碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的研究

趙小平

（神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西神木,719300）

0 引言

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是推動新能源行業(yè)出現(xiàn)歷史性突破的重要技術(shù)，碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化效率高，未來的發(fā)展空間更加廣闊，實踐應(yīng)用的能力更佳，國外的工業(yè)化進程相對于我國更快，在碟式斯特林太陽能的研究應(yīng)用上更加的成熟，取得的成果也推動了社會的發(fā)展進步。因此對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究是十分必要的，本文論述普通斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，展開分析傳統(tǒng)發(fā)電機的優(yōu)缺點，從而設(shè)計出離網(wǎng)型斯特林太陽能發(fā)電機，實現(xiàn)碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)脫離電網(wǎng)啟動的功能。

1 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

普通斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要有盤狀拋物面鏡、接收器、機械轉(zhuǎn)動裝置、控制裝置、基座和塔架等幾部分組成。普通斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要使用的是交流異步電機作為原動機，交流異步電機的制造工藝需要完全的按照相應(yīng)的設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)化設(shè)計和制作比較復(fù)雜，需要用到特殊的材料模型，成本費用更多，同時，考慮到交流異步電機的特殊性和其他外部因素的影響，雖然普通斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以方便快捷的接入電網(wǎng)，但是對電網(wǎng)的依賴性比較強，啟動時作為電動機，從電網(wǎng)吸收能量帶動斯特林發(fā)動機運轉(zhuǎn)，斯特林發(fā)動機正常工作后作為發(fā)電機向電網(wǎng)提供能量。整個工作過程都離不開外部電網(wǎng)，一旦電網(wǎng)停電或者出現(xiàn)故障，發(fā)電系統(tǒng)將停止工作，因此穩(wěn)定可靠性差，不能很好地滿足未來的生產(chǎn)需求。

2 碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)研究過程中需要解決的實際問題

2.1 傳統(tǒng)的系統(tǒng)效率低下，靈活性差

普通斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)只采用斯特林一種發(fā)電機，在電網(wǎng)發(fā)生故障時需要斷開系統(tǒng)，靈活性差，存在極大安全隱患，操作困難以及效率低下等問題，操作過程中出現(xiàn)的安全風(fēng)險高，難以滿足當(dāng)今時代的發(fā)展需要。

2.2 工作人員專業(yè)能力需要加強

離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究人員必須具備專業(yè)的太陽能相關(guān)知識，同時清楚的了解系統(tǒng)的實際使用情況，深入系統(tǒng)運行的現(xiàn)場進行全面仔細(xì)的考察，充分掌握太陽能發(fā)電系統(tǒng)的環(huán)境因素和運行情況，才能準(zhǔn)確的發(fā)行其中存在的問題和不足。然而部分工作人員缺乏專業(yè)機構(gòu)認(rèn)定的技術(shù)資質(zhì)，在工作期間不能準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)運行存在的各種安全隱患，實踐經(jīng)驗不足，無法切實的做好系統(tǒng)的研究創(chuàng)新工作。

2.3 碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究與未能充分結(jié)合現(xiàn)場實際

離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究在前期階段要充分考慮系統(tǒng)運行對于電網(wǎng)的影響，同時也要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況針對性的做出科學(xué)合理的設(shè)計，針對電網(wǎng)運行和周圍的環(huán)境安全進行科學(xué)的規(guī)劃，在使用過程中要充分考慮可能會對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，提高離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和抗干擾能力，根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境設(shè)計科學(xué)有效的離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)，避免產(chǎn)生更加嚴(yán)重的電網(wǎng)事故。

3 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究

3.1 工作原理

碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本工作原理是利用系統(tǒng)從高溫?zé)嵩次盏臒崃?，膨脹做功，向低溫?zé)嵩捶艧岵⑹湛s，再次從熱源吸收熱量，循環(huán)上述過程，最終產(chǎn)生源源不斷的熱能，在每次循環(huán)過程中，工質(zhì)吸收的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，而工質(zhì)做功過程中通過活塞的往復(fù)運動又帶動發(fā)電機進一步將機械能轉(zhuǎn)化為電能。

