鐳射：能不能把傳統的光熱發電方式換一換？
【文/ 觀察者網專欄作者 鐳射】
前幾天，我在觀察者網發表了文章《光熱發電：中國下一張“國家名片”？》，下面有兩位網友的評論很有意思。
@好人 網友評論：“果然又是花式燒開水。”
@伽藍之瞳 網友評論：“其實我在考慮，能不能把傳統的發電方式換一換？我們燒開水發電燒了多久了？”
目前的主流火力發電，確實是“燒開水”——用鍋爐將水燒成蒸汽，再用熱機將蒸汽的內能轉換為機械能，驅動發電機發電。從1785年瓦特發明蒸汽機起，就一直是如此。只不過這個過程，以前用的是往復式蒸汽機，現在用的是蒸汽輪機。
即使是燃氣輪機發電，目前效率最高的方式，也是燃氣—蒸汽聯合循環：在燃氣輪機後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”，再用汽輪機驅動發電機發電，從而最大限度地提高整套系統的熱效率。
除了火力發電之外，與火力發電同屬熱電站的核電站和太陽能光熱電站，其實也是“燒開水”，只不過前者是用核能“燒開水”，而後者是用太陽灶“燒開水”。
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。那麼，能不能如@伽藍之瞳 網友所説，在利用太陽能光熱資源的時候，“把傳統的發電方式換一換”，不需要那麼多水呢？別説，辦法還真有。
第一個，也是目前已經投入大規模應用的辦法，其實我那篇文章中已經提到了，那就是用斯特林發動機來驅動發電機。
斯特林發動機發明於1816年，以其發明者，英國物理學家羅巴特·斯特林的名字命名。和大致與其同一時期發明的瓦特蒸汽機類似，它也是一種外燃式活塞發動機。但和瓦特蒸汽機不同的是，斯特林發動機不是用水蒸汽，而是用氣體（早期用空氣，現在一般用氦氣或氫氣）作為工質，這使得它不需要龐大的鍋爐系統，也就是説，它不需要“燒開水”。
斯特林發動機的這個特點，再加上它是一種外部加熱的閉式循環發動機，使得它有一個非常突出的優點：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於太陽能光熱發電。
斯特林發動機工作原理（本文圖片均由作者收集供圖）
鄂爾多斯100kW太陽能光熱示範電廠是我國第一個碟式太陽能光熱發電示範電廠，2012年9月建成，共由10台10kW碟式太陽能斯特林光熱發電系統組成，年發電量為32萬kWh
不過，斯特林發動機也有很多缺陷，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是連續的，而斯特林發動機又是閉式循環，這使得斯特林發動機的氣體工質會長時間保持在較高的温度，為了減少熱損失必須採取隔熱措施，由此必然導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，歷史上斯特林發動機曾經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動機的普及應用。可以説，靠斯特林發動機來代替“燒開水”，是不現實的。
幸而，除了斯特林發動機，還有一種發動機，也是不需要“燒開水”的，這就是燃氣輪機。那麼，光熱發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。空氣先進入壓氣機，經壓氣機壓縮升壓後進入燃燒室，在燃燒室內，經過壓縮的空氣與燃料（氣體或液體）混合燃燒，產生高温高壓燃氣，燃氣驅動渦輪，由渦輪驅動壓氣機和對外輸出功率，做功後的廢氣排入大氣。
燃氣輪機結構示意圖
仔細分析這個過程，我們可以發現，經壓氣機壓縮升壓後的空氣在燃燒室內與燃料混合燃燒產生高温高壓氣體，這一步是燃氣輪機整個工作流程的核心環節。這就是説，如果能在燃燒之前，就先提升壓縮空氣的温度，就可以在保持燃燒室輸出的燃氣温度不變的同時，降低空氣在燃燒室內的升温幅度，從而有效減少燃料的消耗量。
裝備於英國45型驅逐艦的羅爾斯·羅伊斯WR21型燃氣輪機就是利用做完功後排出的廢氣的熱量，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。與功率相當的簡單循環船用燃氣輪機相比，WR-21可節約燃油27%到30%。既然可以用廢氣作為加熱來源，那麼光熱自然也可以。
2005年10月，由中材南京玻璃纖維研究設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、南京市科協主席、東大—中天聯合研究中心主任張耀明主持研製的70kW塔式太陽能熱發電系統試驗示範工程，在南京市江寧開發區建成併成功發電。這也是我國首座塔式太陽能熱發電實驗系統。該發電系統由1個塔柱和32面定日鏡組成，佔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化裝置，實現光電轉換。
南京江寧70kW塔式太陽能熱發電系統試驗示範工程。它也是我國首座塔式太陽能熱發電系統
與後來建成的北京延慶八達嶺塔式太陽能熱發電實驗電站不同的是，南京江寧70kW塔式太陽能熱發電系統試驗示範工程採用的熱機不是蒸汽輪機，而是燃氣輪機。具體地説，是由以方提供的經過“太陽能化”改造的美國霍尼韋爾Parallon 75型燃氣輪機。
Parallon 75是霍尼韋爾公司於90年代研製的微型燃氣輪機，以天然氣為燃料，最大輸出功率75千瓦，主要用於分佈式發電。應用於南京江寧70kW塔式太陽能熱發電系統試驗示範工程的Parallon 75型燃氣輪機經過了“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。空氣被吸入燃氣輪機後，先經壓氣機壓縮，再經由集熱器加熱，經過這兩道工序後，高温（1000℃）並帶有一定壓力的空氣再進入燃燒室，混合天然氣燃燒，產生燃氣驅動渦輪。
實踐證明，這種做法有效降低了燃氣輪機的燃料消耗。實際運行的結果表明，與未經改造的Parallon 75型燃氣輪機相比，經過“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。經過兩年的調試、完善，和連續發電運行測試表明，該系統運行穩定、操控方便、安全可靠。
