目前的主流火力發(fā)電，確實(shí)是“燒開(kāi)水”--用鍋爐將水燒成蒸汽，再用熱機將蒸汽的內能轉換為機械能，驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。從1785年瓦特發(fā)明蒸汽機起，就一直是如此。只不過(guò)這個(gè)過(guò)程，以前用的是往復式蒸汽機，現在用的是蒸汽輪機。即使是燃氣輪機發(fā)電，目前效率最高的方式，也是燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán):在燃氣輪機后面再加上一套廢熱鍋爐，利用燃氣輪機排出的廢氣的熱量“燒開(kāi)水”，再用汽輪機驅動(dòng)發(fā)電機發(fā)電，從而最大限度地提高整套系統的熱效率。
眾所周知，我國光熱資源主要集中在西部水資源相對缺乏的地區。那么能不能在利用太陽(yáng)能光熱資源的時(shí)候，“把傳統的發(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)投入大規模應用的辦法，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)機來(lái)驅動(dòng)發(fā)電機。
斯特林發(fā)動(dòng)機發(fā)明于1816年，以其發(fā)明者，英國物理學(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)明的瓦特蒸汽機類(lèi)似，它也是一種外燃式活塞發(fā)動(dòng)機。但和瓦特蒸汽機不同的是，斯特林發(fā)動(dòng)機不是用水蒸汽，而是用氣體(早期用空氣，現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，也就是說(shuō)，它不需要“燒開(kāi)水”。
斯特林發(fā)動(dòng)機的這個(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，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(yáng)能光熱發(fā)電。
斯特林發(fā)動(dòng)機工作原理(本文圖片均由作者收集供圖)
鄂爾多斯100kW太陽(yáng)能光熱示范電廠(chǎng)是我國第一個(gè)碟式太陽(yáng)能光熱發(fā)電示范電廠(chǎng)，2012年9月建成，共由10臺10kW碟式太陽(yáng)能斯特林光熱發(fā)電系統組成，年發(fā)電量為32萬(wàn)kWh
不過(guò)，斯特林發(fā)動(dòng)機也有很多缺陷，最大的問(wèn)題就是單機輸出功率小。因為外部熱源的熱量供應是連續的，而斯特林發(fā)動(dòng)機又是閉式循環(huán)，這使得斯特林發(fā)動(dòng)機的氣體工質(zhì)會(huì )長(cháng)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，由此必然導致其體積和重量增加。這使得它的功重比非常小，單機功率沒(méi)法做得太大，歷史上斯特林發(fā)動(dòng)機曾經(jīng)達到的最大單機功率也只有幾百千瓦。這就大大限制了斯特林發(fā)動(dòng)機的普及應用?？梢哉f(shuō)，靠斯特林發(fā)動(dòng)機來(lái)代替“燒開(kāi)水”，是不現實(shí)的。
幸而，除了斯特林發(fā)動(dòng)機，還有一種發(fā)動(dòng)機，也是不需要“燒開(kāi)水”的，這就是燃氣輪機。那么，光熱發(fā)電能不能利用燃氣輪機作為熱機呢?
首先，讓我們來(lái)簡(jiǎn)單回顧一下燃氣輪機的構造和工作原理。一個(gè)最簡(jiǎn)單的燃氣輪機，由壓氣機、燃燒室和渦輪三部分組成?？諝庀冗M(jìn)入壓氣機，經(jīng)壓氣機壓縮升壓后進(jìn)入燃燒室，在燃燒室內，經(jīng)過(guò)壓縮的空氣與燃料(氣體或液體)混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，燃氣驅動(dòng)渦輪，由渦輪驅動(dòng)壓氣機和對外輸出功率，做功后的廢氣排入大氣。
燃氣輪機結構示意圖
仔細分析這個(gè)過(guò)程，我們可以發(fā)現，經(jīng)壓氣機壓縮升壓后的空氣在燃燒室內與燃料混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，這一步是燃氣輪機整個(gè)工作流程的核心環(huán)節。這就是說(shuō)，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氣溫度不變的同時(shí)，降低空氣在燃燒室內的升溫幅度，從而有效減少燃料的消耗量。
裝備于英國45型驅逐艦的羅爾斯·羅伊斯WR21型燃氣輪機就是利用做完功后排出的廢氣的熱量，在壓縮空氣進(jìn)入燃燒室之前對其加熱，從而有效提高了燃機的燃料利用率。與功率相當的簡(jiǎn)單循環(huán)船用燃氣輪機相比，WR-21可節約燃油27%到30%。既然可以用廢氣作為加熱來(lái)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計院春輝公司與以色列魏茲曼研究院合作，由中國工程院院士、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(yáng)能熱發(fā)電系統試驗示范工程，在南京市江寧開(kāi)發(fā)區建成并成功發(fā)電。這也是我國首座塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電實(shí)驗系統。該發(fā)電系統由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(yáng)光匯聚到塔柱頂端的太陽(yáng)能轉化裝置，實(shí)現光電轉換。
南京江寧70kW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統試驗示范工程。它也是我國首座塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統
與后來(lái)建成的北京延慶八達嶺塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電實(shí)驗電站不同的是，南京江寧70kW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統試驗示范工程采用的熱機不是蒸汽輪機，而是燃氣輪機。具體地說(shuō)，是由以方提供的經(jīng)過(guò)“太陽(yáng)能化”改造的美國霍尼韋爾Parallon 75型燃氣輪機。
