目前的主流火力發(fā)電，確實(shí)是“燒開水”--用鍋爐將水燒成蒸汽，再用熱機(jī)將蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從1785年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)起，就一直是如此。只不過這個(gè)過程，以前用的是往復(fù)式蒸汽機(jī)，現(xiàn)在用的是蒸汽輪機(jī)。即使是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，目前效率最高的方式，也是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán):在燃?xì)廨啓C(jī)后面再加上一套廢熱鍋爐，利用燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣的熱量“燒開水”，再用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而最大限度地提高整套系統(tǒng)的熱效率。
眾所周知，我國(guó)光熱資源主要集中在西部水資源相對(duì)缺乏的地區(qū)。那么能不能在利用太陽能光熱資源的時(shí)候，“把傳統(tǒng)的發(fā)電方式換一換”，不需要那么多水呢?第一個(gè)，也是目前已經(jīng)投入大規(guī)模應(yīng)用的辦法，其實(shí)我那篇文章中已經(jīng)提到了，那就是用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)明于1816年，以其發(fā)明者，英國(guó)物理學(xué)家羅巴特·斯特林的名字命名。和大致與其同一時(shí)期發(fā)明的瓦特蒸汽機(jī)類似，它也是一種外燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。但和瓦特蒸汽機(jī)不同的是，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)不是用水蒸汽，而是用氣體(早期用空氣，現(xiàn)在一般用氦氣或氫氣)作為工質(zhì)，這使得它不需要龐大的鍋爐系統(tǒng)，也就是說，它不需要“燒開水”。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的這個(gè)特點(diǎn)，再加上它是一種外部加熱的閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，使得它有一個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn):不“挑食”。它幾乎可以使用任何形式的熱源。這使得它非常適合用于太陽能光熱發(fā)電。
斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理(本文圖片均由作者收集供圖)
鄂爾多斯100kW太陽能光熱示范電廠是我國(guó)第一個(gè)碟式太陽能光熱發(fā)電示范電廠，2012年9月建成，共由10臺(tái)10kW碟式太陽能斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)組成，年發(fā)電量為32萬kWh
不過，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)也有很多缺陷，最大的問題就是單機(jī)輸出功率小。因?yàn)橥獠繜嵩吹臒崃抗?yīng)是連續(xù)的，而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)又是閉式循環(huán)，這使得斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體工質(zhì)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持在較高的溫度，為了減少熱損失必須采取隔熱措施，由此必然導(dǎo)致其體積和重量增加。這使得它的功重比非常小，單機(jī)功率沒法做得太大，歷史上斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)曾經(jīng)達(dá)到的最大單機(jī)功率也只有幾百千瓦。這就大大限制了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的普及應(yīng)用?？梢哉f，靠斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)來代替“燒開水”，是不現(xiàn)實(shí)的。
幸而，除了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，還有一種發(fā)動(dòng)機(jī)，也是不需要“燒開水”的，這就是燃?xì)廨啓C(jī)。那么，光熱發(fā)電能不能利用燃?xì)廨啓C(jī)作為熱機(jī)呢?
首先，讓我們來簡(jiǎn)單回顧一下燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)造和工作原理。一個(gè)最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)，由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪三部分組成。空氣先進(jìn)入壓氣機(jī)，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮升壓后進(jìn)入燃燒室，在燃燒室內(nèi)，經(jīng)過壓縮的空氣與燃料(氣體或液體)混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪，由渦輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)和對(duì)外輸出功率，做功后的廢氣排入大氣。
燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
仔細(xì)分析這個(gè)過程，我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮升壓后的空氣在燃燒室內(nèi)與燃料混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，這一步是燃?xì)廨啓C(jī)整個(gè)工作流程的核心環(huán)節(jié)。這就是說，如果能在燃燒之前，就先提升壓縮空氣的溫度，就可以在保持燃燒室輸出的燃?xì)鉁囟炔蛔兊耐瑫r(shí)，降低空氣在燃燒室內(nèi)的升溫幅度，從而有效減少燃料的消耗量。
裝備于英國(guó)45型驅(qū)逐艦的羅爾斯·羅伊斯WR21型燃?xì)廨啓C(jī)就是利用做完功后排出的廢氣的熱量，在壓縮空氣進(jìn)入燃燒室之前對(duì)其加熱，從而有效提高了燃機(jī)的燃料利用率。與功率相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單循環(huán)船用燃?xì)廨啓C(jī)相比，WR-21可節(jié)約燃油27%到30%。既然可以用廢氣作為加熱來源，那么光熱自然也可以。
2005年10月，由中材南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院春輝公司與以色列魏茲曼研究院合作，由中國(guó)工程院院士、南京市科協(xié)主席、東大-中天聯(lián)合研究中心主任張耀明主持研制的70kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)示范工程，在南京市江寧開發(fā)區(qū)建成并成功發(fā)電。這也是我國(guó)首座塔式太陽能熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)由1個(gè)塔柱和32面定日鏡組成，占地面積約兩個(gè)籃球場(chǎng)大小，反射的太陽光匯聚到塔柱頂端的太陽能轉(zhuǎn)化裝置，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。
南京江寧70kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)示范工程。它也是我國(guó)首座塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)
與后來建成的北京延慶八達(dá)嶺塔式太陽能熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)電站不同的是，南京江寧70kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)示范工程采用的熱機(jī)不是蒸汽輪機(jī)，而是燃?xì)廨啓C(jī)。具體地說，是由以方提供的經(jīng)過“太陽能化”改造的美國(guó)霍尼韋爾Parallon 75型燃?xì)廨啓C(jī)。
