镭射：能不能把传统的光热发电方式换一换？
【文/ 观察者网专栏作者 镭射】
前几天，我在观察者网发表了文章《光热发电：中国下一张“国家名片”？》，下面有两位网友的评论很有意思。
@好人 网友评论：“果然又是花式烧开水。”
@伽蓝之瞳 网友评论：“其实我在考虑，能不能把传统的发电方式换一换？我们烧开水发电烧了多久了？”
目前的主流火力发电，确实是“烧开水”——用锅炉将水烧成蒸汽，再用热机将蒸汽的内能转换为机械能，驱动发电机发电。从1785年瓦特发明蒸汽机起，就一直是如此。只不过这个过程，以前用的是往复式蒸汽机，现在用的是蒸汽轮机。
即使是燃气轮机发电，目前效率最高的方式，也是燃气—蒸汽联合循环：在燃气轮机后面再加上一套废热锅炉，利用燃气轮机排出的废气的热量“烧开水”，再用汽轮机驱动发电机发电，从而最大限度地提高整套系统的热效率。
除了火力发电之外，与火力发电同属热电站的核电站和太阳能光热电站，其实也是“烧开水”，只不过前者是用核能“烧开水”，而后者是用太阳灶“烧开水”。
众所周知，我国光热资源主要集中在西部水资源相对缺乏的地区。那么，能不能如@伽蓝之瞳 网友所说，在利用太阳能光热资源的时候，“把传统的发电方式换一换”，不需要那么多水呢？别说，办法还真有。
第一个，也是目前已经投入大规模应用的办法，其实我那篇文章中已经提到了，那就是用斯特林发动机来驱动发电机。
斯特林发动机发明于1816年，以其发明者，英国物理学家罗巴特·斯特林的名字命名。和大致与其同一时期发明的瓦特蒸汽机类似，它也是一种外燃式活塞发动机。但和瓦特蒸汽机不同的是，斯特林发动机不是用水蒸汽，而是用气体（早期用空气，现在一般用氦气或氢气）作为工质，这使得它不需要庞大的锅炉系统，也就是说，它不需要“烧开水”。
斯特林发动机的这个特点，再加上它是一种外部加热的闭式循环发动机，使得它有一个非常突出的优点：不“挑食”。它几乎可以使用任何形式的热源。这使得它非常适合用于太阳能光热发电。
斯特林发动机工作原理（本文图片均由作者收集供图）
鄂尔多斯100kW太阳能光热示范电厂是我国第一个碟式太阳能光热发电示范电厂，2012年9月建成，共由10台10kW碟式太阳能斯特林光热发电系统组成，年发电量为32万kWh
不过，斯特林发动机也有很多缺陷，最大的问题就是单机输出功率小。因为外部热源的热量供应是连续的，而斯特林发动机又是闭式循环，这使得斯特林发动机的气体工质会长时间保持在较高的温度，为了减少热损失必须采取隔热措施，由此必然导致其体积和重量增加。这使得它的功重比非常小，单机功率没法做得太大，历史上斯特林发动机曾经达到的最大单机功率也只有几百千瓦。
这就大大限制了斯特林发动机的普及应用。可以说，靠斯特林发动机来代替“烧开水”，是不现实的。
幸而，除了斯特林发动机，还有一种发动机，也是不需要“烧开水”的，这就是燃气轮机。那么，光热发电能不能利用燃气轮机作为热机呢？
首先，让我们来简单回顾一下燃气轮机的构造和工作原理。一个最简单的燃气轮机，由压气机、燃烧室和涡轮三部分组成。空气先进入压气机，经压气机压缩升压后进入燃烧室，在燃烧室内，经过压缩的空气与燃料（气体或液体）混合燃烧，产生高温高压燃气，燃气驱动涡轮，由涡轮驱动压气机和对外输出功率，做功后的废气排入大气。
燃气轮机结构示意图
仔细分析这个过程，我们可以发现，经压气机压缩升压后的空气在燃烧室内与燃料混合燃烧产生高温高压气体，这一步是燃气轮机整个工作流程的核心环节。这就是说，如果能在燃烧之前，就先提升压缩空气的温度，就可以在保持燃烧室输出的燃气温度不变的同时，降低空气在燃烧室内的升温幅度，从而有效减少燃料的消耗量。
装备于英国45型驱逐舰的罗尔斯·罗伊斯WR21型燃气轮机就是利用做完功后排出的废气的热量，在压缩空气进入燃烧室之前对其加热，从而有效提高了燃机的燃料利用率。与功率相当的简单循环船用燃气轮机相比，WR-21可节约燃油27%到30%。既然可以用废气作为加热来源，那么光热自然也可以。
