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基于碟式斯特林發電機的風光互補發電裝置任

發布時間:2019-12-14 10:06所屬分類:電力瀏覽:1加入收藏

摘 要: 提出一種基于碟式斯特林發電機的風光互補發電裝置。采用碟式斯特林發電機替換傳統裝置中常用的太陽能電池板,提高太陽能轉換效率。碟式斯

  摘 要: 提出一種基于碟式斯特林發電機的風光互補發電裝置。采用碟式斯特林發電機替換傳統裝置中常用的太陽能電池板,提高太陽能轉換效率。碟式斯特林發電機與風力發電裝置充分互補,提高裝置的穩定性和可靠性。碟式斯特林發電機可固定在風機的塔架上,充分節約土地資源。基于碟式斯特林發電機的風光互補發電裝置可有效解決遠離公共電網的偏遠山區、牧區,以及短時間內主網難以到達的、用電負荷需求較小的地區的供電需求。

  關鍵詞: 碟式斯特林發電機;風光互補發電裝置;太陽能電池板;轉換效率

福建水利發電

  《福建水力發電》(半年刊)創刊于1988,是由福建省水力發電工程學會 福建省水利水電勘測設計研究院主辦的期刊。

  引言

  當前,能源危機與環境問題越來越嚴峻,潔凈高效、環保無污染的可再生能源在電力系統中的應用日益廣泛[1]。在我國,太陽能和風能是最常見、最豐富的可再生能源[2]。顧名思義,太陽能發電是將太陽能轉化為電能的過程,風能發電是將風能轉化為電能的過程。然而,受晝夜、地理位置及氣候的影響,單一的太陽能或風能發電系統能量密度較低,產生的電能的穩定性較差[3]。為了充分發揮兩者的共同優勢,解決兩種能源單獨利用時的局限性,有效提高能源利用率,提升供電穩定性和可靠性,可考慮設計一種風光互補發電裝置。

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

  斯特林發電機可有效利用太陽能,它使用高精度的聚光器把太陽光聚集在一起,推動發電機發電,實現光、熱、電的相互轉化[7]。斯特林發電機常見的形式有槽式、塔式和碟式三種[8]。與槽式和塔式相比,碟式斯特林發電機具有更好的結構靈活性,便于實現規模化應用。此外,碟式斯特林發電機的太陽能發電峰值效率可達到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電機的風光互補發電裝置,其中采用碟式斯特林發電機代替傳統裝置中常用的太陽能電池板,以進一步提高太陽能發電效率。碟式斯特林發電機可固定在風機的塔架上,實現節約土地資源的目的。

  1 裝置結構

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

  1.1 風力發電裝置

  風力發電裝置是通過風機將風能轉化為機械能,然后將機械能轉化為電能,再利用控制器對蓄電池進行充電,最后經過逆變器為負載提供電能的裝置。

  1.1.1 風機結構

  風機的關鍵設備主要由機艙提供。機艙里有齒輪箱及發電機等關鍵設備。風機塔架支撐著機艙,在機艙的最左側是風機的轉子,即轉子葉片和軸。轉子葉片的上下部分分別是高速軸和低速軸。低速軸將轉子軸心與齒輪箱連接在一起;高速軸高速運轉,驅動發電機發電。齒輪箱位于低速軸上方,發電機位于高速軸上方。機艙的尾部含有控制器。控制器與風速計和方向標相連。

  1.1.2 風力發電原理

  風機首先將風能轉化成機械能。機械能帶動轉子葉片旋轉,使風機輸出交流電,這即是將機械能轉化為電能的過程。風機利用風力帶動風車葉片轉動,再通過增速機將旋轉速度提升,以促使發電機發電。由于風力具有不穩定的性質,所以發電機輸出的是不穩定的交流電,需經過整流設備后才能對蓄電池充電。

  1.2 蝶式斯特林發電裝置

  蝶式斯特林發電裝置主要將熱能作為驅動力,通過斯特林發動機把太陽光的熱能轉化為電能。電能流向蓄電池,以實現充電。逆變器將電能轉變為直流電,再對負載進行供電。

  1.2.1 碟式斯特林發電裝置結構

  碟式斯特林發電裝置主要由以下三部分組成:(1)碟式太陽能收集器;(2)斯特林發動機;(3)發電站自動控制系統。裝置具體包括架體結構、鏡片、光熱發電系統和控制系統等,并采用雙軸跟蹤系統實現對裝置的控制。架體結構主要包括:立柱(作為整個結構的支柱)、鏡片安裝架(作為鏡片的支架,是整個碟盤的關鍵構架)、斯特林發電機安裝架(作為固定斯特林發電機的裝置,使其能位于碟盤的聚焦點上)。鏡片的作用是對太陽光進行匯聚,利用高密度的熱能驅動發電機發電。鏡片整體設計為拋物面,使其有聚焦的作用。光熱發電系統需要對太陽進行實時追蹤,進而保證在陽光充足的時候持續發電,其由功率可調節的斯特林光熱發電機組成。控制系統保證斯特林發電裝置能進行俯仰和水平兩個方向的角度調節。

  1.2.2 碟式斯特林發電裝置原理

  碟式斯特林發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電機,從而實現發電的。碟式斯特林發電裝置通常采用雙軸跟蹤結構。根據旋轉拋物面的反射原理,在斯特林發電機上聚集入射的太陽熱量,運用自動追蹤控制系統實時追蹤太陽。斯特林發電機上太陽輻射匯聚點的溫度可達到700~1 300℃。最后,利用吸熱器將太陽熱能集中到一起,加熱熱機驅動電機工作,實現光熱轉換。運行時,溫度可高達1 500℃以上。


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