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1、盘式太阳能热动力发电,盘式太阳能热动力发电简称盘式发电，又称蝶式发电。采用旋转抛物面聚光器，聚光比在2500-3000之间，集热温度多在850度以上，因此盘式发电为高温太阳能发电。,盘式太阳能热动力发电装置的系统组成与工作原理 1.装置系统组成 装置由四部分组成：旋转抛物面聚光器，热动力发电机组，储能装置，监控系统。,2.装置工作原理 盘式太阳能热动力发电的工作原理是，在旋转抛物面聚光器焦点处，配置空腔接收器或热动力发电机组，加热工质，推动热动力发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。根据热力循环原理不同，又分为两种形式： a.太阳能蒸汽朗顿循环热动力发电 将小型空腔接收器配置在旋转抛物面聚光器
2、的焦点，直接或间接产生高温高压蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。 b.太阳能斯特林循环热动力发电 将热气发电机组配置在抛物面聚光器的焦点，直接接收聚焦后的太阳辐射能，加热汽缸中的工质，推动热气发电机组工作。热气机为外燃机，即著名的斯特林机。,旋转抛物面聚光器 1.旋转抛物面的聚光设计 以抛物线方程为母线方程，绕主轴线旋转一周，即为旋转抛物面，构成盘形点聚焦聚光器。旋转抛物面和槽型抛物面的母线方程均为抛物线方程，所以它们的聚光特性又很多相同和相近之处。,2.旋转抛物面聚光器的镜面利用系数 对旋转抛物面，不同深度的镜面，所能接收到的太阳辐射强度也不一样，镜面不同部位对聚光起的作用不一样。 镜面利用系数定
3、义为聚光器光孔面积与镜面面积之比。,3.旋转抛物面的聚光性能分析 旋转抛物面的主要光学参数包括焦距f,聚光器光孔直径d,边缘角，而其主要光学性能参数是聚光比C，光学效率和投射辐射通量分布。 （1）主要光学参数关系式,（3）光学效率 聚光器的光学效率，主要取决于它的各种漏光损失。 （4）投射辐射通量分布 焦平面上投射辐射通量分布，与很多设计和加工因素有关，而主要决定于聚光器的加工精度。聚光器的实际投射辐射通量，应根据实际测量确定。 （5）主要光学参数的设计选择 a.当母线方程的p值确定后，焦斑区域的尺寸和位置也就确定，通常镜深越大，焦斑区域的能量密度越高，但镜面利用系数变低。为兼顾利用系数，降低
4、成本，选择镜深小于焦距。b.聚光器、接收器的设计尺寸先由焦斑尺寸方程计算，再参照转换效率和成本综合选择。,4.旋转抛物面聚光器的结构设计 （1）镜面结构 旋转抛物面聚光器的镜面结构和槽型抛物面聚光器完全相同，可以是表面镜，背面镜或粘贴反光薄膜。典型设计都采用低铁超白玻璃镀银背面镜。巨形旋转抛物面聚光器，一般由多片弧形镜面组装而成，镜面研磨光洁，采用机械固件将它们和盘面结构组装成一个坚固、连续而完整的薄壳镜面盘体。,（2）镜面盘体结构 旋转抛物面聚光器镜面盘体的传统结构为型钢框架，即在整体钢结构框架上，精确定位与安装镜面，形成连续的抛物反射面。这种传统结构的镜面盘体较重，自然跟踪机构的功率消耗也
5、大，价格也高。近年提出一种新型的结构设计，是以树脂为基础结构，将一种聚合物反射薄膜或者薄玻璃反射镜面粘贴到基础结构上，使得制成的聚光器结构更加轻便也更便宜。,（3）镜面盘体跟踪机构 镜面盘体的中心支承通过三点与机座的减速齿轮机构相连接。跟踪机构的仰角传动极限为-2度到90度，传动齿轮比为18300比1，以此跟踪太阳高度角。方位角的传动极限为正负240度，传动齿轮6级变速，传动比为23850比1，以此跟踪太阳方位角。,空腔接收器 盘式太阳能热动力发电机组，一般采用圆柱形或球形陶瓷空腔接收器，取其结构上能与热气机膨胀腔具有良好的配置，以及具有良好的热性能。例如法国10kW盘式太阳能斯特林热动力发电
