冉冉升起的大型太阳能发电厂

发布时间：2008-12-17 来源:www.cechina.cn

　　摘要：历史技术与现代技术在沙漠中交汇，让我们看到沙漠中的20,000台太阳能集电装置的确令人敬畏。
　　关键词：太阳能
　　2005年10月底，加利福尼亚州公用事业委员会(California Public Utilities Commission)通过了建设一个4500英亩太阳能电厂的规划，该农场将会于2008年底开始收获太阳能。到2012年，作为两个巨型能量电厂中的第一家，它将能够每天提供500兆瓦的电力，这些电力足可以让25万个家庭的电表转动起来。

　　当加利福尼亚州公用事业委员会开始致力于这项21世纪的能源计划时，他们将借助19世纪的发明——斯特林发动机作为原动力。当太阳在Majave沙漠上空移动时，太阳能基地将利用一排排的聚能镜来追随这个能量巨大的天体。每面追踪聚能镜都会把所聚集的光束集中到一台小斯特林发动机上，让发动机中的氢气受热膨胀并驱动活塞，然后通过曲轴来带动发电机。装置上的精确运动元件能够让这些镜面紧紧保持在对准太阳的位置。

　　位于凤凰城的斯特林能量系统公司将会拥有和经营这些工厂，并且把电力销售给南加利福尼亚Edison公司
　　和圣地亚哥燃气电力公司(San Diego Gas and Electric)，按照要求这两家公司以及该州其他的电力公用事业公司必须到2017年时能够通过再生手段提供20%的发电。

　　据斯特林公司的系统资深经理Steve Trimble说，有几项因素让加利福尼亚沙漠成为收集太阳光和使用斯特林发动机的好地方。其中一个因素是缺少雨水，也就是说，在那里晴朗的天气占多数，这对收集太阳能以及太阳能电厂以日间的产能高峰来应对南加利福尼亚州夏季的空调负载高峰来说非常理想。虽然说雨天少也意味着雨水少，对需要液态水的蒸汽循环来说不太有利，但对斯特林发动机来说不会造成什么问题。“我们唯一使用水的地方就是用一小部分来清洗这些盘子，”Trimble指着那些太阳能聚能镜说。

　　现在斯特林公司在新墨西哥州Albuquerque市桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratory)的地面上拥有一座六装置的模式工厂。Trimble说，每一个直径为38英尺的聚能盘能够产生25千瓦的峰值功率。一座产能为500兆瓦的电厂将包括20,000个这样的装置。
　　重要的可制造性
　　斯特林能量系统公司成立于1996年，当时该公司获得了麦道公司(McDonnell Douglas)的太阳能聚能器技术，并且得到了瑞士潜水艇制造商Kockums所设计的4-95斯特林发动机的生产权。4-95型发动机是由Kockums公司与联合斯特林AB公司(United Stirling AB)和沃尔沃公司(Volvo)作为一种水下推进船只的静噪方式而联合开发的。

　　Trimble说，虽然斯特林循环已经出现在工程热力学课堂上很久了，但直到现在斯特林循环的实用开发还只是限制在奢侈品的应用上。但是，从集电器到电网29%的总体效率(几乎是抛物槽或光伏发电效率的两倍)让它成了太阳能发电的合理选择。Trimble说，能够达到这种效率的关键在于该循环中的再生部分，它能为整个过程注入恒定的热量。
　　斯特林循环并不是像内部燃烧循环或奥托循环那样是通过内部点火向系统引入热量的;它是利用作用于汽缸外部的热量来使内部的气体膨胀。

　　Trimble解释说，斯特林循环与内部燃烧发动机一样，在机械上都比较复杂;尽管效率比较高，但对一次性应用来说它的成本还是很高的。最终为两家巨型发电厂所建造的大量的这种装置能通过规模效益降低成本，就像汽车等其他复杂系统一样。
　　每分钟1800转的SES斯特林发动机采用的是四个双动气缸，这种气缸最早是工程师们为利用成熟的汽车配件而设计的。所以，该型号发动机使用了与现代发动机相似的活塞和连杆。

