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二(er)氧化(hua)碳具(ju)有合(he)適的(de)(de)臨界參數，化(hua)學(xue)性質不活潑，且具(ju)有壓縮(suo)性好、安全無毒(du)、儲量豐(feng)富等(deng)優點。超臨界二(er)氧化(hua)碳(Supercritical carbondioxide，S-CO2)是(shi)氣態和液態并存(cun)的(de)(de)流體(ti)，密度接近于液體(ti)，粘度接近于氣體(ti)，擴散系數約為(wei)液體(ti)的(de)(de)100倍(bei)。和常(chang)規蒸(zheng)汽發電(dian)(dian)(dian)相(xiang)比，超臨界CO2發電(dian)(dian)(dian)系統的(de)(de)體(ti)積更小、重量更輕(qing)、熱(re)(re)損更小、轉換效率更高，系統僅需(xu)要較低(di)的(de)(de)熱(re)(re)量即(ji)可啟動發電(dian)(dian)(dian)機(ji)、應對(dui)負荷(he)變化(hua)調整迅(xun)速、支持(chi)快速啟停(ting)，同(tong)時還(huan)可以節約大(da)量水資源(yuan)，是(shi)太(tai)陽能(neng)熱(re)(re)發電(dian)(dian)(dian)在光照(zhao)資源(yuan)好但(dan)水資源(yuan)緊缺的(de)(de)荒漠地(di)區的(de)(de)理(li)想選擇。

2011年(nian)2月4日美(mei)國(guo)能(neng)源部啟動了一項(xiang)名為(wei)“利(li)用(yong)太陽能(neng)發(fa)電(dian)(dian)的(de)(de)創(chuang)新綱(gang)領”(Sunshot Initiative)的(de)(de)計劃。2011年(nian)10月25日，美(mei)國(guo)能(neng)源部宣布，作為(wei)SunShot計劃的(de)(de)一部分，將在(zai)未(wei)來3年(nian)投資6000萬(wan)美(mei)元開展應用(yong)科學研(yan)究(jiu)以推動太陽能(neng)熱發(fa)電(dian)(dian)技術發(fa)展，目標是：其一，在(zai)2020年(nian)將太陽能(neng)熱發(fa)電(dian)(dian)電(dian)(dian)價降到6美(mei)分/度(du)。第二，研(yan)發(fa)超臨(lin)界(jie)(jie)CO2循(xun)環作為(wei)CSP電(dian)(dian)廠的(de)(de)動力(li)轉換部分的(de)(de)系統，動力(li)模塊造價低于1200美(mei)元/kW。第三，超臨(lin)界(jie)(jie)CO2透平入口溫度(du)達到700℃以上。第四，熱機采用(yong)干(gan)冷卻(que)不用(yong)水(shui)，循(xun)環效率大(da)于50%。

相(xiang)關(guan)的(de)(de)科(ke)研(yan)項目(mu)由Southwest Research Institute(Sw RI)、GE、Thar Energy、Aerojet Rocketdyne等(deng)(deng)機(ji)構和多家大學承擔，包括新型聚(ju)光器(qi)(qi)、高效接收器(qi)(qi)、系(xi)統集成(cheng)、透平(ping)機(ji)械、緊湊式換熱器(qi)(qi)等(deng)(deng)關(guan)鍵(jian)技(ji)術。總(zong)體上，受美(mei)國(guo)能源部(bu)(bu)資(zi)助(zhu)的(de)(de)科(ke)研(yan)項目(mu)按(an)照循序(xu)漸(jian)進的(de)(de)規律(lv)在逐步推進:從小型試驗臺架(jia)的(de)(de)原理驗證(zheng)到關(guan)鍵(jian)部(bu)(bu)件技(ji)術攻關(guan)，再到兆瓦級(ji)試驗裝置(zhi)的(de)(de)研(yan)發;從不同部(bu)(bu)門獨立投入(ru)到共性技(ji)術部(bu)(bu)門間聯合投入(ru)。近(jin)年來(lai)，美(mei)國(guo)能源部(bu)(bu)不斷加大、加快對(dui)資(zi)助(zhu)科(ke)研(yan)項目(mu)的(de)(de)投入(ru)，并在2016年投入(ru)巨資(zi)建(jian)設10MW試驗裝置(zhi)，表明美(mei)國(guo)整體技(ji)術成(cheng)熟度水(shui)平(ping)已達到較高級(ji)別。

