朱辰元，彭小方

（上海齊耀動(dòng)力技術(shù)有限公司，上海 201203）

0 引言

碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置通過(guò)聚焦太陽(yáng)光產(chǎn)生高溫?zé)嵩?，進(jìn)而推動(dòng)熱氣機(jī)（斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)）輸出電能，由于聚光能力強(qiáng)、原動(dòng)機(jī)的熱效率高，因此在各類(lèi)聚焦太陽(yáng)光熱發(fā)電（CSP）技術(shù)中的熱電轉(zhuǎn)換效率最高，成為可再生能源利用的研究熱點(diǎn)。

目前，美國(guó)的SES公司和Infinia公司分別推出了兆瓦級(jí)示范工程，試運(yùn)行結(jié)果表明，示范工程的發(fā)電效率高，維護(hù)成本低，今后只要能夠規(guī)模制造生產(chǎn)降低裝置成本，就可以實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

熱氣機(jī)是碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵之一，本文將介紹近年來(lái)碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置的一些研究成果。

1 碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保、單位功率密度高、發(fā)電成本低、適用地域廣、無(wú)二氧化碳排放、幾乎不消耗水、發(fā)電效率高等特點(diǎn)，已逐漸成為西方發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)。

熱氣機(jī)（又稱為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)）運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠、效率高、噪聲低，在穩(wěn)定連續(xù)的高溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)下可持續(xù)輸出機(jī)械能，非常適合碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。

目前熱氣機(jī)的技術(shù)還不成熟，對(duì)熱氣機(jī)的研制和產(chǎn)品生產(chǎn)，主要來(lái)自少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的研發(fā)機(jī)構(gòu)，例如美國(guó)SES公司成功進(jìn)行了小批量SunCatcherTM商業(yè)化應(yīng)用，Infinia公司也已成功進(jìn)行了小規(guī)模的應(yīng)用，瑞典Ripasso公司將在2年左右的時(shí)間內(nèi)推出30kW的碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化產(chǎn)品。

典型的碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由碟式聚光鏡、太陽(yáng)光接收器、熱氣機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，其中接收器、熱氣機(jī)與發(fā)電設(shè)備組成的整體通常稱為能量轉(zhuǎn)換單元（CPU）。裝置中設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)聚光碟的仰角及水平角度跟蹤太陽(yáng)，保證聚光鏡正對(duì)太陽(yáng)獲得最多的太陽(yáng)能，如圖1所示。

圖1 碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置系統(tǒng)原理

運(yùn)行時(shí)，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)碟式聚光鏡聚焦后進(jìn)入太陽(yáng)光接收器，在太陽(yáng)光接收器內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，并成為熱氣機(jī)的熱源推動(dòng)熱氣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再由熱氣機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

采用碟式斯特林熱發(fā)電，裝置每1m2受光面積的平均年發(fā)電量可以達(dá)到629kWh，大于塔式和槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的327kWh／m2和260kWh／m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了跟蹤式光伏發(fā)電技術(shù)的217kWh／m2。圖2是幾種太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的發(fā)電能力比較。

圖2 幾種太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)比較

2 碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用案例

目前，美國(guó)是全球碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)研制的中心，美國(guó)的SES公司、SAIC公司、Infinia公司等在碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)投入了很大力量并取得很大成果，25kW和3kW的碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)被成功地應(yīng)用于小規(guī)模商業(yè)化太陽(yáng)能熱發(fā)電站。另外，德國(guó)的SOLO公司和SBP公司，采用瑞典Cleanergy公司制造的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的10kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)品，以SOLO 161單缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為核心的Eurodish系列碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電設(shè)備也成功地得到了應(yīng)用，安裝地點(diǎn)包括法國(guó)、西班牙等。

2.1 美國(guó)SES公司SunCatcherTM系統(tǒng)

成立于1996年的美國(guó)SES公司，繼承了麥道公司先前相關(guān)的開(kāi)發(fā)技術(shù)，多年來(lái)致力于碟式斯特林熱發(fā)電技術(shù)的集成與測(cè)試，取得了不少成果。

圖3為SES公司早期開(kāi)發(fā)的25kW碟式斯特林熱發(fā)電裝置的外觀照片。該裝置的聚光碟由82塊厚度為0.7mm的反光鏡片組合而成，聚光碟高為11.6m，總面積為87.7m2。裝置采用瑞典Kockums的4—95熱氣機(jī)為原動(dòng)機(jī)，由4個(gè)氣缸組成，掃氣容積為380cm3。裝置輸出為480V三相交流電，峰值輸出功率為24.9kW，峰值熱電轉(zhuǎn)換效率為29.4%，年均為24.0%，年輸出電能為54 500kWh。

圖3 SES公司早期研發(fā)的25kW裝置

從2003年開(kāi)始，SES公司與美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，在這期間對(duì)聚光碟進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)前聚光碟采用82面小鏡面拼接組成，改進(jìn)后聚光碟的拋物面由內(nèi)外兩圈組成，內(nèi)圈由13塊聚光鏡片拼接，外圈由27塊拼接，聚光碟結(jié)構(gòu)改進(jìn)后重量減少了4 500～5 400kg。

