「文献笔记」新一代热功转化技术-超临界二氧化碳布雷顿循环系统

超临界CO2布雷顿循环发电系统是一种先进的热功转换技术,当热源温度高于500℃时循环热效率高于蒸汽朗肯循环和氦气布雷顿循环。利用400-650℃的热源,循环效率高达40%-50%;当热源温度为700℃左右时,其循环热效率可超过50%。

二氧化碳具有较易达到的临界参数、化学性质不活泼,且具有压缩性好、安全无毒、储量丰富、对设备腐蚀率低等优点。以超临界二氧化碳 (sCO2) 作为循环工质的布雷顿循环系统,与常规的蒸汽发电相比,具有体积小、重量轻、热损小、循环热效率高的优势,成为下一代集中式太阳能高温发电 (CSP) 的主流动力循环系统,也是国内外研究的热点。

直接吸收式sCO2循环以CO2为冷却剂吸收热源能量;而间接CO2循环则通过中间换热器吸收热源能量。直接式发电效率高,但太阳能吸热器温度高,热应力大,吸热器安全问题严重;间接式通过中间换热器吸收热源热量,热损较多,效率较低。

考虑到CSP技术的特性,尤其是储热系统,并结合设计点优化,设计外分析,动态建模,瞬态案例和经济概况分析,针对CSP应用的最佳sCO2动力循环系统应适应以下特性:

高循环效率,以最小化所需的太阳镜场和储热系统尺寸。低功率周期的资本成本和平准化成本可提高太阳能发电竞争力,有利于其大规模商业化运行。干式冷却系统的开发,以适应水资源稀缺的太阳能光照优势区域。储热系统之间的温差大,以确保良好的配合。 良好的缩放比例,尺寸范围从约10 MW到约150 MW。能够承受输入偏差。日常启动和关闭的操作灵活性要求快速准确的控制策略,以及在紧急情况下的可控性。关键部件和集成系统的性能测试已在全球范围内执行。主要测试设施来自桑迪亚国家实验室(SNL),海军核实验室集成系统测试(NNL),EPS100系统,应用能源研究所(IAE) 和韩国科学技术高等研究院(KAIST)。实验测试证实了在有限的千瓦容量实验室规模下,sCO2动力循环系统与CSP耦合的可操作性和可控性。但是,由于功率容量小,集成系统测试效率较低。因此,需要一个兆瓦级的sCO2功率循环集成系统,以进一步证明其在商业应用中的可行性。在关键部件的性能研究方面,Zhang等人对太阳能集热器进行了研究,在各种天气条件下使用超临界二氧化碳对集热器进行了测试,并确定了系统的最佳布置。此外,国家可再生能源实验室计划设计一个10MW的sCO2动力涡轮机,该涡轮机可在高达700°C的温度下和干冷测试回路中运行,目的是证明在与商业CSP项目相关的规模条件下使用动力涡轮机和相关的涡轮机械sCO2的固有效率。 但是,由于所需经费太多,该项目被迫终止。中国科学院工程热物理研究所建成了sCO2换热器综合试验测试平台,可进行sCO2印刷电路板换热器性能测试,最高设计压力32 MPa、温度823K。自主研制的高效紧凑式回热器效率高达98%,压降不超过50 kPa。美国桑迪亚国家实验室下辖的美国国家太阳能热利用测试中心在2020年夏天实现多项突破性进展,其中包括首次对粒子接收器和超临界二氧化碳系统之间的热交换器进行测试,以及首次将粒子接收器连接到超临界二氧化碳系统的回路中进行研究。

研究超临界二氧化碳本身的换热特性,开发微通道等新型换热器,提高系统的循环热效率等;对热源和sCO2循环的耦合关注不够。sCO2循环效率高并不代表整个系统效率高。对不同热源驱动的sCO2循环,期待建立能考虑实际气体效应的数学模型和开展相应的实验研究,以期促进新一代太阳能热利用技术的发展。

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