國內(nèi)外日光溫室太陽能發(fā)電技術研究現(xiàn)狀及展望

1碟式斯特林熱發(fā)電技術太陽能熱能源技術是世界上太陽能熱利用的前主題。它利用高精度聚光器將低密度的太陽能匯聚成高密度熱能,通過加熱工質來驅動發(fā)電機,實現(xiàn)光電轉化,具有零排放、可持續(xù)利用的優(yōu)點。太陽能熱發(fā)電分為槽式、塔式和碟式三種形式。目前,最具發(fā)展?jié)摿Φ氖堑教柲芨邷匕l(fā)電技術,尤其是近幾年碟式斯特林太陽能發(fā)電技術因其驚人的發(fā)展速度更是令世界矚目。碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)利用旋轉拋物面反射鏡將太陽光聚焦到位于拋物面焦點的接收器上,接收器內(nèi)的工質被加熱到750℃左右,驅動斯特林發(fā)電機發(fā)電。它具有光電轉換效率高、耗水量低、發(fā)電方式靈活及可逐步規(guī)模化等特點。碟式斯特林熱發(fā)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(fā)起研究,此后美國的斯特林能源系統(tǒng)公司(SES)、STM公司、Sunpowe公司、Infinia公司和德國的SOLO公司相繼展開此項技術的研發(fā),各自制作了碟式斯特林原型發(fā)電系統(tǒng)并進行了測試。測試結果表明,其光電轉換效率遠遠高于其他太陽能技術。近來,SES公司和Infinia公司正在世界各地示范推廣碟式斯特林系統(tǒng),為不久的將來這項技術的大規(guī)模應用奠定了基礎。國內(nèi)相關科研單位20世紀70年代末也開始了碟式太陽能熱發(fā)電技術的研究,經(jīng)過30年的努力,在該領域某些方面也取得了一定的成績。本文通過綜述國內(nèi)外碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)的最新進展,對碟式斯特林熱發(fā)電技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行綜合分析,旨在與國內(nèi)同行共同尋找一條中國碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術的發(fā)展道路。2國外主要的電子秤發(fā)電系統(tǒng)正在最新啟動2.1太陽能發(fā)電系統(tǒng)測試結果SES公司成立于1996年,是一家系統(tǒng)組合和項目管理公司,開發(fā)可再生能源電廠和發(fā)電系統(tǒng)分配設備。自成立以來,SES一直與Kockums公司、美國能源部、NASA-Glenn實驗室及波音公司合作開發(fā)碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng),現(xiàn)已發(fā)展成為全球太陽能斯特林技術領導公司。20世紀70年代,福特公司首先對太陽能斯特林發(fā)動機進行了早期設計。80年代麥道實驗室對這項技術進行了改進,并對碟式斯特林系統(tǒng)進行了175000h的場地測試。90年代,SES整合麥道公司開發(fā)的太陽能聚光技術及Kockums公司的4-95型動態(tài)斯特林發(fā)電機技術,制作了碟式斯特林系統(tǒng),在波音公司的實驗場地進行了大量測試。圖1給出了系統(tǒng)總發(fā)電功率隨太陽輻照度的變化曲線。如圖1所示,隨著太陽輻照度(DNI)從200W/m2增加到1000W/m2,系統(tǒng)總發(fā)電功率近似線性遞增。聚光鏡反射率為90.9%時,系統(tǒng)總發(fā)電功率最高達到26kW。當反射率降至85%和69.2%時,系統(tǒng)總發(fā)電功率依次遞減。2000年以后,SES公司與山帝亞國家實驗室及美國能源部合作,繼續(xù)優(yōu)化這個碟式系統(tǒng),最終開發(fā)出被稱為SunCatcher的碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)電功率為25kW,光電轉換效率達到28.9%。2005年,SES公司在山帝亞國家實驗室的場地上建起一座由6個SunCatcher單元組成的實驗機組。山帝亞和SES的研究人員對整個系統(tǒng)的性能和可靠性進行了大量的試驗,2008年1月31日,測得“Serial3#”SunCatcher單元的并網(wǎng)光電轉換效率達到31.25%(用85.6kW的熱功率產(chǎn)出26.75kW的電功率),這是目前太陽能發(fā)電技術領域新的世界紀錄。該實驗機組已累計運行超過26000h,可靠性較高,為該技術的大規(guī)模配置和推廣鋪平了道路。