圖4為SES公司最新研發(fā)的SunCatcherTM系統(tǒng)及其使用的熱氣機(jī)實(shí)物照片，該型號(hào)產(chǎn)品在2009年創(chuàng)造了31.25%的熱電轉(zhuǎn)換最高效率。由圖4可以看到SunCatcherTM系統(tǒng)的熱氣機(jī)在結(jié)構(gòu)上與早期研制25kW裝置采用的熱氣機(jī)已有較大的差別。

2009年8月至2010年1月，美國(guó)的SES公司聯(lián)合Tessera Solar公司，在亞利桑那州Maricopa建設(shè)了總?cè)萘繛?.5MW的小規(guī)模商業(yè)化太陽(yáng)能熱發(fā)電站，如圖5所示，該項(xiàng)目采用了60套SunCatcherTM。

圖4 SunCatcherTM裝置

圖5 SES在Maricopa建立的示范電站

2.2 美國(guó)SAIC／STM 25kW系統(tǒng)

美國(guó)加州的SAIC（Science Applications International Corporation）公司從1984年起開(kāi)始研發(fā)高性能太陽(yáng)能聚光碟及其他部件，公司的核心技術(shù)是制造聚光碟的張緊膜，是全球最早商業(yè)化該技術(shù)的公司。

SAIC研制的SAIC／STM碟式斯特林發(fā)電裝置如圖6所示。

圖6 SAIC／STM 25kW碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)

由圖6可以看出，該系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用原STM（Stirling Thermal Motors）公司生產(chǎn)的4—120型斜盤(pán)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)［4］，額定轉(zhuǎn)速為1 800 r／min，發(fā)電輸出額定功率為20kW。SAIC／STM碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)的聚光碟由16塊直徑為2.8m的張膜式聚光塊組成，焦距為8～10m，總反射面積為93m2。

每塊聚光板由不銹鋼鋼圈及焊接在其兩側(cè)的不銹鋼膜平面組成，其中不銹鋼膜平面由0.08 mm厚的不銹鋼條張緊焊接在一起，聚光板表面向陽(yáng)的一面采用貼合玻璃鏡或者鍍銀聚酯薄膜方法增加反射率。

為了便于聚光，張膜式聚光塊采用內(nèi)部抽真空的方法保持反射面成凹面。采用負(fù)壓凹面成型方式能夠保證在緊急狀況時(shí)快速（幾秒內(nèi)）解除聚焦，防止聚焦的高溫對(duì)器件造成損壞。張膜式圓塊的尺寸及焦距設(shè)計(jì)考慮到了風(fēng)力對(duì)聚焦的影響，整個(gè)聚光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求運(yùn)行時(shí)能抵抗的平均風(fēng)速為12m／s。

SAIC／STM的碟式斯特林發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)年運(yùn)行時(shí)間為3 576h，輸出三相交流電，功率為20～25kW，年發(fā)電能力為56 400kWh。遺憾的是由于種種原因，SAIC／STM 25kW斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電設(shè)備未能進(jìn)入商業(yè)化營(yíng)運(yùn)。

2.3 德國(guó)SOLO161型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)10kW系統(tǒng)

瑞典Cleanergy公司是全球主要的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)制造商之一，公司生產(chǎn)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可以用在熱電聯(lián)供系統(tǒng)（輸出電能2～9kW，熱能8～26kW）和太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)（峰值輸出電能10kW）。

正在推廣的10kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，所采用的是德國(guó)SOLO 161型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)產(chǎn)品。SOLO原來(lái)是德國(guó)的一家公司，現(xiàn)被瑞士Stirling Systems Ltd.公司收購(gòu)。

Cleanergy公司研制的碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，聚光碟的直徑為8.5m，面積為56.7 m2，焦距為4.5m，鏡面材料的反射率為94%，聚光碟的平均聚焦因子為2 500。SOLO 161型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的掃氣容積為160cm3，工質(zhì)為氫氣，工作溫度為650℃，壓力為2～15MPa。發(fā)電機(jī)輸出為400V三相交流電。跟蹤系統(tǒng)的方位角跟蹤范圍為270°，俯仰角跟蹤范圍為－28°～90°，精度為0.1°。運(yùn)行時(shí)最大抗風(fēng)速為17m／s，非運(yùn)行時(shí)為44m／s。該裝置的外觀如圖7照片所示。

圖7 Cleanergy碟式斯特林熱發(fā)電裝置

德國(guó)SBP（Schlaich Bergermann und Partner）公司曾與SOLO公司聯(lián)合推廣了以SOLO 161單缸斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)為核心的Eurodish系列碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電設(shè)備產(chǎn)品，安裝地點(diǎn)包括法國(guó)、西班牙等。圖8為9kW的該型產(chǎn)品外觀［6］。

