光热发电与微型燃气轮机的完美结合因何而火?

30 09月 2016

2016-09-30 10:14

太阳能已经在各个国家的新能源开发中承担日益重要的角儿，大众媒体将太阳能发电大部分聚焦在光伏发电(PV)，不过近些年太阳能热发电领域，尤其是聚光太阳能发电(CSP)一直在稳步发展中。

CSP电厂的基本原理：利用汇聚的太阳光加热液体或气体介质，然后把这部分由介质传导的热量转换为机械能，再从机械能转化为电能。热量转换为机械能通常是用来驱动汽轮发电机。在一些较新的CSP电站中还有储热罐，能将太阳能以热能的形式储存起来，需要的时候再放出热量用

CSP中有一种类型叫parabolicdish，即抛物面蝶式，用斯特林发动机驱动发电机发电。与其他CSP发电技术集中用涡轮发电机进行发电，而碟式系统则是每个独立的聚热模块都能就地进行热电转换，具有灵活部署的模块化特点。单台斯特林的功率为1-30kW，CSP系统既适合以数百千瓦的规模进行分布式部署，又有能力构建数百兆瓦的大型电站。斯特林发动机的可靠性始终是一大硬伤，微型燃气轮机(MGT)则可以解决这一难题。

伦敦CITY大学能源工程教授Abdulnaser Sayma认为，现在人们仍然在尝试使用斯特林发动机，因为它具有较高的设计效率，但是可靠性问题非常突出。斯特林发动机需要使用气体，通常是氢气或氦气，并储藏在发动机内容，一段时间后活塞环会产生泄露，必须经常填充新的气体。

几年前欧盟看中了CSP的潜力，将蝶式CSP技术列为重点开发技术，力求解决其可靠性的问题。Abdulnaser Sayma教授于是于2011年申请了项目，得到了欧盟的资助。其实，用微型燃机的太阳能蝶式发电并非全新的概念，类似的项目在过去很多，但是区别是过去的发电容量更大。

Abdulnaser Sayma教授的项目分为三个阶段：(1)部件开发(2)系统设计和集成(3)技术经济性分析，出了主导该项目外，CITY大学还在瑞典Compower公司的支持下开展微型燃机设计开发、建造和试验。其他合作者还有瑞典KTH皇家理工学院和意大利Innova等，共计8个合作伙伴，来自5个不同的国家。整个项目耗资580万欧元，其中442万元源自欧盟资助。

示范机组的出力为3-10kW。如果需要更大出力，可通过模块化组合实现。如果在偏远地区的学校和住房，通常一个模块就足够。每个模块有其独立的微型燃机，安装在带有双轴太阳追踪系统的支柱上。和普通微型燃机通过燃料燃烧增加工质温度不同，CSP上的微型燃机的空气是被太阳能加热的，透平进口温度目标为800~900℃。该温度和重型燃气轮机相比无疑是低的，重型燃机透平进口温度一般为1400℃左右。微型燃机没有叶片冷却，因此材料收到限制，微型燃机的透平进口温度甚至可达1100℃，但是太阳能接收器receiver的材料是有限制的。

KTH皇家理工学院使用了陶瓷泡沫(ceramicfoam)，承受温度最高900℃。由于项目的发电容量小，该项目微型燃机不可能在现有微型燃机中选型。如Capstone公司以及Turbec公司，他们的微型燃机功率偏大，Capstone公司的微型燃机30kW以上，Turbec公司则在100kW以上，因此需“定制”微型燃机机组。同样控制系统也不能采购现成的，且需使用可控逆变器或整流器。微型燃气轮机的原型机源自Compower公司，由压气机、透平、回热交换器等组成。首先，CITY大学在原型机的基础上改进压气机和透平的空气动力学性能，原型机使用涡轮增压增加比功，但却牺牲了效率。CITY大学开发了高效的透平和压气机，并且重新设计了轴系布置，能够更好第解决太阳能负荷变化导致的轴系振动问题。常规的微型燃机在定转速运行，而CSP系统中的微型燃机在一天中经历了多个负荷变化，设计团队通过轴系优化，将临界转速排除在了运行转速范围之外。