2009年12月,SES在美國亞利桑那州的Peoria建成容量為1.5MW(由60個SunCatcher單元組成)的Maricopa碟式太陽能電廠。SunCatcher單元的聚光鏡組件由密歇根州的汽車供應商TowerAutomotive提供,動力轉換單元由加拿大Linamar公司制作。Maricopa電廠2010年1月投入運行,已達到甚至超過預期目標,并能在75km/h的大風下正常運行。不久的將來該電廠還將擴增至9MW。Maricopa電廠是加州和得克薩斯州大規(guī)模碟式太陽能發(fā)電廠的預備項目。2005年8月9日,SES與南加州愛迪生公司簽訂合作項目SolarOne,在加州莫哈維沙漠Calico建造一座裝機容量為500MW的大型太陽能電廠,此后該電廠還將擴增至850MW。SES還與圣地亞哥燃氣電力公司開發(fā)另一項目SolarTwo,在加州帝國谷建設一座容量為900MW的太陽能電廠。此外,SES還給WestRanch項目提供1080個SunCatcher單元,在得克薩斯西部建設一座27MW的太陽能電廠。這三個項目將于2010年底陸續(xù)動工。2.2德國和日本的stiringv-16sCleanergy公司(原SOLO公司)總部位于瑞典哥德堡,是當今世界斯特林技術領域主要發(fā)動機制造商之一。該公司的斯特林發(fā)電機起源于瑞典Kockums公司的動態(tài)StirlingV-160發(fā)動機,1993-2002年SOLO公司在此基礎上研制了StirlingV-161發(fā)電機并組成了碟式斯特林系統(tǒng),在德國和西班牙沙漠地區(qū)累計運行200×104h以上。2003年,美國山帝亞國家實驗室使用自制的聚光鏡對5臺StirlingV-161斯特林發(fā)電機進行了近24000h測試。圖2為Eurodish單元輸出功率和發(fā)電效率性能圖。如圖,隨著DNI從450W/m2增至480W/m2,系統(tǒng)輸出功率和效率分別驟增至9.4kW、7.8%;當DNI從480W/m2升至1050W/m2,系統(tǒng)輸出功率和效率逐漸增長至最大值11.4kW和20%。2009年,為了擴大規(guī)模,Cleanergy公司把斯特林發(fā)電機生產(chǎn)線從德國搬到瑞典魡m覽l的新工廠,生產(chǎn)能力為每年5000臺發(fā)電機。2009年12月4日,Cleanergy與西班牙一開發(fā)商簽署協(xié)議,2011年為其提供200套碟式斯特林系統(tǒng)。其中2套系統(tǒng)已于2010年供貨,現(xiàn)正在西班牙某地接受測試。為了降低Eurodish單元成本,2010年5月20日,Cleanergy公司與加拿大太陽能接收器制造商SHEC能源公司簽訂協(xié)議,共同開發(fā)高性能碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)。2.3u3000領域在dni和精密電路發(fā)電技術方面的應用,主要包括權威機構和工藝等Infinia公司成立于1985年,總部位于華盛頓州的Kennewick,其斯特林發(fā)電機技術起源于20世紀60~70年代麥道實驗室。最初Infinia研制人工心臟電源,后來為美國航空航天局(NASA)研制放射性同位素發(fā)電機。2007~2008年,3kW太陽能斯特林發(fā)電樣機和第一個碟式發(fā)電系統(tǒng)相繼研制成功,并在山帝亞國家實驗室接受測試,產(chǎn)生了電壓240V、頻率50~60Hz具有電網(wǎng)質量的交流電。圖3為PowerDish單元凈功率和系統(tǒng)效率性能圖。隨著DNI從100W/m2增加至850W/m2,系統(tǒng)凈功率和效率逐漸增至最大值3000W和24%。當DNI大于等于850W/m2時,PowerDish自動校正額外的電力輸出,使凈功率穩(wěn)定在3000W,而系統(tǒng)效率呈現(xiàn)下降趨勢。該系統(tǒng)核心部件———斯特林發(fā)電機為自由活塞式,采用非接觸氣體密封和彈性軸承技術,將工質———氦氣緊密密封在系統(tǒng)中,無潤滑、無需維修,模塊化設計,被專家稱為世界上第一個適合自動化大規(guī)模制造的碟式太陽能發(fā)電產(chǎn)品。2009年,西班牙Renovailia公司與美國Infinia合作,耗資4億歐元在西班牙Villarobledo建設一座71MW的碟式太陽能發(fā)電廠。項目動工前,該技術已獲得歐洲規(guī)則制訂權威機構(theEuropeanRegulatoryAuthority)可商業(yè)應用的認證。2009年10月,一期工程1MW發(fā)電廠(由334個PowerDish單元組成)已建成并投入運行。這是西班牙第一次把NASA技術用于太陽能熱發(fā)電。