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所长基金重点培育项目“碟式太阳能空气涡轮发电系统关键技术研制”简介(上)
发稿时间:2013-11-11         作者:文/林峰 高立朋 图/王墩金          来源:能源动力研究中心     【字号:

  近年来,作为新能源的重要组成部分,太阳能得到了长足的发展。太阳能光热发电具有生产过程无污染、对环境无危害等特点,并已经成为太阳能大规模利用的重要途径。太阳能光热发电技术在国际上受到极大重视并已投入应用,例如欧盟计划从2009年起,利用10年时间,投资4000亿欧元,在撒哈拉沙漠建设超大型太阳能光热发电站,以满足欧洲15%的用电量。在中国,国家发改委于2011年首次将太阳能光热发电技术放在国家新能源技术发展规划的首位。 

  一般来说,太阳能光热发电有槽式,塔式和碟式三种聚光方式,其中槽式和塔式太阳能示范电站都已成功发电。而在光热发电系统中,太阳能空气涡轮发电系统具有单机容量小,效率高,用水量小等优点,它既可以合并在一起建成大规模太阳能发电站,又可以分散开来作为分布式能源,通过冷热电联供的方式显著提高太阳能的利用效率,用于用电难的偏远山区,为太阳能热发电开辟了一条新途径。 

  空气涡轮发电系统简介及发展现状  

  1、空气涡轮发电系统简介 

  碟式太阳能空气涡轮发电技术是根据传统燃气轮机发电技术而来的,该动力循环采用布莱顿循环,如图1所示。空气经过压气机升压后,进入回热器回收涡轮出口高温空气的部分热量,然后进入太阳能空气吸热器继续升温,最后进入涡轮发电并最终排入大气。 

 

  碟式太阳能空气涡轮光热发电技术有如下三个显著优点: 

  1)用水量小。除了清洗镜面之外,整个工作过程不需要大量的水,用水量仅为蒸汽轮机技术的千分之一。 

  2)可以混合使用太阳能和天然气、沼气等传统能源,确保更加稳定的电力输出。 

  3)应用灵活,建设地形要求低。单机容量小,既可以作为分布式单点供能,又可以作为大规模集成发电站。 

  2、空气涡轮发电系统发展现状 

  碟式太阳能空气涡轮发电系统由碟式聚光镜、空气吸热器和空气涡轮动力装置组成。在碟式聚光系统方面,浙江华仪康迪斯公司联合美国西南太阳能公司采用轻型复合材料和高效反射膜技术大幅降低了碟面的自重和制造成本,已经能够生产出320m2的大型碟面。布莱顿能源公司开发的空气轴承和高速电机技术避免了齿轮箱、润滑油等一大套辅助设备,使得空气涡轮机能够直接安装在碟式反射面的焦点上。比利时ACTE公司提供的环形紧凑式换热器能够显著提高空气涡轮机的循环热效率。对于空气吸热系统和微型空气涡轮机本体,由于国外不愿转让相关技术,我们必须自主研发。 

  欧盟和美国都已经完成了对碟式太阳能空气涡轮系统的设计与测试。欧盟的太阳能-天然气联合循环空气涡轮系统,采用低中高温三个吸热器逐渐加热空气,涡轮进口温度达到800,太阳能循环效率约为18%。美国能源部资助的太阳能空气涡轮系统,采用单个管式空气吸热器,整个循环带有再热,涡轮进口温度达到780,聚光镜面积320m2,系统设计输出80kW,净效率>30% 

 

  研究目标与关键技术 

  本项目的最终目标是研制开发以空气涡轮机为主体、适用于国内太阳能热发电市场的50KW碟式太阳能热功转换系统。通过该系统的研制,有望解决以下关键技术: 

  1)研制并掌握微型空气涡轮机的离心压气机和向心透平设计技术; 

  2)研制并掌握高效空气吸热器设计技术; 

  3)引进并消化紧凑式回热器设计技术; 

  4)引进并消化空气轴承技术和高速电机及其控制技术; 

  5)形成具有独立知识产权的碟式太阳能空气涡轮机的系统化、成套化技术。 

  研究内容及拟重点解决的科学问题 

  1)总体性能方案和结构方案 

  作为最清洁的能源之一,太阳能也存在以下缺点:1、热源参数低,太阳能吸热器出口温度通常在930以下,而燃烧室出口温度可高达1200以上;2、能量密度低,1升汽油发热量相当于在52m2集热场地、光照密度1kw/m2的地区收集一个小时的热量;3、间隙性强,太阳能强度昼夜差别很大。那么,针对太阳能的特点,我们采用什么样的热力循环形式和热力参数,这是首先需要研究的。 

  考虑太阳能的零成本特点,在热力循环中应该考虑尽量提高太阳能的利用率。因此,需要研究特定热力参数下不同的热力循环形式如采用间冷或再热的热力循环中太阳能利用率的变化情况,探讨在本系统中采用间冷或再热的热力循环形式的可行性,确定空气涡轮机各部件和各附属设备的具体技术参数。另外,根据太阳能能量密度低的特点,针对50KW的输出功率,在总体上采用单碟型还是多碟并联型的结构方案,需要进一步评估。同时,由于太阳能间隙性的特点,为了保证系统运行的稳定性,需要研究天然气的补燃方案或与沼气混合使用方案。 

  2)压气机和透平的气动与结构设计 

  系统中太阳能吸热器及相应输气管道存在较大的压损,同时考虑可能存在再热,这会给压气机和透平设计带来两个主要问题,一是对小流量、高负荷离心压气机的压比提出了更高的要求;二是涡轮和压气机的匹配问题更加复杂,增加了小流量、高膨胀比涡轮的设计难度。对压气机而言,将采用大小叶片技术,同时,为了降低制造成本,以便将来批量生产,可能采用精密铸造的制造工艺。能否研制出高压比、小流量的压气机是本项目的关键。对涡轮而言,考虑太阳能间隙性的特点,涡轮须具有较宽的工作范围。为此,本项目拟研制出一种采用大小叶片的无导叶涡轮,将蜗壳与涡轮叶轮直接联接起来,并进一步研究蜗壳与涡轮叶轮的匹配问题。 

  3)高效太阳能吸热器研制 

  在碟式太阳能空气涡轮机发电系统中,太阳能吸热器是光热转换的关键环节。吸热器的研制有几个技术难点。首先是焦点处的辐射换热损失。吸热器是一个容腔,为了让阳光进来,必须有一个开口,但事实证明这个开口同时也是内部大量热量辐射出去的地方,如何做到既可以让阳光进来又能够阻挡热量辐射出去,这是一个研究内容。其次,辐射能分布不均会导致吸热器内部温度分布不均,如何避免吸热器温度过高及减少因温差而引起的热应力仍需进一步研究。第三,减小吸热面积和提高换热效率是吸热器研制永恒的目标,如何结合国内已有的工艺水平设计高效紧凑的低成本吸热器是本项目的关键。 

  根据主要研究内容及拟解决的科学问题,项目负责人制定了合理的技术路线,为项目的顺利进行提供了保障。该项目于20129月开始执行,预计两年内完成,掌握空气涡轮机的两大部件压气机和涡轮的设计技术,突破高效太阳能吸热器的设计制造技术,为最终整个碟式太阳能发电系统的样机示范提供技术支撑。 

   

 
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