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二氧化(hua)(hua)碳具有合適的(de)臨(lin)(lin)界參數，化(hua)(hua)學性質不活潑(po)，且(qie)具有壓縮(suo)性好(hao)、安全無(wu)毒、儲量(liang)(liang)豐富等優點。超臨(lin)(lin)界二氧化(hua)(hua)碳(Supercritical carbondioxide，S-CO2)是(shi)氣態和(he)液(ye)態并存(cun)的(de)流體(ti)，密(mi)度接近于液(ye)體(ti)，粘度接近于氣體(ti)，擴散系(xi)數約為液(ye)體(ti)的(de)100倍。和(he)常規蒸汽發電(dian)(dian)相(xiang)比，超臨(lin)(lin)界CO2發電(dian)(dian)系(xi)統(tong)的(de)體(ti)積更小(xiao)、重量(liang)(liang)更輕(qing)、熱損更小(xiao)、轉換效率(lv)更高，系(xi)統(tong)僅需要較低的(de)熱量(liang)(liang)即可(ke)(ke)啟動發電(dian)(dian)機、應(ying)對負(fu)荷變化(hua)(hua)調(diao)整迅速(su)、支持快(kuai)速(su)啟停，同時還可(ke)(ke)以節約大(da)量(liang)(liang)水資(zi)源(yuan)，是(shi)太陽能熱發電(dian)(dian)在光照資(zi)源(yuan)好(hao)但水資(zi)源(yuan)緊缺的(de)荒漠地(di)區的(de)理想選擇。

2011年(nian)2月4日美(mei)國(guo)能源部(bu)啟動了(le)一(yi)項名為(wei)“利用(yong)太陽能發電(dian)的(de)創(chuang)新綱領”(Sunshot Initiative)的(de)計劃(hua)。2011年(nian)10月25日，美(mei)國(guo)能源部(bu)宣(xuan)布，作(zuo)為(wei)SunShot計劃(hua)的(de)一(yi)部(bu)分，將在未來3年(nian)投資6000萬美(mei)元(yuan)開展應用(yong)科學(xue)研(yan)究以(yi)推動太陽能熱發電(dian)技術發展，目標是：其一(yi)，在2020年(nian)將太陽能熱發電(dian)電(dian)價降到(dao)(dao)6美(mei)分/度。第(di)二，研(yan)發超臨界CO2循(xun)(xun)環(huan)作(zuo)為(wei)CSP電(dian)廠的(de)動力轉換部(bu)分的(de)系統，動力模塊造價低于(yu)(yu)1200美(mei)元(yuan)/kW。第(di)三(san)，超臨界CO2透平(ping)入口溫度達(da)到(dao)(dao)700℃以(yi)上。第(di)四，熱機(ji)采用(yong)干冷(leng)卻不用(yong)水，循(xun)(xun)環(huan)效率大于(yu)(yu)50%。

相關(guan)的(de)(de)科研項目由Southwest Research Institute(Sw RI)、GE、Thar Energy、Aerojet Rocketdyne等(deng)機(ji)構和多家大學(xue)承(cheng)擔，包(bao)括新型(xing)聚(ju)光器、高(gao)效(xiao)接收器、系統集(ji)成(cheng)、透平機(ji)械(xie)、緊湊(cou)式換熱器等(deng)關(guan)鍵技(ji)術(shu)。總體(ti)上(shang)，受(shou)美國能源部(bu)(bu)資(zi)助(zhu)的(de)(de)科研項目按(an)照循序(xu)漸進(jin)的(de)(de)規律在逐步推進(jin):從小型(xing)試(shi)(shi)驗(yan)臺架的(de)(de)原理驗(yan)證(zheng)到關(guan)鍵部(bu)(bu)件技(ji)術(shu)攻(gong)關(guan)，再到兆瓦級試(shi)(shi)驗(yan)裝置(zhi)的(de)(de)研發;從不同(tong)部(bu)(bu)門獨立投(tou)(tou)入到共性技(ji)術(shu)部(bu)(bu)門間聯合投(tou)(tou)入。近(jin)年來，美國能源部(bu)(bu)不斷加大、加快對資(zi)助(zhu)科研項目的(de)(de)投(tou)(tou)入，并在2016年投(tou)(tou)入巨資(zi)建(jian)設10MW試(shi)(shi)驗(yan)裝置(zhi)，表明美國整體(ti)技(ji)術(shu)成(cheng)熟(shu)度水平已達到較高(gao)級別(bie)。

