2006年节能与可再生能源发电技术研讨会论文集
碟式斯特林太阳能热发电系统
赵阳1,李兰欣2,余
英2,赵碧光2,朱春2
(1.两锦供电公司,辽宁锦州121000;2.中国电力科学研究院,北京100085)
摘要:碟式斯特林太阳能发电系统由碟式太阳能收集器、斯特林发动机、发电站自动控制系统3部分组成。由于斯特林发动机结构简单、体积小、重量轻、效率高、噪声低、寿命长等优点,碟式斯特林太阳能热发电单位投资及发电成本较太阳能光伏发电低,既可以离网独立运行也可以并网运行;适用于大规模开发利用太阳能,适合我国国情,具有广阔的应用前景。
关键词:太阳能热发电;碟状抛物面镜;斯特林发动机
缓慢,至今尚未建设一座具有一定规模的太阳能热
0
引言
当前,我国能源和环境面临严峻的挑战。能源
发电站。当前,由于人们对能源及环境问题的关注,太阳能热发电将迎来新的发展机遇。从国际太阳能利用技术的发展趋势来看,太阳能热发电技术是可再生能源发电技术的一个新焦点,碟式太阳能热发电技术将有新的突破和发展。碟式太阳能热发电系统,具有建设投资少、建设周期短、容量可大可小,既可以离网独立运行供电,也可以并网运行,非常适合我国国情,具有广阔的应用前景。
在碟式太阳能热发电系统中,采用先进的斯特
潜在危机和生态环境的恶化使世界各国都在积极开发包括太阳能在内的可再生能源。
目前,太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面获得了长足发展;开发工作的主流是太阳能向热能和电能的有效转换,太阳能发电主要有太阳能光伏发电和太阳能热发电2种形式。发达国家的实验研究证明,太阳能热发电能适应大规模工业化应用的有效途径。
太阳能热发电,先是利用聚光集热器把太阳能聚集起来转换成热能,再把热能转换成机械能,最后把机械能转换成电能。太阳能热发电系统一般由聚光系统、集热系统、热传输系统、蓄热储能系统
林外燃机作为动力机——发电机组,构成碟式斯特
林太阳能热发电系统,在我国具有非常好的商业化前景。本文将对碟式斯特林太阳能热发电系统的结构、原理及特点作简要介绍。
1
系统组成
碟式斯特林太阳能热发电系统由3部分组成:
以及动力机——发电系统组成。当前,太阳能热发
电系统类型主要有塔式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电系统和碟式太阳能热发电系统。
20世纪80年代以来,美国、前苏联、法国、德国、日本、西班牙等国家相继建设了不同型式的太阳能热发电示范工程,促进了太阳能热发电技术的发展。我国太阳能热发电技术的研究开发工作早在20世纪70年代末就开始了,一些高校和科研院所对太阳能热发电技术做了一些基础性实验研究,建造了几套仅用于模拟的太阳能热发电试验装置。我国太阳能热发电技术的研究开发步伐一直进展
(1)碟式太阳能收集器;(2)斯特林发动机;(3)发电站自动控制系统。
1.1
碟式太阳能收集器
碟式太阳能收集器的主体是碟状抛物面聚焦
型反射镜。由于碟状抛物面镜是一种点聚焦集热器,其聚光比高达数百到数千,可以产生非常高的温度。碟状抛物面镜直径一般在lO---20m之间,聚光比约1000~4000。抛物面盘采用背面镀银玻璃或正面贴有反光薄膜的铝材制成。整个盘面由若干
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面板组成,用高强度粘接剂或螺钉固定在托盘上,形成1个坚固连续的薄壳结构,通过装在盘内圆的中心支撑与基座相连,基座可作仰角传动和方位传动;仰角传动和方位传动均各由直流伺服电机和减速齿轮组成,齿轮箱的输出轴与中心支撑相连,分别驱动反射镜的仰角和方位。伺服电机由脉宽调制电源供电,并由微机进行控制,可以实现缓冲启动、正反向运行及电制动作用。1.2斯特林发动机1.2.1基本工作原理
