碟式太阳能热发电系统的原理与构造.pdf

碟式太阳能热发电系统的原理与构造 芃 摘要： 碟式太阳能热发电系统由碟式抛物面聚光镜、接收器、斯特林发动机、 发电机组成，本文介绍了碟式抛物面聚光镜的结构，并介绍了碟式太阳能接收器 的原理与结构。 关键字：碟式太阳能发电系统，碟式抛物面反射镜，直接加热式太阳能接收器， 间接加热式太阳能接收器，池沸腾接收器，相变式太阳能加热器，斯特林发动机 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，是一种有前途的太阳能热利用装置。 1. 碟式抛物面反射镜 碟式太阳能热发电系统采用旋转抛物面汇聚太阳光，旋转抛物面是抛物线绕 轴线旋转形成的面。与抛物面轴线平行的光线照射到镜面时，光线会聚焦到焦点， 在焦点放置的物体会被加热到很高的温度，见图1。 图1 旋转抛物面聚光镜 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，圆 形的反射镜像碟子一样，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2 左侧照片；也有用多块园形镜 面组成，如图2 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3 照片所示。 图2 网上的碟式太阳能系统照片 图3 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4 。 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。关于跟踪知识请浏览“鹏芃科艺”网站 （）的“聚光太阳能热利用”栏目“太阳的视运动与跟踪”章 节。在该栏目的“碟式太阳能热发电系统”章节有碟式太阳能热发电系统动画， 可在线观看或下载。 图4 碟式太阳能发电系统组成 2. 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，斯特林发动机带动发电机旋转发电。 斯特林发动机的技术较复杂，就不在这里介绍了，在“鹏芃科艺”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。 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采用风冷，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，这里就不作介绍了。 3. 斯特林机组的接收器 在碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机的加热器通过接收器得到聚集太 阳光的热量。接收器安装在斯特林发动机的前端，下面介绍两种用得较多的接收 器结构。 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，加热器就是接收器，其结构如图5 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。 图5 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 璃保证太阳光无损的照射在管簇上。