碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机的技术分析

　　在化石能源储量日益减少、环境污染问题越来越突出的背景下，太阳能因具有储量丰富、便于获取及无污染等特征，被认为是未来重要的可再生能源。太阳能热发电方式凭借发电成本低、技术成熟、与化石燃料容易构 [本文由wWw. dYLw.neT提供，第一论文网专业代写教育教学论文和毕业论文以及发表论文服务，欢迎光临DyLw.neT]成混合发电系统等优点，成为最被看好的发电方式。在所有的太阳能热发电技术中，碟式太阳能热发电系统因有最高的光电转化效率而具有广阔的发展前景。

　　1 碟式太阳能热发电系统概述

　　1.1 发展动态简介

　　美国Advaned Corporation于1984年建立了一套25 kW碟式斯特林太阳热发电系统，太阳能—电能的最高转换效率记录是29.4%。MDAC建立了8套碟式斯特林热发电系统，系统净效率大于30%，后来MDAC将硬件和技术全部转让给Southern Califonia Edison（SEC）。SEC在1986—1988年间进行试验，年平均效率达12%。20世纪90年代以来，美国的若干企业和研究机构在政府部门的资助下，以项目或计划方式加快碟式太阳热发电技术的研发步伐。2010年1月全球首台1.5 MW商业化碟式太阳能热发电系统在美国投运。

　　在国内，早从1980年左右就开始研究碟式太阳能热发电技术。李鑫、李斌等以能量守恒方程为基础，结合抛物面光学特性，建立一个计算聚光器的数学模型，并采用试算和迭代核算相结合的方法，对聚光器的尺寸进行计算，对太阳能热发电系统的经济性进行分析。高瑶设计了一套5 kW的碟式太阳能热发电系统，并模拟此系统在1 d中的实际工作情况，为我国碟式太阳能热发电技术的开发利用提供了数据支持。

　　1.2 工作原理

　　碟式斯特林太阳能热发电系统主要由聚光器、吸热器、斯特林机等组成，系统原理如图1所示。其工作原理是将投射到聚光器表面的太阳光聚集到吸热器上，吸热器吸收太阳辐射，将其转化为热能并传递给工质，使工质温度升高，形成高温热源送入斯特林发动机，热量转化为机械能后推动发电机运转，对外发出电能。

　　在整个碟式太阳能斯特林发电系统中发挥重要功效的是斯特林发动机，它负责将吸热器吸收的抛物面聚光镜反射汇聚的入射太阳光能量转化为机械能，斯特林发动机提供的机械能带动发电机运转，可以进一步将机械能转化为电能。

　　2 斯特林发动机简论

　　斯持林（strling）发动机是一种外部加热的闭式循环发动机，主要包括冷却器、回热器、集热器、冷腔、热腔等。如图2所示，斯特林发动机的气缸里有两个活塞分别和热腔、冷腔相连，冷腔里的活塞运动将工质等温压缩，热腔活塞保持不动，冷腔吸收工质放出热量；随后冷腔活塞继续运动到上止点，热腔活塞也开始以相同的速率向下止点运动，工质从冷腔流向热腔，流经回热器时吸收一部分热量，温度升高，压力增大，实现等容加热；随后高温高压的工质膨胀做功，热腔活塞运动到下止点，冷腔活塞保持不动，同时工质流经加热器吸收热量，温度保持不变，实现等温膨胀；随后，冷腔活塞开始向下止点运动，热腔活塞以相同的速率向上止点运动，工质从热腔流向冷腔，流经回热器时散失一部分热量，温度降低，压力减小。斯特林发动机凭借上述循环过程将热能转化为机械能，从而带动发电机发出电能。

　　2.1 斯特林循环

　　斯特林循环是一种理想的热力循环，由两个等温过程和两个等容过程组成。图3表明斯特林循环和实现斯特林循环的循环系统及动作过程。循环系统由1个装有两个活塞的气缸构成，在2个活塞间设有回热器。回热器在一个循环中交替从工质吸收热能和向工质释出热能，因而可以将它设想为一块热力海绵。回热器两侧由活塞和气缸组成的腔室分别形成热的膨胀腔（又叫热腔）和冷的压缩腔（也叫冷腔）。这两个腔室的容积变化分别由活塞控制。斯特林循环有4个热力过程组成：等温压缩过程、等容加热过程、等温膨胀过程、等容冷却过程。

　　2.2 关键技术

　　斯特林发动机的关键技术包括性能仿真、热交换器设计与制造、密封和控制等。性能仿真技术主要是对实际的斯特林循环进行模拟仿真，国际上应用较多的是二级分析法和三级分析法（节点分析法）。由于这两种分析法建立的模型与实际工作过程有很大差别，因此需要建立精度更高、更接近实际的CFD模型，以提高模型的精度，进而提高斯特林发动机的综合性能。

　　换热器是斯特林发动机的重要组成部分，换热器上的损失（回热损失、流阻损失、轴向导热损失等）是斯特林发动机的主要损失，因此换热器的设计与制造技术是影响斯特林发动机综合性能的重要因素。

　　由于斯特林发动机主要靠工质在汽缸内的往复运动进行工作，因此提高斯特林发动机的密封技术（无论是对提高性能还是增加寿命）具有重要意义。

　　控制技术是调节斯特林发动机工作的核心技术，但斯特林发动机的控制技术远不如内燃机成熟，因此提高斯特林发动机的控制技术，对提高斯特林发动机和碟式太阳能热发电系统的综合性能有着重要意义。

