超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在太陽能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用探析

胡偉 賈小權(quán)

摘 ?要：21世紀(jì)，太陽能作為一種清潔可再生能源得到了各個(gè)國家的高度重視，結(jié)合當(dāng)前太陽能發(fā)電遇到的一些問題，分析了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在太陽能的應(yīng)用前景，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)可以提高太陽能發(fā)電效率，解決沙漠缺水地區(qū)太陽能發(fā)電對水資源的依賴，減小設(shè)備設(shè)施體積便于模塊化安裝，對于太陽能發(fā)電規(guī)模化建設(shè)提供了很好的解決方案。同時(shí)分析了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)遇到的問題及發(fā)展方向，可為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在太陽能應(yīng)用提供一些借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：太陽能;超臨界二氧化碳;布雷頓循環(huán)

0 引言

近年來，隨著傳統(tǒng)能源煤炭和石油等儲量的日益下降，對可再生能源的需求不斷升高，利用太陽能發(fā)電迎來前所未有的重要發(fā)展機(jī)遇期。太陽能作為一種清潔可再生能源，提高太陽能的利用效率是各個(gè)國家研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。[1]

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)作為近年來熱點(diǎn)研究的前沿發(fā)電技術(shù)，與蒸汽為介質(zhì)的朗肯循環(huán)相比，可以采用更廣的熱源溫度范圍，且在這些溫度范圍內(nèi)具有更高的循環(huán)發(fā)電效率。由于超臨界二氧化碳的特殊物性，循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單緊湊、循環(huán)效率高，被認(rèn)為在火力發(fā)電、太陽能光熱發(fā)電、第四代核能發(fā)電、余熱發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在核能發(fā)電等領(lǐng)域都開展相關(guān)的研究，但是與太陽能結(jié)合的并不是很多，本文簡述了當(dāng)前太陽能發(fā)電遇到的問題，分析了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在解決太陽能發(fā)電問題的技術(shù)優(yōu)勢，最后指出了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)未來的研究方向。

1 太陽能發(fā)電遇到的問題

1.1發(fā)電存在波動(dòng)性

傳統(tǒng)的太陽能利用技術(shù)包括光伏發(fā)電和光熱發(fā)電。其中，光伏是通過光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)換為電能;光熱是聚光鏡集熱加熱熔鹽等傳熱工質(zhì)，再通過汽輪機(jī)做功實(shí)現(xiàn)發(fā)電。其中光伏發(fā)電裝置較簡單，但是易受時(shí)間、天氣等因素限制，發(fā)電存在間歇性和波動(dòng)性，不利于大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。光熱發(fā)電利用儲能系統(tǒng)配合汽輪機(jī)做功可用實(shí)現(xiàn)晝夜持續(xù)發(fā)電，并網(wǎng)發(fā)電穩(wěn)定性較好，但是投入較大。

1.2熱轉(zhuǎn)換效率不高

傳統(tǒng)的汽輪機(jī)采用水為傳熱工質(zhì)的朗肯循環(huán)，由于水工質(zhì)存在相變，產(chǎn)生不可避免的汽化潛熱浪費(fèi)，同時(shí)設(shè)備受材料本身耐高溫高壓條件限制，因此，其效率一般僅僅為40%多，熱效率受瓶頸制約，提高越發(fā)困難，這個(gè)與當(dāng)前提出的能源高效利用是不相符的。

1.3對水資源的配套要求較高

傳統(tǒng)的汽輪機(jī)發(fā)電，需要用水作為工質(zhì)，在日常的運(yùn)行過程中，水會(huì)因?yàn)樾孤痘蛘哒舭l(fā)而逐漸較少，因此需要長期進(jìn)行補(bǔ)水，由于太陽能發(fā)電站一般處于沙漠等水資源匱乏的地帶，水資源相對更加寶貴，長期運(yùn)行，生產(chǎn)與維護(hù)成本增加。

2 超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)

超臨界流體是高于臨界溫度和臨界壓力的流體，超臨界二氧化碳有超臨界流體的一般特性，也有其獨(dú)特的特點(diǎn)：1）黏性小，流動(dòng)性強(qiáng)，易于擴(kuò)散，系統(tǒng)循環(huán)損耗小;2）密度接近液體，傳熱效率高，做功能力強(qiáng);3）腐蝕性小于水蒸汽;4）容易達(dá)到超臨界狀態(tài)，臨界溫度和壓力較低，工程應(yīng)用較好;5）系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、體積小;6）無毒、無害、穩(wěn)定，廉價(jià)易得。

