碟式斯特林机的多元化应用

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原创: 太阳能光热联盟 太阳能光热产业技术创新战略联盟

效率高是碟式斯特林技术最大的优势,但其居高不下的成本和一些尚待突破的技术问题阻碍着其发展的步伐。但正是在这样一个极具挑战性的技术领域,有一家企业已奋斗了近10年,目前在推动斯特林发动机成本下降及商业化应用方面取得了不俗的成绩,以实际行动诠释了民营企业的创新与坚守,以及对斯特林市场的信心。


“我们是一家专业从事太阳能发电及分布式能源智能综合利用的高新技术企业,核心业务是碟式斯特林和在太阳能领域的应用。现已在张家港建成年产10000台斯特林机的生产线,经过专家鉴定,产品性能达到国际领先水平,公司核心装备已在张家口、西班牙塞维利亚等国内外光热示范项目中得到示范运用。”东方宏海新能源科技发展有限公司(下文简称东方宏海)董事长王振声介绍说。


东方宏海是一个轻资产的技术研发型企业,正在努力将斯特林产品商品化、批量化生产,已经建立了自己的专利体系,并不断开拓新领域、新市场,从太阳能光热发电市场到燃气热电联产、生物质能热电联产、微型民用核电等,涉足斯特林机应用的多个方向。“目前,斯特林发动机主要有四类:燃气式斯特林热电联产机组、热气式斯特林联产机组、太阳能式斯特林发动机以及目前正在研发的燃气和太阳能混合式斯特林发动机。在家用市场上,东方宏海的斯特林机已经实现了热电联产,总效率能达到83%;并且斯特林机在冷却系统领域具有巨大潜力,可在30秒内实现至零下183℃的冷却,这样高效的冷却系统如果应用在冰箱、空调上,市场空间也很大;而且使用斯特林机制冷将更加环保,成本也更低。” 王振声补充道。

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图:斯特林机的主要类型


太阳能斯特林机的优


1、灵活的布局方式,可以集中式布局,也可以分布式布局,如风力发电一样,可以采用用地点征的方式。


2、 双轴跟踪,腔式集热,高效的光电转化率,峰值光电转化率为33%,年均光电转化率28%。


3、用水量少,只是镜面清洗时使用少量的水。


4、建设周期短,可以随时建设,随时并网发电。


5、运行维护方式灵活,单台维护保养不影响其他单元的运行发电。


6、对地形选择要求比较低,在坡度30%以下的坡地同样可以布局安装,同时可以布局在公路的两侧,也可以布局在河道的两侧。


7、启动灵活,启动速度快,不需要预热,寄生功率低,不需要考虑防凝保温问题。


8、 成本优化空间大,目前单位千瓦造价已低于1.25万元,批量增加后成本降价空间更大。


9、可以与塔式熔盐、槽式熔盐系统集成,降低镜场成本。


燃气式斯特林机的特点


1、外燃机:对热源输入要求宽,既可以是燃油、燃气,也可以采用沼气、煤层气、垃圾生物质裂解气、油田再生气等。


2、压比小:压比为2:1,运行震动、噪音小,没有爆燃的声音,超净运行状态,可以应用在常规潜艇上。


3、功率密度高,单位功率机体重量轻。


4、效率高,小型机组效率明显高于燃气轮机。


5、可以实现热源的梯级利用,斯特林-朗肯循环作为小型分布式能源可以实现冷热电三联供模块化应用。


6、零部件数量少,维护保养方便。


7、可以采用不同的燃料和热源形成多能互补的模块化分布式能源供给。


热气式斯特林机的特点


1、可以采用不同种类的热气,炉窑尾气、生物质燃烧气、垃圾焚烧尾气、固体储能高温热空气等。


2、可以采用通过式和投入式两种结构形式用于不同场合的需求。


3、可以用于热源的串级使用,对尾气的杂质含量要求低。


4、热气温度使用范围宽,可以使用在500℃-1200℃的热源温度范围内。


5、多机组并联使用结构更加简单,循环冷却水、润滑油、工质气体等可以集中供给,单位造价可以大幅度降低。

斯特林技术的应用

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图:碟式斯特林太阳能热发电系统


在太阳能热发电方面,东方宏海在园区内建设的一个单机25kW的碟式斯特林太阳能热发电系统,技术指标及主要参数如下所示:


1、碟式聚光跟踪系统(25kW)