　　3 斯特林发动机在碟式太阳能热发电系统中的应用

　　斯特林发动机在太阳能热发电领域有着重要的应用。用斯特林发动机作为动力系统的太阳能热发电技术，在美国和澳大利亚等国家已经取得了实质性的突破，很多实验电站已经运行多年，大规模的商业运行电站正在建立。2005年8月11日，SCE公司（Southern California Edison）和SES公司（Stirling Energy Systems）宣布签订20 a采购协议，由SES公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500 MW并逐步扩大到850 MW的太阳能热发电站。该电站预计将由2万个碟式斯特林发电系统组成，占地18 km2，这是太阳能斯特林发动机技术在商业发电领域第一次大规模应用。2005 年10月12日，SES公司宣布与SDG&E公司（San DiegoGa 遮挡视线，具有其它活动遮阳方式不可替代的优点，非常适于夏热冬冷气候地区住宅建筑的窗设计。

　　炎热的夏季，一方面，外遮阳阻止了大部分辐射热进入室内，使室内温度在正午可以比无遮阳方式降低5℃以上，大大降低了室内制冷能耗；另一方面，它使室内形成较均匀分布的温度场，更易于满足人对舒适度的要求。寒冷的冬季，窗在建筑节能中的作用比较特殊：白天，它将大量的太阳辐射能引入室内，减少采暖负荷；夜晚，窗的传热系数远大于墙体，因此又成为冷桥，加大了建筑的热损失。而百叶外遮阳形式可利用百叶的可调节特性，在百叶与窗之间形成一个相对封闭的空气间层，作为温度缓冲层，在冬季成为窗的保温设施。百叶与窗户之间的空气间层，是影响这个系统效率的关键。测量结果表明：当百叶与窗户之间的距离为300mm时，系统效率最高，当百叶开启45℃时的遮阳效果最好。

　　其次是窗的多层玻璃构造。多层玻璃构造在使用玻璃幕墙的公共建筑中有很多应用，经过改造可以用于夏热冬冷地区的城市住宅的窗设计中。其基本型式是安装内外层玻璃，内外层间的空腔中设置可调节百叶遮阳，同时内外层玻璃都要设置可开启通风口。一般而言，多层玻璃构造窗的空腔厚度为500mm，遮阳百叶距离内层玻璃300mm；内层使用小间隙双层玻璃，外层用钢化玻璃，保护内部遮阳百叶；内部的百叶也可以用卷帘、窗帘等可调节的遮阳措施代替，但是百叶的效果最好。

　　夏季白天，遮阳百叶闭合，阻挡太阳光辐射，同时通风口打开，利用自然通风排出空腔中的热量；夏季夜晚，百叶转动打开，以利于室内的冷辐射带走热量。冬季白天，空腔内百叶转动打开使得太阳光辐射进入室内，改善室内的光热环境，同时通风口闭合使空腔内形成密闭空气隔离层，增加窗的保温性能；冬季夜晚，百叶闭合，以减小室内冷辐射带来的热量散失。

　　3、阳台的施工与改造

　　首先有开敞阳台。测量数据表明，从南向窗进入室内的辐射能流在正午达到最大，达150W/m2，而此时的温差能流则不足前者的三分之一，散射和反射能流占了辐射能流的主要部分；从西向窗进入室内的辐射能流则在下午15点30分左右达到最大，达500W/m2，而直射能流在下午13点10分之后就开始超过散射、反射和温差能流，构成了西向辐射能量的主要部分。

　　因此，阳台及其相邻房间室内热环境状况与房间朝向密切相关，直射光和漫射光分别在不同朝向中扮演了影响室内得热的主角：对于带有南向阳台的房间，漫射光是室内得热的主要原因：而对于带有西向阳台的房间，直射光则是室内得热的主要原因。同时，由东、西两个朝向的对称性可以推断：直射光对于东向阳台热环境状况也起主导作用。

　　开敞阳台的楼板可以看作是下层房间的水平遮阳板。这对带有东、西向开敞阳台的房间的热舒适度有改善作用，但是对带有南向开敞阳台的房间，水平遮阳方式并不能有效减少其得热问题，同窗的遮阳一样，应该使用可变化的遮阳措施。

　　另外还有南向封闭阳台。夏热冬冷地区很多住宅都安装了玻璃封闭的凸阳台，这在有意无意中都起到了提高冬季住宅室内温度的效果。此时，玻璃封闭阳台就作为了一种集热设施，它能有效改善阳台的热舒适性，也可为与其毗邻的房间供热，是冬季人们休息、娱乐、养花、养鱼的一种较为舒适的室内环境。值得注意的是，仅有一层高的南向封闭阳台，其所产生烟囱效应远不敌温室效应，因而在夏季会带来严重的过热问题。

　　大量实测结果表明，在夏季天气阳光充足时，有玻璃封闭凸阳台的房间，室内气温比室外高，而且夜晚不易散热。因此，南向封闭阳台有必要考虑可调节的遮阳措施，其方法同前面窗的遮阳改造。

　　民用建筑节能中应用太阳能具有两大优点，其一，节约常规能源，减少环境污染；其二，利用太阳能所创造的室内环境比利用常规能源所创造的室内环境（例如空调）具有更好的空气品质，更健康、更适合人类居住。被动式太阳能建筑作为一种简单、经济、环保的节能建筑型式已成为建筑界节能降耗研究工作中的一个重要课题，它将与主动式太阳能建筑一起，成为我国今后建筑业发展的主流方向。