2005年10月，由中材南京玻璃纤维研究设计院春辉公司与以色列魏兹曼研究院合作，由中国工程院院士、南京市科协主席、东大—中天联合研究中心主任张耀明主持研制的70kW塔式太阳能热发电系统试验示范工程，在南京市江宁开发区建成并成功发电。这也是我国首座塔式太阳能热发电实验系统。该发电系统由1个塔柱和32面定日镜组成，占地面积约两个篮球场大小，反射的太阳光汇聚到塔柱顶端的太阳能转化装置，实现光电转换。
南京江宁70kW塔式太阳能热发电系统试验示范工程。它也是我国首座塔式太阳能热发电系统
与后来建成的北京延庆八达岭塔式太阳能热发电实验电站不同的是，南京江宁70kW塔式太阳能热发电系统试验示范工程采用的热机不是蒸汽轮机，而是燃气轮机。具体地说，是由以方提供的经过“太阳能化”改造的美国霍尼韦尔Parallon 75型燃气轮机。
Parallon 75是霍尼韦尔公司于90年代研制的微型燃气轮机，以天然气为燃料，最大输出功率75千瓦，主要用于分布式发电。应用于南京江宁70kW塔式太阳能热发电系统试验示范工程的Parallon 75型燃气轮机经过了“太阳能化”改造，在压气机和燃烧室之间增加了一个光热集热器
经过“太阳能化”改造的Parallon 75型燃气轮机与原型机不同的是，它在压气机和燃烧室之间，加上了一个太阳能集热器。空气被吸入燃气轮机后，先经压气机压缩，再经由集热器加热，经过这两道工序后，高温（1000℃）并带有一定压力的空气再进入燃烧室，混合天然气燃烧，产生燃气驱动涡轮。
实践证明，这种做法有效降低了燃气轮机的燃料消耗。实际运行的结果表明，与未经改造的Parallon 75型燃气轮机相比，经过“太阳能化”改造的Parallon 75型燃气轮机的燃料消耗率仅为前者的一半左右。经过两年的调试、完善，和连续发电运行测试表明，该系统运行稳定、操控方便、安全可靠。
南京江宁70kW塔式太阳能热发电系统试验示范工程的成功，可算是燃气轮机利用太阳能光热发电的成功实践。但它所用的燃气轮机仍然需要燃料，还不算是完全的太阳能光热发电。那么，有没有什么完全利用太阳热能驱动燃气轮机的办法呢？也有。这就是超临界二氧化碳（SCO2）布雷顿循环。
二氧化碳有一个很独特的物理性质：当温度达到30.98℃，压力达到7.38MPa时，其物理状态介于液体和气体之间，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。这种状态，称为“超临界”状态。处于超临界状态下的二氧化碳，密度比气体大，粘性比液体小，具有流动性强、传热效率高、可压缩性小等特点。
二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用于作为热力循环工质。
所谓超临界二氧化碳布雷顿循环，就是用超临界状态的二氧化碳作为工质的涡轮发动机热循环。但和一般的燃气轮机不同的是，这种燃气轮机的燃烧室不燃烧燃料，而是用于外部热源对二氧化碳进行加热。超临界状态的二氧化碳在经过压气机压缩后，进入燃烧室由外部热源加热，加热后的高温超临界二氧化碳驱动涡轮，由涡轮驱动压气机和对外输出功率，作功之后的二氧化碳再回到压气机再被压缩，如此循环往复。
不难看出，这在本质上，就是一个和斯特林发动机一样的外燃式闭循环热机。如果用太阳能光热系统作为这个系统的外部热源，就是一个不需要“烧开水”，也不需要消耗燃料的纯太阳能光热发电系统。
超临界二氧化碳布雷顿循环系统原理图
超临界二氧化碳布雷顿循环的相关研究，国际上早在20世纪六七十年代就开始了。由于其功率密度高，对轮盘和叶片的性能要求很高，当时的加工工艺难以满足。直到90年代以后，随着高精度数控机床的应用，相关制造工艺得以突破，相关的研制工作才开始进行。