开口半径:6280mm


镜面反射率:93%


投影面积:92平方米


占地面积:4平方米


温度条件:-25℃-40℃


跟踪方式/精度:方位角高度角双轴跟踪/1mrad


跟踪范围:方位角0°-360°仰俯角-10-90°


2、斯特林发动机参数

额定输出功率:25kW


发动机转速:1500rpm


工质:氦气或氢气


输入能量:>=90KW


长×宽×高(米):1.3×1.1×1.8


发动机重量:925KG



由于单机容量小,可模块化布置,对土地的要求比较宽松,效率较高,碟式斯特林在清洁供暖方面有较大潜力。东方宏海于2017年11月在内蒙古通辽市科尔沁区奇峰电力公司工厂内建成了分布式碟式太阳能集中供暖供热系统。该供暖系统共由6个碟式系统组成,每个系统集热功率约74kW,采用两种介质运行,冬天供暖季为冷却液,其它非供暖季节为水,并配有地下储热水池进行跨季节储热。通过近2个月的试运行,各项数据指标已超过原设计指标并且达到运行稳定,可实现全年采集热量约3000GJ,能够满足3000平方米建筑面积全天20小时连续供暖的要求。


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图:太阳能碟式斯特林用于供暖

此外,东方宏海还尝试将斯特林与生物质发电系统进行耦合,“可以采用生物质产生1200℃的热气,用斯特林进行高温段发电,斯特林产出的600℃热气进入朗肯循环,也就是斯特林、朗肯联合循环发电,效率在百千瓦范围之内是最高的。在热能综合利用方面,采用碟式聚光以及生物质联合产热方面能够配合的比较好,把储能量降低。”王振声介绍。


对于业界比较关注的碟式斯特林储能问题,东方宏海也进行了研发,“我们采用高温液体金属储能以及热化学储能来解决。”


王振声向记者反映:目前国外对斯特林机的认可程度比较高,东方宏海已为乌克兰、日本、澳大利亚等多国供货,总体来看,国际市场对斯特林机的需求已逐步打开;国内市场方面,东方宏海在新疆、甘肃、内蒙等区域已陆续有项目案例落地。


成本无疑是影响斯特林发动机大规模应用的重要因素,而规模化生产对斯特林机降低成本的影响是最大的。据了解,东方宏海2015年11月完成了年产10万台斯特林机产业基地的奠基,并于2017年投产了年产1万台的斯特林机生产线。王振声表示,“生产1000台斯特林机和生产100台相比,单位成本可降低24.5%,当前单位千瓦的成本可控制在9500元左右,预计在一个批次的产能达到1万台时,斯特林机的造价成本可降至3600元/千瓦。”


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图:东方宏海斯特林发动机


对于斯特林机未来的应用领域,王振声认为,一是汽车领域:东方宏海国产斯特林机突破了技术和成本障碍,在汽车工业的应用将成为现实;其二是在空调制冷方面:逆向工作的斯特林机是性能极好的制冷机,目前已知最小的斯特林机应用于航天计算机系统的冷却泵上,大小接近一根烟卷,但冷却效果极好。他预计,2019年后,家用空调就将开始采用斯特林机代替传统制冷设备,使用斯特林机制冷将更加环保,成本也更低。


东方宏海简介


东方宏海位于江苏省张家港市,是一家专业从事斯特林热发电系统研发、制造、销售、示范应用,以及电场建设(EPC)、电厂运营的高新技术企业。是国家太阳能光热产业技术创新战略联盟理事单位。公司主要产品有:碟式斯特林太阳能光热发电系统、燃气式斯特林热电联产系统、热气式斯特林热电联产系统、碟式太阳能光热供暖系统以及塔式定日镜系统、光伏双轴跟踪系统等。


东方宏海公司致力于斯特林发动机的开发制造,集聚了国内外一流的专家力量,突破了斯特林热发电系列产品在结构设计、材料选型、制造工艺以及自动化控制等方面的瓶颈,使斯特林发动机的发电效率达31%,热电联产综合效率达86%。2013年,东方宏海被授予“国家级高新技术企业”称号。目前,公司已获得100余项专利。


2017年8月,东方宏海的斯特林系列产品经中科院专家组鉴定达到世界先进水平。现今公司拥有世界上第一条年产10000台斯特林发动机的具有工业自动化3.0水平的自动化组装生产线,东方宏海凭此装备实力,将斯特林发动机的生产推向了商业化规模化。目前,东方宏海还在不断研发更大功率或更小功率的斯特林发动机以满足日益扩大的市场需求。


编辑:董清风

审核:杜凤丽


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