AMTEC與超臨界CO2循環的混合太陽能熱發電系統初探

上海發電設備成套設計研究院有限責任公司 ■ 鄭開云

0 引言

太陽能熱發電的主流技術路線包括塔式、槽式、菲涅爾式、碟式等。將熱能轉換為電能的方式包括采用動力機械的熱力發電技術和無運動部件的直接熱電轉換技術，前者主要用于大功率的發電裝置，如汽輪機組；后者主要用于小功率的發電裝置，如溫差發電裝置。隨著新型熱能發電技術不斷被開發，這一領域的創新空間也不斷得到拓展。

近年來，新型的超臨界CO2循環成為研究熱點，理論和試驗均證實了這一循環的熱效率高，并且系統緊湊、動力機械體積小、制造成本較低[1]。在太陽能熱發電領域，超臨界CO2循環是第3代聚光太陽能熱發電動力循環的可選技術路線之一。國際上，美國能源部于2011年啟動了“Sunshot計劃”，其中，針對塔式聚光太陽能熱發電的一項任務是開發高參數的超臨界CO2循環，要求透平入口溫度達到700 ℃以上，空冷條件下循環效率達到50%。有關研究機構正在通過STEP項目建造10 MWe超臨界CO2循環試驗裝置，用于驗證上述參數目標[2]。超臨界CO2循環也是我國太陽能熱發電行業高度關注的前沿技術之一，“超臨界CO2太陽能熱發電技術”是2018年第20屆中國科協年會發布的《能源動力領域十項重大工程技術難題》之一。2019年初，國家重點研發計劃“可再生能源與氫能技術”重點專項之“超臨界CO2太陽能熱發電關鍵基礎問題研究”項目立項。同時，在商業化應用方面，北京首航艾啟威節能技術股份有限公司與法國電力集團(Electricite De France)合作，于2018年啟動了“超臨界CO2循環光熱發電技術研發項目”，共同開發高效率的太陽能熱發電技術，以降低太陽能熱發電成本。

超臨界CO2循環中的工質在高溫高壓參數下運行，根據高溫材料的許用條件，目前其最高溫度可達到700 ℃的等級。受此限制，超臨界CO2循環效率提升空間不大。與此同時，新型的直接熱電轉換技術——堿金屬熱電轉換器(AMTEC)也得到了發展。AMTEC是以β′′氧化鋁固體電解質(BASE)為選擇性滲透膜，以液態或氣態堿金屬(如鈉)為循環工質的高效面積型熱能與電能直接轉換裝置，工質在常壓附近運行，適用于溫度為600～1000 ℃的熱源[3-4]，可作為太陽能熱發電的熱電轉換裝置[5]。AMTEC無運動部件、無噪聲、無需維護，但其冷凝器釋放的熱量品位高，效率損失較大，最好增加底循環，回收余熱來發電，而超臨界CO2循環恰好是其理想的底循環。

本文以太陽能熱為高溫熱源，將AMTEC配合超臨界CO2循環組成新型高效太陽能熱發電系統，并對集成方案和系統的光電轉換效率進行了初步研究。

1 AMTEC的工作原理及特點

AMTEC的工作原理如圖1所示。整個裝置封裝于充有工質(通常為堿金屬鈉)的容器內，由循環泵和BASE膜將其分為高溫高壓區和低溫低壓區[3-4]。裝置運行過程中，通過工質的循環流動不斷將熱能轉換為電能。從高溫高壓區開始，外部輸入的熱量加熱液態鈉至高溫(圖1所示為高溫液態鈉)，也可加熱至氣化，溫度范圍為600～1000 ℃；然后，鈉以[Na+]離子(Na0→[Na+]+e)的形態在BASE膜兩側的壓差驅動下遷移，同時電子從負極離開，經過負載，到達正極，[Na+]離子穿過BASE膜后，在多孔電極/BASE膜界面與電子重新復合成中性鈉原子；接著，鈉以蒸汽的形式經過低溫低壓區氣相空間到達冷凝器，溫度范圍為150～500 ℃，向外部釋放凝結熱；最后，冷凝后的液態鈉經循環泵返回到高溫高壓區，從而完成循環。從熱力循環的角度來說，BASE膜及其界面中發生的過程相當于從高壓到低壓的等溫膨脹過程，但是不需要類似于膨脹機的運動機械，而是直接將熱能轉換為電能。

