太陽(yáng)能已經(jīng)在各個(gè)國(guó)家的新能源開發(fā)中承擔(dān)日益重要的角兒，大眾媒體將太陽(yáng)能發(fā)電大部分聚焦在光伏發(fā)電(PV)，不過近些年太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域，尤其是聚光太陽(yáng)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(yáng)光加熱液體或氣體介質(zhì)，然后把這部分由介質(zhì)傳導(dǎo)的熱量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再?gòu)臋C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。熱量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能通常是用來驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。在一些較新的CSP電站中還有儲(chǔ)熱罐，能將太陽(yáng)能以熱能的形式儲(chǔ)存起來，需要的時(shí)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(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。與其他CSP發(fā)電技術(shù)集中用渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而碟式系統(tǒng)則是每個(gè)獨(dú)立的聚熱模塊都能就地進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，具有靈活部署的模塊化特點(diǎn)。單臺(tái)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(jìn)行分布式部署，又有能力構(gòu)建數(shù)百兆瓦的大型電站。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性始終是一大硬傷，微型燃?xì)廨啓C(jī)(MGT)則可以解決這一難題。
倫敦CITY大學(xué)能源工程教授Abdulnaser Sayma認(rèn)為，現(xiàn)在人們?nèi)匀辉趪L試使用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗哂休^高的設(shè)計(jì)效率，但是可靠性問題非常突出。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)需要使用氣體，通常是氫氣或氦氣，并儲(chǔ)藏在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)容，一段時(shí)間后活塞環(huán)會(huì)產(chǎn)生泄露，必須經(jīng)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(shù)列為重點(diǎn)開發(fā)技術(shù)，力求解決其可靠性的問題。Abdulnaser Sayma教授于是于2011年申請(qǐng)了項(xiàng)目，得到了歐盟的資助。其實(shí)，用微型燃機(jī)的太陽(yáng)能蝶式發(fā)電并非全新的概念，類似的項(xiàng)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(xiàng)目分為三個(gè)階段：(1)部件開發(fā)(2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成(3)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，出了主導(dǎo)該項(xiàng)目外，CITY大學(xué)還在瑞典Compower公司的支持下開展微型燃機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)、建造和試驗(yàn)。其他合作者還有瑞典KTH皇家理工學(xué)院和意大利Innova等，共計(jì)8個(gè)合作伙伴，來自5個(gè)不同的國(guó)家。整個(gè)項(xiàng)目耗資580萬歐元，其中442萬元源自歐盟資助。
示范機(jī)組的出力為3-10kW。如果需要更大出力，可通過模塊化組合實(shí)現(xiàn)。如果在偏遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)校和住房，通常一個(gè)模塊就足夠。每個(gè)模塊有其獨(dú)立的微型燃機(jī)，安裝在帶有雙軸太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的支柱上。和普通微型燃機(jī)通過燃料燃燒增加工質(zhì)溫度不同，CSP上的微型燃機(jī)的空氣是被太陽(yáng)能加熱的，透平進(jìn)口溫度目標(biāo)為800~900℃。該溫度和重型燃?xì)廨啓C(jī)相比無疑是低的，重型燃機(jī)透平進(jìn)口溫度一般為1400℃左右。微型燃機(jī)沒有葉片冷卻，因此材料收到限制，微型燃機(jī)的透平進(jìn)口溫度甚至可達(dá)1100℃，但是太陽(yáng)能接收器receiver的材料是有限制的。
KTH皇家理工學(xué)院使用了陶瓷泡沫(ceramicfoam)，承受溫度最高900℃。由于項(xiàng)目的發(fā)電容量小，該項(xiàng)目微型燃機(jī)不可能在現(xiàn)有微型燃機(jī)中選型。如Capstone公司以及Turbec公司，他們的微型燃機(jī)功率偏大，Capstone公司的微型燃機(jī)30kW以上，Turbec公司則在100kW以上，因此需“定制”微型燃機(jī)機(jī)組。同樣控制系統(tǒng)也不能采購(gòu)現(xiàn)成的，且需使用可控逆變器或整流器。微型燃?xì)廨啓C(jī)的原型機(jī)源自Compower公司，由壓氣機(jī)、透平、回?zé)峤粨Q器等組成。首先，CITY大學(xué)在原型機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)壓氣機(jī)和透平的空氣動(dòng)力學(xué)性能，原型機(jī)使用渦輪增壓增加比功，但卻犧牲了效率。CITY大學(xué)開發(fā)了高效的透平和壓氣機(jī)，并且重新設(shè)計(jì)了軸系布置，能夠更好第解決太陽(yáng)能負(fù)荷變化導(dǎo)致的軸系振動(dòng)問題。常規(guī)的微型燃機(jī)在定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，而CSP系統(tǒng)中的微型燃機(jī)在一天中經(jīng)歷了多個(gè)負(fù)荷變化，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過軸系優(yōu)化，將臨界轉(zhuǎn)速排除在了運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍之外。
該微型燃機(jī)采用單級(jí)設(shè)計(jì)，1級(jí)向心透平和1級(jí)離心壓縮機(jī)組成。透平制造使用了SelectiveLaserMelting選擇性激光熔化技術(shù)，類似于3D打印，在設(shè)計(jì)中則用到了CFD和FEM分析技術(shù)。
2015年4月，CITY大學(xué)在試驗(yàn)室對(duì)新型壓氣機(jī)和透平的設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)劃于今年完成系統(tǒng)集成，發(fā)電功率目標(biāo)為6kW。本項(xiàng)目的技術(shù)成熟度為TRL5或TRL6，如要向商業(yè)化發(fā)展，則需要?dú)W盟的進(jìn)一步支持。