斯特林外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机。新型外燃机使用氢气作为工质,在4个封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔,另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩,流到高温热腔中迅速加热,膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧,通过加热器传给工质,工质不直接参与燃烧,也不更换。
外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题,因此实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体,如:天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等,也可以燃烧柴油、液化石油气等液体燃料,还可以燃烧木材以及利用太阳能等。只要热腔达到700。C,设备即可做功运行,环境温度越低,发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响,非常适合高海拔地区使用。
目前有3种型号可供选择,“热电联产”型、“太阳能一外燃混合发电”型、“余热利用”型,以及车用型和流动现场电源。热电联产型将燃料燃烧发电后的余热用于供热。1台25kW的外燃机,可以供热44kW,完全可以满足1
000"--l
500建筑平方米或1
个连级单位的基本能源供应。STM设备可以单台独立使用,也可多台连用,根据需要进行组合配置,适应不同规模的能源需求。1.2.2产品性能
该设备作为1个独立的电源供应装置,能够自动适应小型独立电网的容量变化需求,实现智能化控制,无需专人运行职守,基本属于傻瓜机。设备结构简单,零件只有内燃机的一半,没有进、出气阀门等磨损机件,没有震爆作功,可靠性大大提高。设备坚固耐用,大修周期为5万h,设备寿命可以
达到20a。该产品主要性能参数如表1所示。
表1主要性能指标
发电输出功率/KW
25
效率/%29.6
供热功率/KW44
供热效率/%52.1燃料消耗量/MJ304.05
功率输出总量/KW69
热电总效率/%81.7
转速/Rpm1800
尺寸(长/宽/高)/cm
201/76/107
大修周期/h
50000
1.3发电站自动控制系统
为了保证太阳能发电站安全稳定运行,配备了微机控制系统。微机控制系统由输入、输出接口及微型计算机构成,采用1个实时时钟和硬件定时器及计数器,通过软件进行所有的控制操作。
控制系统的主要功能如下:
(1)碟状抛物面集热器采用双轴跟踪,控制系统主要功能是使反射镜精确地跟踪太阳。
(2)太阳能发电站内装有测量环境模拟量的传感器,包括日照度、风速、风向和环境温度等,控制系统应保证太阳能发电站的安全经济运行。
(3)控制系统要对太阳能发电站进行开机和停机控制,根据日照情况来控制发电站的启动、持续运行和停机。
(4)控制系统有监测记录、计量仪表、事故报警、数据存储等管理功能。
2系统特点
(1)采用斯特林发动机作为碟式太阳能热发电的原动机,具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、噪声低、寿命长等优点,因此碟式太阳能热发电系统与其他发电形式比较,具有系统组成简单、使用方便、能全自动运行,无需人员职守,特别适合边远地区使用。
(2)碟式斯特林太阳能热发电系统可以单台独
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立运行供电,也可以模块组合成碟群,其装机容量为几十至几百千瓦,甚至到兆瓦级。碟式斯特林太阳能热发电系统可以离网独立运行,也可以并网运行。
