上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司 ■ 鄭開云

0 引言

太陽能熱發(fā)電的主流技術路線包括塔式、槽式、菲涅爾式、碟式等。將熱能轉換為電能的方式包括采用動力機械的熱力發(fā)電技術和無運動部件的直接熱電轉換技術，前者主要用于大功率的發(fā)電裝置，如汽輪機組；后者主要用于小功率的發(fā)電裝置，如溫差發(fā)電裝置。隨著新型熱能發(fā)電技術不斷被開發(fā)，這一領域的創(chuàng)新空間也不斷得到拓展。

近年來，新型的超臨界CO2循環(huán)成為研究熱點，理論和試驗均證實了這一循環(huán)的熱效率高，并且系統(tǒng)緊湊、動力機械體積小、制造成本較低[1]。在太陽能熱發(fā)電領域，超臨界CO2循環(huán)是第3代聚光太陽能熱發(fā)電動力循環(huán)的可選技術路線之一。國際上，美國能源部于2011年啟動了“Sunshot計劃”，其中，針對塔式聚光太陽能熱發(fā)電的一項任務是開發(fā)高參數的超臨界CO2循環(huán)，要求透平入口溫度達到700 ℃以上，空冷條件下循環(huán)效率達到50%。有關研究機構正在通過STEP項目建造10 MWe超臨界CO2循環(huán)試驗裝置，用于驗證上述參數目標[2]。超臨界CO2循環(huán)也是我國太陽能熱發(fā)電行業(yè)高度關注的前沿技術之一，“超臨界CO2太陽能熱發(fā)電技術”是2018年第20屆中國科協(xié)年會發(fā)布的《能源動力領域十項重大工程技術難題》之一。2019年初，國家重點研發(fā)計劃“可再生能源與氫能技術”重點專項之“超臨界CO2太陽能熱發(fā)電關鍵基礎問題研究”項目立項。同時，在商業(yè)化應用方面，北京首航艾啟威節(jié)能技術股份有限公司與法國電力集團(Electricite De France)合作，于2018年啟動了“超臨界CO2循環(huán)光熱發(fā)電技術研發(fā)項目”，共同開發(fā)高效率的太陽能熱發(fā)電技術，以降低太陽能熱發(fā)電成本。

超臨界CO2循環(huán)中的工質在高溫高壓參數下運行，根據高溫材料的許用條件，目前其最高溫度可達到700 ℃的等級。受此限制，超臨界CO2循環(huán)效率提升空間不大。與此同時，新型的直接熱電轉換技術——堿金屬熱電轉換器(AMTEC)也得到了發(fā)展。AMTEC是以β′′氧化鋁固體電解質(BASE)為選擇性滲透膜，以液態(tài)或氣態(tài)堿金屬(如鈉)為循環(huán)工質的高效面積型熱能與電能直接轉換裝置，工質在常壓附近運行，適用于溫度為600～1000 ℃的熱源[3-4]，可作為太陽能熱發(fā)電的熱電轉換裝置[5]。AMTEC無運動部件、無噪聲、無需維護，但其冷凝器釋放的熱量品位高，效率損失較大，最好增加底循環(huán)，回收余熱來發(fā)電，而超臨界CO2循環(huán)恰好是其理想的底循環(huán)。

本文以太陽能熱為高溫熱源，將AMTEC配合超臨界CO2循環(huán)組成新型高效太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，并對集成方案和系統(tǒng)的光電轉換效率進行了初步研究。

1 AMTEC的工作原理及特點

AMTEC的工作原理如圖1所示。整個裝置封裝于充有工質(通常為堿金屬鈉)的容器內，由循環(huán)泵和BASE膜將其分為高溫高壓區(qū)和低溫低壓區(qū)[3-4]。裝置運行過程中，通過工質的循環(huán)流動不斷將熱能轉換為電能。從高溫高壓區(qū)開始，外部輸入的熱量加熱液態(tài)鈉至高溫(圖1所示為高溫液態(tài)鈉)，也可加熱至氣化，溫度范圍為600～1000 ℃；然后，鈉以[Na+]離子(Na0→[Na+]+e)的形態(tài)在BASE膜兩側的壓差驅動下遷移，同時電子從負極離開，經過負載，到達正極，[Na+]離子穿過BASE膜后，在多孔電極/BASE膜界面與電子重新復合成中性鈉原子；接著，鈉以蒸汽的形式經過低溫低壓區(qū)氣相空間到達冷凝器，溫度范圍為150～500 ℃，向外部釋放凝結熱；最后，冷凝后的液態(tài)鈉經循環(huán)泵返回到高溫高壓區(qū)，從而完成循環(huán)。從熱力循環(huán)的角度來說，BASE膜及其界面中發(fā)生的過程相當于從高壓到低壓的等溫膨脹過程，但是不需要類似于膨脹機的運動機械，而是直接將熱能轉換為電能。

