碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)研究

韓晨霞

(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 神木 719300)

作為太陽(yáng)能熱利用研究范圍的前沿性課題，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)一直備受各界關(guān)注，其通過(guò)高精確度聚光器匯集低密度太陽(yáng)能，以轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏葻崮?，基于加熱工質(zhì)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換[1]。而作為發(fā)展?jié)撡|(zhì)最佳的碟式太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，以其設(shè)計(jì)的斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡匯聚太陽(yáng)光于接收器，接收器內(nèi)部工質(zhì)持續(xù)加熱到750 ℃，以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

1 斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理[2]具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)與雙軸跟蹤聚光器是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，其中，雙軸跟蹤聚光器為旋轉(zhuǎn)拋物面形狀，以太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)聚光器，促使其與太陽(yáng)相對(duì)，以吸收太陽(yáng)能。而太陽(yáng)能進(jìn)入斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的集熱器中，轉(zhuǎn)換成發(fā)動(dòng)機(jī)工質(zhì)吸收的熱能，以此為發(fā)動(dòng)機(jī)提供熱能源。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要作用是吸收熱能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸功轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)電能，如此太陽(yáng)能便實(shí)現(xiàn)了向電能的整個(gè)轉(zhuǎn)變。斯特林太陽(yáng)能發(fā)電是基于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換熱能為機(jī)械能，通過(guò)反射鏡聚焦入射太陽(yáng)光于焦點(diǎn)，以發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱能收集，并加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)完成發(fā)電工作。

1.2 聚光器

斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)以聚光器聚焦太陽(yáng)光于接收器中，以此為發(fā)動(dòng)機(jī)提供熱源。聚光器則基于太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)加以驅(qū)動(dòng)，實(shí)時(shí)保持與太陽(yáng)正相對(duì)。

聚光器在聚光時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤差，即傾斜誤差、跟蹤誤差、接收器定位誤差、太陽(yáng)光線誤差等等[3]。誤差計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式具體為

截?cái)嘈使郊?/p>

(1)

式中：D為聚光比；Fcoll為開口面積,m2；Frec為腔體開口面積，m2；κ為誤差。

總光學(xué)誤差分布標(biāo)準(zhǔn)誤差即：

(2)

式中：κslp為傾斜誤差；κspec為接收器定位誤差；κw為跟蹤誤差；κrec為太陽(yáng)光線誤差。

1.3 跟蹤控制系統(tǒng)

以光電檢測(cè)追蹤方式與視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式有機(jī)結(jié)合，整合應(yīng)用依賴于絕對(duì)始終開展的視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式與依賴于傳感器開展的光電檢測(cè)方式追蹤太陽(yáng)，充分發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)特性，以期獲取理想效果。雙軸跟蹤控制系統(tǒng)框架[4]具體如圖2所示。

圖2 雙軸跟蹤控制系統(tǒng)框架

所謂雙軸跟蹤主要是為了促使聚光器軸線與太陽(yáng)正相對(duì)，其具體劃分為太陽(yáng)方位角跟蹤與高度角跟蹤?；诮^對(duì)時(shí)間定位太陽(yáng)方向，并檢測(cè)太陽(yáng)與聚光系統(tǒng)的相對(duì)位置以進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)更為精確化。

太陽(yáng)高度角與方位角的調(diào)節(jié)流程具體為：首先粗調(diào)，即傳輸絕對(duì)時(shí)鐘太陽(yáng)高度角或者方位角給定值信號(hào)于電動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)則就信號(hào)進(jìn)行聚光器角度調(diào)整，使得轉(zhuǎn)換于大概與太陽(yáng)相對(duì)應(yīng)的位置；其次細(xì)調(diào)，即基于聚光器上二維相對(duì)位置角傳感器檢測(cè)太陽(yáng)相對(duì)于聚光器的位置，把聚光器位置角度與0°基準(zhǔn)值對(duì)比分析，以獲取信號(hào)，并傳輸于PID控制器加以調(diào)節(jié)，與絕對(duì)時(shí)鐘太陽(yáng)高度角或者方位角給定值信號(hào)疊加處理，然后傳輸所得信號(hào)于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)就信號(hào)為依據(jù)調(diào)整聚光器角度，從而轉(zhuǎn)動(dòng)到與太陽(yáng)相對(duì)應(yīng)的位置，接受照射。

