摘 要： 提出一種基于碟式斯特林發(fā)電機(jī)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置。采用碟式斯特林發(fā)電機(jī)替換傳統(tǒng)裝置中常用的太陽能電池板，提高太陽能轉(zhuǎn)換效率。碟式斯特林發(fā)電機(jī)與風(fēng)力發(fā)電裝置充分互補(bǔ)，提高裝置的穩(wěn)定性和可靠性。碟式斯特林發(fā)電機(jī)可固定在風(fēng)機(jī)的塔架上，充分節(jié)約土地資源。基于碟式斯特林發(fā)電機(jī)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置可有效解決遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)山區(qū)、牧區(qū)，以及短時間內(nèi)主網(wǎng)難以到達(dá)的、用電負(fù)荷需求較小的地區(qū)的供電需求。

　　關(guān)鍵詞： 碟式斯特林發(fā)電機(jī);風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置;太陽能電池板;轉(zhuǎn)換效率

　　《福建水力發(fā)電》(半年刊)創(chuàng)刊于1988，是由福建省水力發(fā)電工程學(xué)會 福建省水利水電勘測設(shè)計研究院主辦的期刊。

　　引言

　　當(dāng)前，能源危機(jī)與環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻，潔凈高效、環(huán)保無污染的可再生能源在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛[1]。在我國，太陽能和風(fēng)能是最常見、最豐富的可再生能源[2]。顧名思義，太陽能發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的過程，風(fēng)能發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程。然而，受晝夜、地理位置及氣候的影響，單一的太陽能或風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)能量密度較低，產(chǎn)生的電能的穩(wěn)定性較差[3]。為了充分發(fā)揮兩者的共同優(yōu)勢，解決兩種能源單獨利用時的局限性，有效提高能源利用率，提升供電穩(wěn)定性和可靠性，可考慮設(shè)計一種風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置。

　　風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置通常由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、蓄電池、逆變器和負(fù)載等組成，其潛在優(yōu)勢主要體現(xiàn)在太陽能和風(fēng)能在時間分布上的良好互補(bǔ)性[4-5]。例如，白天太陽光最強(qiáng)，但此時風(fēng)的強(qiáng)度卻不一定很大;晚上光照非常弱，但由于地表溫差變化比較大，風(fēng)的強(qiáng)度往往很大[6]。再如，夏季光照強(qiáng)度一般較大，光照時間也較長，但風(fēng)能相對較小，而冬季則反之。這種在晝夜和季節(jié)上的交替，使太陽能與風(fēng)能的利用率增加，使風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置具有穩(wěn)定的輸出，恰恰起到了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的作用。

　　斯特林發(fā)電機(jī)可有效利用太陽能，它使用高精度的聚光器把太陽光聚集在一起，推動發(fā)電機(jī)發(fā)電，實現(xiàn)光、熱、電的相互轉(zhuǎn)化[7]。斯特林發(fā)電機(jī)常見的形式有槽式、塔式和碟式三種[8]。與槽式和塔式相比，碟式斯特林發(fā)電機(jī)具有更好的結(jié)構(gòu)靈活性，便于實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。此外，碟式斯特林發(fā)電機(jī)的太陽能發(fā)電峰值效率可達(dá)到30%，而槽式和塔式只有20%左右[9]。本文提出一種基于碟式斯特林發(fā)電機(jī)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置，其中采用碟式斯特林發(fā)電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)裝置中常用的太陽能電池板，以進(jìn)一步提高太陽能發(fā)電效率。碟式斯特林發(fā)電機(jī)可固定在風(fēng)機(jī)的塔架上，實現(xiàn)節(jié)約土地資源的目的。

　　1 裝置結(jié)構(gòu)

　　基于碟式斯特林發(fā)電機(jī)的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電裝置主要由風(fēng)力發(fā)電裝置和基于蝶式斯特林發(fā)電機(jī)的太陽能發(fā)電裝置(以下簡稱“蝶式斯特林發(fā)電裝置”)組成。裝置中還包含蓄電池、DC/AC逆變器、控制器以及負(fù)載等，柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源。設(shè)計圖如圖1所示。

