2011 年2月4日美國能源部啟動了一項名為“利用太陽能發(fā)電的創(chuàng)新綱領(lǐng)”( Sunshot Initiative) 的計劃。2011年10月25日，美國能源部宣布，作為SunShot 計劃的一部分，將在未來3 年投資6000萬美元開展應用科學研究以推動太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展，目標是：其一，在2020 年將太陽能熱發(fā)電電價降到6美分/度。第二，研發(fā)超臨界CO2循環(huán)作為CSP電廠的動力轉(zhuǎn)換部分的系統(tǒng)，動力模塊造價低于1200美元/kW。第三，超臨界CO2透平入口溫度達到700℃以上。第四，熱機采用干冷卻不用水，循環(huán)效率大于50%。
相關(guān)的科研項目由Southwest Research Institute ( SwRI) 、GE、Thar Energy、Aerojet Rocketdyne等機構(gòu)和多家大學承擔，包括新型聚光器、高效接收器、系統(tǒng)集成、透平機械、緊湊式換熱器等關(guān)鍵技術(shù)?？傮w上，受美國能源部資助的科研項目按照循序漸進的規(guī)律在逐步推進: 從小型試驗臺架的原理驗證到關(guān)鍵部件技術(shù)攻關(guān)，再到兆瓦級試驗裝置的研發(fā); 從不同部門獨立投入到共性技術(shù)部門間聯(lián)合投入。近年來，美國能源部不斷加大、加快對資助科研項目的投入，并在2016 年投入巨資建設(shè)10MW試驗裝置，表明美國整體技術(shù)成熟度水平已達到較高級別。
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、機組設(shè)計、零部件加工及系統(tǒng)示范驗證方面開展了較多的工作。預計其將在未來2 年內(nèi)完成商業(yè)示范，在3～5年將形成1～10MW 級超臨界CO2機組完整產(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組建設(shè)規(guī)劃籌建階段，少數(shù)廠商有試制計劃和生產(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，對超臨界CO2塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的特點、該技術(shù)尚需研究和解決的技術(shù)問題等進行了分析。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。
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、儲熱系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作同時也能實現(xiàn)電站的無水化運行。
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)、儲熱子系統(tǒng)、動力循環(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)置了儲熱子系統(tǒng)來維持光熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，同時也能保證系統(tǒng)在夜間的運行。
動力循環(huán)子系統(tǒng)采用超臨界CO2再壓縮循環(huán)，因為它是其他大多數(shù)衍生循環(huán)設(shè)計的基礎(chǔ)，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高的特點，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)的特點主要有：1) 可顯著提高光熱發(fā)電系統(tǒng)效率。2) 對設(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。
美國能源部認為，太陽能發(fā)電的成本下降應從四個方面著手：降低技術(shù)成本、降低并網(wǎng)成本、促進規(guī)模化全球化應用、提升電站效率。超臨界CO2優(yōu)良的傳熱和流動性能具有提高發(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)電實現(xiàn)平價上網(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)電的一個發(fā)展方向，要全面掌握和利用該技術(shù)，重點需要在以下幾個方面展開技術(shù)與市場創(chuàng)新與實踐研究。
1) 系統(tǒng)性研究超臨界CO2物性和高溫下對材料的腐蝕特性。
2) 研究超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)的光熱耦合原理與運行控制。
3) 突破超臨界CO2高速渦輪發(fā)電機組設(shè)計制造技術(shù)。
4) 開發(fā)滿足超臨界CO2發(fā)電系統(tǒng)工程應用的高效換熱器。
3、結(jié)語
高效的超臨界CO2循環(huán)需要熱氣體透平膨脹機運行在較高的溫度和壓力之上，在較為廣泛的負載條件下，維持高效運行，并能夠應對太陽能熱量輸入的快速波動，同時能夠快速啟動，優(yōu)化電站的在線運行。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)域事實上也有一定的應用潛力。而對于我國太陽能熱發(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商，在市場層面進行國內(nèi)的示范機組建設(shè)，盡早與項目應用方開展合作，形成品牌效應。