1.4 熱電轉(zhuǎn)換裝置

1.4.1 集熱器

作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能量重要載體，集熱器負(fù)責(zé)將太陽(yáng)能聚光器所采集能量快速準(zhǔn)確傳輸于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱腔內(nèi)，以此為其提供能量。因此就集熱器而言，導(dǎo)熱性應(yīng)保持最佳狀態(tài)，對(duì)此選擇紫銅與太陽(yáng)能電加熱模擬器相互銜接，從而吸收熱量。

集熱器背面具體如圖3所示。

圖3 集熱器背面示意圖

集熱器是基于銅塊與鋼板共同組成的，二者之間以螺絲、螺母相連接，以硅酸鋁絕緣材料進(jìn)行填充，而背面的螺絲、螺母負(fù)責(zé)連接集熱器與太陽(yáng)能電加熱模擬器，以模擬器為集熱器傳輸熱量，而法蘭則與回?zé)崞鞣ㄌm對(duì)接，負(fù)責(zé)走氣。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)集熱器正面具體如圖4所示。

圖4 集熱器正面示意圖

集熱器方板負(fù)責(zé)掩蓋空氣壓縮機(jī)機(jī)頭的氣缸，即所謂的發(fā)動(dòng)機(jī)熱腔。小孔的作用是基于螺絲螺母連接集熱器與空氣壓縮機(jī)機(jī)頭的氣缸，另一個(gè)孔負(fù)責(zé)走氣，是氣缸活塞運(yùn)動(dòng)所需氣體運(yùn)動(dòng)通道。氣體經(jīng)過(guò)氣口進(jìn)出空氣，反復(fù)循環(huán)，在流動(dòng)時(shí)，集熱器將熱量傳輸?shù)娇諝庵衃5]。

1.4.2 回?zé)崞?/p>

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)回?zé)崞骶唧w如圖5所示。

圖5 回?zé)崞魇疽鈭D

回?zé)崞髟O(shè)計(jì)需就發(fā)電系統(tǒng)集熱器與冷卻器位置獲取具體尺寸，根據(jù)二者間距與角度關(guān)系獲取具體長(zhǎng)度。管壁內(nèi)部以絲網(wǎng)進(jìn)行填充，可縮減發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部空間，提升其工作效率。絲網(wǎng)還可儲(chǔ)存熱量，進(jìn)行回?zé)?，從而提升熱利用率?/p>

1.4.3 冷卻器

冷卻器具體如圖6所示。

圖6 冷卻器示意圖

作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零部件，冷卻器的關(guān)鍵作用是通氣、通水，且水氣分離。圖中右側(cè)法蘭負(fù)責(zé)銜接回?zé)崞?，鋼管左?cè)附帶白色紙張的是逆制閥，負(fù)責(zé)為發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部充氣，氣壓越大，則發(fā)動(dòng)機(jī)效率越高[6]。

1.4.4 氣 缸

系統(tǒng)即空壓機(jī)機(jī)頭，選用兩大一小三個(gè)氣缸，一大一小角度相差120°，大氣缸作為熱氣缸；小氣缸作為冷氣缸，具體如圖7所示。

圖7 氣缸示意圖

1.4.5 電 機(jī)

斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)選用了鼠籠型異步電機(jī)，具體如圖8所示。

圖8 電機(jī)

