碟式斯特林太陽能熱發電技術及發展趨勢

陳　永　張　琛　李　威　陳鷥鷺　張建敏

上海齊耀動力技術有限公司

碟式斯特林太陽能熱發電技術及發展趨勢

陳永張琛李威陳鷥鷺張建敏

上海齊耀動力技術有限公司

能源與環境的突出矛盾，給太陽能熱發電產業帶來了新的契機。本文立足于碟式斯特林熱發電技術，簡要介紹碟式系統的關鍵技術及國內外的研究成果，并對這種具有發展潛力的太陽能熱發電技術進行分析，最后基于當前能源領域和研發現狀，指出了我國太陽能熱發電行業面臨的問題和挑戰，提出其廣闊的發展前景。

斯特林發動機；碟式；聚焦太陽能熱發電

近年來，由于氣候的變暖，環境生態的惡化，各個國家對可再生能源的發展越來越重視，很多國家投入人力物力進行技術研究，同時又制定相應的激勵政策，促進可再生能源的發展。太陽能作為清潔、可持續的可再生能源技術之一，將在未來40年內，通過技術創新、規模化發展、電力系統以及其他支撐技術的進步，從補充能源過渡為替代能源，并逐步成為我國“自主、自立、低碳、可持續”能源體系的主力能源之一［1］。

太陽能熱發電是指將太陽能轉換為熱能，通過熱功轉換過程發電的系統。一般包括集熱器、儲熱器和發電等幾部分［2］。直接光發電和間接光發電是太陽能熱發電中最常用的分類方式。直接光發電主要指太陽能熱離子發電、太陽能溫差發電和太陽能熱磁體發電；間接光發電可分為聚光類和非聚光類，其中聚光類按照太陽采集方式可分為太陽能塔式發電、太陽能槽式發電和太陽能碟式發電；非聚光類主要有太陽能真空管發電、太陽能熱氣流發電和太陽能熱池發電等［3］。通常所說的太陽能熱發電，主要指間接光發電，目前主流的太陽能熱發電技術集中在塔式、槽式和碟式。

碟式斯特林太陽能光熱發電技術作為一種新型的發電技術，具有效率高、占地少、適于模塊化組合、產業鏈污染小等優勢，因具有廣闊的發展前景而受到極大的關注。

1　碟式斯特林太陽能熱發電技術

碟式斯特林太陽能熱發電是指利用拋物碟式聚光器將太陽能聚集到焦點處的吸熱器上，通過斯特林循環發電的裝置。系統主要由斯特林發動機、接收器、聚光碟和控制系統等組成。通常聚光碟系統的聚光比可以達到2 000以上，加熱器表面工作溫度維持在600℃～750℃之間，系統峰值光-電轉化效率可達到25%以上。

1.1斯特林機

碟式斯特林光熱發電系統的核心部分是斯特林發動機，一般也被稱為外燃機或熱氣機，是一種外燃式閉式循環活塞發動機，與內燃機的區別是工作介質不參與燃燒，僅通過外部熱源間接加熱工作介質。斯特林機最早由英國的羅伯特.斯特林于1816年發明，用于礦井取水。斯特林機對外燃方式無特殊要求只要外部熱源的溫度高于機器中工質的溫度即可,因此加熱方式靈活:既可以使用傳統的化石燃料,又可以使用太陽能、生物質能,以及具有一定溫度的工業廢熱作為熱源［4］。

太陽光經過碟式聚光器和光熱轉換材料的匯聚和轉換，加熱位于碟式聚光器焦點處的斯特林發動機頭部加熱器內的高壓氫氣，通過等溫壓縮-等容-等溫膨脹-等容的斯特林循環推動活塞（圖1），并通過曲柄連桿傳動機構帶動發電機直接輸出380 V/50 Hz的工頻交流電。

圖1　斯特林循環示意圖

1.2聚光碟系統

聚光碟系統可分為聚光器以及跟蹤系統。由于太陽輻射能量的密度很小，為了獲得發電所需的溫度，必須用聚光器將近似平行入射的太陽光匯聚到一個很小的面積上，從而使該面積上的熱流密度增大，溫度達到可以用于發電的程度。碟式太陽能熱發電系統采用碟式拋物面聚光鏡（見圖2），按聚光器的結構可分為玻璃小鏡面式、多碟式和單碟式兩種形式，多碟式風阻小，自耗功率小；單碟式結構緊湊，聚光效率高。

