超临界二氧化碳布雷顿循环在太阳能发电领域的应用探析

胡伟 贾小权

摘  要：21世紀，太阳能作为一种清洁可再生能源得到了各个国家的高度重视，结合当前太阳能发电遇到的一些问题，分析了超临界二氧化碳布雷顿循环在太阳能的应用前景，超临界二氧化碳布雷顿循环可以提高太阳能发电效率，解决沙漠缺水地区太阳能发电对水资源的依赖，减小设备设施体积便于模块化安装，对于太阳能发电规模化建设提供了很好的解决方案。同时分析了超临界二氧化碳布雷顿循环遇到的问题及发展方向，可为超临界二氧化碳布雷顿循环在太阳能应用提供一些借鉴和参考。

关键词：太阳能;超临界二氧化碳;布雷顿循环

0 引言

近年来，随着传统能源煤炭和石油等储量的日益下降，对可再生能源的需求不断升高，利用太阳能发电迎来前所未有的重要发展机遇期。太阳能作为一种清洁可再生能源，提高太阳能的利用效率是各个国家研究的重点领域。[1]

超临界二氧化碳布雷顿循环作为近年来热点研究的前沿发电技术，与蒸汽为介质的朗肯循环相比，可以采用更广的热源温度范围，且在这些温度范围内具有更高的循环发电效率。由于超临界二氧化碳的特殊物性，循环系统设备结构简单紧凑、循环效率高，被认为在火力发电、太阳能光热发电、第四代核能发电、余热发电、地热发电等领域具有广阔的应用前景[2]。

超临界二氧化碳布雷顿循环在核能发电等领域都开展相关的研究，但是与太阳能结合的并不是很多，本文简述了当前太阳能发电遇到的问题，分析了超临界二氧化碳布雷顿循环在解决太阳能发电问题的技术优势，最后指出了超临界二氧化碳布雷顿循环未来的研究方向。

1 太阳能发电遇到的问题

1.1发电存在波动性

传统的太阳能利用技术包括光伏发电和光热发电。其中，光伏是通过光电效应实现太阳能转换为电能;光热是聚光镜集热加热熔盐等传热工质，再通过汽轮机做功实现发电。其中光伏发电装置较简单，但是易受时间、天气等因素限制，发电存在间歇性和波动性，不利于大规模并网发电。光热发电利用储能系统配合汽轮机做功可用实现昼夜持续发电，并网发电稳定性较好，但是投入较大。

1.2热转换效率不高

传统的汽轮机采用水为传热工质的朗肯循环，由于水工质存在相变，产生不可避免的汽化潜热浪费，同时设备受材料本身耐高温高压条件限制，因此，其效率一般仅仅为40%多，热效率受瓶颈制约，提高越发困难，这个与当前提出的能源高效利用是不相符的。

1.3对水资源的配套要求较高

传统的汽轮机发电，需要用水作为工质，在日常的运行过程中，水会因为泄露或者蒸发而逐渐较少，因此需要长期进行补水，由于太阳能发电站一般处于沙漠等水资源匮乏的地带，水资源相对更加宝贵，长期运行，生产与维护成本增加。

2 超临界二氧化碳布雷顿循环发电技术特点

超临界流体是高于临界温度和临界压力的流体，超临界二氧化碳有超临界流体的一般特性，也有其独特的特点：1）黏性小，流动性强，易于扩散，系统循环损耗小;2）密度接近液体，传热效率高，做功能力强;3）腐蚀性小于水蒸汽;4）容易达到超临界状态，临界温度和压力较低，工程应用较好;5）系统设备结构简单、体积小;6）无毒、无害、稳定，廉价易得。

布雷顿循环主要包括压缩机压缩、换热器吸热、涡轮透膨胀做功及冷却器内冷却4个工作过程，与朗肯循环相比，循环工质不发生相变，因此压缩功耗较小。图1是典型的超临界二氧化碳布雷顿循环系统。由于二氧化碳的临界温度和压力较低（远低于水的临界点），可在接近室温条件下达到超临界状态，是布雷顿循环理想的热力循环工质。