2 斯特林系統(tǒng)模型構(gòu)建

斯特林系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)[7]具體如圖9所示。

圖9 斯特林系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

模型包含太陽(yáng)能-熱能-機(jī)械能-電能能量轉(zhuǎn)換整個(gè)過(guò)程，其中熱、流動(dòng)、機(jī)械與電等相關(guān)問題都于同一模型內(nèi)進(jìn)行研究分析，以促使此模型可模擬仿真系統(tǒng)由啟動(dòng)到輸出功率整個(gè)過(guò)程的穩(wěn)態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能。

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真設(shè)置

碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)[8]具體如表1所示。

基于斯特林系統(tǒng)模型針對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)開展穩(wěn)態(tài)性能仿真計(jì)算分析，結(jié)果具體如表2所示。

通過(guò)表1與表2對(duì)比分析可以看出，穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果與表1數(shù)據(jù)高度吻合。

基于斯特林發(fā)電系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采取電加熱模式仿真太陽(yáng)能針對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電性能做實(shí)驗(yàn)研究。并選擇某地區(qū)2019年10月20日太陽(yáng)直射強(qiáng)度進(jìn)行斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)性能仿真分析，太陽(yáng)直射強(qiáng)度具體如表3所示。

表1 斯特林發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)

表2 發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果

表3 太陽(yáng)直射強(qiáng)度 W·m-2

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 穩(wěn)態(tài)性能仿真結(jié)果

為保持發(fā)動(dòng)機(jī)熱端溫度始終不變，其工質(zhì)壓力應(yīng)基于太陽(yáng)直射強(qiáng)度變動(dòng)實(shí)時(shí)變化。假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端溫度800 K，則系統(tǒng)輸出功率與效率具體如表4所示。

表4 系統(tǒng)輸出功率與效率

由表4可知，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率變化處于持續(xù)平穩(wěn)狀態(tài)，而輸出功率則與太陽(yáng)直射強(qiáng)度變化狀態(tài)相類似。這主要是因?yàn)樗固亓职l(fā)動(dòng)機(jī)的冷端與熱端溫度在穩(wěn)定不變形態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)的做功量只受系統(tǒng)壓力影響。

3.2.2 動(dòng)態(tài)性能仿真結(jié)果

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)充氣中工質(zhì)壓力突躍時(shí)動(dòng)態(tài)性能仿真計(jì)算分析結(jié)果具體如表5所示。

表5 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性仿真計(jì)算結(jié)果

由表5可知，系統(tǒng)熱端溫度基于太陽(yáng)直射強(qiáng)度變大且超出設(shè)定值狀態(tài)時(shí)，開啟充氣閥，則工質(zhì)循環(huán)壓力上升，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端溫度則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。短時(shí)間之內(nèi)太陽(yáng)直射強(qiáng)度不持續(xù)增加的情況下，系統(tǒng)發(fā)電功率表現(xiàn)為先增加，后在溫度降低影響下有所下降。

4 結(jié) 論

綜上所述，太陽(yáng)能熱發(fā)電吸收全光譜太陽(yáng)能，而光伏發(fā)電吸收帶光譜太陽(yáng)能，所以熱發(fā)電效率明顯較高，因此本文以發(fā)電效率最高的碟式太陽(yáng)能發(fā)電為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，詳細(xì)分析了聚光器、跟蹤控制系統(tǒng)、熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換裝置，構(gòu)建了斯特林系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)，基于此模型對(duì)斯特林太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率變化處于持續(xù)平穩(wěn)狀態(tài)，而輸出功率則與太陽(yáng)直射強(qiáng)度變化狀態(tài)相類似；系統(tǒng)熱端溫度基于太陽(yáng)直射強(qiáng)度變大且超出設(shè)定值狀態(tài)時(shí)，開啟充氣閥，則工質(zhì)循環(huán)壓力上升，而發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)熱端溫度則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；短時(shí)間之內(nèi)太陽(yáng)直射強(qiáng)度不持續(xù)增加的情況下，系統(tǒng)發(fā)電功率表現(xiàn)為先增加，后在溫度降低影響下有所下降。