　　1.1 風(fēng)力發(fā)電裝置

　　風(fēng)力發(fā)電裝置是通過風(fēng)機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再利用控制器對蓄電池進(jìn)行充電，最后經(jīng)過逆變器為負(fù)載提供電能的裝置。

　　1.1.1 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

　　風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備主要由機(jī)艙提供。機(jī)艙里有齒輪箱及發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備。風(fēng)機(jī)塔架支撐著機(jī)艙，在機(jī)艙的最左側(cè)是風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子葉片和軸。轉(zhuǎn)子葉片的上下部分分別是高速軸和低速軸。低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起;高速軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。齒輪箱位于低速軸上方，發(fā)電機(jī)位于高速軸上方。機(jī)艙的尾部含有控制器。控制器與風(fēng)速計和方向標(biāo)相連。

　　1.1.2 風(fēng)力發(fā)電原理

　　風(fēng)機(jī)首先將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。機(jī)械能帶動轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)機(jī)輸出交流電，這即是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過程。風(fēng)機(jī)利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片轉(zhuǎn)動，再通過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)速度提升，以促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于風(fēng)力具有不穩(wěn)定的性質(zhì)，所以發(fā)電機(jī)輸出的是不穩(wěn)定的交流電，需經(jīng)過整流設(shè)備后才能對蓄電池充電。

　　1.2 蝶式斯特林發(fā)電裝置

　　蝶式斯特林發(fā)電裝置主要將熱能作為驅(qū)動力，通過斯特林發(fā)動機(jī)把太陽光的熱能轉(zhuǎn)化為電能。電能流向蓄電池，以實現(xiàn)充電。逆變器將電能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡賹ω?fù)載進(jìn)行供電。

　　1.2.1 碟式斯特林發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)

　　碟式斯特林發(fā)電裝置主要由以下三部分組成：(1)碟式太陽能收集器;(2)斯特林發(fā)動機(jī);(3)發(fā)電站自動控制系統(tǒng)。裝置具體包括架體結(jié)構(gòu)、鏡片、光熱發(fā)電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等，并采用雙軸跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)對裝置的控制。架體結(jié)構(gòu)主要包括：立柱(作為整個結(jié)構(gòu)的支柱)、鏡片安裝架(作為鏡片的支架，是整個碟盤的關(guān)鍵構(gòu)架)、斯特林發(fā)電機(jī)安裝架(作為固定斯特林發(fā)電機(jī)的裝置，使其能位于碟盤的聚焦點上)。鏡片的作用是對太陽光進(jìn)行匯聚，利用高密度的熱能驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。鏡片整體設(shè)計為拋物面，使其有聚焦的作用。光熱發(fā)電系統(tǒng)需要對太陽進(jìn)行實時追蹤，進(jìn)而保證在陽光充足的時候持續(xù)發(fā)電，其由功率可調(diào)節(jié)的斯特林光熱發(fā)電機(jī)組成。控制系統(tǒng)保證斯特林發(fā)電裝置能進(jìn)行俯仰和水平兩個方向的角度調(diào)節(jié)。

　　1.2.2 碟式斯特林發(fā)電裝置原理

　　碟式斯特林發(fā)電裝置是通過拋物面鏡片將太陽光匯聚，把熱量聚集到斯特林發(fā)電機(jī)，從而實現(xiàn)發(fā)電的。碟式斯特林發(fā)電裝置通常采用雙軸跟蹤結(jié)構(gòu)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)拋物面的反射原理，在斯特林發(fā)電機(jī)上聚集入射的太陽熱量，運(yùn)用自動追蹤控制系統(tǒng)實時追蹤太陽。斯特林發(fā)電機(jī)上太陽輻射匯聚點的溫度可達(dá)到700～1 300℃。最后，利用吸熱器將太陽熱能集中到一起，加熱熱機(jī)驅(qū)動電機(jī)工作，實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換。運(yùn)行時，溫度可高達(dá)1 500℃以上。