碟式斯特林太阳能发电系统研究

韩晨霞

(神木职业技术学院， 陕西 神木 719300)

作为太阳能热利用研究范围的前沿性课题，太阳能发电技术一直备受各界关注，其通过高精确度聚光器汇集低密度太阳能，以转变为高密度热能，基于加热工质驱动发电机，以实现光电转换[1]。而作为发展潜质最佳的碟式太阳能发电技术，以其设计的斯特林太阳能发电系统，通过旋转抛物面反射镜汇聚太阳光于接收器，接收器内部工质持续加热到750 ℃，以驱动发电机进行发电。

1 斯特林太阳能发电系统设计

1.1 系统原理

斯特林太阳能发电系统原理[2]具体如图1所示。

图1 系统原理

斯特林发动机与双轴跟踪聚光器是太阳能发电系统的重要构成部分，其中，双轴跟踪聚光器为旋转抛物面形状，以太阳跟踪系统驱动聚光器，促使其与太阳相对，以吸收太阳能。而太阳能进入斯特林发动机的集热器中，转换成发动机工质吸收的热能，以此为发动机提供热能源。斯特林发动机是整个系统的关键部件，主要作用是吸收热能转换成动能，将发动机输出轴功转换为发电机电能，如此太阳能便实现了向电能的整个转变。斯特林太阳能发电是基于发动机转换热能为机械能，通过反射镜聚焦入射太阳光于焦点，以发动机进行热能收集，并加热工质，驱动发电机完成发电工作。

1.2 聚光器

斯特林太阳能发电系统以聚光器聚焦太阳光于接收器中，以此为发动机提供热源。聚光器则基于太阳跟踪系统加以驱动，实时保持与太阳正相对。

聚光器在聚光时经常会出现误差，即倾斜误差、跟踪误差、接收器定位误差、太阳光线误差等等[3]。误差计算的经验公式具体为

截断效率公式即

(1)

式中：D为聚光比；Fcoll为开口面积,m2；Frec为腔体开口面积，m2；κ为误差。

总光学误差分布标准误差即：

(2)

式中：κslp为倾斜误差；κspec为接收器定位误差；κw为跟踪误差；κrec为太阳光线误差。

1.3 跟踪控制系统

以光电检测追踪方式与视日运动轨迹追踪方式有机结合，整合应用依赖于绝对始终开展的视日运动轨迹追踪方式与依赖于传感器开展的光电检测方式追踪太阳，充分发挥二者优势特性，以期获取理想效果。双轴跟踪控制系统框架[4]具体如图2所示。

图2 双轴跟踪控制系统框架

所谓双轴跟踪主要是为了促使聚光器轴线与太阳正相对，其具体划分为太阳方位角跟踪与高度角跟踪。基于绝对时间定位太阳方向，并检测太阳与聚光系统的相对位置以进行PID调节，确保系统更为精确化。

太阳高度角与方位角的调节流程具体为：首先粗调，即传输绝对时钟太阳高度角或者方位角给定值信号于电动执行结构，机构则就信号进行聚光器角度调整，使得转换于大概与太阳相对应的位置；其次细调，即基于聚光器上二维相对位置角传感器检测太阳相对于聚光器的位置，把聚光器位置角度与0°基准值对比分析，以获取信号，并传输于PID控制器加以调节，与绝对时钟太阳高度角或者方位角给定值信号叠加处理，然后传输所得信号于电动执行机构，机构就信号为依据调整聚光器角度，从而转动到与太阳相对应的位置，接受照射。

1.4 热电转换装置

1.4.1 集热器

作为斯特林发动机能量重要载体，集热器负责将太阳能聚光器所采集能量快速准确传输于斯特林发动机热腔内，以此为其提供能量。因此就集热器而言，导热性应保持最佳状态，对此选择紫铜与太阳能电加热模拟器相互衔接，从而吸收热量。

集热器背面具体如图3所示。

图3 集热器背面示意图

集热器是基于铜块与钢板共同组成的，二者之间以螺丝、螺母相连接，以硅酸铝绝缘材料进行填充，而背面的螺丝、螺母负责连接集热器与太阳能电加热模拟器，以模拟器为集热器传输热量，而法兰则与回热器法兰对接，负责走气。