AMTEC具有以下幾方面優點：

1)效率高。理論上其熱電轉換效率可達40%。

2)功率密度高。功率密度可達500 W/kg以上。

3)無運動部件。若使用電磁泵或吸液芯，則裝置運行不需要運動機械，裝置運行中僅有的運動只是工質的循環流動。

4)工程化條件佳。裝置中的溫度和壓力均在常規可獲得工程材料的許用范圍內，所涉及的關鍵技術可利用成熟的β′′氧化鋁陶瓷制備技術和液態/氣態堿金屬處理技術。

5)適用熱源多。其可與核能、化石能、太陽能等結合，既可做成小型、可移動電源，也可以多模塊組合成中、大型發電廠。

6)余熱輸出品位高。可進一步采用其他手段發電，從而提高熱電轉換效率。

圖1 AMTEC的工作原理示意圖

2 AMTEC與超臨界CO2循環集成方案

根據上文所述的AMTEC獨特的構造和運行條件，其十分適用于太陽能熱發電，如塔式和碟式聚光太陽能熱發電系統，兩者均可實現1000℃以上的運行溫度[5]。但相比于現有的太陽能熱發電或光伏發電系統，單獨采用AMTEC的太陽能發電系統在發電效率上無明顯優勢。顯然，給AMTEC配置余熱發電裝置可提高其發電效率。針對AMTEC的余熱品位，可選用的余熱發電方式有蒸汽朗肯循環、有機工質朗肯循環、超臨界CO2循環、塞貝克效率溫差電轉換裝置等。本文以超臨界CO2循環作為余熱發電方式。

相比于其他方式，超臨界CO2循環的優勢主要有：1)適用的熱源溫度范圍大，冷端可空冷，循環效率較高；2)系統簡單，結構緊湊，響應速度快；3)在較大的發電功率跨度(百kW級至百MW級)均可保持較高效率，與AMTEC既可組成小型發電裝置，也可組成中、大型發電裝置；4) CO2工質與金屬鈉幾乎不反應，可避免類似于“鈉水反應”的安全隱患。

目前，太陽能熱發電、核電、火電等各個發電領域均在密集開展超臨界CO2循環技術的研發工作，并已開始對關鍵設備和系統進行試驗驗證，有望在近幾年內實現商業化[6]。因此，AMTEC與超臨界CO2循環集成的技術風險小，工程化前景好。

AMTEC與超臨界CO2循環集成的一種簡單方案是直接將AMTEC的余熱供給超臨界CO2循環的主加熱器，即以AMTEC為頂循環，超臨界CO2循環為底循環。但此時超臨界CO2循環的運行溫度較低，熱效率不夠高。所以，本文采取的方案是將AMTEC的余熱供給超臨界CO2循環的低溫段，同時還向其高溫段輸入太陽能熱，使循環在更高的溫度參數下工作，產生更高的熱效率[7]。本文采取的AMTEC與超臨界CO2循環集成方案如圖2所示。

圖2 AMTEC與超臨界CO2循環集成方案示意圖

在上述方案中，AMTEC的運行過程為：太陽光聚焦到太陽能接收器內，加熱AMTEC中的鈉至高溫飽和氣態；然后高溫飽和氣態鈉進入中間換熱器將熱量傳遞給超臨界CO2循環中的CO2工質，并有一部分轉變為飽和液態，再進入AMTEC模塊組(串聯或并聯)；飽和態的鈉經BASE后產生電能，然后氣態鈉經冷凝器冷凝，將凝結熱釋放給另一側的CO2，同時氣態鈉轉變為液態，液態鈉由鈉泵增壓并傳輸回太陽能接收器。

超臨界CO2循環的運行過程為：壓縮機將CO2工質壓縮至高壓；在壓縮機出口，CO2工質分為2路，一路進入回熱器，另一路再分為并聯的多路，分別進入各AMTEC模塊中的冷凝器，吸收鈉的凝結熱，再從各冷凝器出來合并匯入回熱器；回熱器出來的CO2工質一并進入中間換熱器，經高溫液態鈉加熱后CO2工質升溫；再進入透平膨脹做功，推動發電機產生電能；透平排氣進入回熱器將部分熱量傳遞給壓縮機出口的一路CO2工質，再經預冷器冷卻，然后返回到壓縮機。

