太阳能发电斯特林热机研究应用

太阳能发电斯特林热机的研究及应用

杨占营丁国红牛永贺

中州分公司装备能源部

摘要

随着国家对可再生能源开发的日益重视，太阳能发电得到了快速发展。目前，大多数太阳能发电站采用光伏发电（photovoltaic），然而，利用太阳能驱动斯特林热机进行发电的技术也在一些地区得到了应用，并表现出了迅速发展的势头。太阳光经过抛物面镜聚焦后，照射到斯特林热机的接收器上，使斯特林热机内的工作气体（一般为氢气或氦气）达到700摄氏度以上，同时其压力达到20兆帕以上，从而保证了斯特林热机的稳定运行，斯特林热机拖动发电机产生电能。

关键词：太阳能，斯特林热机，发电

前言

采用抛物面镜-斯特林热机将太阳光的热能转变为机械能，然后再由发电机将机械能转变成电能。这一过程和传统的热电厂将燃料燃烧产生的热能转变成电能很相似。如图1所示，抛物面镜-斯特林热机发电系统首先采用一组抛物面镜将阳光聚焦并反射到斯特林热机的受热面上，使斯特林热机内部的工作气体（一般为氢气或氦气）产生足够的温度及压力，从而保证斯特林热机高效的运转。由于地球不停的自转，所以抛物面镜接收的阳光入射角度也在不停的变化，因此，抛物面镜必须配备角度调整装置，有利于接收阳光。

图1 抛物面镜-斯特林热机太阳能发电站示意图抛物面镜-斯特林热机太阳能发电系统优点很多，例如，效率高、模块式设计安装、自动化程度高、可采用多种能源（即可以采用太阳能也可以采用燃料能）等。在所有的太阳能发电技术中，有充分的证据表明，抛物面镜-斯特林热机太阳能发电是光电转变效率最高的（29.4%），所以在不久的将来，这将成为一种最廉价的太阳能发电方式。而模块式的特点又使得其应用极为广泛，既可以单机组运行，也可多机组运行；即可以并网也可以不并网；即可以单独采用太阳能的方式，也可以采用以太阳能为主以燃料能为辅的方式。

1. 抛物面镜

抛物面镜-斯特林热机太阳能发电系统中的抛物面镜必须可以根据太阳光的入射角度来调整自身的角度，不仅在水平方向可以调整，在垂直方向上同样可以调整。抛物面镜在反射太阳光的同时将阳光聚

焦在焦点上。抛物面镜的尺寸主要取决于斯特林热机的功率。一般来

讲，在太阳光的辐射功率为1000瓦每平方米的地区，一台25千瓦的斯特林热机需要配备的抛物面镜的直径一般不小于10米。

抛物面镜一般采用塑料或玻璃制成，镜面的镀层采用铝或者银。不过根据经验，采用具有银镀层玻璃抛物面镜比较经久耐用，而且反光率比较高。虽然眼下也有人采用高分子材料来制作抛物面镜，但是效果并不理想。因为抛物面镜的焦距比较短，为了适合抛物面镜的内表面的弧度，其厚度要求比较小（1毫米左右）。同时，玻璃里面铁含量很低，有利于提高抛物面镜的反光率。采用银质镀层的玻璃抛物面镜的反光率可达90—94%。如图2所示。

图2 抛物面镜-斯特林热机发电机组示意图

2. 阳光接收器

由抛物面镜反射并聚焦后的阳光被斯特林热机上的阳光接收器吸收。为了防止阳光反射损失，阳光接收器的光线入口比较小，因为入口处正好是抛物面镜的焦点，虽然直径较小，但仍能保证聚焦后的阳光全部通过。阳光接收器内部的光线吸收装置可非常有效地将光能

转变成热能，并通过有效地热传导加热斯特林热机内部的工作介质，使工作介质具有足够的工作压力。斯特林热机的工作介质一般为氢气或氦气。

阳光接收器接受阳光有两种方式，即直接接收式和间接接收式。直接接收式是通过金属接收器吸收阳光并将其转化为热能，直接由金属接收器加热斯特林热机内的工作介质，保证斯特林热机稳定运行，从而驱动发电机发电；间接接收式是采用金属热管吸收阳光，首先加热热管中的导热介质（例如，熔盐），然后再由导热介质加热斯特林热机中的工作介质，从而驱动斯特林热机发电。实践证明，后者对光的吸收率更高。

图3所示为间接加热式阳光接收器示意图。

图3 间接加热式阳光接收器示意图

3. 斯特林热机

抛物面镜-斯特林热机发电系统依靠斯特林热机把热能转变成机械能，其原理和传统的热力发动机相似。先将低温的工作气体压缩，

然后将工作气体加热到一定温度从而获得一定的压力，然后高压气体推动活塞做功。机械能再经过发电机转变成电能。

抛物面镜-斯特林热机发电系统采用的斯特林热机是高温高压外加热式的热机，工作气体是氢气或氦气，气体的工作温度是700℃，工作压力最大可达20Mpa。斯特林热机在运转中，工作气体持续地被加热及冷却，其体积也在不停地被压缩及膨胀。

如图4所示。斯特林热机包括做功的活塞及活塞缸，加热及冷却工作气体的热交换器，以及迫使工作气体不断在冷热端流动的移气活塞。多数斯特林热机采用了飞轮、曲柄连杆、轭等装置将做功活塞及移气活塞联起来。也有些斯特林热机采用了自由活塞式，做功活塞的运动及移气活塞的运动靠弹簧来实现。

采用斯特林热机发电可获得比较高的热能—电能转变效率，高的已经达到了40%，而斯特林热机的冷却水则成为了发电产生的副产品，可用于采暖、洗浴等。综合看来，斯特林热机发电的热利用效率非常高。所以斯特林热机在太阳能发电中的应用将会越来越广泛。

图4 斯特林热机工作原理示意图

4. 斯特林热机在太阳能发电中的应用举例

目前在在欧美市场上销售的抛物面镜-斯特林热机发电机组多种多样，美国、英国、法国、德国等比较发达的国家都研制成功了抛物面镜-斯特林热机太阳能发电机组并先后投放市场。

用于太阳能发电的比较典型的斯特林热机有以下几种：

4.1 四缸联合式斯特林热机

图5 四缸联合式斯特林热机总装示意图

四缸联合式斯特林热机总装示意图如图5所示。整机有4个活塞缸，活塞既充当了做功活塞又充当了移气活塞，其工作原理如图6所

示。

图6 四缸联合式斯特林热机工作原理示意图

4.2 密闭转动式斯特林热机发电机

为了解决斯特林热机内工作气体的密封问题，某企业研发了密闭

转动式斯特林热机发电机，其结构如图7所示。