碟式太阳能热发电系统

第23卷

Vol .23　

第10期No .10

重庆工学院学报(自然科学)

Journal of Chongqing I nstitute of Technol ogy (Natural Science )

2009年10月Oct .2009

　3　收稿日期:2009-07-18

基金项目:航空工业技术创新基金资助项目(HZ -KJ2005009).

作者简介:刘巍(1963—),男,江苏靖江人,讲师,主要从事能源与环境工程,太阳能利用技术研究.

碟式太阳能热发电系统

刘　巍1

,王宗超

2

(1.河海大学机电工程学院,江苏　常州　213022;2.清华大学深圳研究生院,深圳　518000)

摘 要:在研究了碟式太阳能热动力发电系统的发展状况、研究动态及应用前景的基础上,对碟式太阳能热动力发电系统进行了设计和分析.由于碟式太阳能热发电系统中太阳跟踪装置是一个重要的组成部分,设计了光电跟踪和视日运动轨迹跟踪相结合的跟踪方式.在跟踪策略上,晴天采用光电跟踪,阴天采用视日运动轨迹跟踪,实现了全方位、高度角、全天候的自动跟踪.试验结果表明,在各种天气状况下,跟踪器能够稳定工作,取得了满意的效果.通过对碟式太阳能热发电系统的分析和设计,提出了一种合理的、高效的太阳能利用方式.关

键

词:热发电;碟式聚焦器;太阳跟踪;单片机;聚光器

中图分类号:TK513.5 文献标识码:A

文章编号:1671-0924(2009)10-0099-05

D ish 2style Sol ar Ther ma l Power Genera ti on Syste m

L IU W ei 1

,WANG Zong 2chao

2

(1.College of Mechano 2electrical Engineering,Hehai University,Changzhou 213022,China;2.Postgraduate School,Shenzhen Ca mpus of Tsinghua University,Shenzhen 518000,China )

Abstract:Based on the study of the devel opment,research situati on and app licati on p r os pect of a dish 2style s olar energy dyna m ic syste m ,this paper makes the design and analysis of the dish 2style s olar energy dyna m ic syste m.Due t o the sun tracking device as an i m portant co mponent in the dish 2style s olar ther mal power syste m ,this paper designs a track of the combinati on of phot oelectric tracking and the day move ment traject ory tracking .

It can achieve the all 2r ound and high angle aut o matic tracking

under any kinds of weather,which uses op tical tracking way in sunny day and calendar 2reckoning method in cl oudy day .Experi m ents show that in any weather conditi ons,this tracker can work as designed and achieve satisfact ory results .By the analysis and design of the dish 2style s olar ther mal power syste m ,this paper puts f or ward a reas onable and efficient utilizati on method of s olar energy .Key words:ther mal power;dish 2style focusing device;sun tracking;SC M;s olar concentrat or

人们对能源开发和环境保护的呼声不断高涨,由于太阳能是一种清洁无污染的能源,取之不尽,用之不竭,它的开发、利用和转换已成为人类寻求新能源的热点,因此发展前景非常广阔.当

今,利用太阳能发电已成为新能源利用的一种重要方法,利用太阳能发电已经成为全球瞩目的一

个具有深远意义的研究课题[1-2].因此太阳能的应用受到广泛的关注,并已取得一定的成就,由于太阳光的聚焦高温及其纯净的特性,具有其他方式的能源没有的优势,在太阳能热利用方面,利用聚焦的方式获得高温的方法一般是采用大量的聚焦镜.根据这些聚焦镜与聚焦点的位置及能量转换方式的不同,被分为塔式、碟式和槽式[3].在这几种太阳能收集方式中,碟式太阳能聚焦器是相对较复杂、要求相对较高的一种方式,但其阳光收集的效率较高,且由于碟式聚焦器具有分布式能源的优点,其安装和设置相对容易,不需要专门的场地.但是碟式聚焦器的复杂特性,太阳能热利用中对其光学和机械系统的精度要求,使得无论在设计和加工、运行中都会遇到一些问题[4-5].因此,对碟式太阳能聚焦器装置的设计和加工、运行等问题的解决与归纳,对太阳能热利用领域装置的产业化和标准化,都有重要的意义.

碟式太阳能聚焦器通常由支架、反射镜、支撑柱、传动机构、跟踪控制系统、热接收保持机构等部分组成.国内外很多建设成功的太阳能装置表明,为建设能源收集装置所付出的费用,占到整个电站总投资的45%～55%,可见在太阳能热发电中聚焦器技术的重要性,根据笔者经验,随着批量化、标准化技术的实现,聚焦器装置的单台成本将降低到研发样机的1/2左右.国内外现有的聚焦器研究状况表明,碟式太阳能聚焦器的设计与生产技术正朝着具有增加单台反射面积,降低驱动功率,扩大一次订货量以降低成本,有效利用创新技术,进一步优化性能与结构的趋势方向发展.

1　系统组成

碟式太阳能热发电是太阳能热发电技术的一种,基本原理是将入射的太阳辐射能汇聚起来,并转化为热能,在焦点处产生较高的温度用于发电.由于聚焦方式不同,碟式太阳能热发电的聚焦比可以达到最大,从而运行温度达到900～1200℃,在太阳能热发电方式中,蝶式太阳能热发电可以达到最高的热机效率[6].

系统包括聚光器、跟踪控制系统、集热器、热电转换装置、电力变换装置和交流稳压装置.其中聚光器和跟踪控制系统是碟式太阳能热发电中最重要的组成部分[7].1.1　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,需要用聚光器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,温度达到可以满足太阳能热发电的需要.反射面和吸收面的面积之比就是几何聚光比.实际应用中更关心聚光器的能量聚光比,即吸收体的平均能流密度和入射能流密度之比,数值上等于几何聚光比和光学效率的乘积.

1.2　跟踪控制系统

跟踪控制系统的作用是使聚光器的轴线始终对准太阳光线.跟踪太阳的方法有很多,总结起来有如下3种方式:光电跟踪、根据视日运动轨迹跟踪、2种跟踪方式的结合进行跟踪.因此,跟踪控制系统的实现也可以有多种方式,电控方式可以分为通过太阳传感器作为反馈进行的模拟控制和由计算机控制电机,并通过太阳传感器形成反馈的数字控制.为了提高系统的跟踪精度、增强系统的稳定性,采用光电跟踪和视日运动轨迹跟踪相结合的方式进行跟踪,该跟踪方式可以实现大范围内各种天气情况下的自动跟踪,可以满足各种需要跟踪装置的设备.

1.3　集热器

集热器将聚光器汇聚的光能转化为热能.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.

斯特林机的集热器有直接吸热和间接吸热2种形式.由于斯特林机的工质气体氢或者氦在高压下有较强的传热能力,直接吸热式可以吸收很大的热流密度,但是平衡汽缸内的温度和传热量是直接吸热式需要解决的一个问题.使用液态金属或者热管作为换热介质的间接吸热方式可以解决上述问题.热管换热器的温差很低,从而可以使斯特林机工作在一个较高的温度,得到较高的效率.

1.4　热电转换装置

碟式太阳能热动力发电装置的热电转换主要是采用自由活塞斯特林机作为原动机.自由活塞斯特林机是一种活塞式外燃机,在气缸内有一个配气活塞和一个动力活塞.气缸侧壁连接配气活塞上下室的旁路,循环工质通过旁路交替运动到

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