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。
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)。
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-CO2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。
圖：國內首臺兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機(由中科院工程熱物理研究所研制)
2018年9月21日，我國首座大型超臨界二氧化碳壓縮機實(shí)驗平臺在衡水基地正式建成。實(shí)驗平臺是用于測試超臨界二氧化碳壓縮機工作性能和開(kāi)展超臨界二氧化碳流體壓縮特性相關(guān)基礎實(shí)驗的通用平臺，還可以用于開(kāi)展高速轉子測試、軸承測試和密封測試等實(shí)驗。
該平臺可調制7-9MPa、0-35℃的亞臨界或超臨界二氧化碳，壓縮機出口壓力可以達到20MPa以上;轉子轉速最高可達40000r/min以上，流量最大達到30kg/s;可進(jìn)行百kW到MW級超臨界二氧化碳壓縮機的精密連續測試，是目前我國唯一的兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機實(shí)驗平臺，也是世界上規模最大等級最高的同類(lèi)實(shí)驗平臺。該兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機通用實(shí)驗平臺的建成投運，終結了我國相關(guān)研究缺乏實(shí)驗條件的歷史。
2018年11月，我國首座“雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳(S-CO2)換熱器綜合試驗測試平臺”在中國科學(xué)院工程熱物理研究所廊坊中試基地建成。衡水兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機通用實(shí)驗平臺和廊坊雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳換熱器綜合試驗測試平臺的建成，為工程熱物理研究所深入開(kāi)展超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統的研究打下堅實(shí)的基礎，也為國內從事此項研究的其它科研單位提供了實(shí)驗平臺支撐。對于中國超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)的發(fā)展來(lái)說(shuō)，這是具有里程碑意義的大事。
由于超臨界二氧化碳密度高，循環(huán)簡(jiǎn)單，所以機組重量輕，尺寸小(僅為汽輪機的1/10);超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)僅需外界提供500到800℃的溫度，這是應用現有太陽(yáng)能聚光器和吸熱器技術(shù)就能很容易達到的的溫度。
可以預見(jiàn)，在國內科研單位的努力下，我國研制出具有自主知識產(chǎn)權的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統將指日可待。這將徹底解決我國太陽(yáng)能光熱資源豐富的西部地區水資源缺乏，不適合建設以汽輪機為動(dòng)力裝置的大型光熱電站的問(wèn)題，為中國太陽(yáng)能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)開(kāi)創(chuàng )更光明的未來(lái)。