美國(guo)(guo)目前(qian)是(shi)毋庸置疑的(de)超臨(lin)界CO2循(xun)環發(fa)電(dian)技術領先(xian)者，在(zai)(zai)(zai)系統研(yan)(yan)究、機(ji)組(zu)設計(ji)、零部件(jian)加(jia)工(gong)及系統示(shi)范驗(yan)證方面開(kai)展了(le)較(jiao)多的(de)工(gong)作。預計(ji)其將在(zai)(zai)(zai)未(wei)來2年內完(wan)(wan)成(cheng)(cheng)商業示(shi)范，在(zai)(zai)(zai)3～5年將形(xing)成(cheng)(cheng)1～10MW級超臨(lin)界CO2機(ji)組(zu)完(wan)(wan)整產業鏈和成(cheng)(cheng)功(gong)商業案例。中國(guo)(guo)國(guo)(guo)內目前(qian)還(huan)處在(zai)(zai)(zai)理論研(yan)(yan)究和小型示(shi)范機(ji)組(zu)建設規劃籌建階段，少數廠商有試制(zhi)計(ji)劃和生(sheng)產能(neng)力，與美國(guo)(guo)差距較(jiao)為明(ming)顯。目前(qian)，在(zai)(zai)(zai)科技部的(de)支持下，我國(guo)(guo)正在(zai)(zai)(zai)進行超臨(lin)界CO2太陽(yang)能(neng)熱(re)發(fa)電(dian)關鍵基(ji)礎問題研(yan)(yan)究。

東方電氣集團東方鍋爐股份(fen)有限(xian)公司程虎，奚(xi)正穩，孫登(deng)科等(deng)以熔鹽(yan)吸(xi)熱技(ji)術(shu)與(yu)超臨界CO2再壓縮循環耦合的系(xi)統(tong)為例，對超臨界CO2塔式(shi)光熱發電系(xi)統(tong)的特點、該技(ji)術(shu)尚需研究和解決的技(ji)術(shu)問題等(deng)進行了分析。特整理如(ru)下，以供參考。

1、超臨界CO2光熱發電系統

基于(yu)(yu)超(chao)(chao)臨(lin)(lin)界CO2布雷(lei)頓循環(huan)的塔(ta)式(shi)(shi)光熱(re)系(xi)統(tong)模式(shi)(shi)主要有：第(di)一，基于(yu)(yu)空氣(或(huo)二氧化碳)的氣體(ti)吸熱(re)技術與超(chao)(chao)臨(lin)(lin)界CO2動力循環(huan)系(xi)統(tong)結合(he)。第(di)二，基于(yu)(yu)粒子的固體(ti)吸熱(re)技術與超(chao)(chao)臨(lin)(lin)界CO2動力循環(huan)系(xi)統(tong)結合(he)。第(di)三，基于(yu)(yu)熔(rong)鹽的吸熱(re)技術與超(chao)(chao)臨(lin)(lin)界CO2動力循環(huan)系(xi)統(tong)結合(he)。

以下以熔鹽吸熱技(ji)術(shu)與超臨界CO2再(zai)壓(ya)縮循環耦合的(de)系統為(wei)例，介紹(shao)超臨界CO2塔式光(guang)熱發電系統的(de)特點(dian)。

超臨界CO2塔(ta)式(shi)光熱發電系(xi)統，是一種以超臨界狀態的(de)(de)CO2為(wei)工質的(de)(de)布雷頓循環系(xi)統，既(ji)能保證熔鹽(yan)吸(xi)熱、儲熱系(xi)統安全穩定工作同時也(ye)能實現電站的(de)(de)無水化(hua)運(yun)行。

超(chao)臨界CO2塔式光熱(re)(re)發電系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)主(zhu)要(yao)包(bao)括：吸熱(re)(re)器(qi)子系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)、定日鏡(jing)(jing)子系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)、儲熱(re)(re)子系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)、動力循(xun)環(huan)子系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)。定日鏡(jing)(jing)通過(guo)追蹤太陽位置將陽光收(shou)集反射(she)到吸熱(re)(re)器(qi)上，從而(er)加(jia)熱(re)(re)吸熱(re)(re)器(qi)里(li)的熔(rong)鹽(yan)工(gong)質，高(gao)溫(wen)熔(rong)鹽(yan)經下(xia)降管返(fan)回高(gao)溫(wen)罐。超(chao)臨界CO2工(gong)質與高(gao)溫(wen)熔(rong)鹽(yan)換(huan)熱(re)(re)，最后到渦輪機中膨脹做功。由于(yu)太陽能(neng)資源(yuan)具有不穩定性，所以設(she)置了儲熱(re)(re)子系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)來維持光熱(re)(re)發電系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)的穩定運(yun)行，同時也能(neng)保證系(xi)統(tong)(tong)(tong)(tong)在(zai)夜間的運(yun)行。

動(dong)力循環子系統(tong)采用(yong)超臨界CO2再壓縮(suo)循環，因為它是其他大(da)多數衍生(sheng)循環設計的基礎，具有結構簡單、效率(lv)高(gao)的特點，系統(tong)示(shi)意如圖。

