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光熱發電與微型燃氣輪機的完美結合因何而火?

發布日期:2016-11-26 作者: 點擊:

    太陽能已經在各個國家的新能源開發中承擔日益重要的角兒,大眾媒體將太陽能發電大部分聚焦在光伏發電(PV),不過近些年太陽能熱發電領域,尤其是聚光太陽能發電(CSP)一直在穩步發展中。


  CSP電廠的基本原理:利用匯聚的太陽光加熱液體或氣體介質,然后把這部分由介質傳導的熱量轉換為機械能,再從機械能轉化為電能。熱量轉換為機械能通常是用來驅動汽輪發電機。在一些較新的CSP電站中還有儲熱罐,能將太陽能以熱能的形式儲存起來,需要的時候再放出熱量用

  CSP中有一種類型叫parabolicdish,即拋物面蝶式,用斯特林發動機驅動發電機發電。與其他CSP發電技術集中用渦輪發電機進行發電,而碟式系統則是每個獨立的聚熱模塊都能就地進行熱電轉換,具有靈活部署的模塊化特點。單臺斯特林的功率為1-30kW,CSP系統既適合以數百千瓦的規模進行分布式部署,又有能力構建數百兆瓦的大型電站。斯特林發動機的可靠性始終是一大硬傷,微型燃氣輪機(MGT)則可以解決這一難題。

  倫敦CITY大學能源工程教授Abdulnaser Sayma認為,現在人們仍然在嘗試使用斯特林發動機,因為它具有較高的設計效率,但是可靠性問題非常突出。斯特林發動機需要使用氣體,通常是氫氣或氦氣,并儲藏在發動機內容,一段時間后活塞環會產生泄露,必須經常填充新的氣體。

  幾年前歐盟看中了CSP的潛力,將蝶式CSP技術列為重點開發技術,力求解決其可靠性的問題。Abdulnaser Sayma教授于是于2011年申請了項目,得到了歐盟的資助。其實,用微型燃機的太陽能蝶式發電并非全新的概念,類似的項目在過去很多,但是區別是過去的發電容量更大。

  Abdulnaser Sayma教授的項目分為三個階段:(1)部件開發(2)系統設計和集成(3)技術經濟性分析,出了主導該項目外,CITY大學還在瑞典Compower公司的支持下開展微型燃機設計開發、建造和試驗。其他合作者還有瑞典KTH皇家理工學院和意大利Innova等,共計8個合作伙伴,來自5個不同的國家。整個項目耗資580萬歐元,其中442萬元源自歐盟資助。

  示范機組的出力為3-10kW。如果需要更大出力,可通過模塊化組合實現。如果在偏遠地區的學校和住房,通常一個模塊就足夠。每個模塊有其獨立的微型燃機,安裝在帶有雙軸太陽追蹤系統的支柱上。和普通微型燃機通過燃料燃燒增加工質溫度不同,CSP上的微型燃機的空氣是被太陽能加熱的,透平進口溫度目標為800~900℃。該溫度和重型燃氣輪機相比無疑是低的,重型燃機透平進口溫度一般為1400℃左右。微型燃機沒有葉片冷卻,因此材料收到限制,微型燃機的透平進口溫度甚至可達1100℃,但是太陽能接收器receiver的材料是有限制的。

  KTH皇家理工學院使用了陶瓷泡沫(ceramicfoam),承受溫度最高900℃。由于項目的發電容量小,該項目微型燃機不可能在現有微型燃機中選型。如Capstone公司以及Turbec公司,他們的微型燃機功率偏大,Capstone公司的微型燃機30kW以上,Turbec公司則在100kW以上,因此需“定制”微型燃機機組。同樣控制系統也不能采購現成的,且需使用可控逆變器或整流器。微型燃氣輪機的原型機源自Compower公司,由壓氣機、透平、回熱交換器等組成。首先,CITY大學在原型機的基礎上改進壓氣機和透平的空氣動力學性能,原型機使用渦輪增壓增加比功,但卻犧牲了效率。CITY大學開發了高效的透平和壓氣機,并且重新設計了軸系布置,能夠更好第解決太陽能負荷變化導致的軸系振動問題。常規的微型燃機在定轉速運行,而CSP系統中的微型燃機在一天中經歷了多個負荷變化,設計團隊通過軸系優化,將臨界轉速排除在了運行轉速范圍之外。

  該微型燃機采用單級設計,1級向心透平和1級離心壓縮機組成。透平制造使用了SelectiveLaserMelting選擇性激光熔化技術,類似于3D打印,在設計中則用到了CFD和FEM分析技術。

  2015年4月,CITY大學在試驗室對新型壓氣機和透平的設計進行試驗驗證,計劃于今年完成系統集成,發電功率目標為6kW。本項目的技術成熟度為TRL5或TRL6,如要向商業化發展,則需要歐盟的進一步支持。


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