2011 年2月4日美國能源部啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“利用太陽能發(fā)電的創(chuàng)新綱領(lǐng)”( Sunshot Initiative) 的計(jì)劃。2011年10月25日，美國能源部宣布，作為SunShot 計(jì)劃的一部分，將在未來3 年投資6000萬美元開展應(yīng)用科學(xué)研究以推動(dòng)太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展，目標(biāo)是：其一，在2020 年將太陽能熱發(fā)電電價(jià)降到6美分/度。第二，研發(fā)超臨界CO2循環(huán)作為CSP電廠的動(dòng)力轉(zhuǎn)換部分的系統(tǒng)，動(dòng)力模塊造價(jià)低于1200美元/kW。第三，超臨界CO2透平入口溫度達(dá)到700℃以上。第四，熱機(jī)采用干冷卻不用水，循環(huán)效率大于50%。
相關(guān)的科研項(xiàng)目由Southwest Research Institute ( SwRI) 、GE、Thar Energy、Aerojet Rocketdyne等機(jī)構(gòu)和多家大學(xué)承擔(dān)，包括新型聚光器、高效接收器、系統(tǒng)集成、透平機(jī)械、緊湊式換熱器等關(guān)鍵技術(shù)。總體上，受美國能源部資助的科研項(xiàng)目按照循序漸進(jìn)的規(guī)律在逐步推進(jìn): 從小型試驗(yàn)臺(tái)架的原理驗(yàn)證到關(guān)鍵部件技術(shù)攻關(guān)，再到兆瓦級(jí)試驗(yàn)裝置的研發(fā); 從不同部門獨(dú)立投入到共性技術(shù)部門間聯(lián)合投入。近年來，美國能源部不斷加大、加快對(duì)資助科研項(xiàng)目的投入，并在2016 年投入巨資建設(shè)10MW試驗(yàn)裝置，表明美國整體技術(shù)成熟度水平已達(dá)到較高級(jí)別。
美國目前是毋庸置疑的超臨界CO2循環(huán)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)先者，在系統(tǒng)研究、機(jī)組設(shè)計(jì)、零部件加工及系統(tǒng)示范驗(yàn)證方面開展了較多的工作。預(yù)計(jì)其將在未來2 年內(nèi)完成商業(yè)示范，在3～5年將形成1～10MW 級(jí)超臨界CO2機(jī)組完整產(chǎn)業(yè)鏈和成功商業(yè)案例。中國國內(nèi)目前還處在理論研究和小型示范機(jī)組建設(shè)規(guī)劃籌建階段，少數(shù)廠商有試制計(jì)劃和生產(chǎn)能力，與美國差距較為明顯。目前，在科技部的支持下，我國正在進(jìn)行超臨界CO2太陽能熱發(fā)電關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究。
東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司程虎，奚正穩(wěn)，孫登科等以熔鹽吸熱技術(shù)與超臨界CO2再壓縮循環(huán)耦合的系統(tǒng)為例，對(duì)超臨界CO2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)、該技術(shù)尚需研究和解決的技術(shù)問題等進(jìn)行了分析。特整理如下，以供參考。
1、超臨界CO2光熱發(fā)電系統(tǒng)
基于超臨界CO2布雷頓循環(huán)的塔式光熱系統(tǒng)模式主要有：第一，基于空氣( 或二氧化碳) 的氣體吸熱技術(shù)與超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合。第二，基于粒子的固體吸熱技術(shù)與超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合。第三，基于熔鹽的吸熱技術(shù)與超臨界CO2動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)結(jié)合。
以下以熔鹽吸熱技術(shù)與超臨界CO2再壓縮循環(huán)耦合的系統(tǒng)為例，介紹超臨界CO2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)。
超臨界CO2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)，是一種以超臨界狀態(tài)的CO2為工質(zhì)的布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，既能保證熔鹽吸熱、儲(chǔ)熱系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)電站的無水化運(yùn)行。