玻璃小鏡面式聚光器是將大量的小型曲面鏡逐一拼接起來,固定于旋轉拋物面結構的支架上,組成一個大型的旋轉拋物面反射鏡，其面積多在90 m2左右，輸出功率為90 kW，幾何聚光比為2500以上，聚光效率可達85%左右［5］。玻璃小鏡面式聚光器由于采用大量小尺寸反射鏡作為反射單元，可以達到很高的精度，而且可實現較大的聚光比，從而提高聚光器的光學效率；同時因為上述結構，聚光器生產過程中降低了玻璃粘貼工藝的難度，較符合當前生產工藝，成本較低，目前市場主流的聚光碟組件均采用玻璃小鏡面式（圖2a）。

圖2　碟式聚光器結構類型

跟蹤控制系統的作用是使聚光器的軸線始終對準太陽，碟式太陽能熱發電系統主要采用雙軸式跟蹤，使碟式聚光器保持正對太陽，能最大限度收集太陽光。根據跟蹤系統的結構特點，跟蹤系統又可分為導軌式跟蹤系統和立柱式跟蹤系統，現今主流的碟式熱發電系統均采用的是立柱式，因其便于安裝，對于土地面積需求較小，同時在聚光碟調試過程中也較導軌式更為方便（見圖3）。

圖3　跟蹤系統結構類型

1.3跟蹤控制系統

最常見的跟蹤控制控制系統主要有傳感器跟蹤（閉環控制）和視日運動軌跡跟蹤即程序跟蹤（開環控制）。

傳感器跟蹤是指使用光敏電阻或光敏二極管根據光線位置的變化來判斷太陽的入射光線是否與聚光器相垂直［6］。當聚光器主光軸與太陽入射光線發生偏離時，按照對稱方式安裝的光敏傳感器所接收到的太陽輻射量發生變化，因而光敏傳感器阻值發生變化，輸出微電流，產生偏差信號，偏差信號經放大電路放大之后，再將模擬量轉換成數字量輸入到計算機，計算機根據偏差信號再發出指令驅動電機轉動，從而調整太陽能接收器的位置，減小偏差。只要產生偏差信號，跟蹤控制系統就會不間斷的對聚光器所處的位置進行調節，直到偏差信號為零［7］。傳感器跟蹤的優點是跟蹤精度高，結構設計較為簡單。其缺點是天氣的變化對閉環控制的制約作用很大。如果在較長時間內出現霧霾或陰天等的情況，光電傳感器就很難接收到太陽的入射光線，導致跟蹤裝置無法正對太陽，有時甚至會引起電機的錯誤運行。

程序跟蹤也可稱為視日運動軌跡跟蹤。由于太陽每天運轉的軌道十分固定，且地球每天都圍繞南、北兩極的地軸自西向東“自轉”，同時還按照太陽偏心率很小的橢圓型軌道上“公轉”，兩者的運動軌跡都有很強的規律性。因此在太陽直射的經線上，緯度的差值與太陽高度角的差值相同。由此便可以計算出此經線上緯度的數值。如果太陽光直射到緯度為零的區域，則該區域上高度角的差值與經度的差值相同，如果太陽直射的位置不在緯度為零的地區，那么該地區太陽高度角的差值一定比經度的差值小［8］。以此可以推算出該緯線上的經度值和地方時。所以無論選用哪種坐標系統，聚光器的位置都一定可以根據具體的時間、日期、緯度等信息利用相關公式推導出來，之后可以根據推導結果編寫程序，最終根據程序來實時調整聚光器所處的位置，保持聚光器始終正對太陽［9］。視日運動軌跡跟蹤方式的優點是編程簡單造價比閉環控制造價低在有云的時候也能跟蹤太陽。這一控制方法要求太陽能聚光系統每天必須從固定的日出的方向跟蹤這樣的跟蹤方法必須要對時間進行糾正。由于開環控制沒有輸出反饋這一控制過程，因此會產生累計誤差，并且不能自行消除。

從目前國內外的研發及應用情況來看，使用程序跟蹤方式的更多，這主要是從成本以及可靠性的角度考慮。

2　國內外主要企業進展

2.1國外主要發展（圖4）

碟式斯特林熱發電技術在20世紀70年代由瑞典Kockums公司、美國福特公司、麥道公司、南加州愛迪生公司及美國能源部等發起研究，此后美國的斯特林能源系統公司（SES）、STM公司、Infinia公司和德國的SOLO公司相繼展開此項技術的研發，各自制作了碟式斯特林原型發電系統并進行了測試［10］。

