基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置任

　　摘 要： 提出一种基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置。采用碟式斯特林发电机替换传统装置中常用的太阳能电池板，提高太阳能转换效率。碟式斯特林发电机与风力发电装置充分互补，提高装置的稳定性和可靠性。碟式斯特林发电机可固定在风机的塔架上，充分节约土地资源。基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置可有效解决远离公共电网的偏远山区、牧区，以及短时间内主网难以到达的、用电负荷需求较小的地区的供电需求。

　　关键词： 碟式斯特林发电机;风光互补发电装置;太阳能电池板;转换效率

　　《福建水力发电》(半年刊)创刊于1988，是由福建省水力发电工程学会 福建省水利水电勘测设计研究院主办的期刊。

　　引言

　　当前，能源危机与环境问题越来越严峻，洁净高效、环保无污染的可再生能源在电力系统中的应用日益广泛[1]。在我国，太阳能和风能是最常见、最丰富的可再生能源[2]。顾名思义，太阳能发电是将太阳能转化为电能的过程，风能发电是将风能转化为电能的过程。然而，受昼夜、地理位置及气候的影响，单一的太阳能或风能发电系统能量密度较低，产生的电能的稳定性较差[3]。为了充分发挥两者的共同优势，解决两种能源单独利用时的局限性，有效提高能源利用率，提升供电稳定性和可靠性，可考虑设计一种风光互补发电装置。

　　风光互补发电装置通常由风力发电系统、太阳能发电系统、监控系统、蓄电池、逆变器和负载等组成，其潜在优势主要体现在太阳能和风能在时间分布上的良好互补性[4-5]。例如，白天太阳光最强，但此时风的强度却不一定很大;晚上光照非常弱，但由于地表温差变化比较大，风的强度往往很大[6]。再如，夏季光照强度一般较大，光照时间也较长，但风能相对较小，而冬季则反之。这种在昼夜和季节上的交替，使太阳能与风能的利用率增加，使风光互补发电装置具有稳定的输出，恰恰起到了提高系统稳定性和可靠性的作用。

　　斯特林发电机可有效利用太阳能，它使用高精度的聚光器把太阳光聚集在一起，推动发电机发电，实现光、热、电的相互转化[7]。斯特林发电机常见的形式有槽式、塔式和碟式三种[8]。与槽式和塔式相比，碟式斯特林发电机具有更好的结构灵活性，便于实现规模化应用。此外，碟式斯特林发电机的太阳能发电峰值效率可达到30%，而槽式和塔式只有20%左右[9]。本文提出一种基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置，其中采用碟式斯特林发电机代替传统装置中常用的太阳能电池板，以进一步提高太阳能发电效率。碟式斯特林发电机可固定在风机的塔架上，实现节约土地资源的目的。

　　1 装置结构

　　基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置主要由风力发电装置和基于蝶式斯特林发电机的太阳能发电装置(以下简称“蝶式斯特林发电装置”)组成。装置中还包含蓄电池、DC/AC逆变器、控制器以及负载等，柴油发电机作为备用电源。设计图如图1所示。

　　1.1 风力发电装置

　　风力发电装置是通过风机将风能转化为机械能，然后将机械能转化为电能，再利用控制器对蓄电池进行充电，最后经过逆变器为负载提供电能的装置。

　　1.1.1 风机结构

　　风机的关键设备主要由机舱提供。机舱里有齿轮箱及发电机等关键设备。风机塔架支撑着机舱，在机舱的最左侧是风机的转子，即转子叶片和轴。转子叶片的上下部分分别是高速轴和低速轴。低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起;高速轴高速运转，驱动发电机发电。齿轮箱位于低速轴上方，发电机位于高速轴上方。机舱的尾部含有控制器。控制器与风速计和方向标相连。

　　1.1.2 风力发电原理

　　风机首先将风能转化成机械能。机械能带动转子叶片旋转，使风机输出交流电，这即是将机械能转化为电能的过程。风机利用风力带动风车叶片转动，再通过增速机将旋转速度提升，以促使发电机发电。由于风力具有不稳定的性质，所以发电机输出的是不稳定的交流电，需经过整流设备后才能对蓄电池充电。

　　1.2 蝶式斯特林发电装置

　　蝶式斯特林发电装置主要将热能作为驱动力，通过斯特林发动机把太阳光的热能转化为电能。电能流向蓄电池，以实现充电。逆变器将电能转变为直流电，再对负载进行供电。

　　1.2.1 碟式斯特林发电装置结构

　　碟式斯特林发电装置主要由以下三部分组成：(1)碟式太阳能收集器;(2)斯特林发动机;(3)发电站自动控制系统。装置具体包括架体结构、镜片、光热发电系统和控制系统等，并采用双轴跟踪系统实现对装置的控制。架体结构主要包括：立柱(作为整个结构的支柱)、镜片安装架(作为镜片的支架，是整個碟盘的关键构架)、斯特林发电机安装架(作为固定斯特林发电机的装置，使其能位于碟盘的聚焦点上)。镜片的作用是对太阳光进行汇聚，利用高密度的热能驱动发电机发电。镜片整体设计为抛物面，使其有聚焦的作用。光热发电系统需要对太阳进行实时追踪，进而保证在阳光充足的时候持续发电，其由功率可调节的斯特林光热发电机组成。控制系统保证斯特林发电装置能进行俯仰和水平两个方向的角度调节。

　　1.2.2 碟式斯特林发电装置原理

　　碟式斯特林发电装置是通过抛物面镜片将太阳光汇聚，把热量聚集到斯特林发电机，从而实现发电的。碟式斯特林发电装置通常采用双轴跟踪结构。根据旋转抛物面的反射原理，在斯特林发电机上聚集入射的太阳热量，运用自动追踪控制系统实时追踪太阳。斯特林发电机上太阳辐射汇聚点的温度可达到700～1 300℃。最后，利用吸热器将太阳热能集中到一起，加热热机驱动电机工作，实现光热转换。运行时，温度可高达1 500℃以上。

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文章名称： 基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置任

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