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)。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，而是用于外部熱源對二氧化碳進行加熱。超臨界狀態(tài)的二氧化碳在經(jīng)過壓氣機壓縮后，進入燃燒室由外部熱源加熱，加熱后的高溫超臨界二氧化碳驅(qū)動渦輪，由渦輪驅(qū)動壓氣機和對外輸出功率，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(fù)。
不難看出，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。如果用太陽能光熱系統(tǒng)作為這個系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)。
二氧化碳有一個很獨特的物理性質(zhì)：當(dāng)溫度達到30.98℃，壓力達到7.38MPa時，其物理狀態(tài)介于液體和氣體之間，密度接近于液體，粘度接近于氣體，擴散系數(shù)約為液體的100倍。這種狀態(tài)，稱為“超臨界”狀態(tài)。處于超臨界狀態(tài)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(xué)性質(zhì)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(guān)研究，國際上早在20世紀六七十年代就開始了。由于其功率密度高，對輪盤和葉片的性能要求很高，當(dāng)時的加工工藝難以滿足。直到90年代以后，隨著高精度數(shù)控機床的應(yīng)用，相關(guān)制造工藝得以突破，相關(guān)的研制工作才開始進行。
本世紀以來，在能源、環(huán)保問題加劇的情況下，超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)更是引起各國的關(guān)注。美國在這方面尤其積極，美國能源部(DOE)于2011年開始實施太陽能應(yīng)用領(lǐng)域的“Sunshot”攻關(guān)計劃，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(dān)相關(guān)的實驗研究。
經(jīng)過測試證明，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、20MPa的大氣壓下實現(xiàn)高效率的熱能利用，熱效率可以達到45%以上。對于需要建設(shè)大規(guī)模鏡場，因而投資巨大，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。目前，美國、日本、印度都已經(jīng)建成了相關(guān)的實驗系統(tǒng)。
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。2018年2月，由中國科學(xué)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(zé)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(huán)系統(tǒng)的核心部件之一，它的研制成功，是我國在超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一次重大突破。
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。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(guān)基礎(chǔ)實驗的通用平臺，還可以用于開展高速轉(zhuǎn)子測試、軸承測試和密封測試等實驗。
該平臺可調(diào)制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(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，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，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，終結(jié)了我國相關(guān)研究缺乏實驗條件的歷史。
2018年11月，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(xué)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(chǔ)，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。對于中國超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)技術(shù)的發(fā)展來說，這是具有里程碑意義的大事。
由于超臨界二氧化碳密度高，循環(huán)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(huán)僅需外界提供500到800℃的溫度，這是應(yīng)用現(xiàn)有太陽能聚光器和吸熱器技術(shù)就能很容易達到的的溫度。
可以預(yù)見，在國內(nèi)科研單位的努力下，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，不適合建設(shè)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(fā)電產(chǎn)業(yè)開創(chuàng)更光明的未來。