目前，Infinia公司開發的3 kW自由活塞熱氣機發電技術被以色列公司收購；SES公司已倒閉，建成的1.5 MW示范電站相關設備被我國多家企業收購，其技術完全轉讓湖南湘電集團。國外從事碟式斯特林熱發電裝置研究及商業化拓展的僅剩瑞典的Cleanergy公司，其繼承了原德國SOLO公司的SOLO V161斯特林發動機技術，研制了11 kW及13 kW兩款功率等級的碟式熱發電裝置，系統效率在25%至34%，設計壽命25年。Cleanergy公司在2012年于內蒙鄂爾多斯建設完成100 kW示范工程項目，含10臺11 kW機組，并積極拓展中國光熱市場，布局大型集中式電站。

2.2國內主要發展（圖5）

我國碟式太陽能熱發電技術的研究起步并不晚，但因技術上難以取得突破及研究經費不足，發展十分滯后。進入21世紀，隨著國家對新能源領域發展給予足夠的重視以及相關國外技術的引進，全球碟式光熱產業的研發及推廣中心已轉移至中國。

國內主要研制碟式的企業有中航工業西安航空發動機（集團）有限公司、湘電集團、杭州聚達能源科技有限公司（簡稱杭州聚達）、大連宏海新能源發展有限公司以及上海齊耀動力技術有限公司（中船重工第711研究所）等。其中各家均已完成樣機研制，西航動力在銅川的示范項目已接近尾聲；上海齊耀動力則已完成上海浦東的100 kW示范基地的建設，后續將積極推動產業化發展；杭州聚達能源收購SES公司在Maricopa的1.5 MW電站60臺機組，目前國產化設備進展順利；大連宏海早前與與瑞典Cleanergy公司合作，在鄂爾多斯建立100 kW示范項目，近期成立東方宏海新能源，并在張江口成立斯特林產業基地，布局產業化。

從上述各家的研制進展情況來看，我國的碟式斯特林熱發電產業正處于示范階段，產品的成熟仍需進一步提升，隨著相關政策的落實，相信我國的碟式產業將快速得到發展。

圖4　國外企業發展現狀

圖5　我國碟式系統發展現狀

3　前景與展望

光熱發電的成本很高，所以其是否能夠真正商業化，一方面依靠技術的成熟（ 主要是光熱轉換材料、聚光系統、斯特林發動機和上述的儲能問題），另一方面就是要看其裝機成本是否與其他新能源發電相比具有競爭力。我國除了聚光系統和跟蹤系統形成產業之外，其核心部件斯特林發動機的成熟和逐步標準化是碟式斯特林光熱發電裝機成本能夠迅速下降的主要原因。

碟式系統有著最高的聚光比及跟蹤精度，在對太陽光的有效采集方面優勢明顯，針對這一特征，在目前新興的海水淡化（蒸餾法）、稠油開采、工業蒸汽等方面，碟式技術也有較多的應用空間。

綜合來看，大力研發關鍵技術，完善工藝，降低成本，并對系統進行有機集成，實現高效的熱工轉化，增強系統整體的可靠性和安全性，加快產業化的步伐，是未來碟式熱發電行業的努力方向。可以預見，在不久的將來，碟式斯特林光熱發電的商業化就將會迎來蓬勃的發展。

［1］ 中國可再生能源發展路線圖2050，國家可再生能源中心，2014.12

［2］ 聚光型太陽能熱發電術語 GB/T 26972—2011，5.1條

［3］ 張耀明.太陽能熱發電技術.山西能源與節能，2009（3）:1-4.

［4］ 金東寒.斯特林發動機技術.哈爾濱工程大學出版社，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，楊天虎，李玉宏，馮黎成.關于太陽能雙軸跟蹤系統教學實訓設備研發的一點思考［J］.甘肅科技，2012，28（22）：15-18.

［7］ 許啟明，馮俊偉，宮明.太陽能利用跟蹤技術的研究進展［J］.安徽農業科學，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］ 劉建明，陳革，章其初.碟式斯特林太陽能發電系統最新進展.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

陳永：（1988-），男，碩士研究生；研究方向碟式斯特林太陽能熱發電系統。