AMTEC具有以下幾方面優(yōu)點：

1)效率高。理論上其熱電轉換效率可達40%。

2)功率密度高。功率密度可達500 W/kg以上。

3)無運動部件。若使用電磁泵或吸液芯，則裝置運行不需要運動機械，裝置運行中僅有的運動只是工質的循環(huán)流動。

4)工程化條件佳。裝置中的溫度和壓力均在常規(guī)可獲得工程材料的許用范圍內，所涉及的關鍵技術可利用成熟的β′′氧化鋁陶瓷制備技術和液態(tài)/氣態(tài)堿金屬處理技術。

5)適用熱源多。其可與核能、化石能、太陽能等結合，既可做成小型、可移動電源，也可以多模塊組合成中、大型發(fā)電廠。

6)余熱輸出品位高。可進一步采用其他手段發(fā)電，從而提高熱電轉換效率。

圖1 AMTEC的工作原理示意圖

2 AMTEC與超臨界CO2循環(huán)集成方案

根據上文所述的AMTEC獨特的構造和運行條件，其十分適用于太陽能熱發(fā)電，如塔式和碟式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，兩者均可實現1000℃以上的運行溫度[5]。但相比于現有的太陽能熱發(fā)電或光伏發(fā)電系統(tǒng)，單獨采用AMTEC的太陽能發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電效率上無明顯優(yōu)勢。顯然，給AMTEC配置余熱發(fā)電裝置可提高其發(fā)電效率。針對AMTEC的余熱品位，可選用的余熱發(fā)電方式有蒸汽朗肯循環(huán)、有機工質朗肯循環(huán)、超臨界CO2循環(huán)、塞貝克效率溫差電轉換裝置等。本文以超臨界CO2循環(huán)作為余熱發(fā)電方式。

相比于其他方式，超臨界CO2循環(huán)的優(yōu)勢主要有：1)適用的熱源溫度范圍大，冷端可空冷，循環(huán)效率較高；2)系統(tǒng)簡單，結構緊湊，響應速度快；3)在較大的發(fā)電功率跨度(百kW級至百MW級)均可保持較高效率，與AMTEC既可組成小型發(fā)電裝置，也可組成中、大型發(fā)電裝置；4) CO2工質與金屬鈉幾乎不反應，可避免類似于“鈉水反應”的安全隱患。

目前，太陽能熱發(fā)電、核電、火電等各個發(fā)電領域均在密集開展超臨界CO2循環(huán)技術的研發(fā)工作，并已開始對關鍵設備和系統(tǒng)進行試驗驗證，有望在近幾年內實現商業(yè)化[6]。因此，AMTEC與超臨界CO2循環(huán)集成的技術風險小，工程化前景好。

AMTEC與超臨界CO2循環(huán)集成的一種簡單方案是直接將AMTEC的余熱供給超臨界CO2循環(huán)的主加熱器，即以AMTEC為頂循環(huán)，超臨界CO2循環(huán)為底循環(huán)。但此時超臨界CO2循環(huán)的運行溫度較低，熱效率不夠高。所以，本文采取的方案是將AMTEC的余熱供給超臨界CO2循環(huán)的低溫段，同時還向其高溫段輸入太陽能熱，使循環(huán)在更高的溫度參數下工作，產生更高的熱效率[7]。本文采取的AMTEC與超臨界CO2循環(huán)集成方案如圖2所示。

圖2 AMTEC與超臨界CO2循環(huán)集成方案示意圖

在上述方案中，AMTEC的運行過程為：太陽光聚焦到太陽能接收器內，加熱AMTEC中的鈉至高溫飽和氣態(tài)；然后高溫飽和氣態(tài)鈉進入中間換熱器將熱量傳遞給超臨界CO2循環(huán)中的CO2工質，并有一部分轉變?yōu)轱柡鸵簯B(tài)，再進入AMTEC模塊組(串聯(lián)或并聯(lián))；飽和態(tài)的鈉經BASE后產生電能，然后氣態(tài)鈉經冷凝器冷凝，將凝結熱釋放給另一側的CO2，同時氣態(tài)鈉轉變?yōu)橐簯B(tài)，液態(tài)鈉由鈉泵增壓并傳輸回太陽能接收器。

超臨界CO2循環(huán)的運行過程為：壓縮機將CO2工質壓縮至高壓；在壓縮機出口，CO2工質分為2路，一路進入回熱器，另一路再分為并聯(lián)的多路，分別進入各AMTEC模塊中的冷凝器，吸收鈉的凝結熱，再從各冷凝器出來合并匯入回熱器；回熱器出來的CO2工質一并進入中間換熱器，經高溫液態(tài)鈉加熱后CO2工質升溫；再進入透平膨脹做功，推動發(fā)電機產生電能；透平排氣進入回熱器將部分熱量傳遞給壓縮機出口的一路CO2工質，再經預冷器冷卻，然后返回到壓縮機。