6、装置，采用圆柱形空腔接收器，直径为30厘米，深度为12厘米，空腔光孔直径19厘米。实际的测量结果是，从聚光器反射的太阳辐射能85%进入接收器空腔内，78%的太阳辐射直接投射到接收管上，7%投射到空腔壁面上。,1.两种加热设计 （1）直接加热设计 聚焦的入射太阳辐射直接投射到热气机加热管上，吸收太阳辐射能，加热工质，驱动斯特林发电机组发电。 优点：日落之后可以在加热管的背面燃烧天然气，从而热动力发电机组可能全天连续运行。,（2）间接加热方式 聚焦的入射太阳辐射投射到高效钠热管上，吸收太阳能，产生钠蒸汽，再去加热管加热工质，驱动斯特林发电机组发电。凝结的液态钠，经表面毛细结构返回到钠热管里，再行循
7、环加热。,2.钠热管 盘式太阳能斯特林热动力发电装置，接收器较多应用钠热管技术，取其传热性能优越，工作温度高。钠热管单位平方厘米面积的传热率为1kW，钠蒸汽的工作温度接近800度。,结构设计原理 钠热管接收器的主体由圆拱形钠热管和石英玻璃圆拱组成，两者配制成一体，外面包着很厚的陶瓷保温罩，形成拱形吸收空腔。圆拱形钠热管的下尖顶为钠池，沿钠热管的太阳辐射吸收面设置灯芯，用来泵吸池中的液态钠，送到钠热管的吸收面进行加热，变成钠蒸汽进入热气机的加热管腔，与加热管进行热交换，自己凝结成液态的钠从侧面的回流管回到钠池，如此循环。由于盘式太阳能斯特林机组正常工作位置是倾斜的，所以液态钠依靠自身重力作用就可
8、回到钠池。,蒸发区钠蒸汽的压力分布 钠热管的工作依赖于灯芯的毛细泵吸作用，灯芯的泵吸力要克服液态钠的流动阻力和体积力。灯芯中钠流动的压力降受运行温度和接收器方位的影响。对给定的太阳辐射通量，钠沿灯芯流动方向的压力将随运行温度的增高而降低，这是由于温度升高，钠的粘性降低。但另一方面，由于高温时表面张力的下降，所以灯芯的毛细泵吸力也下降。所以当系统运行在高温时，灯芯将难以供给足够的液态钠，从而影响钠热管的正常工作。此外，接收器轴的方位处于水平位置时，钠池集中在拱形钠热管下半部，上半部灯芯接触不到钠池失去供给功能，同样影响钠热管的正常工作。所以设计钠热管，必须考虑在高温下，灯芯能从钠池泵吸足够的液态
9、钠。,灯芯的设计选择 （1）材料选择 金属丝网 金属丝网的编制形式和金属丝直径，可以在很宽的范围内选择。在热管技术中，表征金属丝网性能的主要参数为有效孔隙尺寸、丝网厚度、孔隙率和渗透率。它们的数值，主要取决于编制丝网目数和金属丝直径的不同组合。用细金属丝编织成网目数少的粗网，较容易拉成拱形，而网目数大的细网，则是将其置于两片铝箔之间进行层压，制成拱形。目前的热管大都采用金属丝网制作灯芯。,粉末烧结金属 粉末烧结金属的性能，随粉末大小和形状以及在成品中粉末的密度而变化。一般粉末烧结金属的有效孔隙尺寸较小，因此制成的灯芯可以具有很高的泵吸力，但是孔隙率不高，例如10微米孔隙半径的灯芯，孔隙率只有4
10、0%，这会导致低的渗透力，增大灯芯中的压力降。粉末烧结金属制作灯芯技术，尚在研发中。,（2）参数设计选择 有效孔隙半径 研究表明，为了使灯芯中不致产生过高的压力降，灯芯的最大容许有空隙径半径必须低于70微米。当有效孔隙半径达到70微米时，灯芯厚度与渗透率的乘积必须大于750 。200目的金属丝网灯芯厚度与渗透率的乘积为5 ，如果采用这种金属丝网制作灯芯，需要150层才能满足要求，而采用单一金属丝网制作的多层灯芯，会产生过大的温度降。 复合结构 选用粗网和细网相结合的方式。比如选56目的粗网和325目的细网制作复合灯芯，不明显加大灯芯的温度降。,斯特林发电机组 热气机又称斯特林机。1816年爱尔
11、兰人斯特林发明。它是由气缸外部加热，推动缸内气体工质循环做工，故称外燃机。 （1）热气机分类 曲柄连杆式 自由活塞式,热气机的运行,1、真空加热透镜，2、连接管接出口，3、换热式回热器， 4、发电机，5、热量流出端网罩，6、热量流出端气缸， 7、机体，8、热量流入端气缸，9、蓄热室。,蓄热式太阳能斯特林发电机结构（1）,一种蓄热式太阳能斯特林发电机已于2013年6月26日申请中国专利，专利号201310261858.9 。斯特林可逆热机（200710050949.2）、一种太阳能斯特林发电机（201110077563.7）、一种斯特林热机换热式回热器（201210000717.7）、一种斯特林