Parallon 75是霍尼韋爾公司于90年代研制的微型燃氣輪機，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。應用于南京江寧70kW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統試驗示范工程的Parallon 75型燃氣輪機經(jīng)過(guò)了“太陽(yáng)能化”改造，在壓氣機和燃燒室之間增加了一個(gè)光熱集熱器
經(jīng)過(guò)“太陽(yáng)能化”改造的Parallon 75型燃氣輪機與原型機不同的是，它在壓氣機和燃燒室之間，加上了一個(gè)太陽(yáng)能集熱器?？諝獗晃肴細廨啓C后，先經(jīng)壓氣機壓縮，再經(jīng)由集熱器加熱，經(jīng)過(guò)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)生燃氣驅動(dòng)渦輪。
實(shí)踐證明，這種做法有效降低了燃氣輪機的燃料消耗。實(shí)際運行的結果表明，與未經(jīng)改造的Parallon 75型燃氣輪機相比，經(jīng)過(guò)“太陽(yáng)能化”改造的Parallon 75型燃氣輪機的燃料消耗率僅為前者的一半左右。經(jīng)過(guò)兩年的調試、完善，和連續發(fā)電運行測試表明，該系統運行穩定、操控方便、安全可靠。
南京江寧70kW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統試驗示范工程的成功，可算是燃氣輪機利用太陽(yáng)能光熱發(fā)電的成功實(shí)踐。但它所用的燃氣輪機仍然需要燃料，還不算是完全的太陽(yáng)能光熱發(fā)電。
那么，有沒(méi)有什么完全利用太陽(yáng)熱能驅動(dòng)燃氣輪機的辦法呢?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)很獨特的物理性質(zhì):當溫度達到30.98℃，壓力達到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，擴散系數約為液體的100倍。這種狀態(tài)，稱(chēng)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、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到，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無(wú)色無(wú)味無(wú)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)機熱循環(huán)。但和一般的燃氣輪機不同的是，這種燃氣輪機的燃燒室不燃燒燃料，而是用于外部熱源對二氧化碳進(jìn)行加熱。超臨界狀態(tài)的二氧化碳在經(jīng)過(guò)壓氣機壓縮后，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動(dòng)渦輪，由渦輪驅動(dòng)壓氣機和對外輸出功率，作功之后的二氧化碳再回到壓氣機再被壓縮，如此循環(huán)往復。
不難看出，這在本質(zhì)上，就是一個(gè)和斯特林發(fā)動(dòng)機一樣的外燃式閉循環(huán)熱機。如果用太陽(yáng)能光熱系統作為這個(gè)系統的外部熱源，就是一個(gè)不需要“燒開(kāi)水”，也不需要消耗燃料的純太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統。
超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統原理圖
超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的相關(guān)研究，國際上早在20世紀六七十年代就開(kāi)始了。由于其功率密度高，對輪盤(pán)和葉片的性能要求很高，當時(shí)的加工工藝難以滿(mǎn)足。直到90年代以后，隨著(zhù)高精度數控機床的應用，相關(guān)制造工藝得以突破，相關(guān)的研制工作才開(kāi)始進(jìn)行。
本世紀以來(lái)，在能源、環(huán)保問(wèn)題加劇的情況下，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)更是引起各國的關(guān)注。美國在這方面尤其積極，美國能源部(DOE)于2011年開(kāi)始實(shí)施太陽(yáng)能應用領(lǐng)域的“Sunshot”攻關(guān)計劃，該項目中的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統研發(fā)項目的主體項目為10MW超臨界二氧化碳發(fā)電機組項目研發(fā)和測試，由美國桑迪亞(Sandia)國家實(shí)驗室-核能系統實(shí)驗室(NESL)承擔相關(guān)的實(shí)驗研究。
經(jīng)過(guò)測試證明，S-CO 2作為工質(zhì)的光熱發(fā)電系統在600到700℃的溫度范圍內運行都可以有良好表現，可以在500℃以上、20MPa的大氣壓下實(shí)現高效率的熱能利用，熱效率可以達到45%以上。對于需要建設大規模鏡場(chǎng)，因而投資巨大，需要高效率發(fā)電方式的光熱發(fā)電來(lái)說(shuō)，這顯然是一個(gè)理想的選擇。目前，美國、日本、印度都已經(jīng)建成了相關(guān)的實(shí)驗系統。
對于中國的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)研究來(lái)說(shuō)，剛剛過(guò)去的2018年是非常重要的一年。2018年2月，由中國科學(xué)院工程熱物理研究所研制的國內首臺MW級超臨界二氧化碳壓縮機，在中國航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機有限責任公司燃氣輪機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。壓縮機是超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統的核心部件之一，它的研制成功，是我國在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統研究領(lǐng)域的一次重大突破。
由中國科學(xué)院工程熱物理研究所研制的國內首臺兆瓦級的超臨界二氧化碳壓縮機