3 超临界二氧化碳布雷顿循环在太阳能应用

3.1提高热转换效率，解决并网的波动性

DOSTAL等人[3]比较了超临界二氧化碳布雷顿循环、氦气布雷顿循环、超临界蒸汽循环、过热蒸汽循环在不同进口温度下的循环效率，如图2所示，当温度超过550℃时，临界二氧化碳布雷顿循环效率最高。太阳能的熔盐物一般在550℃以上，利用超临界二氧化碳提高热转换效率，从而提升太阳能的发电效率，对于解决长期并网的波动性也是有利的。

3.2设备体积简化，便于模块化建设

发电系统中二氧化碳不发生相变，无汽化潜热损失，压缩功较小，可获得较大的功率体积比。DOSTAL等人[4]对比了蒸汽涡轮、氦气涡轮机和超临界二氧化碳涡轮机功率尺寸，如图3所示，在同等功率条件下，超临界二氧化碳涡轮机尺寸和体积最小。另外，超临界二氧化碳涡轮机可以采用单体设计，结构紧凑，便于模块化安装，可实现太阳能的规模化建设。

3.3摆脱对水资源的依赖

超临界二氧化碳布雷顿循环不需要水，也不用后续污水处理，因此对于地处沙漠等水资源匮乏地区的电站，可以大大减少对水资源的依赖，二氧化碳可以就地生产制造，排放也无污染，因此可以减少生产和排污成本，这个对于太阳能发电的长期运行是非常有利的。

4超临界二氧化碳面临的问题

超临界二氧化碳布雷顿循环是未来太阳能发展趋势，为大规模使用，还亟需开展相关研究：

1、高效换热器的研发，由于超临界二氧化碳在拟临界点附近比热变化剧烈，在换热器中存在“夹点”问题，因此需要根据运行环境设计相应的高低温换热器，并做好流量调控，确保换热器高效运行。

2、运行控制的研究，当压缩机入口刚好在临界点时，其压缩功最小且系统效率最高，在布雷顿循环中，需要同时调节压缩机、换热器、涡流发电机才能实现最优解，整套控制较为复杂，需要研发控制系统，实现高效率发电。

3、高性能材料的研发，超临界布雷顿循环一般在15～32MPa、温度高达550℃以上，为了满足高温高压参数要求，加热器、压缩机、涡轮发电机的材料都必须具有强度高、耐高温特点，同时对材料的耐二氧化碳的腐蚀性也需要进一步研究。

5 结论

本文结合当前太阳能发电遇到的一些问题，阐述了超临界二氧化碳布雷顿循环技术特点，分析了超临界二氧化碳布雷顿循环在太阳能的应用优势，超临界二氧化碳布雷顿循环可以提高太阳能发电效率，解决沙漠地区太阳能发电对水资源的依赖，减小设备设施体积便于模块化安装，对于太阳能发电规模化建设提供了很好的解决方案。同时分析了超临界二氧化碳布雷顿循环遇到的问题及发展方向，可为超临界二氧化碳布雷顿循环在太阳能利用提供一些借鉴和参考。

参考文献：

[1]SUN H H，ZHI Q，WANG Y， et al. China’s solar photovoltaic industry development：the status quo， problems and approaches[J]. Applied energy，2014，118：221-230.

[2]AHN Y，BEA S J，KIM M，et al.Review of supercritical CO2 power cycle technology and current status of research and development[J].Nuclear Engineering and Technology，2015，47（6）： 647 -661.

[3]DOSTAL V，HEJZLAR P，DRISCOLL M J. The Supercritical Carbon Dioxide Power Cycle： Comparison to Other Advanced Power Cycles[J].Nuclear Technology，2006，154（3）：283-301

[4]DOSTAL V，DRISCOLL M J，HEJZLAR P. A Supercritical Carbon Dioxide Cycle for Next Generation Nuclear Reactors[D]. Cambridge ：Massachusetts Institute of Technology，2004.