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(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)動渦輪，由渦輪驅(qū)動壓氣機(jī)和對外輸出功率，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，就是一個和斯特林發(fā)動機(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)。
二氧化碳有一個很獨(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，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(jì)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(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(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)和測試，由美國桑迪亞(Sandia)國家實(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)過測試證明，S-CO2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(shí)驗(yàn)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(jī)，在中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機(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。
圖：國內(nèi)首臺兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機(jī)(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(jī)實(shí)驗(yàn)平臺在衡水基地正式建成。實(shí)驗(yàn)平臺是用于測試超臨界二氧化碳壓縮機(jī)工作性能和開展超臨界二氧化碳流體壓縮特性相關(guān)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的通用平臺，還可以用于開展高速轉(zhuǎn)子測試、軸承測試和密封測試等實(shí)驗(yàn)。
該平臺可調(diào)制7-9MPa、0-35℃的亞臨界或超臨界二氧化碳，壓縮機(jī)出口壓力可以達(dá)到20MPa以上;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速最高可達(dá)40000r/min以上，流量最大達(dá)到30kg/s;可進(jìn)行百kW到MW級超臨界二氧化碳壓縮機(jī)的精密連續(xù)測試，是目前我國唯一的兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，也是世界上規(guī)模最大等級最高的同類實(shí)驗(yàn)平臺。該兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機(jī)通用實(shí)驗(yàn)平臺的建成投運(yùn)，終結(jié)了我國相關(guān)研究缺乏實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jī)通用實(shí)驗(yàn)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(yàn)測試平臺的建成，為工程熱物理研究所深入開展超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為國內(nèi)從事此項(xiàng)研究的其它科研單位提供了實(shí)驗(yàn)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)展來說，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)簡單，所以機(jī)組重量輕，尺寸小(僅為汽輪機(jī)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(yīng)用現(xiàn)有太陽能聚光器和吸熱器技術(shù)就能很容易達(dá)到的的溫度。
可以預(yù)見，在國內(nèi)科研單位的努力下，我國研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)將指日可待。這將徹底解決我國太陽能光熱資源豐富的西部地區(qū)水資源缺乏，不適合建設(shè)以汽輪機(jī)為動力裝置的大型光熱電站的問題，為中國太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)更光明的未來。
