2012年，美国国家可再生能源实验室（NREL）获得美国能源部SunShot计划800万美元资助，进行采用超临界CO₂作为工作介质的多元兆瓦级发电循环研发。其负责人Craig Turchi表示，经过此前的一系列研究，认为超临界CO₂作为工质的太阳能热发电系统在高达600-700℃的温度范围内运行都可以有良好表现。超临界CO₂发电可以在500℃以上，20MPa的大气压下实现高效率的热能利用，效率可以达到45%左右，具有提高整体发电量的巨大潜力。
在我国，北京大学工学院张信荣教授课题组自2003年开始从事超临界CO₂中低温（200℃-500℃）朗肯发电热力学循环研究；自2015年起，开始研究超临界CO₂高温（600℃以上）布雷顿发电热力学循环。以下就北京大学工学院孙家琦研究生的报告进行分享。
一、 CO₂太阳能热力学循环建立与应用
北京大学工学院在超临界CO₂流体动力学与传热稳定性做了大量的工作，包括临界区域的流动稳定性，传热多峰现象，热松弛与临界不稳定性，临界边界热机械效应等， 构建了超/近临界CO₂太阳能集热器及发电机组。这一突破性成果得到美国、西班牙、挪威等多国研究者的高度评价与引用。
图：超/近临界CO₂流体动力学与传热研究
图：超临界CO₂热机械效应及其稳定性
图：超临界CO₂集热器及发电机组设计
课题组还在构建实验机组的基础上，对循环热效率进行了实验上的实测，为进一步的工业运用积累了大量的经验数据。
图：太阳能超临界CO₂发电机组性能测试成果
图：多种超临界CO₂发电热力学循环结构设计
图：太阳能超临界CO₂发电采暖联供技术对比
2003年，课题组设计搭建了一个10kW利用太阳能的超临界二氧化碳发电样机；同时通过实验与理论摸索，提出了多种基于太阳能的新型循环结构，比如布雷顿循环和朗肯耦合发电的结构；并且针对不同热源温度为布雷顿循环和朗肯提供不同发热温度。如，热源温度是500℃，布雷顿循环是比较合适的，供热温度能够达到200℃，因为考虑到是热电联产，就没有采用再压缩结构来提高了供热的温度。
二、CO₂跨临界热泵
CO₂热泵在低品质热利用上有了广泛的应用。使用传统工质的热泵存在环境问题（含氟、含氯工质）、能源问题（能效比低）及功能问题（出水温度低等），近年来，北京大学工学院从理论到实验，从实验到样机，最终成功研制出系列产品，而且能够保证商用的一致性。
图：北大工学院张信荣团队研制的CO₂热泵样机
比如，课题组正在开展的传统燃煤电场的废热回收项目，预期每年能够减排12万吨，针对各种不同规模，不同用途的需求都有成熟的方案，CO₂在日本有广泛的商业应用，包括民用、工业领域，环境友好特性得到了认可，在国际上正处在快速市场化推广阶段。2014年完成了兆瓦级样机的中试，并成功运用于大型工业项目。
总结发现，兆瓦级CO₂商用热泵技术具备如下优势：
1、市场前景广阔
1）采用常规制冷剂的兆瓦级热泵空调机组面临着淘汰和替换；
2）兆瓦级跨临界CO₂热泵机组在国际上正处在快速市场化推广阶段，只有日本全面掌握其工艺，在日本已开始应用于民用、工业和能源资源领域。
2、市场竞争力高
1）大型城市（如北京）有许多大型办公楼、商场和企业厂房，属建筑耗能大户，需降低耗能降，降低运行成本；
2）如果北京10%的大型建筑采用兆瓦级CO₂热泵机组进行制冷和供暖，每年节约电费超过39亿元，减排氟利昂量超20000吨；建筑物能耗降低约25%。
3）应用领域广泛：可广泛应用于民用、工业、农林水产等领域。
民用：超市、商场、酒店、影剧院、学校、办公楼、医院、地铁等；
工业：电力、制药、废水处理、纺织、橡胶、冶金、玻璃等行业；
农林水产：种子加工、水产品加工、木材加工、牛奶加工、啤酒行业等。
图：CO₂自然循环热回收机组
三、高温混合工质发电循环分析
超临界CO₂在中低温热源研究中有出众的表现，作为天然环保的工质在高温区同样有广阔的应用前景。北京大学张信荣教授课题组做的工作是，通过建立CO₂跨临界布雷顿循环系统，衡量900k到1300k的热循环效率，理论临界点会发生变化。
针对跨临界循环选择适当的比例，合适种类的工质，是否可提高其循环热效率，只是现在还没有定论。本次报告主要探究降低临界点，相同程度时，不同混合工质的种类对于循环效率的影响是否有差异。
图：高温超临界CO₂及其混合工质发电循环
由于主要探究不同混合工质的差异，为降低临界点的温度，选取了CO、N2作为混合工质。左边是两种循环热效率分析，右边是损失的分布图，朗肯循环因其出口温度较低，冷却阶段平均温度更低，冷却因损失更小。
图：CO₂二元混合物理论临界点随混合比变化（介质：从至右依次为：Xe、CO、N2）
图：高温CO₂朗肯与布雷顿循环对比
总体而言，布雷顿循环在高温热源情况下，CO₂其实是更有优势的。所以，采用布雷顿循环与第四代作对比，压缩机出口定为40MP的情况下，在相同工况下，CO₂在高温段的发热效率比较平稳，而且是优于He。
图：各应用类型参数对比（来源：CO₂ Power Cycle Technology Road mapping Workshop, February 2013, SWRI San Antonio, TX)
而混合工质临界点降低至293.15k，压缩机入口压力为临界压力入口温度为临界点下10k的工况时理论效率对比。比较推荐使用氮气的混合工质。
图：聚光蒸汽动力解决方案
图：聚光热电结构
目前的聚光太阳能热发电项目一般采用蒸汽动力机组，其效率相对较低。在不改变太阳能热发电系统架构的前提下，CO₂作为极具潜力的工质，其工业运用有极高的价值，在不同热源温度下呈现出更高的效率。
附：张信荣教授简介
北京大学新型能源系统研究中心主任、北京市城市热管理工程技术研究中心主任、北京能源学会会长。国家太阳能光热产业技术创新战略联盟专家委员会委员。
是多项天然工质CO₂发电、制冷和制热热力学循环的创始人，天然工质热力学循环及其传热传质领域著名的研究者。在包括超/近临界流体动力学及传热、微纳米粒子相变传热、新型功能型流体材料等领域都有开创性研究成果。近年来技术研究开发主要集中在可再生式热能源的生产、传输、储存、转换和利用；建筑、工业过程中的冷热能高效利用等。
在国际期刊发表论文180余篇，授权和申请专利60余项。担任International Journal of Energy Research, International Journal of Global Warming等四个国际期刊编委。获得北京市科技新星、Elsevier能源领域中国高被引学者等多个荣誉称号。