12、热机工况控制器（201110035499.6） 、多环连接型斯特林可逆热机（201210174097.7）、一种斯特林热机换热装置（201210383424.1）等中国发明专利是本发明的支撑技术。,蓄热式太阳能斯特林发电机结构（2）,蓄热式太阳能斯特林发电机的热机是6个工作腔、双环连接型斯特林发动机。,蓄热式太阳能斯特林发电机结构（3）,真空加热透镜1安装在热量流入端蓄热室9的端面上。蓄热室9位于热量流入端中央，蓄热室9内有热量流入端气缸与回热器连接管，并充满熔融盐和固态蓄热介质。,蓄热式太阳能斯特林发电机结构（4）,热量流入端气缸与回热器连接管接出口2到换热式回热器3之间的连接管没有画出，要
13、求材料绝热性好。换热式回热器3到热量流出端气缸6之间的连接管也没画出，要求材料导热性好，管路上还要设置散热片。蓄热室9和热量流入端气缸8都外包绝热层。,蓄热式太阳能斯特林发电机结构（5）,热机转子置于机体7中央，6个活塞组对称卡在热机转子上。活塞组两端的活塞分别插入热量流入端气缸8和热量流出端气缸6内。发电机4置于热量流出端气缸6中央的二级密封腔内，发电机转轴与热机转子轴相连。发电机4与热量流出端网罩5之间布置换热式回热器3到热量流出端气缸6之间的连接管。控制系统在此连接管上连通6个工作腔。,蓄热式太阳能斯特林发电机结构（6）,斯特林发动机设计理论计算,斯特林发动机设计理论计算（1）,斯特林可
14、逆热机的设计理论已经很完善，由输出功计算公式、平均温度计算公式、限极压力与平均温度关系式、热机效率定义式组成。中国发明专利多环连接型斯特林可逆热机实施例给出了计算过程。,输出功计算公式：,平均温度计算公式：,极限压力与平均温度关系式：,蓄热式太阳能斯特林发电机优点,一、同时具备可蓄热和热机效率高的特点，发电质量高，可直接上网，成为基础电力。二、实行风冷散热，适宜缺水地区发电，节约水资源，同时降成本。三、整个发电过程没有污染物排放。四、蓄热介质不流动，可选用价廉的固态液态混合物。五、可利用坡地、公路隔离带等槽式系统、塔式系统无法利用的土地，提高土地资源的综合利用率。六、发电成本有低于现有火电的潜
15、力。,机组支撑结构 （1）支杆支撑结构 早期研发的盘式发电装置，多采用支杆支撑结构，即在盘体上伸出3根或4根支撑杆，将发电机组架置在旋转抛物面聚光器的焦点位置，与镜面盘体构成一体。其优点是结构简单，缺点是跟踪系统的负载大，以及需要解决高温高压油管、水管、汽管等的活动密封连接技术。目前这种支撑结构已不再采用。,（2）桁架或鹅颈结构 现代盘式发电装置，机座大多采用桁架或鹅颈结构，将热动力发电机组定位架设在旋转抛物面聚光器的焦点位置。其优点是热动力发电机组与镜面盘体分开，这样镜面跟踪系统负载小，没有油、气、水等管路的活动密封连接问题，但机组与镜面盘体两者之间，需要精密的结构配置设计。,典型盘式太阳能
16、热动力发电装置介绍 1.盘式太阳能3kW自由活塞式斯特林发电装置 美国公司早年生产有RG-1000型自由活塞式斯特林发电机组，发电功率1kW，全封闭结构，运行噪声极低，由于全封闭，机组寿命长，大约50000小时。公司从2008年开始研发同型号3kW自由活塞式斯特林发电机组，制成3kW盘式太阳能自由活塞式斯特林热动力发电装置，该装置高6.4米，聚光器直径4.6米，可以多台并联发电，构成发电场。目前正在推广商用，每台价格20000美元。,2.盘式太阳能25kW曲柄连杆式斯特林发电装置 这是美国公司早期生产的盘式太阳能斯特林热动力发电装置。其抛物面聚光器由82枚反射镜面组成，每枚镜面尺寸为91cm1
17、22cm,动力机为曲柄连杆式斯特林机，4缸，双行程。热气机膨胀腔由大量U形管围成圆柱空腔，构成圆柱形空腔接收器，空腔开口直径20厘米。盘形抛物面聚光器直径11米，当太阳直射辐射强度850W/m2时，投射到接收器上的热功率为86.8kW,U形管对太阳辐射能直接吸收，多台装置组成发电场。,3.盘式太阳能朗顿循环热动力发电装置 20世纪80年代，我国湘潭电机厂与美国公司合作，研制了5kW盘式太阳能朗顿循环热动力发电装置。整机由六个部件组成：旋转抛物面聚光器，空腔接收器，热动力发电机组，储能装置，跟踪系统，机座。从聚光器镜面盘体上伸出4根支撑杆，将空腔接收器架置在旋转抛物面聚光器的焦点处，构成一整体，通过齿轮变速机构承架在机座上。热动力发电装置与聚光器分置于机座两侧。系统配置了一个蓄电池组，置于地面基础上。装置总高2.8米，重4.6吨。,