布雷頓循環(huán)主要包括壓縮機(jī)壓縮、換熱器吸熱、渦輪透膨脹做功及冷卻器內(nèi)冷卻4個(gè)工作過程，與朗肯循環(huán)相比，循環(huán)工質(zhì)不發(fā)生相變，因此壓縮功耗較小。圖1是典型的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)。由于二氧化碳的臨界溫度和壓力較低（遠(yuǎn)低于水的臨界點(diǎn)），可在接近室溫條件下達(dá)到超臨界狀態(tài)，是布雷頓循環(huán)理想的熱力循環(huán)工質(zhì)。

3 超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在太陽能應(yīng)用

3.1提高熱轉(zhuǎn)換效率，解決并網(wǎng)的波動(dòng)性

DOSTAL等人[3]比較了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)、氦氣布雷頓循環(huán)、超臨界蒸汽循環(huán)、過熱蒸汽循環(huán)在不同進(jìn)口溫度下的循環(huán)效率，如圖2所示，當(dāng)溫度超過550℃時(shí)，臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)效率最高。太陽能的熔鹽物一般在550℃以上，利用超臨界二氧化碳提高熱轉(zhuǎn)換效率，從而提升太陽能的發(fā)電效率，對于解決長期并網(wǎng)的波動(dòng)性也是有利的。

3.2設(shè)備體積簡化，便于模塊化建設(shè)

發(fā)電系統(tǒng)中二氧化碳不發(fā)生相變，無汽化潛熱損失，壓縮功較小，可獲得較大的功率體積比。DOSTAL等人[4]對比了蒸汽渦輪、氦氣渦輪機(jī)和超臨界二氧化碳渦輪機(jī)功率尺寸，如圖3所示，在同等功率條件下，超臨界二氧化碳渦輪機(jī)尺寸和體積最小。另外，超臨界二氧化碳渦輪機(jī)可以采用單體設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，便于模塊化安裝，可實(shí)現(xiàn)太陽能的規(guī)模化建設(shè)。

3.3擺脫對水資源的依賴

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)不需要水，也不用后續(xù)污水處理，因此對于地處沙漠等水資源匱乏地區(qū)的電站，可以大大減少對水資源的依賴，二氧化碳可以就地生產(chǎn)制造，排放也無污染，因此可以減少生產(chǎn)和排污成本，這個(gè)對于太陽能發(fā)電的長期運(yùn)行是非常有利的。

4超臨界二氧化碳面臨的問題

超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)是未來太陽能發(fā)展趨勢，為大規(guī)模使用，還亟需開展相關(guān)研究：

1、高效換熱器的研發(fā)，由于超臨界二氧化碳在擬臨界點(diǎn)附近比熱變化劇烈，在換熱器中存在“夾點(diǎn)”問題，因此需要根據(jù)運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)相應(yīng)的高低溫?fù)Q熱器，并做好流量調(diào)控，確保換熱器高效運(yùn)行。

2、運(yùn)行控制的研究，當(dāng)壓縮機(jī)入口剛好在臨界點(diǎn)時(shí)，其壓縮功最小且系統(tǒng)效率最高，在布雷頓循環(huán)中，需要同時(shí)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)、換熱器、渦流發(fā)電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)解，整套控制較為復(fù)雜，需要研發(fā)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效率發(fā)電。

3、高性能材料的研發(fā)，超臨界布雷頓循環(huán)一般在15～32MPa、溫度高達(dá)550℃以上，為了滿足高溫高壓參數(shù)要求，加熱器、壓縮機(jī)、渦輪發(fā)電機(jī)的材料都必須具有強(qiáng)度高、耐高溫特點(diǎn)，同時(shí)對材料的耐二氧化碳的腐蝕性也需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本文結(jié)合當(dāng)前太陽能發(fā)電遇到的一些問題，闡述了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)特點(diǎn)，分析了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在太陽能的應(yīng)用優(yōu)勢，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)可以提高太陽能發(fā)電效率，解決沙漠地區(qū)太陽能發(fā)電對水資源的依賴，減小設(shè)備設(shè)施體積便于模塊化安裝，對于太陽能發(fā)電規(guī)模化建設(shè)提供了很好的解決方案。同時(shí)分析了超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)遇到的問題及發(fā)展方向，可為超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)在太陽能利用提供一些借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]SUN H H，ZHI Q，WANG Y， et al. China’s solar photovoltaic industry development：the status quo， problems and approaches[J]. Applied energy，2014，118：221-230.

[2]AHN Y，BEA S J，KIM M，et al.Review of supercritical CO2 power cycle technology and current status of research and development[J].Nuclear Engineering and Technology，2015，47（6）： 647 -661.

[3]DOSTAL V，HEJZLAR P，DRISCOLL M J. The Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle： Comparison to Other Advanced Power Cycles[J].Nuclear Technology，2006，154（3）：283-301

[4]DOSTAL V，DRISCOLL M J，HEJZLAR P. A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors[D]. Cambridge ：Massachusetts Institute of Technology，2004.