(3)碟式斯特林太阳能热发电系统可以与生物质能气化发电系统结合起来,构成太阳能/生物质能混合发电系统。其基本原理是当太阳落山或阳光不足时,斯特林外燃机自动关闭热腔改为生物质燃气发电,一机两用,节省了蓄电池投资,提高了设备的利用率。太阳能与生物质发电相结合,具有互补性。太阳能资源的优点是数量巨大,取之不尽,用之不竭;但是具有间断性和不稳定性的缺点。虽然生物质能资源受产量和运输的限制,规模有限,但是它具有便于储存和运输以及不受自然气象影响等优点。晴天尽量使用太阳能发电节省燃料,降低发电成本,阴雨天或夜里利用生物质能发电。
3发展前景
(D美国1991年开始开发商用7kw碟式一斯特林外燃机发电系统,1997年又推出了25kW的碟式一斯特林外燃机发电系统。25KW的碟式一斯特林外燃机发电系统是经济规模,发电成本较低,适用于大规模开发利用太阳能,具有较好的商业化前景。
据报道,美国准备在洛杉矶附近建立1个世界上最大的太阳能热发电站,发电能力达500MW。该电站位于洛杉矶市东北1lOkm外的沙漠地区,占地面积达4500英亩(约合2.7万亩),其发电量将满足28万个家庭的用电需要。该电站建设将分期实施,首先建设1个由40个25kW碟式斯特林发电机组组成的实验电站,发电能力为1MW。然后在4a内建立由2万个25KW碟式斯特林发电机组组成的电站,形成500MW的发电能力。该电站还预留了可将太阳能发电站的最终发电能力提高到850MW的扩建余地。
(2)吴中如等院士指出,太阳能热发技术是世界各国新能源研究开发的重点,最有可能最经济地实现大功率发电,从而代替常规能源,引起能源革命。张耀明院士指出,在理想状态下,太阳能热发电技术4a后有望实用化、商业化,其标志是实现30MW以上的发电能力。而那时的发电成本可能降到
约O.6元/(kw.h)。据《科技日报》2004年5月28日报道,以色列太阳能热发电技术研究的代表人物卡尔里教授认为,太阳能热发电成本要比目前利用光伏技术发电低5,--,10倍,完全可以使太阳能热发电进入商用电力销售市场。
(3)我国土地辽阔、幅员广大,太阳能资源十分丰富。西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏等地是我国太阳能资源最丰富的地区,年日照时间达3
000h
以上,年辐射量最高可达2333kWh/m2。这些地区人口稀少、居住分散、交通不便、经济发展较为落后,可充分利用当地丰富的太阳能资源,采用太阳能热发电技术,解决供电问题,发展经济、提高人民生活水平。
目前,我国在偏远山区、牧区和岛屿等地,仍有2000多万人口没有解决用电问题。碟式斯特林太阳能热发电,单机容量一般为25~50kW,非常适合给这些地区农、牧、渔民供电,太阳能热发电既可以独立供电,也可以与生物质发电联合起来,构成太阳能/生物质能混合供电系统。
太阳能热发电并网运行是太阳能热发电大规模工业化应用必然趋势,也是未来最大的太阳能发电市场。例如,把100个25kW或50kW的碟式斯特林发电机组组合起来,就可形成具有装机容量2.5MW或5MW的太阳能热发电场,如果年发电3000h,可向电力系统提供75・万kW・h或150・万kW・h电能。
4结语
我国有丰富的太阳能资源以及潜在的巨大太阳能发电市场。碟式斯特林太阳能热发电系统结构简单、运行可靠、效率高、寿命长、噪音低、投资省、建设周期短、发电成本低,适合大规模开发利用,具有良好的商业化前景。太阳能热发电将带来显著的经济效益、社会效益和环境效益,为建设资发展作出重要贡献,太阳能热发电将以战略能源的角色进入能源和电力供应领域。
源节约型、环境友好型社会,实现社会经济可持续
2006年节能与可再生能源发电技术研讨会论文集
参考文献:
作者简介:赵阳,(197m)女,工程师,从事电力系统自动
[1]中国电工技术学会.《电工新技术丛书》(第2分册)[M].
机械工业出版社,2001.[2]李安定,
李斌.碟式聚光太阳能热发电技术[J].太
化及新能源发电的研究。
李兰欣,女,工程师,从事电力系统自动化及新能源发电的研究。
余英,男,教授级高工,从事电力系统自动化及新能源发电的研究。
阳能,2003(3).
[3]杨易达译.太阳能热发电近期展望[J].新能源,
1994(5).