碟式太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)的原理如圖1所示。

圖1 碟式太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)

3.2 優(yōu)缺點分析

把斯特林發(fā)動機作為原動機來進行熱電轉(zhuǎn)換，能夠充分的利用太陽能為人們的生產(chǎn)生活服務(wù)，未來具有和好的實踐推廣和應(yīng)用價值。斯特林發(fā)動機作為碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心組件，它內(nèi)部組成主要包括集熱器、回?zé)崞骱屠鋮s器，斯特林發(fā)動機具有振動小、噪音低、排放低，結(jié)構(gòu)簡單、單機容量小，燃料選材廣泛，熱能效率高等優(yōu)點，而且出力和效率不受海拔高度影響，能適應(yīng)各種地區(qū)的環(huán)境。

斯特林發(fā)動機的優(yōu)點很多：斯特林發(fā)動機可以利用太陽能作為供熱源，清潔高效無污染污染；斯特林發(fā)動機由于沒有一般內(nèi)燃機氣閥機構(gòu)和進排氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的強烈噪聲，所以具有低噪聲的特點。

考慮到交流異步電機的局限性，在此提出一種基于直流發(fā)電機的離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)，作為一個獨立的系統(tǒng)，發(fā)電設(shè)備的運轉(zhuǎn)不依賴于外部電網(wǎng)，既可以脫網(wǎng)使用，也可以并網(wǎng)使用。

4 離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

4.1 組成結(jié)構(gòu)

離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)由碟面跟蹤系統(tǒng)、斯特林發(fā)動機、直流發(fā)電機、啟動機、控制系統(tǒng)、逆變器、直流電源和AC380V電網(wǎng)組成，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 離網(wǎng)型碟式斯特林小型太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)

從結(jié)構(gòu)圖中可以看出：

（1）離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的斯特林發(fā)動機和直流發(fā)電機直接相連，直流發(fā)電機配置有啟動機和DC12V電源，直流發(fā)電機通過鋰電池包和逆變器連接電網(wǎng)?？刂葡到y(tǒng)分別連接碟面跟蹤系統(tǒng)、斯特林發(fā)動機、直流發(fā)電機和啟動機。

（2）控制系統(tǒng)和碟面跟蹤系統(tǒng)配置有DC48V電源。碟面跟蹤系統(tǒng)由碟式聚光器、支撐結(jié)構(gòu)、水平運轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)和垂直運轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)組成。碟面跟蹤系統(tǒng)由聚光碟、水平運轉(zhuǎn)驅(qū)動和垂直運轉(zhuǎn)驅(qū)動、支撐結(jié)構(gòu)組成，在控制系統(tǒng)的指揮下實時調(diào)整姿態(tài)，追蹤太陽?？刂葡到y(tǒng)是整個發(fā)電系統(tǒng)的核心，除了控制碟面跟蹤系統(tǒng)追蹤太陽之外，同時控制斯特林發(fā)動機和直流發(fā)電機的啟動、停止和功率調(diào)節(jié)，保證穩(wěn)定的電能輸出。

（3）啟動機為12V通用汽車啟動機，由12V蓄電池供電，通過發(fā)電機輸入軸啟動發(fā)動機。DC450V鋰電池包的主要作用是穩(wěn)定逆變器的輸入電壓，同時為發(fā)電機提供勵磁，能夠平衡發(fā)電機發(fā)電功率的波動，起到緩沖平滑的作用。逆變器輸入450V直流電源，輸出三相380V恒壓、50Hz恒定頻率的交流電，可以供本地用電負(fù)荷使用，也可以并入電網(wǎng)后供遠(yuǎn)方供電負(fù)荷使用。