圖8 SBP／SOLO碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置

2.4 Infinia公司3kW太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

美國(guó)Infinia公司研發(fā)的3kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置如圖9照片所示。該裝置采用自由活塞式斯特林機(jī)作為動(dòng)力機(jī)，裝置的凈發(fā)電效率可以達(dá)到24%，是一般光伏發(fā)電組件的2倍。

圖9 Infinia公司3kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置

3kW太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

圖10 3kW太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換單元

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉式冷卻方式，發(fā)動(dòng)機(jī)排出的熱量由內(nèi)循環(huán)冷卻水帶至風(fēng)冷處散發(fā)，風(fēng)冷流道的設(shè)計(jì)可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體內(nèi)的環(huán)境溫度得到有效控制。

Infinia公司生產(chǎn)的PowerdishTM3kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置產(chǎn)品，長(zhǎng)4.6m，寬4.7m，高5.6m，總重量為864kg。安裝的海拔高度要求－75～1 890m，風(fēng)速不大于162km／h；運(yùn)行的環(huán)境溫度要求－20～55℃，運(yùn)行風(fēng)速不大于50km／h。裝置輸出為單相240V或者三相208V交流電，峰值功率3kW。

目前，Infinia公司已經(jīng)與美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，建成了6套供測(cè)試和研究改進(jìn)的系統(tǒng)，并進(jìn)行了冷卻水系統(tǒng)與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)太陽(yáng)光高精度對(duì)焦的改進(jìn)工作。

到目前統(tǒng)計(jì)為止，美國(guó)Infinia公司已經(jīng)累計(jì)安裝了30套3kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，其中在華盛頓州Kennewick，新墨西哥州Belen各安裝了3套，在加利福尼亞州Las Virgenes安裝了4套，安裝的地點(diǎn)還有西班牙Villarrobledo等。西班牙Villarrbledo示范工程照片如圖11所示。

圖11 西班牙Villarrobledo的示范工程

截至2009年12月份，Infinia公司開(kāi)發(fā)的110套3kW自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置產(chǎn)品，內(nèi)部測(cè)試時(shí)間已經(jīng)達(dá)到5 000h，客戶測(cè)試時(shí)間達(dá)到了19 200h，總測(cè)試時(shí)間累計(jì)24 200h，其中單機(jī)最長(zhǎng)測(cè)試時(shí)間為1 800h。

在開(kāi)發(fā)3kW自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱發(fā)電系統(tǒng)的同時(shí)，Infinia公司正在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)30kW免維護(hù)的自由活塞式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由2個(gè)15kW多缸自由活塞式斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)組成，具有熱發(fā)電系統(tǒng)振動(dòng)小、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)和高效率等特點(diǎn)。2010年，Infinia公司制作了3套該系統(tǒng)，上半年進(jìn)行樣機(jī)測(cè)試，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了該系統(tǒng)的技術(shù)監(jiān)控、接收器設(shè)計(jì)咨詢和系統(tǒng)測(cè)試等工作，按照規(guī)劃，2012年7月后進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用［8］。

3 展望

發(fā)展和推廣碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的熱氣機(jī)。熱氣機(jī)除了可以用于碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電外，還可以應(yīng)用在許多節(jié)能項(xiàng)目中，但是由于技術(shù)復(fù)雜，比較先進(jìn)的熱氣機(jī)技術(shù)主要掌握在發(fā)達(dá)國(guó)家的少數(shù)幾個(gè)公司。我國(guó)也一直重視熱氣機(jī)的研發(fā)工作，目前也取得了很多成果，特別是已成功研發(fā)了50kW級(jí)燃?xì)鉄釟鈾C(jī)的熱電聯(lián)供機(jī)組，并進(jìn)入了示范應(yīng)用，不久可以進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。

熱氣機(jī)的研發(fā)成果為我國(guó)發(fā)展碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，通過(guò)太陽(yáng)能熱發(fā)電的一些關(guān)鍵的技術(shù)攻關(guān)，如接收器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、焦平面和接收器形狀的耦合以及內(nèi)部溫度的均勻控制、熱氣機(jī)緊湊型的總體設(shè)計(jì)，大直徑、高聚光比聚光碟的設(shè)計(jì)和制造，太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制的方法，以及遇云控制的策略等，完全有能力依靠國(guó)內(nèi)的技術(shù)力量研發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品。

借鑒西方發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行過(guò)多年的發(fā)展成果，可以發(fā)現(xiàn)25～30kW級(jí)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相對(duì)比較成熟，而且應(yīng)用在發(fā)電系統(tǒng)可以取得最大的效費(fèi)比，因此25kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)裝置的研發(fā)應(yīng)該是發(fā)展我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的首選方案。通過(guò)一系列關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，結(jié)合我國(guó)已掌握的熱氣機(jī)技術(shù)，有望很快在碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電設(shè)備的制造方面取得成功。