(责任编辑骆平)
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碟式斯特林太阳能热发电系统
赵阳1,李兰欣2,余
英2,赵碧光2,朱春2
(1.两锦供电公司,辽宁锦州121000;2.中国电力科学研究院,北京100085)
摘要:碟式斯特林太阳能发电系统由碟式太阳能收集器、斯特林发动机、发电站自动控制系统3部分组成。由于斯特林发动机结构简单、体积小、重量轻、效率高、噪声低、寿命长等优点,碟式斯特林太阳能热发电单位投资及发电成本较太阳能光伏发电低,既可以离网独立运行也可以并网运行;适用于大规模开发利用太阳能,适合我国国情,具有广阔的应用前景。
关键词:太阳能热发电;碟状抛物面镜;斯特林发动机
缓慢,至今尚未建设一座具有一定规模的太阳能热
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引言
当前,我国能源和环境面临严峻的挑战。能源
发电站。当前,由于人们对能源及环境问题的关注,太阳能热发电将迎来新的发展机遇。从国际太阳能利用技术的发展趋势来看,太阳能热发电技术是可再生能源发电技术的一个新焦点,碟式太阳能热发电技术将有新的突破和发展。碟式太阳能热发电系统,具有建设投资少、建设周期短、容量可大可小,既可以离网独立运行供电,也可以并网运行,非常适合我国国情,具有广阔的应用前景。
在碟式太阳能热发电系统中,采用先进的斯特
潜在危机和生态环境的恶化使世界各国都在积极开发包括太阳能在内的可再生能源。
目前,太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面获得了长足发展;开发工作的主流是太阳能向热能和电能的有效转换,太阳能发电主要有太阳能光伏发电和太阳能热发电2种形式。发达国家的实验研究证明,太阳能热发电能适应大规模工业化应用的有效途径。
太阳能热发电,先是利用聚光集热器把太阳能聚集起来转换成热能,再把热能转换成机械能,最后把机械能转换成电能。太阳能热发电系统一般由聚光系统、集热系统、热传输系统、蓄热储能系统
林外燃机作为动力机——发电机组,构成碟式斯特
林太阳能热发电系统,在我国具有非常好的商业化前景。本文将对碟式斯特林太阳能热发电系统的结构、原理及特点作简要介绍。
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系统组成
碟式斯特林太阳能热发电系统由3部分组成:
以及动力机——发电系统组成。当前,太阳能热发
电系统类型主要有塔式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电系统和碟式太阳能热发电系统。
20世纪80年代以来,美国、前苏联、法国、德国、日本、西班牙等国家相继建设了不同型式的太阳能热发电示范工程,促进了太阳能热发电技术的发展。我国太阳能热发电技术的研究开发工作早在20世纪70年代末就开始了,一些高校和科研院所对太阳能热发电技术做了一些基础性实验研究,建造了几套仅用于模拟的太阳能热发电试验装置。我国太阳能热发电技术的研究开发步伐一直进展
(1)碟式太阳能收集器;(2)斯特林发动机;(3)发电站自动控制系统。
1.1
碟式太阳能收集器
碟式太阳能收集器的主体是碟状抛物面聚焦
型反射镜。由于碟状抛物面镜是一种点聚焦集热器,其聚光比高达数百到数千,可以产生非常高的温度。碟状抛物面镜直径一般在lO---20m之间,聚光比约1000~4000。抛物面盘采用背面镀银玻璃或正面贴有反光薄膜的铝材制成。整个盘面由若干
2006年节能与可再生能源发电技术研讨会论文集
面板组成,用高强度粘接剂或螺钉固定在托盘上,形成1个坚固连续的薄壳结构,通过装在盘内圆的中心支撑与基座相连,基座可作仰角传动和方位传动;仰角传动和方位传动均各由直流伺服电机和减速齿轮组成,齿轮箱的输出轴与中心支撑相连,分别驱动反射镜的仰角和方位。伺服电机由脉宽调制电源供电,并由微机进行控制,可以实现缓冲启动、正反向运行及电制动作用。1.2斯特林发动机1.2.1基本工作原理