4.2 系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

離網(wǎng)型發(fā)電機組在原動機做功時，機組輸出電能到蓄電池和負(fù)載，否則由蓄電池給負(fù)載供電，其主要優(yōu)點有：

（1）移動性好：可以根據(jù)需要，就近實現(xiàn)機組的安裝，減少傳輸線路的損耗；

（2）多能互補：可以實現(xiàn)風(fēng)能、生物質(zhì)能源和太陽能等多種能源的互補發(fā)電；

（3）量身定做：可根據(jù)要求調(diào)節(jié)發(fā)電機組的電壓、頻率和功率，使發(fā)電效率提高。

5 促進離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用的有效舉措

5.1 完善相關(guān)研究標(biāo)準(zhǔn)

制定科學(xué)有效的離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)研究方案，并根據(jù)離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)中的運行作用進行實踐研究，完善相關(guān)研究標(biāo)準(zhǔn)，落實全體研究人員的具體責(zé)任，認(rèn)真完成自身的工作任務(wù)。研究的前期要全面考慮整體運行性能，還要考慮可能出現(xiàn)的問題以及對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，確保離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)能夠有效的保障電網(wǎng)安全可靠運行。

5.2 提升全體研究人員的專業(yè)能力

人才對于研究工作是極其寶貴的，尤其是離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的研究對于研究人員要求極為嚴(yán)苛，首先需要研究人員具有高學(xué)歷，最好是電力系統(tǒng)方面的專業(yè)人才，能夠?qū)Φ剿固亓痔柲馨l(fā)電系統(tǒng)的運行情況作出科學(xué)有效的分析，研究人員需要具備專業(yè)技能，在離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的研究中可以提出行之有效的策略解決實際的效率低下，靈活性等難題，研究人員還需要具備學(xué)習(xí)能力，在離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)研究時能夠與時俱進，有效的提升離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)代化運行水平。

5.3 離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的研究需要因地制宜

碟式斯特林太陽能發(fā)電系統(tǒng)運行的環(huán)境相對比較復(fù)雜，各種高壓設(shè)備會產(chǎn)生強烈的電場影響離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的的運行，所以，在設(shè)計階段要科學(xué)合理的安放離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的位置，明確離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)運行的具體作用，確保離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)能夠發(fā)揮價值和作用。離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的研究需要因地制宜，充分結(jié)合整個電力系統(tǒng)的運行情況開展研究設(shè)計，在滿足電力系統(tǒng)運行需求的前提下加強離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的研究，確保離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)能夠科學(xué)高效的為電力系統(tǒng)的運行服務(wù)。

5.4 激發(fā)研究人員主動創(chuàng)新意識

離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的研究需要采用的現(xiàn)代化技術(shù)和設(shè)備，對研究人員的創(chuàng)新創(chuàng)造能力要求較高，管理者要充分激發(fā)研究人員的創(chuàng)新創(chuàng)造意識，培養(yǎng)研究人員主動學(xué)習(xí)和實踐研究的能力，研究人員要充分發(fā)揮自身的主觀能動性，利用創(chuàng)新的方法使得離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的研究與應(yīng)用別出心裁，積極發(fā)揮自身的價值，確保離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)滿足電網(wǎng)運行的要求，同時確保離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)使用的科學(xué)性、合理性，推動我國電力行業(yè)的進一步發(fā)展創(chuàng)新。

6 結(jié)束語

隨著社會對于電網(wǎng)運行的要求越來越嚴(yán)格，離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的研究將會在未來的電網(wǎng)運行中發(fā)揮著重要的作用，國家將會投入更多的資源支持研究人員的工作，鼓勵研究人員主動學(xué)習(xí)國內(nèi)外相關(guān)知識和先進的技術(shù)，深入現(xiàn)場積累實際的研究經(jīng)驗，充分發(fā)揮廣大研究人員的個人才能，采用創(chuàng)新性技術(shù)確保離網(wǎng)型碟式斯特林太陽能小型直流發(fā)電系統(tǒng)的運行靈活可靠，運行高效，推動我國能源事業(yè)發(fā)展再創(chuàng)新輝煌。