Infinia的碟式斯特林技術得到美國聯(lián)合實驗室(UnitedLaboratories)的認證后,新墨西哥州Belen市政廳引進了3個PowerDish單元。2009年12月,3個太陽碟在辦公樓外建成并正常運行。有報道稱,2010年1~2月,Belen市政廳電費賬單比同期節(jié)支1000美元。此外,Belen正計劃籌建1.9MW的碟式電站。2010年6月,Infinia在亞利桑那州Yuma安裝了35個PowerDish單元,且對其性能進行了測試。測試結果表明,這些單元性能與協(xié)議書上的指標相符。亞利桑那州的電力公司現(xiàn)已批準其并網(wǎng),給該市110萬居民供電。2009年5月15日,Infinia公司與印度Dalmia水泥公司簽訂協(xié)議。投資23億盧比(約3.5億元人民幣)在印度Rajasthan州Bap建一座規(guī)模為10MW的發(fā)電廠,項目實施周期為26個月,一期工程1MW項目計劃2010年8月完工。此外,Infinia還將在中東地區(qū)建設碟式太陽能電廠。3技術研發(fā)經(jīng)驗總結我國碟式太陽能熱發(fā)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(jīng)費不足,發(fā)展十分滯后。進入21世紀,隨著國家對新能源領域發(fā)展給予足夠的重視,國內(nèi)相關科研單位開始加強對此項技術的研究?！笆濉逼陂g,中科院電工研究所與皇明太陽能集團聯(lián)合研制了3種直徑5m的太陽能聚光鏡和一個1kW碟式斯特林發(fā)電系統(tǒng)。3種聚光鏡分別采用蝸輪蝸桿式、軌道鏈傳動式和雙蝸輪均力式,聚光鏡焦點處的溫度最高達到1600℃。目前,研究單位已掌握了太陽位置三維跟蹤技術和高精度控制傳動技術,聚光系統(tǒng)精度達到±0.2°;高反射率旋轉拋物面反射鏡制備技術,鏡面反射率大于等于94%;高密度熱流傳熱技術,吸熱器能在0.65×106W/m2的熱流密度下正常工作,且熱效率不小于91%。2010年,中科院理化技術研究所研制了1kW碟式太陽能行波熱聲發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用碟式集熱器收集太陽輻射熱量,通過高溫熱管換熱器將熱量傳輸?shù)叫胁崧暟l(fā)動機熱端后,驅動直線發(fā)電機發(fā)電。初步調(diào)試以3.5MPa氦氣為工質,在熱管加熱溫度為798℃時,實現(xiàn)了255W的電功輸出,初步驗證了系統(tǒng)的可行性。上海齊耀動力技術有限公司研制的50kW燃氣式斯特林發(fā)電機為國內(nèi)首創(chuàng)。該公司具有30余年斯特林發(fā)電機的研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗,擁有5項發(fā)明專利和17項實用新型專利。該發(fā)電機結構簡單,零部件比內(nèi)燃機少40%,可燃燒天然氣、垃圾填埋氣、沼氣等可燃氣體。機組采用異步發(fā)電機,從啟動到并網(wǎng)發(fā)電實現(xiàn)平滑過渡,無需配備專門的并網(wǎng)設備,自動化程度高,一鍵啟動,一鍵停車。目前,該公司正準備研制25kW太陽能斯特林發(fā)電機及碟式發(fā)電系統(tǒng)。西安航空動力公司已經(jīng)完成25kW太陽能斯特林發(fā)電樣機的制作,并使用電爐作熱源對其進行了初步測試,發(fā)電功率達到17kW,光電轉化效率接近30%。該公司計劃2011年制作碟式斯特林太陽能發(fā)電原型系統(tǒng)。綜上所述,國內(nèi)碟式斯特林太陽能熱發(fā)電技術研究還是取得了一些成績。但總體來說,目前還未獲得實質性的進展,這說明中國碟式斯特林太陽能熱發(fā)電研究還處于初級階段。4斯特林發(fā)電機的引進碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是太陽能斯特林發(fā)電機。就結構而言,斯特林發(fā)電機比內(nèi)燃機簡單得多,但其某些關鍵部件的研發(fā)難度較大,如高溫太陽能吸收器、高效回熱器、工質密封、功率和轉速控制等。要攻克這些關鍵技術,需要國內(nèi)外相關部門從財力和技術上提供大力支持。國內(nèi)的科研工作者也應適時尋找機會,通過各種形式與國外斯特林發(fā)電機制造商及科研機構進行技術合作,或直接從國外引進斯特林發(fā)電機,經(jīng)消化吸收,逐漸掌握此項技術,這樣可大大縮短研發(fā)周期。若暫時不能引進,相關科研單位需借鑒國外斯特林發(fā)電機的研制經(jīng)驗,自主研發(fā),發(fā)揮各自的優(yōu)勢,在某些方面取得突破后,再通過系統(tǒng)集成的方式獲得此項技術。然后通過示范推廣,建設大型碟式斯特