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所(suo)謂超臨(lin)界(jie)二(er)氧(yang)(yang)化碳布雷頓循(xun)環，就(jiu)是用超臨(lin)界(jie)狀(zhuang)態(tai)的二(er)氧(yang)(yang)化碳作為工質的渦(wo)輪發動(dong)機(ji)熱(re)循(xun)環。但和(he)一般的燃氣(qi)輪機(ji)不(bu)同的是，這種燃氣(qi)輪機(ji)的燃燒室不(bu)燃燒燃料，而是用于外(wai)部(bu)熱(re)源對(dui)二(er)氧(yang)(yang)化碳進行加(jia)熱(re)。超臨(lin)界(jie)狀(zhuang)態(tai)的二(er)氧(yang)(yang)化碳在經(jing)過(guo)壓(ya)氣(qi)機(ji)壓(ya)縮后(hou)(hou)，進入燃燒室由(you)外(wai)部(bu)熱(re)源加(jia)熱(re)，加(jia)熱(re)后(hou)(hou)的高溫(wen)超臨(lin)界(jie)二(er)氧(yang)(yang)化碳驅動(dong)渦(wo)輪，由(you)渦(wo)輪驅動(dong)壓(ya)氣(qi)機(ji)和(he)對(dui)外(wai)輸出功率，作功之(zhi)后(hou)(hou)的二(er)氧(yang)(yang)化碳再(zai)回到壓(ya)氣(qi)機(ji)再(zai)被(bei)壓(ya)縮，如(ru)此循(xun)環往(wang)復(fu)。

不難看出(chu)，這(zhe)在本質上，就(jiu)是一個和斯特林發動機(ji)一樣的外燃式閉循環熱(re)機(ji)。如果用(yong)太陽能(neng)光(guang)熱(re)系統(tong)作為這(zhe)個系統(tong)的外部(bu)熱(re)源，就(jiu)是一個不需要(yao)“燒開水”，也不需要(yao)消耗燃料的純(chun)太陽能(neng)光(guang)熱(re)發電系統(tong)。

二氧化碳有(you)一(yi)個很獨特(te)的(de)物(wu)理性(xing)質：當溫度(du)達到(dao)30.98℃，壓(ya)力達到(dao)7.38MPa時(shi)，其物(wu)理狀(zhuang)(zhuang)態介于液(ye)體(ti)和氣體(ti)之間，密度(du)接近(jin)于液(ye)體(ti)，粘度(du)接近(jin)于氣體(ti)，擴散系數約為液(ye)體(ti)的(de)100倍(bei)。這種狀(zhuang)(zhuang)態，稱(cheng)為“超(chao)臨(lin)界”狀(zhuang)(zhuang)態。處于超(chao)臨(lin)界狀(zhuang)(zhuang)態下的(de)二氧化碳，密度(du)比氣體(ti)大，粘性(xing)比液(ye)體(ti)小，具有(you)流動性(xing)強、傳熱效率高、可壓(ya)縮性(xing)小等特(te)點(dian)。

二氧化碳的臨界條(tiao)件容易達到，化學性質不活潑，無(wu)色(se)無(wu)味無(wu)毒，安全，價(jia)格便宜，純(chun)度高，易獲得(de)。這些(xie)特性，使得(de)它(ta)很適合用(yong)于(yu)作為熱力循(xun)環工質。

超臨界二氧(yang)化碳布雷頓(dun)循(xun)環的(de)相關研(yan)究(jiu)，國際上早在20世紀六七十年代(dai)就開始了(le)。由于其功率密度(du)高，對輪(lun)盤(pan)和葉片的(de)性能要(yao)求很(hen)高，當時的(de)加工工藝難以滿足。直到90年代(dai)以后，隨(sui)著高精(jing)度(du)數控(kong)機床(chuang)的(de)應用(yong)，相關制造工藝得以突(tu)破(po)，相關的(de)研(yan)制工作才開始進行(xing)。

