所謂超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)，就是用超臨界狀態(tài)的二氧化碳作為工質(zhì)的渦輪發(fā)動機熱循環(huán)灌龄。但和一般的燃氣輪機不同的是钾埂，這種燃氣輪機的燃燒室不燃燒燃料况魔，而是用于外部熱源對二氧化碳進行加熱秫辨。超臨界狀態(tài)的二氧化碳在經(jīng)過壓氣機壓縮后腾么，進入燃燒室由外部熱源加熱拘鞋，加熱后的高溫超臨界二氧化碳驅(qū)動渦輪汹涯，由渦輪驅(qū)動壓氣機和對外輸出功率今捕，作功之后的二氧化碳再回到壓氣機再被壓縮，如此循環(huán)往復片侧。
不難看出希咒，這在本質(zhì)上，就是一個和斯特林發(fā)動機一樣的外燃式閉循環(huán)熱機微悬。如果用太陽能光熱系統(tǒng)作為這個系統(tǒng)的外部熱源顺良，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(fā)電系統(tǒng)沙诅。
二氧化碳有一個很獨特的物理性質(zhì)：當溫度達到30.98℃些栅，壓力達到7.38MPa時，其物理狀態(tài)介于液體和氣體之間草仪，密度接近于液體至沸，粘度接近于氣體，擴散系數(shù)約為液體的100倍振害。這種狀態(tài)盖扔，稱為“超臨界”狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)下的二氧化碳缘缚，密度比氣體大勾笆，粘性比液體小，具有流動性強桥滨、傳熱效率高窝爪、可壓縮性小等特點。
二氧化碳的臨界條件容易達到该园，化學性質(zhì)不活潑酸舍，無色無味無毒，安全里初，價格便宜啃勉，純度高，易獲得双妨。這些特性淮阐，使得它很適合用于作為熱力循環(huán)工質(zhì)。
超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的相關研究刁品，國際上早在20世紀六七十年代就開始了泣特。由于其功率密度高浩姥，對輪盤和葉片的性能要求很高，當時的加工工藝難以滿足谆威。直到90年代以后簸眼，隨著高精度數(shù)控機床的應用，相關制造工藝得以突破婉饼，相關的研制工作才開始進行疤削。
本世紀以來，在能源序敷、環(huán)保問題加劇的情況下撬彭，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術更是引起各國的關注。美國在這方面尤其積極赋昔，美國能源部(DOE)于2011年開始實施太陽能應用領域的“Sunshot”攻關計劃据钱，該項目中的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研發(fā)項目的主體項目為10MW超臨界二氧化碳發(fā)電機組項目研發(fā)和測試，由美國桑迪亞(Sandia)國家實驗室-核能系統(tǒng)實驗室(NESL)承擔相關的實驗研究亮绢。
經(jīng)過測試證明箭谴，S-CO2作為工質(zhì)的光熱發(fā)電系統(tǒng)在600到700℃的溫度范圍內(nèi)運行都可以有良好表現(xiàn)，可以在500℃以上俘戈、20MPa的大氣壓下實現(xiàn)高效率的熱能利用貌嫡，熱效率可以達到45%以上。對于需要建設大規(guī)模鏡場该溯，因而投資巨大岛抄，需要高效率發(fā)電方式的光熱發(fā)電來說，這顯然是一個理想的選擇狈茉。目前夫椭，美國、日本氯庆、印度都已經(jīng)建成了相關的實驗系統(tǒng)蹭秋。
對于中國的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)研究來說，剛剛過去的2018年是非常重要的一年堤撵。2018年2月仁讨，由中國科學院工程熱物理研究所研制的國內(nèi)首臺MW級超臨界二氧化碳壓縮機，在中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司燃氣輪機分公司完成加工裝配实昨，成功交付工程熱物理研究所衡水基地洞豁。壓縮機是超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的核心部件之一，它的研制成功荒给，是我國在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研究領域的一次重大突破掐抢。
圖：國內(nèi)首臺兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機(由中科院工程熱物理研究所研制)
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臺在衡水基地正式建成哗缀。實驗平臺是用于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臺统扔，還可以用于開展高速轉(zhuǎn)子測試琅芍、軸承測試和密封測試等實驗。
該平臺可調(diào)制7-9MPa馁筷、0-35℃的亞臨界或超臨界二氧化碳甸垄，壓縮機出口壓力可以達到20MPa以上;轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(xù)測試芥吧，是目前我國唯一的兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機實驗平臺旋逛，也是世界上規(guī)模最大等級最高的同類實驗平臺。該兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機通用實驗平臺的建成投運析口，終結(jié)了我國相關研究缺乏實驗條件的歷史。
2018年11月媳厕，我國首座“雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳(S-CO2)換熱器綜合試驗測試平臺”在中國科學院工程熱物理研究所廊坊中試基地建成乱归。衡水兆瓦級超臨界二氧化碳壓縮機通用實驗平臺和廊坊雙回路全溫全壓超臨界二氧化碳換熱器綜合試驗測試平臺的建成，為工程熱物理研究所深入開展超臨界二氧化碳循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的研究打下堅實的基礎睬魂，也為國內(nèi)從事此項研究的其它科研單位提供了實驗平臺支撐终吼。對于中國超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術的發(fā)展來說，這是具有里程碑意義的大事氯哮。
由于超臨界二氧化碳密度高际跪，循環(huán)簡單，所以機組重量輕喉钢，尺寸小(僅為汽輪機的1/10);超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)僅需外界提供500到800℃的溫度姆打，這是應用現(xiàn)有太陽能聚光器和吸熱器技術就能很容易達到的的溫度。
可以預見肠虽，在國內(nèi)科研單位的努力下幔戏，我國研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)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(qū)水資源缺乏税课，不適合建設以汽輪機為動力裝置的大型光熱電站的問題闲延，為中國太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)更光明的未來。