在此集成方案中，鈉既是AMTEC的工質，也是超臨界CO2循環(huán)從外界獲取熱量的傳熱介質，來自液態(tài)金屬鈉冷卻快中子反應堆的經驗可為本文的系統(tǒng)提供重要參考[8]。鈉在整個回路中的最高壓力與大氣壓接近，對太陽能接收器材料強度要求不高，中間換熱器僅需要考慮CO2側壓力邊界的承壓設計即可。

3 系統(tǒng)效率初步分析

系統(tǒng)總的光電轉換效率η0為光熱轉換效率η1與熱電轉換效率η2的乘積，可表示為：

本文假設采用塔式聚光熱發(fā)電系統(tǒng)，其光熱轉換效率η1近似取60%。熱電轉換效率η2為AMTEC的熱電轉換效率η2-AMTEC與超臨界CO2循環(huán)效率η2-CO2的耦合。對于AMTEC，假設高溫端為927 ℃(1200 K)、低溫端為227 ℃(500 K)，η2-AMTEC為35%[4]，余熱全部經冷凝器釋放給超臨界CO2循環(huán)。對于超臨界CO2循環(huán)，根據相關文獻選取循環(huán)系統(tǒng)的參數[9]，具體如表1所示。

表1 超臨界CO2循環(huán)參數

根據表1可逐一求出超臨界CO2循環(huán)回路各個設備進口和出口的平衡熱力學狀態(tài)參數的值[9]，并求得中間換熱器熱功率HIHX和AMTEC冷凝器熱功率HCON，然后可求得超臨界CO2循環(huán)效率η2-CO2。其公式為：

式中，PCO2為超臨界CO2循環(huán)的輸出功率，本文給定為100 MW。

作為簡化，將AMTEC與超臨界CO2循環(huán)集成系統(tǒng)的所有能量損失(如壓損、散熱、機械損失、電能轉換損失等)及鈉泵和輔助設備用電歸并為10%的總輸出功率損失?？傒敵龉β士鄢藫p失后即為凈發(fā)電功率，可表示為：

式中，P0為凈發(fā)電功率；P1為總輸出功率。

總輸出功率P1可表示為：

式中，PAMTEC為AMTEC輸出功率，可用式(5)求得。

太陽能接收器的熱功率HREC可表示為：

太陽能熱功率HSOL可表示為：

熱電轉換效率η2可表示為：

將上述分析計算結果列于表2，其中，分流比為進入AMTEC冷凝器的工質流量比例。

表2 系統(tǒng)效率分析結果

超臨界CO2循環(huán)效率η2-CO2為39.35%，再扣除各類損失后，降至約35%，其優(yōu)勢并不顯著。AMTEC的熱電轉換效率η2-AMTEC也為35%，扣除各類損失后，降至約32%。盡管這2種發(fā)電方式單獨的效率均不突出，但是兩者集成后，系統(tǒng)的熱電轉換效率η2可達到42.43%，顯著高于獨立發(fā)電。這樣，整個系統(tǒng)總的光電轉換效率η0可達到25.46%，相比現有的塔式聚光熱發(fā)電系統(tǒng)，該集成方案具有一定的競爭優(yōu)勢。進一步將超臨界CO2循環(huán)的透平進氣溫度提高至700 ℃以上，則系統(tǒng)的熱電轉換效率η2可達到50%，總的光電轉換效率η0可達到30%。

由于太陽能具有間歇性，因此需要采用儲熱的辦法解決。AMTEC的運行溫度太高，相應的儲熱難度大、成本高，但是超臨界CO2循環(huán)的運行溫度相對較低，可以采用高溫熔鹽、相變材料、熱化學等儲熱技術實現其連續(xù)運行。因此，在太陽光不足時，儲熱提供給超臨界CO2循環(huán)運行所需的熱量，而AMTEC可以暫停運行或降參數運行，不過，此時系統(tǒng)效率和出力都會有所減小。

4 結語

AMTEC和超臨界CO2循環(huán)集成可作為一種新型的太陽能熱發(fā)電裝置，其系統(tǒng)簡單、緊湊，并具有較高的光電轉換效率。AMTEC無運動部件、無噪聲、無需維護，并且在技術上具備工程化條件，超臨界CO2循環(huán)也是正處于逐步實現商業(yè)化的進程中，集成二者的優(yōu)點可產生良好的疊加效應，為太陽能熱發(fā)電提供了新的探索方向。