斯特林外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机。新型外燃机使用氢气作为工质,在4个封闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔,另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩,流到高温热腔中迅速加热,膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内连续燃烧,通过加热器传给工质,工质不直接参与燃烧,也不更换。
外燃机避免了传统内燃机的震爆做功问题,因此实现了高效率、低噪音、低污染和低运行成本。外燃机可以燃烧各种可燃气体,如:天然气、沼气、石油气、氢气、煤气等,也可以燃烧柴油、液化石油气等液体燃料,还可以燃烧木材以及利用太阳能等。只要热腔达到700。C,设备即可做功运行,环境温度越低,发电效率越高。外燃机最大的优点是出力和效率不受海拔高度影响,非常适合高海拔地区使用。
目前有3种型号可供选择,“热电联产”型、“太阳能一外燃混合发电”型、“余热利用”型,以及车用型和流动现场电源。热电联产型将燃料燃烧发电后的余热用于供热。1台25kW的外燃机,可以供热44kW,完全可以满足1
000"--l
500建筑平方米或1
个连级单位的基本能源供应。STM设备可以单台独立使用,也可多台连用,根据需要进行组合配置,适应不同规模的能源需求。1.2.2产品性能
该设备作为1个独立的电源供应装置,能够自动适应小型独立电网的容量变化需求,实现智能化控制,无需专人运行职守,基本属于傻瓜机。设备结构简单,零件只有内燃机的一半,没有进、出气阀门等磨损机件,没有震爆作功,可靠性大大提高。设备坚固耐用,大修周期为5万h,设备寿命可以
达到20a。该产品主要性能参数如表1所示。
表1主要性能指标
发电输出功率/KW
25
效率/%29.6
供热功率/KW44
供热效率/%52.1燃料消耗量/MJ304.05
功率输出总量/KW69
热电总效率/%81.7
转速/Rpm1800
尺寸(长/宽/高)/cm
201/76/107
大修周期/h
50000
1.3发电站自动控制系统
为了保证太阳能发电站安全稳定运行,配备了微机控制系统。微机控制系统由输入、输出接口及微型计算机构成,采用1个实时时钟和硬件定时器及计数器,通过软件进行所有的控制操作。
控制系统的主要功能如下:
(1)碟状抛物面集热器采用双轴跟踪,控制系统主要功能是使反射镜精确地跟踪太阳。
(2)太阳能发电站内装有测量环境模拟量的传感器,包括日照度、风速、风向和环境温度等,控制系统应保证太阳能发电站的安全经济运行。
(3)控制系统要对太阳能发电站进行开机和停机控制,根据日照情况来控制发电站的启动、持续运行和停机。
(4)控制系统有监测记录、计量仪表、事故报警、数据存储等管理功能。
2系统特点
(1)采用斯特林发动机作为碟式太阳能热发电的原动机,具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、噪声低、寿命长等优点,因此碟式太阳能热发电系统与其他发电形式比较,具有系统组成简单、使用方便、能全自动运行,无需人员职守,特别适合边远地区使用。
(2)碟式斯特林太阳能热发电系统可以单台独
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立运行供电,也可以模块组合成碟群,其装机容量为几十至几百千瓦,甚至到兆瓦级。碟式斯特林太阳能热发电系统可以离网独立运行,也可以并网运行。
(3)碟式斯特林太阳能热发电系统可以与生物质能气化发电系统结合起来,构成太阳能/生物质能混合发电系统。其基本原理是当太阳落山或阳光不足时,斯特林外燃机自动关闭热腔改为生物质燃气发电,一机两用,节省了蓄电池投资,提高了设备的利用率。太阳能与生物质发电相结合,具有互补性。太阳能资源的优点是数量巨大,取之不尽,用之不竭;但是具有间断性和不稳定性的缺点。虽然生物质能资源受产量和运输的限制,规模有限,但是它具有便于储存和运输以及不受自然气象影响等优点。晴天尽量使用太阳能发电节省燃料,降低发电成本,阴雨天或夜里利用生物质能发电。