美國目前(qian)是毋庸置疑(yi)的(de)超(chao)臨(lin)界CO2循環發電技(ji)術領先者，在(zai)(zai)系(xi)統研(yan)究(jiu)、機(ji)(ji)組設計(ji)、零部件(jian)加工(gong)及(ji)系(xi)統示(shi)范(fan)驗證方(fang)面開(kai)展了較多(duo)的(de)工(gong)作。預(yu)計(ji)其(qi)將(jiang)在(zai)(zai)未(wei)來2年內(nei)完(wan)(wan)成(cheng)商(shang)業示(shi)范(fan)，在(zai)(zai)3～5年將(jiang)形(xing)成(cheng)1～10MW級(ji)超(chao)臨(lin)界CO2機(ji)(ji)組完(wan)(wan)整(zheng)產(chan)業鏈和成(cheng)功商(shang)業案例。中國國內(nei)目前(qian)還處在(zai)(zai)理論(lun)研(yan)究(jiu)和小型(xing)示(shi)范(fan)機(ji)(ji)組建設規劃籌建階段，少數廠商(shang)有試制(zhi)計(ji)劃和生產(chan)能(neng)力，與美國差距(ju)較為明顯。目前(qian)，在(zai)(zai)科(ke)技(ji)部的(de)支持(chi)下，我(wo)國正在(zai)(zai)進行超(chao)臨(lin)界CO2太陽能(neng)熱發電關鍵基(ji)礎問題研(yan)究(jiu)。

東方電氣集團東方鍋(guo)爐股份有限公司程(cheng)虎(hu)，奚正穩，孫登科等(deng)以熔鹽(yan)吸熱(re)技術與超臨界CO2再壓(ya)縮(suo)循環耦合的系統為(wei)例，對(dui)超臨界CO2塔式光熱(re)發電系統的特(te)點、該技術尚需研究和解決(jue)的技術問題等(deng)進(jin)行(xing)了分析(xi)。特(te)整理如下，以供參考。

1、超臨界CO2光熱發電系統

基于(yu)超臨(lin)界CO2布(bu)雷頓(dun)循(xun)(xun)環的塔式(shi)光熱系(xi)統模式(shi)主要有：第(di)(di)一，基于(yu)空(kong)氣(qi)(或二氧化碳)的氣(qi)體吸熱技術(shu)與(yu)(yu)超臨(lin)界CO2動(dong)力循(xun)(xun)環系(xi)統結合。第(di)(di)二，基于(yu)粒子的固體吸熱技術(shu)與(yu)(yu)超臨(lin)界CO2動(dong)力循(xun)(xun)環系(xi)統結合。第(di)(di)三，基于(yu)熔鹽(yan)的吸熱技術(shu)與(yu)(yu)超臨(lin)界CO2動(dong)力循(xun)(xun)環系(xi)統結合。

以下以熔鹽吸熱(re)技術與超(chao)臨界CO2再壓縮循環耦合(he)的(de)系統為例，介紹超(chao)臨界CO2塔式光熱(re)發電(dian)系統的(de)特點(dian)。

超臨界CO2塔式光熱發電系統，是一種以超臨界狀態的CO2為工(gong)質的布(bu)雷頓(dun)循環(huan)系統，既能保(bao)證熔鹽(yan)吸熱、儲熱系統安全穩定工(gong)作同時也能實現電站的無(wu)水化運行。

超(chao)臨(lin)界CO2塔式光熱發(fa)電(dian)系統主(zhu)要包括：吸熱器子(zi)(zi)系統、定(ding)(ding)日(ri)鏡(jing)子(zi)(zi)系統、儲(chu)熱子(zi)(zi)系統、動(dong)力循環(huan)子(zi)(zi)系統。定(ding)(ding)日(ri)鏡(jing)通過追(zhui)蹤太陽(yang)位(wei)置將陽(yang)光收集反射到(dao)吸熱器上，從而加熱吸熱器里的熔(rong)鹽工(gong)質，高(gao)溫熔(rong)鹽經下(xia)降管返回高(gao)溫罐。超(chao)臨(lin)界CO2工(gong)質與高(gao)溫熔(rong)鹽換熱，最后到(dao)渦輪機中膨脹做(zuo)功。由于太陽(yang)能資源具有不(bu)穩定(ding)(ding)性，所(suo)以設(she)置了儲(chu)熱子(zi)(zi)系統來維持光熱發(fa)電(dian)系統的穩定(ding)(ding)運(yun)(yun)行，同時(shi)也能保證系統在夜間(jian)的運(yun)(yun)行。

動(dong)力循環子系統(tong)采用超(chao)臨界CO2再壓縮循環，因為它是其他(ta)大(da)多數衍生循環設計的基(ji)礎，具(ju)有結構簡單、效率高的特點，系統(tong)示意如圖。

圖(tu)：基于超臨界CO2循環的塔式光熱發電系統示意圖(tu)