圖：基于(yu)超臨界CO2循(xun)環的塔(ta)式光熱(re)發(fa)電系統示(shi)意圖

系統(tong)的特點主(zhu)要有：1)可顯(xian)著提高(gao)光熱發電(dian)系統(tong)效率。2)對設備腐(fu)蝕速(su)率更低。3)無水處理。4)系統(tong)結構緊湊，占地空間小(xiao)。5)降(jiang)低電(dian)力成本。6)將CO2資源化(hua)。

當然，超臨界CO2光(guang)熱發電(dian)系統(tong)也存在(zai)一(yi)些問題(ti)。其主要(yao)(yao)(yao)缺點在(zai)于:其一(yi)，超臨界CO2光(guang)熱發電(dian)系統(tong)為高(gao)壓(ya)(ya)系統(tong)，系統(tong)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)較大(da)，對材料的(de)(de)要(yao)(yao)(yao)求比較高(gao)。其二，管道(dao)中(zhong)存在(zai)較高(gao)的(de)(de)壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)損失(shi)。如果要(yao)(yao)(yao)建設(she)大(da)規模的(de)(de)電(dian)站，可(ke)能(neng)有50～100km長的(de)(de)管道(dao)，壓(ya)(ya)力(li)(li)(li)損失(shi)將難以(yi)估(gu)量(liang)，這(zhe)意味(wei)著它(ta)可(ke)能(neng)不適合(he)(he)大(da)規模電(dian)站，僅(jin)僅(jin)適合(he)(he)小規模的(de)(de)光(guang)熱電(dian)站。

美(mei)國能源部認為(wei)，太(tai)陽(yang)能發電(dian)的(de)(de)成(cheng)本下降應從四(si)個(ge)方面著手：降低(di)技術成(cheng)本、降低(di)并網(wang)成(cheng)本、促進規模化(hua)全球化(hua)應用、提升(sheng)電(dian)站效(xiao)(xiao)率(lv)。超(chao)臨界(jie)(jie)CO2優良的(de)(de)傳熱(re)(re)和(he)流動(dong)性能具(ju)有提高發電(dian)效(xiao)(xiao)率(lv)的(de)(de)巨大潛力(li)。以超(chao)臨界(jie)(jie)CO2作為(wei)工質的(de)(de)太(tai)陽(yang)能熱(re)(re)發電(dian)系統的(de)(de)出(chu)現(xian)將大幅拉低(di)光熱(re)(re)發電(dian)的(de)(de)成(cheng)本，有業內專(zhuan)家表示，該技術將成(cheng)為(wei)光熱(re)(re)發電(dian)實現(xian)平價上(shang)網(wang)的(de)(de)重要(yao)推(tui)力(li)。

2、關鍵技術分析

超臨界CO2發電(dian)技(ji)術是(shi)未來(lai)太陽能熱發電(dian)的一個發展(zhan)方(fang)向，要(yao)全面掌(zhang)握和(he)利用該技(ji)術，重點需要(yao)在以下(xia)幾個方(fang)面展(zhan)開技(ji)術與市場創(chuang)新與實(shi)踐(jian)研(yan)究(jiu)。

1)系統性研究超(chao)臨界(jie)CO2物性和(he)高溫下對(dui)材料(liao)的腐蝕特性。

2)研(yan)究超臨(lin)界CO2發(fa)電系統的光熱耦(ou)合原理與(yu)運(yun)行控制。

3)突破超臨界CO2高速(su)渦輪(lun)發電機組設計(ji)制造技術。

4)開發(fa)滿(man)足超臨界CO2發(fa)電系(xi)統工程(cheng)應用的高效換熱器。

3、結語

高效的(de)超臨界CO2循環需要熱(re)氣體透平膨(peng)脹機運行(xing)(xing)(xing)在較(jiao)高的(de)溫度和(he)壓力之上(shang)，在較(jiao)為廣泛的(de)負載條件下(xia)，維持(chi)高效運行(xing)(xing)(xing)，并能夠應(ying)(ying)對(dui)太陽能熱(re)量輸(shu)入的(de)快速(su)波動，同時(shi)能夠快速(su)啟動，優化(hua)電(dian)站的(de)在線(xian)運行(xing)(xing)(xing)。此外，除(chu)了太陽能發(fa)電(dian)，超臨界CO2循環在廢熱(re)發(fa)電(dian)、核(he)電(dian)和(he)化(hua)石燃料發(fa)電(dian)領域事實(shi)上(shang)也有一定的(de)應(ying)(ying)用潛(qian)力。而對(dui)于我國太陽能熱(re)發(fa)電(dian)行(xing)(xing)(xing)業，超臨界CO2循環技術是一條不(bu)可錯失的(de)發(fa)展路(lu)線(xian)，建議加大科研力度或者國際合(he)作，整合(he)核(he)心(xin)零部件供應(ying)(ying)商，在市場層面進行(xing)(xing)(xing)國內的(de)示范機組建設(she)，盡早與(yu)項目(mu)應(ying)(ying)用方開(kai)展合(he)作，形成品牌(pai)效應(ying)(ying)。