目前的主流火力發(fā)電，確實是“燒開水”--用鍋爐將水燒成蒸汽，再用熱機將蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。從1785年瓦特發(fā)明蒸汽機起，就一直是如此。只不過這個過程，以前用的是往復(fù)式蒸汽機，現(xiàn)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“燒開水”，再用汽輪機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，從而最大限度地提高整套系統(tǒng)的熱效率。
眾所周知，我國光熱資源主要集中在西部水資源相對缺乏的地區(qū)。那么能不能在利用太陽能光熱資源的時候，“把傳統(tǒng)的發(fā)電方式換一換”，不需要那么多水呢?第一個，也是目前已經(jīng)投入大規(guī)模應(yīng)用的辦法，其實我那篇文章中已經(jīng)提到了，那就是用斯特林發(fā)動機來驅(qū)動發(fā)電機。
斯特林發(fā)動機發(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。和大致與其同一時期發(fā)明的瓦特蒸汽機類似，它也是一種外燃式活塞發(fā)動機。但和瓦特蒸汽機不同的是，斯特林發(fā)動機不是用水蒸汽，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)動機的這個特點，再加上它是一種外部加熱的閉式循環(huán)發(fā)動機，使得它有一個非常突出的優(yōu)點: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)動機工作原理(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第一個碟式太陽能光熱發(fā)電示范電廠，2012年9月建成，共由10臺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)動機也有很多缺陷，最大的問題就是單機輸出功率小。因為外部熱源的熱量供應(yīng)是連續(xù)的，而斯特林發(fā)動機又是閉式循環(huán)，這使得斯特林發(fā)動機的氣體工質(zhì)會長時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，單機功率沒法做得太大，歷史上斯特林發(fā)動機曾經(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)動機的普及應(yīng)用。可以說，靠斯特林發(fā)動機來代替“燒開水”，是不現(xiàn)實的。
幸而，除了斯特林發(fā)動機，還有一種發(fā)動機，也是不需要“燒開水”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，讓我們來簡單回顧一下燃氣輪機的構(gòu)造和工作原理。一個最簡單的燃氣輪機，由壓氣機、燃燒室和渦輪三部分組成?？諝庀冗M入壓氣機，經(jīng)壓氣機壓縮升壓后進入燃燒室，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)生高溫高壓燃氣，燃氣驅(qū)動渦輪，由渦輪驅(qū)動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(jié)構(gòu)示意圖
仔細分析這個過程，我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)壓氣機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，這一步是燃氣輪機整個工作流程的核心環(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氣溫度不變的同時，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45型驅(qū)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(dāng)?shù)暮唵窝h(huán)船用燃氣輪機相比，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塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)試驗示范工程，在南京市江寧開發(fā)區(qū)建成并成功發(fā)電。這也是我國首座塔式太陽能熱發(fā)電實驗系統(tǒng)。該發(fā)電系統(tǒng)由1個塔柱和32面定日鏡組成，占地面積約兩個籃球場大小，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)試驗示范工程。它也是我國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嶺塔式太陽能熱發(fā)電實驗電站不同的是，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，是由以方提供的經(jīng)過“太陽能化”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(yīng)用于南京江寧70kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)試驗示范工程的Parallon 75型燃氣輪機經(jīng)過了“太陽能化”改造，在壓氣機和燃燒室之間增加了一個光熱集熱器
經(jīng)過“太陽能化”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，加上了一個太陽能集熱器?？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)過這兩道工序后，高溫(1000℃)并帶有一定壓力的空氣再進入燃燒室，混合天然氣燃燒，產(chǎn)生燃氣驅(qū)動渦輪。
實踐證明，這種做法有效降低了燃氣輪機的燃料消耗。實際運行的結(jié)果表明，與未經(jīng)改造的Parallon 75型燃氣輪機相比，經(jīng)過“太陽能化”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)過兩年的調(diào)試、完善，和連續(xù)發(fā)電運行測試表明，該系統(tǒng)運行穩(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)試驗示范工程的成功，可算是燃氣輪機利用太陽能光熱發(fā)電的成功實踐。但它所用的燃氣輪機仍然需要燃料，還不算是完全的太陽能光熱發(fā)電。
那么，有沒有什么完全利用太陽熱能驅(qū)動燃氣輪機的辦法呢?也有。這就是超臨界二氧化碳(SCO 2)布雷頓循環(huán)。
二氧化碳有一個很獨特的物理性質(zhì):當(dāng)溫度達到30.98℃，壓力達到7.38MPa時，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(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，具有流動性強、傳熱效率高、可壓縮性小等特點。
二氧化碳的臨界條件容易達到，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無色無味無毒，安全，價格便宜，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行加熱。超臨界狀態(tài)的二氧化碳在經(jīng)過壓氣機壓縮后，進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)動渦輪，由渦輪驅(qū)動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(fù)。
不難看出，這在本質(zhì)上，就是一個和斯特林發(fā)動機一樣的外燃式閉循環(huán)熱機。如果用太陽能光熱系統(tǒng)作為這個系統(tǒng)的外部熱源，就是一個不需要“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，國際上早在20世紀六七十年代就開始了。由于其功率密度高，對輪盤和葉片的性能要求很高，當(dāng)時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行。
本世紀以來，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)更是引起各國的關(guān)注。美國在這方面尤其積極，美國能源部(DOE)于2011年開始實施太陽能應(yīng)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(tǒng)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)國家實驗室-核能系統(tǒng)實驗室(NESL)承擔(dān)相關(guān)的實驗研究。
經(jīng)過測試證明，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)運行都可以有良好表現(xiàn)，可以在500℃以上、20MPa的大氣壓下實現(xiàn)高效率的熱能利用，熱效率可以達到45%以上。對于需要建設(shè)大規(guī)模鏡場，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)的實驗系統(tǒng)。
對于中國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，由中國科學(xué)院工程熱物理研究所研制的國內(nèi)首臺MW級超臨界二氧化碳壓縮機，在中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)首臺兆瓦級的超臨界二氧化碳壓縮機
