碟式太阳能热发电系统
Dish Solar Thermal Power System

前面介绍的槽式、塔式太阳能发电系统是利用多个反射器大面积聚集热量,集中加热水变蒸汽推动汽轮发电机发电;而碟式太阳能热发电系统每个功率为数十千瓦(小的为数千瓦),碟式太阳能热发电系统可单独存在,也可多台组成碟式太阳能热发电场。

碟式太阳能热发电系统主要由碟式聚光镜、接收器、斯特林发动机、发电机组成,目前峰值转换效率可达30%以上,很有发展前途。

碟式抛物面反射镜
每个碟式太阳能热发电系统都有一个旋转抛物面反射镜用来汇聚太阳光,该反射镜一般为圆形像碟子一样,故称为碟式反射镜。由于反射镜面积小则几十平方米,大则数百平方米,很难造成整块的镜面,是由多块镜片拼接而成。一般几kW的小型机组用多块扇形镜面拼成园形反射镜,如图1左侧照片;也有用多块园形镜面组成,如图1右侧照片。大型的一般用许多方形镜片拼成近似园形反射镜,如图2照片所示。

图1--网上的碟式太阳能系统照片

图2--网上的碟式太阳能系统照片
拼接用的镜片都是抛物面的一部分,不是平面,多块镜面固定在镜面框架上,构成整片的旋转抛物面反射镜。整片的旋转抛物面反射镜与斯特林机组支架固定在一起,通过跟踪转动装置安装在机座的支柱上,斯特林机组安装斯特林机组支架上,机组接收器在旋转抛物面反射镜的聚焦点上,见图3。

碟式太阳能发电系统组成

图3--碟式太阳能发电系统组成

跟踪转动装置由跟踪控制系统控制,保证抛物面反射镜对准太阳,把阳光聚集在斯特林机组的接收器上。有关跟踪知识请浏览本栏目“太阳的视运动与跟踪”章节。

请观看碟式太阳能热发电系统动画, 动画格式 .mp4;分辨率 640x480。

碟式太阳能热发电系统动画
斯特林发电机组

斯特林发动机是一种外燃机,依靠发动机气缸外部热源加热工质进行工作,发动机内部的工质通过反复吸热膨胀、冷却收缩的循环过程推动活塞来回运动实现连续做功。由于热源在气缸外部,方便使用多种热源,特别是利用太阳能作为热源。碟式抛物面聚光镜的聚光比范围可超过1000,能把斯特林发动机内的工质温度加热到650度以上,使斯特林发动机正常运转起来。在机组内安装有发电机与斯特林发动机连接,斯特林发动机的机械输出有直线运动或旋转运动,可带动直线发电机或普通旋转发电机。

斯特林发动机的技术较复杂,在此一下说不清,本网站有“斯特林发动机”栏目专门介绍斯特林发动机的原理与结构,有兴趣请到斯特林发动机栏目浏览。

碟式太阳能使用的斯特林发电机组的前端有太阳能接收器,为斯特林发电机组提供加热源,有关结构在下面介绍。碟式太阳能使用的斯特林发电机组的冷却器通常用风冷,利用风扇直接散热,使工质温度接近外界空气温度,有关结构简单,这里就不再介绍了。

斯特林机组的接收器

在斯特林发动机栏目介绍了利用燃气等燃料燃烧产生热量的外燃系统,这里介绍用如何用太阳光来加热斯特林发动机内的工质。

在斯特林发动机前端有太阳光的接收器也就是斯特林发动机的加热器,下面介绍两种用得较多的结构。

直接加热式太阳能接收器
比较简单的是直接加热式太阳能接收器,其结构如图4所示。U形吸热管一头直接通到斯特林发动机的热气缸上,另一头连通到通往回热器的汇集管上,多根U形管密集排成一圈组成管簇,构成斯特林发动机的加热器。U形管向园中心外侧弯曲,整个管簇犹如盘状,以便接受汇聚的太阳光。U形管管簇有较大的接受阳光面积与较好的流通性,使高速通过的工质迅速得到加热。工质多为氦气或氢气,传热快,换热性能好。

直热式太阳能加热器

图4--直热式太阳能加热器
由于太阳光直接照射在加热器管簇上,直接加热内部的工质,故称之为直接加热式接收器。加热器管簇安装在接收器外壁内,在前方有透明度很高的石英玻璃保证太阳光照射在管簇上。
间接加热式太阳能接收器

间接加热式太阳能接收器多数是利用介质的相变来实现热量传递,主要有池沸腾接收器、热管式接收器以及混合式热管接收器。

下面介绍的池沸腾接收器是较新式的斯特林发动机用相变式太阳能加热器,图5是池沸腾太阳能接收器的结构示意图,图中接收器的角度是接收器安装时(工作时)的实际角度。

池沸腾太阳能接收器

图5 池沸腾太阳能接收器

斯特林发动机的加热器由密集排成一圈的U形管簇组成,U形吸热管一头直接通到斯特林发动机的热气缸上,另一头连通到通往回热器的汇集管上。接收器外壳呈园台状,直径小的一端与气缸端密闭,直径大的一端为汇聚的太阳光入口,入口端的密封板是吸热面,接收器内抽真空,注入适量钠液。有钠液的接收器工作原理类似热管,聚集的太阳光加热钠液,钠液被加热到约700度蒸发,钠蒸汽上升遇到比它温度低的U形管,把热量传给U形管后钠蒸汽又凝结成钠液,钠液由于重力流回吸热板,在阳光加热下又蒸发为蒸汽,整个接收器内部空间呈汽液两相共存状态,就是一个大热管。

为增加钠液与吸热板的接触面积,在吸热板内面有一层特殊结构能吸附钠液使之不流下,称之为吸液芯结构。也可以在吸热板内壁刻许多密集的微形孔槽,阻止钠液下流,称之为微槽板结构。

池沸腾接收器内的各U形加热管受热均匀,相变传热效率高,是一种较好的结构形式。

碟式太阳能使用的斯特林发电机组结构非常紧凑,太阳光的热量直接加热了斯特林发动机的加热器,没有热能储存装置,没有阳光机组就立即停止运转,不像槽式、塔式太阳能发电系统都有储热装置,相比起来这也是碟式太阳能发电系统的不足之处。
 
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