系統的特點主要有：1)可顯著(zhu)提高光熱發電系統效率。2)對設備腐(fu)蝕速(su)率更(geng)低。3)無水(shui)處理(li)。4)系統結構緊湊(cou)，占(zhan)地空(kong)間小。5)降低電力成本。6)將CO2資(zi)源化。

當然，超臨(lin)界(jie)CO2光熱發(fa)電系(xi)統也存在一些問題。其主要缺點在于:其一，超臨(lin)界(jie)CO2光熱發(fa)電系(xi)統為高(gao)壓(ya)系(xi)統，系(xi)統壓(ya)力較大，對材料的(de)(de)(de)要求比較高(gao)。其二，管(guan)道中存在較高(gao)的(de)(de)(de)壓(ya)力損失。如果要建(jian)設(she)大規模的(de)(de)(de)電站，可(ke)能有50～100km長的(de)(de)(de)管(guan)道，壓(ya)力損失將(jiang)難以估量，這意味著它可(ke)能不適合大規模電站，僅僅適合小規模的(de)(de)(de)光熱電站。

美國能(neng)源部認為(wei)，太陽能(neng)發(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本下(xia)降(jiang)應(ying)從四個方面著手：降(jiang)低(di)(di)技(ji)術成(cheng)(cheng)(cheng)本、降(jiang)低(di)(di)并網(wang)成(cheng)(cheng)(cheng)本、促進(jin)規模(mo)化(hua)全球化(hua)應(ying)用(yong)、提升電(dian)(dian)(dian)站(zhan)效率。超臨(lin)界CO2優良的(de)傳熱(re)和流動性能(neng)具(ju)有提高發(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)效率的(de)巨大潛力。以超臨(lin)界CO2作為(wei)工質(zhi)的(de)太陽能(neng)熱(re)發(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)系統的(de)出現將大幅(fu)拉(la)低(di)(di)光(guang)熱(re)發(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)本，有業內專家表示，該(gai)技(ji)術將成(cheng)(cheng)(cheng)為(wei)光(guang)熱(re)發(fa)(fa)電(dian)(dian)(dian)實現平(ping)價上網(wang)的(de)重(zhong)要推力。

2、關鍵技術分析

超臨界CO2發電技(ji)術(shu)是未(wei)來太陽(yang)能熱發電的(de)一(yi)個發展方向(xiang)，要(yao)(yao)全面掌握(wo)和利用該技(ji)術(shu)，重點需要(yao)(yao)在以下(xia)幾個方面展開技(ji)術(shu)與(yu)市場創新與(yu)實踐研究(jiu)。

1)系統(tong)性(xing)研究超臨界CO2物(wu)性(xing)和高(gao)溫下(xia)對材料的腐蝕特(te)性(xing)。

2)研(yan)究超臨(lin)界CO2發電系統的光熱耦合原(yuan)理(li)與運行控制(zhi)。

3)突(tu)破超臨界CO2高速渦輪(lun)發電機組設(she)計制造技術(shu)。

4)開發(fa)滿足超臨界CO2發(fa)電系統工(gong)程應用的高效換熱器。

3、結語

高(gao)(gao)效的(de)(de)超(chao)臨(lin)界(jie)CO2循環(huan)(huan)需要熱氣(qi)體(ti)透平膨脹機(ji)運行(xing)(xing)在較(jiao)(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)溫(wen)度和(he)壓力之上(shang)，在較(jiao)(jiao)為廣泛的(de)(de)負載條件下，維持高(gao)(gao)效運行(xing)(xing)，并能(neng)(neng)夠應對太(tai)陽能(neng)(neng)熱量輸入的(de)(de)快(kuai)速波動(dong)，同時(shi)能(neng)(neng)夠快(kuai)速啟動(dong)，優(you)化電(dian)(dian)(dian)站的(de)(de)在線運行(xing)(xing)。此外，除了太(tai)陽能(neng)(neng)發(fa)電(dian)(dian)(dian)，超(chao)臨(lin)界(jie)CO2循環(huan)(huan)在廢熱發(fa)電(dian)(dian)(dian)、核(he)電(dian)(dian)(dian)和(he)化石(shi)燃料發(fa)電(dian)(dian)(dian)領(ling)域事實上(shang)也(ye)有一定的(de)(de)應用潛(qian)力。而(er)對于我國(guo)太(tai)陽能(neng)(neng)熱發(fa)電(dian)(dian)(dian)行(xing)(xing)業，超(chao)臨(lin)界(jie)CO2循環(huan)(huan)技術是(shi)一條不(bu)可錯失(shi)的(de)(de)發(fa)展路線，建議(yi)加大科研力度或者國(guo)際合作，整合核(he)心零(ling)部件供應商(shang)，在市場層面進行(xing)(xing)國(guo)內(nei)的(de)(de)示范機(ji)組建設，盡早與項(xiang)目應用方開展合作，形成品牌(pai)效應。