本世紀以來，在(zai)能(neng)源、環(huan)保(bao)問題(ti)加(jia)劇(ju)的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下，超臨界二氧化(hua)碳布雷頓循環(huan)技術更是(shi)引起(qi)各(ge)國(guo)的(de)(de)(de)(de)關注。美國(guo)在(zai)這方面尤其積(ji)極(ji)，美國(guo)能(neng)源部（DOE）于2011年(nian)開始實(shi)施太陽(yang)能(neng)應用(yong)領(ling)域的(de)(de)(de)(de)“Sunshot”攻關計(ji)劃，該項目(mu)中的(de)(de)(de)(de)超臨界二氧化(hua)碳布雷頓循環(huan)系統研(yan)發項目(mu)的(de)(de)(de)(de)主體項目(mu)為10MW超臨界二氧化(hua)碳發電機組(zu)項目(mu)研(yan)發和測試，由美國(guo)桑迪亞（Sandia）國(guo)家實(shi)驗(yan)室-核能(neng)系統實(shi)驗(yan)室（NESL）承擔相(xiang)關的(de)(de)(de)(de)實(shi)驗(yan)研(yan)究(jiu)。

經(jing)過測試證明，S-CO2作為工質(zhi)的(de)光熱(re)發電系統在(zai)600到700℃的(de)溫度(du)范圍內(nei)運行都(dou)可(ke)以(yi)有(you)良好(hao)表現，可(ke)以(yi)在(zai)500℃以(yi)上(shang)(shang)、20MPa的(de)大(da)氣壓下實(shi)現高效率的(de)熱(re)能利用，熱(re)效率可(ke)以(yi)達(da)到45%以(yi)上(shang)(shang)。對于需要建設大(da)規模鏡場，因而(er)投資巨(ju)大(da)，需要高效率發電方(fang)式的(de)光熱(re)發電來(lai)說，這顯然是一個理想的(de)選擇(ze)。目前，美(mei)國、日本、印(yin)度(du)都(dou)已經(jing)建成了相關的(de)實(shi)驗(yan)系統。

對(dui)于中國的超臨界(jie)二(er)氧(yang)化碳(tan)(tan)布(bu)(bu)雷頓(dun)循(xun)(xun)環(huan)研(yan)究(jiu)來說(shuo)，剛(gang)剛(gang)過去的2018年是(shi)非常重(zhong)要的一(yi)年。2018年2月，由中國科學院工(gong)程熱(re)物(wu)(wu)理(li)研(yan)究(jiu)所(suo)研(yan)制的國內首臺MW級(ji)超臨界(jie)二(er)氧(yang)化碳(tan)(tan)壓(ya)(ya)縮機，在中國航發沈陽黎明航空發動機有限(xian)責任公司燃氣輪機分(fen)公司完(wan)成(cheng)加(jia)工(gong)裝配，成(cheng)功交(jiao)付工(gong)程熱(re)物(wu)(wu)理(li)研(yan)究(jiu)所(suo)衡水基地。壓(ya)(ya)縮機是(shi)超臨界(jie)二(er)氧(yang)化碳(tan)(tan)布(bu)(bu)雷頓(dun)循(xun)(xun)環(huan)系(xi)統(tong)的核心部(bu)件之(zhi)一(yi)，它的研(yan)制成(cheng)功，是(shi)我國在超臨界(jie)二(er)氧(yang)化碳(tan)(tan)布(bu)(bu)雷頓(dun)循(xun)(xun)環(huan)系(xi)統(tong)研(yan)究(jiu)領域的一(yi)次重(zhong)大突破。

圖：國內首臺兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機（由(you)中科院(yuan)工程熱物(wu)理研(yan)究(jiu)所(suo)研(yan)制）

2018年9月21日，我國(guo)首座大型超(chao)臨(lin)界(jie)二氧化(hua)碳壓縮(suo)(suo)機實(shi)驗平臺在衡水基地正式建成。實(shi)驗平臺是用于測(ce)試超(chao)臨(lin)界(jie)二氧化(hua)碳壓縮(suo)(suo)機工(gong)作性能和(he)開展超(chao)臨(lin)界(jie)二氧化(hua)碳流體壓縮(suo)(suo)特性相關(guan)基礎實(shi)驗的通(tong)用平臺，還可以用于開展高速(su)轉子測(ce)試、軸承測(ce)試和(he)密(mi)封測(ce)試等實(shi)驗。

