超临界CO2布雷顿循环系统能否创始我国光热发电工业新未来?

所谓超临界二氧化碳布雷顿循环，便是用超临界状况的二氧化碳作为工质的涡轮发动机热循环。但和一般的燃气轮机不同的是，这种燃气轮机的焚烧室不焚烧燃料，而是用于外部热源对二氧化碳进行加热。超临界状况的二氧化碳在通过压气机紧缩后，进入焚烧室由外部热源加热，加热后的高温超临界二氧化碳驱动涡轮，由涡轮驱动压气机和对外输出功率，作功之后的二氧化碳再回到压气机再被紧缩，如此循环往复。

不难看出，这在本质上，便是一个和斯特林发动机相同的外燃式闭循环热机。假如用太阳能光热体系作为这个体系的外部热源，便是一个不需求“烧开水”，也不需求耗费燃料的纯太阳能光热发电体系。

二氧化碳有一个很共同的物理性质：当温度到达30.98℃，压力到达7.38MPa时，其物理状况介于液体和气体之间，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。这种状况，称为“超临界”状况。处于超临界状况下的二氧化碳，密度比气体大，粘性比液体小，具有流动性强、传热效率高、可紧缩性小等特色。

二氧化碳的临界条件简略到达，化学性质不生动，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易取得。这些特性，使得它很合适用于作为热力循环工质。

超临界二氧化碳布雷顿循环的相关研讨，国际上早在20世纪六七十年代就开端了。因为其功率密度高，对轮盘和叶片的功能要求很高，其时的加工工艺难以满意。直到90年代今后，跟着高精度数控机床的使用，相关制作工艺得以打破，相关的研发作业才开端进行。

本世纪以来，在动力、环保问题加重的情况下，超临界二氧化碳布雷顿循环技能更是引起各国的重视。美国在这方面特别活跃，美国动力部(DOE)于2011年开端施行太阳能使用范畴的“Sunshot”攻关方案，该项目中的超临界二氧化碳布雷顿循环体系研发项目的主体项目为10MW超临界二氧化碳发电机组项目研发和测验，由美国桑迪亚(Sandia)国家试验室-核能体系试验室(NESL)承当相关的试验研讨。

通过测验证明，S-CO2作为工质的光热发电体系在600到700℃的温度范围内运转都能够有杰出体现，能够在500℃以上、20MPa的大气压下完结高效率的热能使用，热效率能够到达45%以上。关于需求建造大规模镜场，因此出资巨大，需求高效率发电方法的光热发电来说，这显然是一个抱负的挑选。现在，美国、日本、印度都已经建成了相关的试验体系。

关于我国的超临界二氧化碳布雷顿循环研讨来说，刚刚曩昔的2018年是非常重要的一年。2018年2月，由我国科学院工程热物理研讨所研发的国内首台MW级超临界二氧化碳紧缩机，在我国航发沈阳拂晓航空发动机有限责任公司燃气轮机分公司完结加工安装，成功交给工程热物理研讨所衡水基地。紧缩机是超临界二氧化碳布雷顿循环体系的核心部件之一，它的研发成功，是我国在超临界二氧化碳布雷顿循环体系研讨范畴的一次重大打破。

图：国内首台兆瓦级超临界二氧化碳紧缩机(由中科院工程热物理研讨所研发)

2018年9月21日，我国首座大型超临界二氧化碳紧缩机试验渠道在衡水基地正式建成。试验渠道是用于测验超临界二氧化碳紧缩机作业功能和展开超临界二氧化碳流体紧缩特性相关根底试验的通用渠道，还能够用于展开高速转子测验、轴承测验和密封测验等试验。

该渠道可调制7-9MPa、0-35℃的亚临界或超临界二氧化碳，紧缩机出口压力能够到达20MPa以上;转子转速最高可达40000r/min以上，流量最大到达30kg/s;可进行百kW到MW级超临界二氧化碳紧缩机的精细接连测验，是现在我国仅有的兆瓦级超临界二氧化碳紧缩机试验渠道，也是国际上规模最大等级最高的同类试验渠道。该兆瓦级超临界二氧化碳紧缩机通用试验渠道的建成投运，终结了我国相关研讨缺少试验条件的前史。

2018年11月，我国首座“双回路全温全压超临界二氧化碳(S-CO2)换热器归纳试验测验渠道”在我国科学院工程热物理研讨所廊坊中试基地建成。衡水兆瓦级超临界二氧化碳紧缩机通用试验渠道和廊坊双回路全温全压超临界二氧化碳换热器归纳试验测验渠道的建成，为工程热物理研讨所深入展开超临界二氧化碳循环发电体系的研讨打下坚实的根底，也为国内从事此项研讨的其它科研单位供给了试验渠道支撑。关于我国超临界二氧化碳布雷顿循环技能的开展来说，这是具有里程碑含义的大事。

因为超临界二氧化碳密度高，循环简略，所以机组重量轻，尺度小(仅为汽轮机的1/10);超临界二氧化碳布雷顿循环仅需外界供给500到800℃的温度，这是使用现有太阳能聚光器和吸热器技能就能很简略到达的的温度。

能够预见，在国内科研单位的尽力下，我国研发出具有自主知识产权的超临界二氧化碳布雷顿循环体系将指日可下。这将彻底解决我国太阳能光热资源丰富的西部地区水资源缺少，不合适建造以汽轮机为动力装置的大型光热电站的问题，为我国太阳能光热发电工业创始更光亮的未来。