南京江寧70kW塔式太陽能熱發電系統試驗示範工程的成功，可算是燃氣輪機利用太陽能光熱發電的成功實踐。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電。那麼，有沒有什麼完全利用太陽熱能驅動燃氣輪機的辦法呢？也有。這就是超臨界二氧化碳（SCO2）布雷頓循環。
二氧化碳有一個很獨特的物理性質：當温度達到30.98℃，壓力達到7.38MPa時，其物理狀態介於液體和氣體之間，密度接近於液體，粘度接近於氣體，擴散係數約為液體的100倍。這種狀態，稱為“超臨界”狀態。處於超臨界狀態下的二氧化碳，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，化學性質不活潑，無色無味無毒，安全，價格便宜，純度高，易獲得。這些特性，使得它很適合用於作為熱力循環工質。
所謂超臨界二氧化碳布雷頓循環，就是用超臨界狀態的二氧化碳作為工質的渦輪發動機熱循環。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，而是用於外部熱源對二氧化碳進行加熱。超臨界狀態的二氧化碳在經過壓氣機壓縮後，進入燃燒室由外部熱源加熱，加熱後的高温超臨界二氧化碳驅動渦輪，由渦輪驅動壓氣機和對外輸出功率，作功之後的二氧化碳再回到壓氣機再被壓縮，如此循環往復。
不難看出，這在本質上，就是一個和斯特林發動機一樣的外燃式閉循環熱機。如果用太陽能光熱系統作為這個系統的外部熱源，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電系統。
超臨界二氧化碳布雷頓循環系統原理圖
超臨界二氧化碳布雷頓循環的相關研究，國際上早在20世紀六七十年代就開始了。由於其功率密度高，對輪盤和葉片的性能要求很高，當時的加工工藝難以滿足。直到90年代以後，隨着高精度數控機牀的應用，相關製造工藝得以突破，相關的研製工作才開始進行。
本世紀以來，在能源、環保問題加劇的情況下，超臨界二氧化碳布雷頓循環技術更是引起各國的關注。美國在這方面尤其積極，美國能源部（DOE）於2011年開始實施太陽能應用領域的“Sunshot”攻關計劃，該項目中的超臨界二氧化碳布雷頓循環系統研發項目的主體項目為10MW超臨界二氧化碳發電機組項目研發和測試，由美國桑迪亞（Sandia）國家實驗室-核能系統實驗室（NESL）承擔相關的實驗研究。
經過測試證明，S-CO2作為工質的光熱發電系統在600到700℃的温度範圍內運行都可以有良好表現，可以在500℃以上、20MPa的大氣壓下實現高效率的熱能利用，熱效率可以達到45%以上。對於需要建設大規模鏡場，因而投資巨大，需要高效率發電方式的光熱發電來説，這顯然是一個理想的選擇。目前，美國、日本、印度都已經建成了相關的實驗系統。
對於中國的超臨界二氧化碳布雷頓循環研究來説，剛剛過去的2018年是非常重要的一年。2018年2月，由中國科學院工程熱物理研究所研製的國內首台MW級超臨界二氧化碳壓縮機，在中國航發瀋陽黎明航空發動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系統的核心部件之一，它的研製成功，是我國在超臨界二氧化碳布雷頓循環系統研究領域的一次重大突破。
由中國科學院工程熱物理研究所研製的國內首台兆瓦級的超臨界二氧化碳壓縮機
2018年9月21日，我國首座大型超臨界二氧化碳壓縮機實驗平台在衡水基地正式建成。實驗平台是用於測試超臨界二氧化碳壓縮機工作性能和開展超臨界二氧化碳流體壓縮特性相關基礎實驗的通用平台，還可以用於開展高速轉子測試、軸承測試和密封測試等實驗。
該平台可調製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驗平台，也是世界上規模最大等級最高的同類實驗平台。該兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機通用實驗平台的建成投運，終結了我國相關研究缺乏實驗條件的歷史。
超臨界二氧化碳壓縮機實驗平台（測試系統）（圖片來自中國科學院工程熱物理研究所網站，下同）
超臨界二氧化碳壓縮機實驗平台（測試系統）
超臨界二氧化碳壓縮機實驗平台（輔助系統）
2018年11月，我國首座“雙迴路全温全壓超臨界二氧化碳（S-CO2）換熱器綜合試驗測試平台”在中國科學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驗平台和廊坊雙迴路全温全壓超臨界二氧化碳換熱器綜合試驗測試平台的建成，為工程熱物理研究所深入開展超臨界二氧化碳循環發電系統的研究打下堅實的基礎，也為國內從事此項研究的其它科研單位提供了實驗平台支撐。對於中國超臨界二氧化碳布雷頓循環技術的發展來説，這是具有里程碑意義的大事。
全温全壓超臨界二氧化碳換熱器綜合試驗平台
綜合試驗平台控制系統
試驗測試用印刷電路板換熱器（Printed Circuit Heat Exchange, PCHE）。新型高效緊湊式PCHE具有換熱效率高、結構緊湊、承壓和耐温能力強等特點，非常適用於SCO2布雷頓循環發電系統。
由於超臨界二氧化碳密度高，循環簡單，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僅需外界提供500到800℃的温度，這是應用現有太陽能聚光器和吸熱器技術就能很容易達到的的温度。
可以預見，在國內科研單位的努力下，我國研製出具有自主知識產權的超臨界二氧化碳布雷頓循環系統將指日可待。這將徹底解決我國太陽能光熱資源豐富的西部地區水資源缺乏，不適合建設以汽輪機為動力裝置的大型光熱電站的問題，為中國太陽能光熱發電產業開創更光明的未來。
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