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北京大學：高溫CO?混合工質太陽能熱發電探索

發布者：walt | 來源：光熱聯盟 | 0評論 | 8132查看 | 2018-01-30 17:30:48

　　2012年，美國國家可再生能源實驗室NREL獲得美國能源部SunShot計劃800萬美元資助，進行采用超臨界CO?作為工作介質的多元兆瓦級發電循環研發。其負責人Craig Turchi表示，經過此前的一系列研究，我們認為超臨界CO?作為工質的太陽能熱發電系統在高達600-700℃的溫度范圍內運行都可以有良好表現。超臨界CO?發電可以在500℃以上，20MPa的大氣壓下實現高效率的熱能利用，效率可以達到45%左右，具有提高整體發電量的巨大潛力。

　　在我國，北京大學工學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℃）朗肯發電熱力學循環研究；自2015年起，也開始研究超臨界CO?高溫（600℃以上）布雷頓發電熱力學循環。以下就北京大學工學院孫家琦同學的研究報告進行分享。

　　一、CO?太陽能熱力學循環建立與應用

　　北京大學工學院在超臨界CO?流體動力學與傳熱穩定性做了大量的工作，包括臨界區域的流動穩定性，傳熱多峰現象，熱松弛與臨界不穩定性，臨界邊界熱機械效應等，構建了超/近臨界CO?太陽能集熱器及發電機組。這一突破性成果得到美國、西班牙、挪威等多國研究者的高度評價與引用。

　　圖：超/近臨界CO?流體動力學與傳熱研究

　　圖：超臨界CO?熱機械效應及其穩定性

　　圖：超臨界CO?集熱器及發電機組設計

　　課題組還在構建實驗機組的基礎上，對循環熱效率進行了實驗上的實測，為進一步的工業運用積累了大量的經驗數據。

　　圖：太陽能超臨界CO?發電機組性能測試成果

　　圖：多種超臨界CO?發電熱力學循環結構設計

　　圖：太陽能超臨界CO?發電采暖聯供技術對比

　　2003年，課題組設計搭建了一個10kW利用太陽能的超臨界二氧化碳發電樣機；同時通過實驗與理論摸索，提出了多種基于太陽能的新型循環結構，比如布雷頓循環和朗肯耦合發電的結構；并且針對不同熱源溫度為布雷頓循環和朗肯提供不同發熱溫度。如，熱源溫度是500℃，布雷頓循環是比較合適的，供熱溫度能夠達到200℃，因為考慮到是熱電聯產，就沒有采用再壓縮結構來提高了供熱的溫度。

　　二、CO?跨臨界熱泵

　　CO?熱泵在低品質熱利用上有了廣泛的應用。使用傳統工質的熱泵存在環境問題（含氟、含氯工質）、能源問題（能效比低）及功能問題（出水溫度低等），近年來，北京大學工學院從理論到實驗，從實驗到樣機，最終成功研制出系列產品，而且能夠保證商用的一致性。

　　圖：北大工學院張信榮團隊研制的CO?熱泵樣機

　　比如，課題組正在開展的傳統燃煤電場的廢熱回收項目，預期每年能夠減排12萬噸，針對各種不同規模，不同用途的需求都有成熟的方案，CO?在日本有廣泛的商業應用，包括民用、工業領域，環境友好特性得到了認可，在國際上正處在快速市場化推廣階段。2014年完成了兆瓦級樣機的中試，并成功運用于大型工業項目。

　　總結發現，兆瓦級CO?商用熱泵技術具備如下優勢：

　　1、市場前景廣闊

　　1）采用常規制冷劑的兆瓦級熱泵空調機組面臨著淘汰和替換；

　　2）兆瓦級跨臨界CO?熱泵機組在國際上正處在快速市場化推廣階段，只有日本全面掌握其工藝，在日本已開始應用于民用、工業和能源資源領域。

2、市場競爭力高

　　1）大型城市（如北京）有許多大型辦公樓、商場和企業廠房，屬建筑耗能大戶，需降低耗能降，降低運行成本；

　　2）如果北京10%的大型建筑采用兆瓦級CO?熱泵機組進行制冷和供暖，每年節約電費超過39億元，減排氟利昂量超20000噸；建筑物能耗降低約25%。

　　3）應用領域廣泛：可廣泛應用于民用、工業、農林水產等領域。

　　?民用：超市、商場、酒店、影劇院、學校、辦公樓、醫院、地鐵等；

　　?工業：電力、制藥、廢水處理、紡織、橡膠、冶金、玻璃等行業；

　　?農林水產：種子加工、水產品加工、木材加工、牛奶加工、啤酒行業等。

　　圖：CO?自然循環熱回收機組

　　三、高溫混合工質發電循環分析

　　超臨界CO?在中低溫熱源研究中有出眾的表現，作為天然環保的工質在高溫區同樣有廣闊的應用前景。北京大學張信榮教授課題組做的工作是，通過建立CO?跨臨界布雷頓循環系統，衡量900k到1300k的熱循環效率，理論臨界點會發生變化。

　　針對跨臨界循環選擇適當的比例，合適種類的工質，是否可提高其循環熱效率，只是現在還沒有定論。本次報告主要探究降低臨界點，相同程度時，不同混合工質的種類對于循環效率的影響是否有差異。

　　圖：高溫超臨界CO?及其混合工質發電循環

　　由于主要探究不同混合工質的差異，為降低臨界點的溫度，選取了CO、N2作為混合工質。左邊是兩種循環熱效率分析，右邊是損失的分布圖，朗肯循環因其出口溫度較低，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隨混合比變化（介質：從至右依次為：Xe、CO、N2）

　　圖：高溫CO?朗肯與布雷頓循環對比

　　總體而言，布雷頓循環在高溫熱源情況下，CO?其實是更有優勢的。所以，采用布雷頓循環與第四代作對比，壓縮機出口定為40MP的情況下，在相同工況下，CO?在高溫段的發熱效率比較平穩，而且是優于He。

圖：各應用類型參數對比（來源：CO? Power Cycle Technology Road mapping Workshop, February 2013, SWRI San Antonio, TX)

而混合工質臨界點降低至293.15k，壓縮機入口壓力為臨界壓力入口溫度為臨界點下10k的工況時理論效率對比。比較推薦使用氮氣的混合工質。

圖：聚光蒸汽動力解決方案

圖：聚光熱電結構

目前的聚光太陽能熱發電項目一般采用蒸汽動力機組，其效率相對較低。在不改變太陽能熱發電系統架構的前提下，CO?作為極具潛力的工質，其工業運用有極高的價值，在不同熱源溫度下呈現出更高的效率。

附：張信榮教授簡介

北京大學新型能源系統研究中心主任、北京市城市熱管理工程技術研究中心主任、北京能源學會會長。國家太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟專家委員會委員。

是多項天然工質CO?發電、制冷和制熱熱力學循環的創始人，天然工質熱力學循環及其傳熱傳質領域著名的研究者。在包括超/近臨界流體動力學及傳熱、微納米粒子相變傳熱、新型功能型流體材料等領域都有開創性研究成果。近年來技術研究開發主要集中在可再生式熱能源的生產、傳輸、儲存、轉換和利用；建筑、工業過程中的冷熱能高效利用等。

在國際期刊發表論文180余篇，授權和申請專利60余項。擔任International Journal of Energy Research, International Journal of Global Warming等四個國際期刊編委。獲得北京市科技新星、Elsevier能源領域中國高被引學者等多個榮譽稱號。

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