3发展前景
(D美国1991年开始开发商用7kw碟式一斯特林外燃机发电系统,1997年又推出了25kW的碟式一斯特林外燃机发电系统。25KW的碟式一斯特林外燃机发电系统是经济规模,发电成本较低,适用于大规模开发利用太阳能,具有较好的商业化前景。
据报道,美国准备在洛杉矶附近建立1个世界上最大的太阳能热发电站,发电能力达500MW。该电站位于洛杉矶市东北1lOkm外的沙漠地区,占地面积达4500英亩(约合2.7万亩),其发电量将满足28万个家庭的用电需要。该电站建设将分期实施,首先建设1个由40个25kW碟式斯特林发电机组组成的实验电站,发电能力为1MW。然后在4a内建立由2万个25KW碟式斯特林发电机组组成的电站,形成500MW的发电能力。该电站还预留了可将太阳能发电站的最终发电能力提高到850MW的扩建余地。
(2)吴中如等院士指出,太阳能热发技术是世界各国新能源研究开发的重点,最有可能最经济地实现大功率发电,从而代替常规能源,引起能源革命。张耀明院士指出,在理想状态下,太阳能热发电技术4a后有望实用化、商业化,其标志是实现30MW以上的发电能力。而那时的发电成本可能降到
约O.6元/(kw.h)。据《科技日报》2004年5月28日报道,以色列太阳能热发电技术研究的代表人物卡尔里教授认为,太阳能热发电成本要比目前利用光伏技术发电低5,--,10倍,完全可以使太阳能热发电进入商用电力销售市场。
(3)我国土地辽阔、幅员广大,太阳能资源十分丰富。西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏等地是我国太阳能资源最丰富的地区,年日照时间达3
000h
以上,年辐射量最高可达2333kWh/m2。这些地区人口稀少、居住分散、交通不便、经济发展较为落后,可充分利用当地丰富的太阳能资源,采用太阳能热发电技术,解决供电问题,发展经济、提高人民生活水平。
目前,我国在偏远山区、牧区和岛屿等地,仍有2000多万人口没有解决用电问题。碟式斯特林太阳能热发电,单机容量一般为25~50kW,非常适合给这些地区农、牧、渔民供电,太阳能热发电既可以独立供电,也可以与生物质发电联合起来,构成太阳能/生物质能混合供电系统。
太阳能热发电并网运行是太阳能热发电大规模工业化应用必然趋势,也是未来最大的太阳能发电市场。例如,把100个25kW或50kW的碟式斯特林发电机组组合起来,就可形成具有装机容量2.5MW或5MW的太阳能热发电场,如果年发电3000h,可向电力系统提供75・万kW・h或150・万kW・h电能。
4结语
我国有丰富的太阳能资源以及潜在的巨大太阳能发电市场。碟式斯特林太阳能热发电系统结构简单、运行可靠、效率高、寿命长、噪音低、投资省、建设周期短、发电成本低,适合大规模开发利用,具有良好的商业化前景。太阳能热发电将带来显著的经济效益、社会效益和环境效益,为建设资发展作出重要贡献,太阳能热发电将以战略能源的角色进入能源和电力供应领域。
源节约型、环境友好型社会,实现社会经济可持续
2006年节能与可再生能源发电技术研讨会论文集
参考文献:
作者简介:赵阳,(197m)女,工程师,从事电力系统自动
[1]中国电工技术学会.《电工新技术丛书》(第2分册)[M].
机械工业出版社,2001.[2]李安定,
李斌.碟式聚光太阳能热发电技术[J].太
化及新能源发电的研究。
李兰欣,女,工程师,从事电力系统自动化及新能源发电的研究。
余英,男,教授级高工,从事电力系统自动化及新能源发电的研究。
阳能,2003(3).
[3]杨易达译.太阳能热发电近期展望[J].新能源,
1994(5).
(责任编辑骆平)
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