本世纪以来，在能源、环保问题加剧的情况下，超临界二氧化碳布雷顿循环技术更是引起各国的关注。美国在这方面尤其积极，美国能源部（DOE）于2011年开始实施太阳能应用领域的“Sunshot”攻关计划，该项目中的超临界二氧化碳布雷顿循环系统研发项目的主体项目为10MW超临界二氧化碳发电机组项目研发和测试，由美国桑迪亚（Sandia）国家实验室-核能系统实验室（NESL）承担相关的实验研究。
经过测试证明，S-CO2作为工质的光热发电系统在600到700℃的温度范围内运行都可以有良好表现，可以在500℃以上、20MPa的大气压下实现高效率的热能利用，热效率可以达到45%以上。对于需要建设大规模镜场，因而投资巨大，需要高效率发电方式的光热发电来说，这显然是一个理想的选择。目前，美国、日本、印度都已经建成了相关的实验系统。
对于中国的超临界二氧化碳布雷顿循环研究来说，刚刚过去的2018年是非常重要的一年。2018年2月，由中国科学院工程热物理研究所研制的国内首台MW级超临界二氧化碳压缩机，在中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司燃气轮机分公司完成加工装配，成功交付工程热物理研究所衡水基地。压缩机是超临界二氧化碳布雷顿循环系统的核心部件之一，它的研制成功，是我国在超临界二氧化碳布雷顿循环系统研究领域的一次重大突破。
由中国科学院工程热物理研究所研制的国内首台兆瓦级的超临界二氧化碳压缩机
2018年9月21日，我国首座大型超临界二氧化碳压缩机实验平台在衡水基地正式建成。实验平台是用于测试超临界二氧化碳压缩机工作性能和开展超临界二氧化碳流体压缩特性相关基础实验的通用平台，还可以用于开展高速转子测试、轴承测试和密封测试等实验。
该平台可调制7-9MPa、0-35℃的亚临界或超临界二氧化碳，压缩机出口压力可以达到20MPa以上；转子转速最高可达40000r/min以上，流量最大达到30kg/s；可进行百kW到MW级超临界二氧化碳压缩机的精密连续测试，是目前我国唯一的兆瓦级超临界二氧化碳压缩机实验平台，也是世界上规模最大等级最高的同类实验平台。该兆瓦级超临界二氧化碳压缩机通用实验平台的建成投运，终结了我国相关研究缺乏实验条件的历史。
超临界二氧化碳压缩机实验平台（测试系统）（图片来自中国科学院工程热物理研究所网站，下同）
超临界二氧化碳压缩机实验平台（测试系统）
超临界二氧化碳压缩机实验平台（辅助系统）
2018年11月，我国首座“双回路全温全压超临界二氧化碳（S-CO2）换热器综合试验测试平台”在中国科学院工程热物理研究所廊坊中试基地建成。衡水兆瓦级超临界二氧化碳压缩机通用实验平台和廊坊双回路全温全压超临界二氧化碳换热器综合试验测试平台的建成，为工程热物理研究所深入开展超临界二氧化碳循环发电系统的研究打下坚实的基础，也为国内从事此项研究的其它科研单位提供了实验平台支撑。对于中国超临界二氧化碳布雷顿循环技术的发展来说，这是具有里程碑意义的大事。
全温全压超临界二氧化碳换热器综合试验平台
综合试验平台控制系统
试验测试用印刷电路板换热器（Printed Circuit Heat Exchange, PCHE）。新型高效紧凑式PCHE具有换热效率高、结构紧凑、承压和耐温能力强等特点，非常适用于SCO2布雷顿循环发电系统。
由于超临界二氧化碳密度高，循环简单，所以机组重量轻，尺寸小（仅为汽轮机的1/10）；超临界二氧化碳布雷顿循环仅需外界提供500到800℃的温度，这是应用现有太阳能聚光器和吸热器技术就能很容易达到的的温度。
可以预见，在国内科研单位的努力下，我国研制出具有自主知识产权的超临界二氧化碳布雷顿循环系统将指日可待。这将彻底解决我国太阳能光热资源丰富的西部地区水资源缺乏，不适合建设以汽轮机为动力装置的大型光热电站的问题，为中国太阳能光热发电产业开创更光明的未来。
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