在此集成方案中，鈉既是AMTEC的工質，也是超臨界CO2循環從外界獲取熱量的傳熱介質，來自液態金屬鈉冷卻快中子反應堆的經驗可為本文的系統提供重要參考[8]。鈉在整個回路中的最高壓力與大氣壓接近，對太陽能接收器材料強度要求不高，中間換熱器僅需要考慮CO2側壓力邊界的承壓設計即可。

3 系統效率初步分析

系統總的光電轉換效率η0為光熱轉換效率η1與熱電轉換效率η2的乘積，可表示為：

本文假設采用塔式聚光熱發電系統，其光熱轉換效率η1近似取60%。熱電轉換效率η2為AMTEC的熱電轉換效率η2-AMTEC與超臨界CO2循環效率η2-CO2的耦合。對于AMTEC，假設高溫端為927 ℃(1200 K)、低溫端為227 ℃(500 K)，η2-AMTEC為35%[4]，余熱全部經冷凝器釋放給超臨界CO2循環。對于超臨界CO2循環，根據相關文獻選取循環系統的參數[9]，具體如表1所示。

表1 超臨界CO2循環參數

根據表1可逐一求出超臨界CO2循環回路各個設備進口和出口的平衡熱力學狀態參數的值[9]，并求得中間換熱器熱功率HIHX和AMTEC冷凝器熱功率HCON，然后可求得超臨界CO2循環效率η2-CO2。其公式為：

式中，PCO2為超臨界CO2循環的輸出功率，本文給定為100 MW。

作為簡化，將AMTEC與超臨界CO2循環集成系統的所有能量損失(如壓損、散熱、機械損失、電能轉換損失等)及鈉泵和輔助設備用電歸并為10%的總輸出功率損失。總輸出功率扣除此損失后即為凈發電功率，可表示為：

式中，P0為凈發電功率；P1為總輸出功率。

總輸出功率P1可表示為：

式中，PAMTEC為AMTEC輸出功率，可用式(5)求得。

太陽能接收器的熱功率HREC可表示為：

太陽能熱功率HSOL可表示為：

熱電轉換效率η2可表示為：

將上述分析計算結果列于表2，其中，分流比為進入AMTEC冷凝器的工質流量比例。

表2 系統效率分析結果

超臨界CO2循環效率η2-CO2為39.35%，再扣除各類損失后，降至約35%，其優勢并不顯著。AMTEC的熱電轉換效率η2-AMTEC也為35%，扣除各類損失后，降至約32%。盡管這2種發電方式單獨的效率均不突出，但是兩者集成后，系統的熱電轉換效率η2可達到42.43%，顯著高于獨立發電。這樣，整個系統總的光電轉換效率η0可達到25.46%，相比現有的塔式聚光熱發電系統，該集成方案具有一定的競爭優勢。進一步將超臨界CO2循環的透平進氣溫度提高至700 ℃以上，則系統的熱電轉換效率η2可達到50%，總的光電轉換效率η0可達到30%。

由于太陽能具有間歇性，因此需要采用儲熱的辦法解決。AMTEC的運行溫度太高，相應的儲熱難度大、成本高，但是超臨界CO2循環的運行溫度相對較低，可以采用高溫熔鹽、相變材料、熱化學等儲熱技術實現其連續運行。因此，在太陽光不足時，儲熱提供給超臨界CO2循環運行所需的熱量，而AMTEC可以暫停運行或降參數運行，不過，此時系統效率和出力都會有所減小。

4 結語

AMTEC和超臨界CO2循環集成可作為一種新型的太陽能熱發電裝置，其系統簡單、緊湊，并具有較高的光電轉換效率。AMTEC無運動部件、無噪聲、無需維護，并且在技術上具備工程化條件，超臨界CO2循環也是正處于逐步實現商業化的進程中，集成二者的優點可產生良好的疊加效應，為太陽能熱發電提供了新的探索方向。