超臨界CO2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括： 吸熱器子系統(tǒng)、定日鏡子系統(tǒng)、儲(chǔ)熱子系統(tǒng)、動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)。定日鏡通過追蹤太陽位置將陽光收集反射到吸熱器上，從而加熱吸熱器里的熔鹽工質(zhì)，高溫熔鹽經(jīng)下降管返回高溫罐。超臨界CO2工質(zhì)與高溫熔鹽換熱，最后到渦輪機(jī)中膨脹做功。由于太陽能資源具有不穩(wěn)定性，所以設(shè)置了儲(chǔ)熱子系統(tǒng)來維持光熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也能保證系統(tǒng)在夜間的運(yùn)行。
動(dòng)力循環(huán)子系統(tǒng)采用超臨界CO2再壓縮循環(huán)，因?yàn)樗瞧渌蠖鄶?shù)衍生循環(huán)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高的特點(diǎn)，系統(tǒng)示意如圖。
圖： 基于超臨界CO2循環(huán)的塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖
系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：1) 可顯著提高光熱發(fā)電系統(tǒng)效率。2) 對(duì)設(shè)備腐蝕速率更低。3) 無水處理。4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間小。5) 降低電力成本。6) 將CO2資源化。
當(dāng)然，超臨界CO2光熱發(fā)電系統(tǒng)也存在一些問題。其主要缺點(diǎn)在于: 其一，超臨界CO2光熱發(fā)電系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，系統(tǒng)壓力較大，對(duì)材料的要求比較高。其二，管道中存在較高的壓力損失。如果要建設(shè)大規(guī)模的電站，可能有50～100km長的管道，壓力損失將難以估量，這意味著它可能不適合大規(guī)模電站，僅僅適合小規(guī)模的光熱電站。
美國能源部認(rèn)為，太陽能發(fā)電的成本下降應(yīng)從四個(gè)方面著手：降低技術(shù)成本、降低并網(wǎng)成本、促進(jìn)規(guī)模化全球化應(yīng)用、提升電站效率。超臨界CO2優(yōu)良的傳熱和流動(dòng)性能具有提高發(fā)電效率的巨大潛力。以超臨界CO2作為工質(zhì)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的出現(xiàn)將大幅拉低光熱發(fā)電的成本，有業(yè)內(nèi)專家表示，該技術(shù)將成為光熱發(fā)電實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)的重要推力。
2、關(guān)鍵技術(shù)分析
超臨界CO2發(fā)電技術(shù)是未來太陽能熱發(fā)電的一個(gè)發(fā)展方向，要全面掌握和利用該技術(shù)，重點(diǎn)需要在以下幾個(gè)方面展開技術(shù)與市場(chǎng)創(chuàng)新與實(shí)踐研究。
1) 系統(tǒng)性研究超臨界CO2物性和高溫下對(duì)材料的腐蝕特性。
2) 研究超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)的光熱耦合原理與運(yùn)行控制。
3) 突破超臨界CO2高速渦輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)。
4) 開發(fā)滿足超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)工程應(yīng)用的高效換熱器。
3、結(jié)語
高效的超臨界CO2循環(huán)需要熱氣體透平膨脹機(jī)運(yùn)行在較高的溫度和壓力之上，在較為廣泛的負(fù)載條件下，維持高效運(yùn)行，并能夠應(yīng)對(duì)太陽能熱量輸入的快速波動(dòng)，同時(shí)能夠快速啟動(dòng)，優(yōu)化電站的在線運(yùn)行。此外，除了太陽能發(fā)電，超臨界CO2循環(huán)在廢熱發(fā)電、核電和化石燃料發(fā)電領(lǐng)域事實(shí)上也有一定的應(yīng)用潛力。而對(duì)于我國太陽能熱發(fā)電行業(yè)，超臨界CO2循環(huán)技術(shù)是一條不可錯(cuò)失的發(fā)展路線，建議加大科研力度或者國際合作，整合核心零部件供應(yīng)商，在市場(chǎng)層面進(jìn)行國內(nèi)的示范機(jī)組建設(shè)，盡早與項(xiàng)目應(yīng)用方開展合作，形成品牌效應(yīng)。
