能热发电系统主要由太阳能聚光器(反射镜)和热电转换装置两个部分组成。前者主要将太阳能转变为热能作为热电转换装置的热源,而后者用从热源获得的部分热量作功,推动发电机发电转变为电能。

图13  碟式太阳能热发电系统的原理框图

(1)聚光器

由于太阳辐射能量的密度很小,为了能够达到发电所需的温度,必需用反射镜把近似平行入射的大面积的太阳光汇聚到一个很小的面积上,从而使该面积上的能流密度增大,温度达到可以用于发电的程度。反射镜面的面积和吸收面的面积之比就是几何聚光比。实际应用中更关心反射镜的能量聚光比,即吸收体的平均能流密度和入射能流密度之比,其数值上等于几何聚光比和光学效率的乘积。

(2)跟踪控制系统

跟踪控制系统的作用是使反射镜的轴线始终对准太阳。跟踪太阳的方法有很多,但不外乎采用如下两种方式:光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。跟踪控制系统的实现可采用模拟控制或数字控制。

(3)吸热器

接收聚光器收集的热能,供驱动马达用,要求能够大量吸收太阳能辐射,但是设备表面向外的红外辐射要小,要求吸热器能够提供高温高压的气体,但结构要紧凑,容积损失要小。为了使吸热面的热流密度不至于太大,焦点不能直接落在吸热面上,吸热面通常放置在焦点后方,焦点落在吸热腔体的开口上,开口应尽可能的小,以减小辐射和对流热损失。

(4)热电转换装置

碟式太阳能热发电系统的热电转换主要是采用斯特林机发动机。斯特林发动机有很多种结构形式,常见的主要有以下两种:双活塞式(α型)和置换式(也称配气式),按照置换活塞(displacer piston)和动力活塞(power piston)的布置形式又可分为β型和γ型,其中双活塞式的机器按照其作用形式又可分为单作用式和双作用式。以α型斯特林发动机为例,其循环系统的基本单元组成如图14所示。依次包括压缩活塞、压缩腔(冷缸)、冷却器、回热器、吸热器、膨胀腔(热缸)、膨胀活塞,工质被密封于其间的腔室及换热器中,进行闭式循环。但发动机在实际运行中,任何一个工质微团都不可能在一次循环中遍及这些腔室和换热器。斯特林发动机常用的工质有空气、氦气、氢气,同样的转速下以氢气的效率和比功率最高,氦气其次,空气最低,且发动机的转速越高,相差越大。

(5)电力变换装置

由于太阳能辐射随天气变化很大,所以热电转换装置发出的电力不是十分稳定,特别是小功率的便携式太阳能发电装置发出的电流小、电压低,不能直接提供给用户,需要经过整流、DC/DC升压、储能、DC/AC逆变等环节处理,才能输出工频电压。

(6)交流稳压装置

碟式太阳能热发电系统发出的电经过电力变换装置变成工频电压可以直接提供给普通用户或并入电网,但并不能满足高精密负载的要求,需要在负载之前增设交流稳压装置。

(7)储能装置、蓄电池和补充能源

夜间无阳光,即使在白天能够接收到的阳光对天气变化极为敏感。为了用户能够在任何需要的时候都能够获得电力,独立的碟式太阳能热发电系统必需采用储能装置、蓄电池和补充能源中的一种或几种。

目前,配以斯特林发动机的蝶式热发电系统虽然有比较优良的性能指标,但目前主要还是用于边远地区的小型独立供电,与上述的三种太阳能热发电相比,大规模应用成熟度则稍逊一筹。
根据2012年统计,部分运用碟式/斯特林发动机系统的太阳能热发电站如表5所列。

（御风）