超临界二氧化碳循环在塔式太阳能热发电中的使用

二氧化碳具有适宜的临界参数，化学性质不生动，且具有压缩性好、安全无毒、储量丰厚等长处。超临界二氧化碳( Supercritical carbon dioxide，S-CO2) 是气态和液态并存的流体，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。和惯例蒸汽发电比较，超临界CO2发电体系的体积更小、分量更轻、热损更小、转化功率更高，体系仅需求较低的热量即可发动发电机、应对负荷改变调整敏捷、支撑快速启停，一起还可以节省很多水资源，是太阳能热发电在光照资源好但水资源紧缺的荒漠区域的抱负挑选。

2011 年2月4日美国能源部发动了一项名为“使用太阳能发电的立异纲要”( Sunshot Initiative) 的方案。2011年10月25日，美国能源部宣告，作为SunShot 方案的一部分，将在未来3 年出资6000万美元打开使用科学研讨以推进太阳能热发电技能展开，方针是：其一，在2020 年将太阳能热发电电价降到6美分/度。第二，研制超临界CO2循环作为CSP电厂的动力转化部分的体系，动力模块造价低于1200美元/kW。第三，超临界CO2透平进口温度到达700℃以上。第四，热机选用干冷却不用水，循环功率大于50%。

相关的科研项目由Southwest Research Institute ( SwRI) 、GE、Thar Energy、Aerojet Rocketdyne等组织和多家大学承当，包含新式聚光器、高效接收器、体系集成、透平机械、紧凑式换热器等要害技能。总体上，受美国能源部赞助的科研项目依照按部就班的规则在逐步推进: 从小型实验台架的原理验证到要害部件技能攻关，再到兆瓦级实验装置的研制; 从不同部分独立投入到共性技能部分间联合投入。近年来，美国能源部不断加大、加速对赞助科研项目的投入，并在2016 年投入巨资建造10MW实验装置，标明美国全体技能成熟度水平已到达较高等级。

美国现在是毋庸置疑的超临界CO2循环发电技能领先者，在体系研讨、机组规划、零部件加工及体系演示验证方面打开了较多的作业。估计其将在未来2 年内完结商业演示，在3～5年将构成1～10MW 级超临界CO2机组完好产业链和成功商业事例。我国国内现在还处在理论研讨和小型演示机组建造规划筹建阶段，少量厂商有试制方案和生产能力，与美国距离较为显着。现在，在科技部的支撑下，我国正在进行超临界CO2太阳能热发电要害根底问题研讨。

东方电气集团东方锅炉股份有限公司程虎，奚正稳，孙及第等以熔盐吸热技能与超临界CO2再压缩循环耦合的体系为例，对超临界CO2塔式光热发电体系的特色、该技能需求研讨和处理的技能问题等进行了剖析。特收拾如下，以供参阅。

1、超临界CO2光热发电体系

根据超临界CO2布雷顿循环的塔式光热体系形式首要有：榜首，根据空气( 或二氧化碳) 的气体吸热技能与超临界CO2动力循环体系结合。第二，根据粒子的固体吸热技能与超临界CO2动力循环体系结合。第三，根据熔盐的吸热技能与超临界CO2动力循环体系结合。

以下以熔盐吸热技能与超临界CO2再压缩循环耦合的体系为例，介绍超临界CO2塔式光热发电体系的特色。

超临界CO2塔式光热发电体系，是一种以超临界状况的CO2为工质的布雷顿循环体系，既能确保熔盐吸热、储热体系安全安稳作业一起也能完成电站的无水化运转。

超临界CO2塔式光热发电体系首要包含： 吸热器子体系、定日镜子体系、储热子体系、动力循环子体系。定日镜经过追寻太阳方位将阳光搜集反射到吸热器上，然后加热吸热器里的熔盐工质，高温熔盐经下降管回来高温罐。超临界CO2工质与高温熔盐换热，最后到涡轮机中胀大做功。由于太阳能资源具有不安稳性，所以设置了储热子体系来保持光热发电体系的安稳运转，一起也能确保体系在夜间的运转。

动力循环子体系选用超临界CO2再压缩循环，由于它是其他大多数衍生循环规划的根底，具有结构简略、功率高的特色，体系暗示如图。

图： 根据超临界CO2循环的塔式光热发电体系暗示图

体系的特色首要有：1) 可明显进步光热发电体系功率。2) 对设备腐蚀速率更低。3) 无水处理。4) 体系结构紧凑，占地空间小。5) 下降电力本钱。6) 将CO2资源化。

当然，超临界CO2光热发电体系也存在一些问题。其首要缺陷在于: 其一，超临界CO2光热发电体系为高压体系，体系压力较大，对资料的要求比较高。其二，管道中存在较高的压力丢失。假如要建造大规模的电站，可能有50～100km长的管道，压力丢失将难以估计，这意味着它可能不合适大规模电站，只是合适小规模的光热电站。

美国能源部以为，太阳能发电的本钱下降应从四个方面着手：下降技能本钱、下降并网本钱、促进规模化全球化使用、进步电站功率。超临界CO2优秀的传热和活动功能具有进步发电功率的巨大潜力。以超临界CO2作为工质的太阳能热发电体系的出现将大幅拉低光热发电的本钱，有业界专家表明，该技能将成为光热发电完成平价上网的重要推力。

2、要害技能剖析

超临界CO2发电技能是未来太阳能热发电的一个展开方向，要全面把握和使用该技能，要点需求在以下几个方面打开技能与商场立异与实践研讨。

1) 体系性研讨超临界CO2物性和高温下对资料的腐蚀特性。

2) 研讨超临界CO2发电体系的光热耦合原理与运转操控。

3) 打破超临界CO2高速涡轮发电机组规划制作技能。

4) 开发满意超临界CO2发电体系工程使用的高效换热器。

3、结语

高效的超临界CO2循环需求热气体透平胀大机运转在较高的温度和压力之上，在较为广泛的负载条件下，保持高效运转，并可以应对太阳能热量输入的快速动摇，一起可以快速发动，优化电站的在线运转。此外，除了太阳能发电，超临界CO2循环在废热发电、核电和化石燃料发电范畴事实上也有必定的使用潜力。而对于我国太阳能热发电职业，超临界CO2循环技能是一条不行失去的展开道路，主张加大科研力度或许国际协作，整合中心零部件供货商，在商场层面进行国内的演示机组建造，尽早与项目使用方打开协作，构成品牌效应。