斯特林发动机集热器正面具体如图4所示。

图4 集热器正面示意图

集热器方板负责掩盖空气压缩机机头的气缸，即所谓的发动机热腔。小孔的作用是基于螺丝螺母连接集热器与空气压缩机机头的气缸，另一个孔负责走气，是气缸活塞运动所需气体运动通道。气体经过气口进出空气，反复循环，在流动时，集热器将热量传输到空气中[5]。

1.4.2 回热器

斯特林发动机回热器具体如图5所示。

图5 回热器示意图

回热器设计需就发电系统集热器与冷却器位置获取具体尺寸，根据二者间距与角度关系获取具体长度。管壁内部以丝网进行填充，可缩减发电系统内部空间，提升其工作效率。丝网还可储存热量，进行回热，从而提升热利用率。

1.4.3 冷却器

冷却器具体如图6所示。

图6 冷却器示意图

作为斯特林发动机复杂零部件，冷却器的关键作用是通气、通水，且水气分离。图中右侧法兰负责衔接回热器，钢管左侧附带白色纸张的是逆制阀，负责为发电系统内部充气，气压越大，则发动机效率越高[6]。

1.4.4 气 缸

系统即空压机机头，选用两大一小三个气缸，一大一小角度相差120°，大气缸作为热气缸；小气缸作为冷气缸，具体如图7所示。

图7 气缸示意图

1.4.5 电 机

斯特林太阳能发电系统选用了鼠笼型异步电机，具体如图8所示。

图8 电机

2 斯特林系统模型构建

斯特林系统模型结构[7]具体如图9所示。

图9 斯特林系统模型结构

模型包含太阳能-热能-机械能-电能能量转换整个过程，其中热、流动、机械与电等相关问题都于同一模型内进行研究分析，以促使此模型可模拟仿真系统由启动到输出功率整个过程的稳态性能与动态性能。

3 系统仿真分析

3.1 仿真设置

碟式斯特林太阳能发电系统主要参数[8]具体如表1所示。

基于斯特林系统模型针对太阳能发电系统开展稳态性能仿真计算分析，结果具体如表2所示。

通过表1与表2对比分析可以看出，稳态性能仿真结果与表1数据高度吻合。

基于斯特林发电系统性能实验平台，采取电加热模式仿真太阳能针对斯特林发动机发电性能做实验研究。并选择某地区2019年10月20日太阳直射强度进行斯特林太阳能发电系统性能仿真分析，太阳直射强度具体如表3所示。

表1 斯特林发电系统主要参数

表2 发电系统稳态性能仿真结果

表3 太阳直射强度 W·m-2

3.2 仿真结果

3.2.1 稳态性能仿真结果

为保持发动机热端温度始终不变，其工质压力应基于太阳直射强度变动实时变化。假设发动机热端温度800 K，则系统输出功率与效率具体如表4所示。

表4 系统输出功率与效率

由表4可知，太阳能发电系统的发电效率变化处于持续平稳状态，而输出功率则与太阳直射强度变化状态相类似。这主要是因为斯特林发动机的冷端与热端温度在稳定不变形态下，发动机的做功量只受系统压力影响。

3.2.2 动态性能仿真结果

太阳能发电系统充气中工质压力突跃时动态性能仿真计算分析结果具体如表5所示。

表5 系统动态性仿真计算结果

由表5可知，系统热端温度基于太阳直射强度变大且超出设定值状态时，开启充气阀，则工质循环压力上升，而发动机转速不变时，发动机热端温度则呈现下降趋势。短时间之内太阳直射强度不持续增加的情况下，系统发电功率表现为先增加，后在温度降低影响下有所下降。

4 结 论

综上所述，太阳能热发电吸收全光谱太阳能，而光伏发电吸收带光谱太阳能，所以热发电效率明显较高，因此本文以发电效率最高的碟式太阳能发电为基础，设计了斯特林太阳能发电系统，详细分析了聚光器、跟踪控制系统、热点转换装置，构建了斯特林系统模型结构，基于此模型对斯特林太阳能发电系统进行了仿真分析，结果表明，太阳能发电系统的发电效率变化处于持续平稳状态，而输出功率则与太阳直射强度变化状态相类似；系统热端温度基于太阳直射强度变大且超出设定值状态时，开启充气阀，则工质循环压力上升，而发动机转速不变时，发动机热端温度则呈现下降趋势；短时间之内太阳直射强度不持续增加的情况下，系统发电功率表现为先增加，后在温度降低影响下有所下降。