太陽能與微型燃氣輪機的完美結合

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

　　CSP中有一種類型叫parabolic dish，即拋物面蝶式，用斯特林發(fā)動機驅動發(fā)電機發(fā)電。與其他CSP發(fā)電技術集中用渦輪發(fā)電機進行 發(fā)電，而碟式系統(tǒng)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(tǒng)既適合以數(shù)百千瓦的規(guī)模進行分布式部署，又有能力構建數(shù)百兆瓦的大型電站。斯特林發(fā)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(xiàn)在人們仍然在嘗試使用斯特林發(fā)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(fā)動機需要使用氣體，通常是氫氣或氦氣，并儲藏在發(fā)動機內容，一段時間后活塞環(huán)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CPS技術列為重點開發(fā)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(fā)電并非全新的概念，類似的項目在過去很多，但是區(qū)別是過去的發(fā)電容量更大。

　　Abdulnaser Sayma教授的項目分 為三個階段：(1)部件開發(fā)(2)系統(tǒng)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(fā)、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(xiàn)。如果在偏遠地區(qū)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(tǒng)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(ceramic foam)，承受溫度最高900℃。由于項目的發(fā)電容量小，該項目微型燃機不可能在現(xiàn)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(tǒng)也不能采購現(xiàn)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(fā)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(guī)的微型燃機在定轉速運行，而CSP系統(tǒng)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(yōu)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Selective Laser Melting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(tǒng)集成，發(fā)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(yè)化發(fā)展，則需要歐盟的進一步支持。