Parallon 75是霍尼韋爾公司于90年代研制的微型燃?xì)廨啓C(jī)，以天然氣為燃料，最大輸出功率75千瓦，主要用于分布式發(fā)電。應(yīng)用于南京江寧70kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)示范工程的Parallon 75型燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過了“太陽能化”改造，在壓氣機(jī)和燃燒室之間增加了一個(gè)光熱集熱器
經(jīng)過“太陽能化”改造的Parallon 75型燃?xì)廨啓C(jī)與原型機(jī)不同的是，它在壓氣機(jī)和燃燒室之間，加上了一個(gè)太陽能集熱器。空氣被吸入燃?xì)廨啓C(jī)后，先經(jīng)壓氣機(jī)壓縮，再經(jīng)由集熱器加熱，經(jīng)過這兩道工序后，高溫(1000℃)并帶有一定壓力的空氣再進(jìn)入燃燒室，混合天然氣燃燒，產(chǎn)生燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪。
實(shí)踐證明，這種做法有效降低了燃?xì)廨啓C(jī)的燃料消耗。實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果表明，與未經(jīng)改造的Parallon 75型燃?xì)廨啓C(jī)相比，經(jīng)過“太陽能化”改造的Parallon 75型燃?xì)廨啓C(jī)的燃料消耗率僅為前者的一半左右。經(jīng)過兩年的調(diào)試、完善，和連續(xù)發(fā)電運(yùn)行測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、操控方便、安全可靠。
南京江寧70kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)試驗(yàn)示范工程的成功，可算是燃?xì)廨啓C(jī)利用太陽能光熱發(fā)電的成功實(shí)踐。但它所用的燃?xì)廨啓C(jī)仍然需要燃料，還不算是完全的太陽能光熱發(fā)電。
那么，有沒有什么完全利用太陽熱能驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的辦法呢?也有。這就是超臨界二氧化碳(SCO 2)布雷頓循環(huán)。
二氧化碳有一個(gè)很獨(dú)特的物理性質(zhì):當(dāng)溫度達(dá)到30.98℃，壓力達(dá)到7.38MPa時(shí)，其物理狀態(tài)介于液體和氣體之間，密度接近于液體，粘度接近于氣體，擴(kuò)散系數(shù)約為液體的100倍。這種狀態(tài)，稱為“超臨界”狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)下的二氧化碳，密度比氣體大，粘性比液體小，具有流動(dòng)性強(qiáng)、傳熱效率高、可壓縮性小等特點(diǎn)。
二氧化碳的臨界條件容易達(dá)到，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無色無味無毒，安全，價(jià)格便宜，純度高，易獲得。這些特性，使得它很適合用于作為熱力循環(huán)工質(zhì)。
所謂超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)，就是用超臨界狀態(tài)的二氧化碳作為工質(zhì)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱循環(huán)。但和一般的燃?xì)廨啓C(jī)不同的是，這種燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室不燃燒燃料，而是用于外部熱源對(duì)二氧化碳進(jìn)行加熱。超臨界狀態(tài)的二氧化碳在經(jīng)過壓氣機(jī)壓縮后，進(jìn)入燃燒室由外部熱源加熱，加熱后的高溫超臨界二氧化碳驅(qū)動(dòng)渦輪，由渦輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)和對(duì)外輸出功率，作功之后的二氧化碳再回到壓氣機(jī)再被壓縮，如此循環(huán)往復(fù)。
不難看出，這在本質(zhì)上，就是一個(gè)和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的外燃式閉循環(huán)熱機(jī)。如果用太陽能光熱系統(tǒng)作為這個(gè)系統(tǒng)的外部熱源，就是一個(gè)不需要“燒開水”，也不需要消耗燃料的純太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)。
超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)原理圖
超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的相關(guān)研究，國(guó)際上早在20世紀(jì)六七十年代就開始了。由于其功率密度高，對(duì)輪盤和葉片的性能要求很高，當(dāng)時(shí)的加工工藝難以滿足。直到90年代以后，隨著高精度數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，相關(guān)制造工藝得以突破，相關(guān)的研制工作才開始進(jìn)行。
本世紀(jì)以來，在能源、環(huán)保問題加劇的情況下，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)更是引起各國(guó)的關(guān)注。美國(guó)在這方面尤其積極，美國(guó)能源部(DOE)于2011年開始實(shí)施太陽能應(yīng)用領(lǐng)域的“Sunshot”攻關(guān)計(jì)劃，該項(xiàng)目中的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研發(fā)項(xiàng)目的主體項(xiàng)目為10MW超臨界二氧化碳發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目研發(fā)和測(cè)試，由美國(guó)桑迪亞(Sandia)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室-核能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(NESL)承擔(dān)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。
經(jīng)過測(cè)試證明，S-CO 2作為工質(zhì)的光熱發(fā)電系統(tǒng)在600到700℃的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行都可以有良好表現(xiàn)，可以在500℃以上、20MPa的大氣壓下實(shí)現(xiàn)高效率的熱能利用，熱效率可以達(dá)到45%以上。對(duì)于需要建設(shè)大規(guī)模鏡場(chǎng)，因而投資巨大，需要高效率發(fā)電方式的光熱發(fā)電來說，這顯然是一個(gè)理想的選擇。目前，美國(guó)、日本、印度都已經(jīng)建成了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
對(duì)于中國(guó)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)研究來說，剛剛過去的2018年是非常重要的一年。2018年2月，由中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)MW級(jí)超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)，在中國(guó)航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司燃?xì)廨啓C(jī)分公司完成加工裝配，成功交付工程熱物理研究所衡水基地。壓縮機(jī)是超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的核心部件之一，它的研制成功，是我國(guó)在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一次重大突破。
由中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)兆瓦級(jí)的超臨界二氧化碳?jí)嚎s機(jī)
