發(fā)布者：walt | 來源：光熱聯(lián)盟 | 0評(píng)論 | 11063查看 | 2018-01-30 17:30:48
2012年，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL獲得美國(guó)能源部SunShot計(jì)劃800萬美元資助，進(jìn)行采用超臨界CO?作為工作介質(zhì)的多元兆瓦級(jí)發(fā)電循環(huán)研發(fā)。其負(fù)責(zé)人Craig Turchi表示，經(jīng)過此前的一系列研究，我們認(rèn)為超臨界CO?作為工質(zhì)的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)在高達(dá)600-700℃的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行都可以有良好表現(xiàn)。超臨界CO?發(fā)電可以在500℃以上，20MPa的大氣壓下實(shí)現(xiàn)高效率的熱能利用，效率可以達(dá)到45%左右，具有提高整體發(fā)電量的巨大潛力。
在我國(guó)，北京大學(xué)工學(xué)院張信榮教授課題組自2003年開始從事超臨界CO?中低溫（200℃-500℃）朗肯發(fā)電熱力學(xué)循環(huán)研究；自2015年起，也開始研究超臨界CO?高溫（600℃以上）布雷頓發(fā)電熱力學(xué)循環(huán)。以下就北京大學(xué)工學(xué)院孫家琦同學(xué)的研究報(bào)告進(jìn)行分享。
一、CO?太陽(yáng)能熱力學(xué)循環(huán)建立與應(yīng)用
北京大學(xué)工學(xué)院在超臨界CO?流體動(dòng)力學(xué)與傳熱穩(wěn)定性做了大量的工作，包括臨界區(qū)域的流動(dòng)穩(wěn)定性，傳熱多峰現(xiàn)象，熱松弛與臨界不穩(wěn)定性，臨界邊界熱機(jī)械效應(yīng)等，構(gòu)建了超/近臨界CO?太陽(yáng)能集熱器及發(fā)電機(jī)組。這一突破性成果得到美國(guó)、西班牙、挪威等多國(guó)研究者的高度評(píng)價(jià)與引用。
圖：超/近臨界CO?流體動(dòng)力學(xué)與傳熱研究
圖：超臨界CO?熱機(jī)械效應(yīng)及其穩(wěn)定性
圖：超臨界CO?集熱器及發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)
課題組還在構(gòu)建實(shí)驗(yàn)機(jī)組的基礎(chǔ)上，對(duì)循環(huán)熱效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)上的實(shí)測(cè)，為進(jìn)一步的工業(yè)運(yùn)用積累了大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖：太陽(yáng)能超臨界CO?發(fā)電機(jī)組性能測(cè)試成果
圖：多種超臨界CO?發(fā)電熱力學(xué)循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖：太陽(yáng)能超臨界CO?發(fā)電采暖聯(lián)供技術(shù)對(duì)比
2003年，課題組設(shè)計(jì)搭建了一個(gè)10kW利用太陽(yáng)能的超臨界二氧化碳發(fā)電樣機(jī)；同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)與理論摸索，提出了多種基于太陽(yáng)能的新型循環(huán)結(jié)構(gòu)，比如布雷頓循環(huán)和朗肯耦合發(fā)電的結(jié)構(gòu)；并且針對(duì)不同熱源溫度為布雷頓循環(huán)和朗肯提供不同發(fā)熱溫度。如，熱源溫度是500℃，布雷頓循環(huán)是比較合適的，供熱溫度能夠達(dá)到200℃，因?yàn)榭紤]到是熱電聯(lián)產(chǎn)，就沒有采用再壓縮結(jié)構(gòu)來提高了供熱的溫度。
二、CO?跨臨界熱泵
CO?熱泵在低品質(zhì)熱利用上有了廣泛的應(yīng)用。使用傳統(tǒng)工質(zhì)的熱泵存在環(huán)境問題（含氟、含氯工質(zhì)）、能源問題（能效比低）及功能問題（出水溫度低等），近年來，北京大學(xué)工學(xué)院從理論到實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)到樣機(jī)，最終成功研制出系列產(chǎn)品，而且能夠保證商用的一致性。
圖：北大工學(xué)院張信榮團(tuán)隊(duì)研制的CO?熱泵樣機(jī)
比如，課題組正在開展的傳統(tǒng)燃煤電場(chǎng)的廢熱回收項(xiàng)目，預(yù)期每年能夠減排12萬噸，針對(duì)各種不同規(guī)模，不同用途的需求都有成熟的方案，CO?在日本有廣泛的商業(yè)應(yīng)用，包括民用、工業(yè)領(lǐng)域，環(huán)境友好特性得到了認(rèn)可，在國(guó)際上正處在快速市場(chǎng)化推廣階段。2014年完成了兆瓦級(jí)樣機(jī)的中試，并成功運(yùn)用于大型工業(yè)項(xiàng)目。
總結(jié)發(fā)現(xiàn)，兆瓦級(jí)CO?商用熱泵技術(shù)具備如下優(yōu)勢(shì)：
1、市場(chǎng)前景廣闊
1）采用常規(guī)制冷劑的兆瓦級(jí)熱泵空調(diào)機(jī)組面臨著淘汰和替換；
2）兆瓦級(jí)跨臨界CO?熱泵機(jī)組在國(guó)際上正處在快速市場(chǎng)化推廣階段，只有日本全面掌握其工藝，在日本已開始應(yīng)用于民用、工業(yè)和能源資源領(lǐng)域。