　　Trimble指出，甚至连组成聚能器的近90面镜子也都在大小和形状上与汽车引擎盖相似。斯特林公司的初衷是，可以利用汽车工业中无处不在的工具方便地生产这些聚能镜。

　　SES公司负责聚能盘结构的项目工程师Larry Wilson解释说，SES将把聚能器控制置于开放循环系统中。“聚能盘对准哪个方向要取决于是在一天中的什么时间和一年中的哪一天，”他说。斯特林公司预计这些位置不会出现偏离，除非是遇到刮风。然后，通过一个封闭循环系统来测量聚能盘四个象限之间的温度变化并且调整聚能盘的位置让它们相等。
　　Trimble说，与传统发电厂相比，太阳能系统的一个巨大优势是，装机容量的第一个兆瓦就可以产生电力，SES公司将会逐步把入网电量增加到满负荷的500兆瓦。
　　转动并对准太阳
　　Joyce/Dayton公司的螺旋起重机被广泛应用于卫星跟踪产业。当SES公司开始为太阳能聚能器的仰角驱动寻求供货商时，这家公司就理所当然成了SES的选择。据Joyce市场总监Michael Harris说，该公司在七年的时间中为运行于桑迪亚国家实验室地面上的6个原型装置开发供应了组合蜗轮减速器/滚珠螺杆装置。
　　Harris说，在还不清楚滚珠螺杆具有更长使用寿命之前，公司为了节省成本首先考虑的是机械螺旋千斤顶。Harris解释道，由于很多变化因素，像难于控制的润滑和环境状况，“梯形螺杆的寿命不太好预测”。通用目的的机械螺杆通常可以运行200,000到500,000英寸，而用滚动摩擦代替滑动摩擦的滚珠螺杆通常可以运行1百万英寸。
　　虽然滚珠螺杆的摩擦力小了很多，但它不能像梯形螺杆一样进行自我锁止，会出现后退问题。因此，SES为发动机提供了仰角驱动和制动以保证每个聚能盘都能“向着太阳”。
　　滚珠螺杆必须能够承受作用在集电器上每小时50英里任何风向的风荷载，并且能够在集电器面朝上，也就是处于“满载状态”时，承受每小时90英里的风荷载。
　　最坏的情况下，滚珠螺杆升降机需要承受15,500磅的重量。Harris说，完全收缩时，它们可以承担40,000磅的重量。Joyce公司的工程师们为10吨的框架开发出了一种直径为2英寸的特殊起重螺杆，一般来说这个重量使用1.5英寸直径的螺杆就可以了。这家公司认为，这首先是一种产业。Joyce/Dayton的一家附属公司开发出了专用的铝化玻璃纤维伸缩管，用来保护处于沙漠风沙环境中的活动部件。这种材料设计比氯丁橡胶更能够承受被太阳能烘烤的发动机附近的高温。
　　据产品营销经理George Tedesco说，Peerless-Winsmith公司为六个原型聚能盘提供了方位角Planocentric驱动器。他说，这种驱动器代替了基座内部的一些功能元件。这是该公司专为太阳能追踪应用所开发的。
　　Tedesco说，在该系统并入一个大直径滚珠轴承就能够应对太阳能集电器来自风荷载高达250万英寸-磅扭力的倾覆瞬间。一个行星齿轮和离心轮被紧密地平列在一个小型齿轮箱中。小于0.5毫弧度的齿隙游移能够精确地保证对太阳的追踪。
　　2005年6月，加利福尼亚州州长阿诺德·施瓦辛格(Arnold Schwarzenegger)正式签署通过了一项能够加速现行监管减少温室气体排放的计划。虽然相对成熟的风力发电产业可能会在满足这项新需求中起到重要作用，但是太阳能发电在该州的南部地区会尤其重要。在那里，太阳能源多于风力能源，其电力产能差不多能够满足该州人口稠密地区的需求。
　　南加利福尼亚爱迪生公司项目的第一阶段将会安装40个集电装置，具有1兆瓦的实验产能。
　　补充资料：斯特林循环
　　SES公司在斯特林发动机中使用的是氢气。一个理想的循环是这样开始的：在恒温下对氢气进行压缩(PV线图中的1到2)，并且排出在压缩中产生的热量;然后，把来自热交换器的热量以恒定量加入到流体中(2到3);接下来，流体在恒温下膨胀(3到4)，做功于活塞，同时热量从外部加入。最后，热量被排入到另一个恒量过程的热交换器中。
　　纯功等于高温膨胀所产生的功减去在较低温下用于压缩同量气体的功。
　　Steve Trimble说，在实际的斯特林循环中，这个过程并不会如此理想。活塞运动、气体的死体积以及不太完美的再生过程，所有这些因素会让斯特林循环实际上更像图示的样子。