超临界CO2循环或带来光热发电技术革命
发布者：CSPPLAZA | 来源：CSPPLAZA光热发电网 | 3评论 | 32684查看 | 2015-05-03 11:05:00
CSPPLAZA光热发电网报道：超临界CO2透平是一种以超临界CO2为工质的基于布雷顿循环原理的动力发电设备，是一种比传统蒸汽轮机更为先进的发电装备，作为一种外燃机，其也可采用太阳能作为热源，由此也诞生了基于超临界CO2循环的光热发电技术。
超临界CO2透平
据中国科技开发院光热发电专家孙海翔介绍，“超临界CO2透平的历史可追溯到1970年代。由于其功率密度高，叶片的应力很大，其轮盘和叶片需要一次性整体加工，当时的加工工艺难以满足。直到1990年代中期，五轴加工中心广泛使用，涡轮制造工艺得以突破，才开始商业化产品的研发。”
对于这种新型发动机的研发，美国目前走在世界的前列。孙海翔提供的相关资料显示，美国能源部（DOE）从2004年开始该项目的研发，目标是为核电站、太阳能光热发电、余热利用等研发下一代动力设备。值得关注的是，DOE对此的研发隶属于美国SunShot太阳能热发电计划支持下的项目，其此前已完成了10MW样机的工程设计，计划在今年完成制造。与此同时，100MW级的发动机也在同步设计中。
同时，日本也在加紧研制此类设备。日本东芝与美国Exelon和CB&I从2012年6月开始合作，力争在2017年完成250MW级商业电站的超临界CO2发电系统的研发。东芝现正研制20MWe（50MWt）样机，并已完成超临界CO2循环压力燃烧试验，压力已达30MPa。
超临界CO2透平具有优良的特性，主要表现在：其功率密度高，体积小，一般为蒸汽轮机的1/20~1/30，10兆瓦规模的设备仅4到6立方米；其成本低，初始投资比蒸汽轮机低30%~40%；比燃气轮机低20%；其热效率高，最高可达55%；其结构简单，零部件数量少；其工作温度低（与燃气轮机相比），成本低；其属于外燃机，可以使用多种燃料，能源安全性高；由于超临界CO2循环的简洁性，其可以作为联合循环的底循环；由于超临界二氧化碳循环属于单相循环（布雷顿循环），没有相变过程，不使用凝汽器，所使用的阀的数量，只有朗肯循环的十分之一；可以使用常规的不锈钢材料，制造成本低。
与光热发电技术的结合
超临界CO₂系统是一种高级电力循环系统，其采用二氧化碳作为工作介质、在封闭的布雷顿热力循环中做功，热电转换效率远高于以蒸汽作为工作介质的传统蒸汽轮机和以燃气为介质的燃气轮机。在SunShot计划的支持下，包括Brayton能源公司、美国国家可再生能源实验室、西南研究所等多家单位都获得了资金支持研究与此相关的技术。
超临界CO2透平如果用于地面发电厂，除了体积小、重量轻之外，还可以不用水，适合荒漠缺水地区的应用，是太阳能光热发电的理想选择，使用CO2做工质时，不存在工质冻结的问题，管路上不用电伴热，施工简单，并可显著降低成本。其应用于太阳能光热发电系统可实现效率的显著提升。系统仅需要较低的热量即可启动发电机、其应对负荷变化调整迅速、支持快速启停，这些优点是普通发电系统所无法比拟的。SolarReserve首席技术官Bill Gould曾表示，此种技术对光热发电站启动过慢的缺陷是一种有益的改善。
NREL主持超临界二氧化碳布雷顿循环10MW级示范项目的高级工程师和主要负责人Craig Turchi也曾表示，经过我们此前的一系列研究，我们认为超临界二氧化碳作为工质的光热发电系统在高达600到700摄氏度的温度范围内运行都可以有良好表现。超临界二氧化碳发电可以在500摄氏度以上，20兆帕的大气压下实现高效率的热能利用，可以轻松达到45%以上，这将有效提高电力产能。美国能源部之所以支持此项研发，也是看到了此项技术在提高发电效率和降低成本方面的巨大潜力。
超临界CO2循环对光热发电的LCOE到底将造成何种影响？在此前的一篇文章中，我们有过一些预测性的研究和分析，结论是超临界CO₂的应用预期可以帮助光热发电实现10%左右的LCOE成本削减。虽然只是一种预测，但可以肯定的是，采用这种变革性的技术将大大助力光热发电及早迈向平价上网。
整体来看，超临界CO2循环系统的研发在全球范围内目前仍是一个新课题，但其优良的特性和对发电技术可能带来的颠覆已经受到了越来越广泛的认知，其技术研发和商业化应用进程的速度也正在逐步加快。
反观国内，国内电力系统目前对超临界CO2循环技术的认识还处于十分初级的层面，对该系统进行研发和示范的机构也少之又少，这一点应引起我们的足够重视。中国科学院电工研究所研究员王志峰就曾在公开场合呼吁，光热发电行业和电力行业应重视超临界CO2循环发电技术的研发和应用，这是一种可能带来发电系统变革的技术。
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最新评论
3人参与
1048348936
总是被老外牵着走啊
2015-05-07 16:04:02
0
机电太阳能发电
即便超临界二氧化碳能够提供有效的太阳能光热发电，中国也要花大价钱买，最后赚钱的还是美国人。<br />
<br />
何况，现在美国人也没有商业化的产品出现，如果都在等着美国的产品出现，估计等到的时候，现在的光热发电企业都已经倒闭了，只能换一拨人玩了。
2015-05-06 21:48:39
0
zjchuaran
太阳能热发电技术面临颠覆性创新，其一是动力循环系统，也即采用超临界二氧化碳热发电技术替代传统的蒸汽郎肯循环热发电；其二是传热工质采用固体粒子或气体取代导热油和熔盐；其三是储热系统和储热介质的变革。但这些技术均离不开最基本的聚光太阳能设备，包括槽式和塔式聚光技术，因此练好基本功当属必要。
2015-05-04 10:52:31
0
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