2、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力高
1）大型城市（如北京）有許多大型辦公樓、商場(chǎng)和企業(yè)廠房，屬建筑耗能大戶，需降低耗能降，降低運(yùn)行成本；
2）如果北京10%的大型建筑采用兆瓦級(jí)CO?熱泵機(jī)組進(jìn)行制冷和供暖，每年節(jié)約電費(fèi)超過39億元，減排氟利昂量超20000噸；建筑物能耗降低約25%。
3）應(yīng)用領(lǐng)域廣泛：可廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)、農(nóng)林水產(chǎn)等領(lǐng)域。
?民用：超市、商場(chǎng)、酒店、影劇院、學(xué)校、辦公樓、醫(yī)院、地鐵等；
?工業(yè)：電力、制藥、廢水處理、紡織、橡膠、冶金、玻璃等行業(yè)；
?農(nóng)林水產(chǎn)：種子加工、水產(chǎn)品加工、木材加工、牛奶加工、啤酒行業(yè)等。
圖：CO?自然循環(huán)熱回收機(jī)組
三、高溫混合工質(zhì)發(fā)電循環(huán)分析
超臨界CO?在中低溫?zé)嵩囱芯恐杏谐霰姷谋憩F(xiàn)，作為天然環(huán)保的工質(zhì)在高溫區(qū)同樣有廣闊的應(yīng)用前景。北京大學(xué)張信榮教授課題組做的工作是，通過建立CO?跨臨界布雷頓循環(huán)系統(tǒng)，衡量900k到1300k的熱循環(huán)效率，理論臨界點(diǎn)會(huì)發(fā)生變化。
針對(duì)跨臨界循環(huán)選擇適當(dāng)?shù)谋壤?，合適種類的工質(zhì)，是否可提高其循環(huán)熱效率，只是現(xiàn)在還沒有定論。本次報(bào)告主要探究降低臨界點(diǎn)，相同程度時(shí)，不同混合工質(zhì)的種類對(duì)于循環(huán)效率的影響是否有差異。
圖：高溫超臨界CO?及其混合工質(zhì)發(fā)電循環(huán)
由于主要探究不同混合工質(zhì)的差異，為降低臨界點(diǎn)的溫度，選取了CO、N2作為混合工質(zhì)。左邊是兩種循環(huán)熱效率分析，右邊是損失的分布圖，朗肯循環(huán)因其出口溫度較低，冷卻階段平均溫度更低，冷卻因損失更小。
圖：CO?二元混合物理論臨界點(diǎn)隨混合比變化（介質(zhì)：從至右依次為：Xe、CO、N2）
圖：高溫CO?朗肯與布雷頓循環(huán)對(duì)比
總體而言，布雷頓循環(huán)在高溫?zé)嵩辞闆r下，CO?其實(shí)是更有優(yōu)勢(shì)的。所以，采用布雷頓循環(huán)與第四代作對(duì)比，壓縮機(jī)出口定為40MP的情況下，在相同工況下，CO?在高溫段的發(fā)熱效率比較平穩(wěn)，而且是優(yōu)于He。
圖：各應(yīng)用類型參數(shù)對(duì)比（來源：CO? Power Cycle Technology Road mapping Workshop, February 2013, SWRI San Antonio, TX)
而混合工質(zhì)臨界點(diǎn)降低至293.15k，壓縮機(jī)入口壓力為臨界壓力入口溫度為臨界點(diǎn)下10k的工況時(shí)理論效率對(duì)比。比較推薦使用氮?dú)獾幕旌瞎べ|(zhì)。
圖：聚光蒸汽動(dòng)力解決方案
圖：聚光熱電結(jié)構(gòu)
目前的聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目一般采用蒸汽動(dòng)力機(jī)組，其效率相對(duì)較低。在不改變太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)的前提下，CO?作為極具潛力的工質(zhì)，其工業(yè)運(yùn)用有極高的價(jià)值，在不同熱源溫度下呈現(xiàn)出更高的效率。
附：張信榮教授簡(jiǎn)介
北京大學(xué)新型能源系統(tǒng)研究中心主任、北京市城市熱管理工程技術(shù)研究中心主任、北京能源學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。國(guó)家太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟專家委員會(huì)委員。
是多項(xiàng)天然工質(zhì)CO?發(fā)電、制冷和制熱熱力學(xué)循環(huán)的創(chuàng)始人，天然工質(zhì)熱力學(xué)循環(huán)及其傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域著名的研究者。在包括超/近臨界流體動(dòng)力學(xué)及傳熱、微納米粒子相變傳熱、新型功能型流體材料等領(lǐng)域都有開創(chuàng)性研究成果。近年來技術(shù)研究開發(fā)主要集中在可再生式熱能源的生產(chǎn)、傳輸、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換和利用；建筑、工業(yè)過程中的冷熱能高效利用等。
在國(guó)際期刊發(fā)表論文180余篇，授權(quán)和申請(qǐng)專利60余項(xiàng)。擔(dān)任International Journal of Energy Research, International Journal of Global Warming等四個(gè)國(guó)際期刊編委。獲得北京市科技新星、Elsevier能源領(lǐng)域中國(guó)高被引學(xué)者等多個(gè)榮譽(yù)稱號(hào)。