該(gai)平(ping)臺可調制(zhi)7-9MPa、0-35℃的(de)(de)亞臨界(jie)或超臨界(jie)二氧(yang)化(hua)碳(tan)，壓縮(suo)機出口壓力可以達到20MPa以上；轉子(zi)轉速最高可達40000r/min以上，流量最大達到30kg/s；可進行百(bai)kW到MW級(ji)(ji)超臨界(jie)二氧(yang)化(hua)碳(tan)壓縮(suo)機的(de)(de)精密連(lian)續測試，是目前我國唯一的(de)(de)兆(zhao)瓦級(ji)(ji)超臨界(jie)二氧(yang)化(hua)碳(tan)壓縮(suo)機實驗平(ping)臺，也是世界(jie)上規模最大等級(ji)(ji)最高的(de)(de)同(tong)類實驗平(ping)臺。該(gai)兆(zhao)瓦級(ji)(ji)超臨界(jie)二氧(yang)化(hua)碳(tan)壓縮(suo)機通(tong)用(yong)實驗平(ping)臺的(de)(de)建成投運(yun)，終結了(le)我國相關研究缺(que)乏實驗條件的(de)(de)歷史。

2018年(nian)11月(yue)，我國(guo)首座“雙回路全(quan)溫全(quan)壓超臨(lin)(lin)界(jie)(jie)二(er)(er)氧化(hua)碳(tan)（S-CO2）換熱器綜合試(shi)(shi)(shi)驗(yan)測試(shi)(shi)(shi)平(ping)臺(tai)(tai)”在中國(guo)科學(xue)院(yuan)工(gong)程熱物理研(yan)(yan)究(jiu)所廊坊中試(shi)(shi)(shi)基(ji)地建成。衡水兆(zhao)瓦級超臨(lin)(lin)界(jie)(jie)二(er)(er)氧化(hua)碳(tan)壓縮機通用實驗(yan)平(ping)臺(tai)(tai)和廊坊雙回路全(quan)溫全(quan)壓超臨(lin)(lin)界(jie)(jie)二(er)(er)氧化(hua)碳(tan)換熱器綜合試(shi)(shi)(shi)驗(yan)測試(shi)(shi)(shi)平(ping)臺(tai)(tai)的(de)建成，為工(gong)程熱物理研(yan)(yan)究(jiu)所深入開展超臨(lin)(lin)界(jie)(jie)二(er)(er)氧化(hua)碳(tan)循環發電(dian)系統(tong)的(de)研(yan)(yan)究(jiu)打下堅實的(de)基(ji)礎(chu)，也(ye)為國(guo)內(nei)從事此項研(yan)(yan)究(jiu)的(de)其它科研(yan)(yan)單位(wei)提供了實驗(yan)平(ping)臺(tai)(tai)支撐(cheng)。對于中國(guo)超臨(lin)(lin)界(jie)(jie)二(er)(er)氧化(hua)碳(tan)布雷頓循環技術的(de)發展來(lai)說，這是具(ju)有(you)里(li)程碑意義的(de)大(da)事。

由于超臨界二(er)氧化(hua)碳密度高，循(xun)環簡單，所以機組重量輕，尺(chi)寸小（僅為汽輪(lun)機的1/10）；超臨界二(er)氧化(hua)碳布雷頓(dun)循(xun)環僅需外界提(ti)供(gong)500到800℃的溫度，這是應用(yong)現(xian)有(you)太(tai)陽能聚光器(qi)和吸熱器(qi)技術就能很容易達到的的溫度。

可(ke)以預見，在國(guo)內科研(yan)單位的(de)努力下，我(wo)國(guo)研(yan)制出具有自主知識產權的(de)超臨(lin)界二(er)氧化碳布雷頓(dun)循環(huan)系(xi)統將指日可(ke)待。這將徹底解決(jue)我(wo)國(guo)太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)熱資源(yuan)(yuan)豐(feng)富(fu)的(de)西部地區水資源(yuan)(yuan)缺乏，不適合建設以汽(qi)輪機為動力裝(zhuang)置(zhi)的(de)大型光(guang)(guang)熱電站的(de)問題，為中國(guo)太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)(guang)熱發(fa)電產業開創更光(guang)(guang)明的(de)未來。