超临界CO2布雷顿循环在500~800℃具有高效率、高密度、循环简单等特点，而这恰好符合塔式太阳能光热发电的工质特性和运行温度。近年来，将超临界CO2 布雷顿循环用于塔式太阳能光热发电的研究也引起了国内外学者的关注。
能源清洁利用国家重点实验室（浙江大学）周昊等对基于超临界 CO2布雷顿再压缩循环的塔式太阳能光热系统相关技术进行了研究，建立了超临界CO2再压缩布雷顿循环模型，对基于超临界CO2再压缩布雷顿循环的塔式太阳能光热系统的吸热器效率、吸热面积、镜场面积、供能比率等参数和指标进行了研究。
作者简介：
周昊：博士，浙江大学教授，博士生导师。国家杰出青年基金获得者，国家新世纪百千万人才工程国家级人选、国务院政府特殊津贴专家，能源清洁利用国家重点实验室副主任，浙江大学-必和必拓铁矿石烧结联合研究中心主任。
一、研究现状
美国Turchi 等研究了涡轮机入口温度、压缩机入口温度等对布雷顿循环效率的影响，验证了布雷顿循环可以用于光热发电。Padilla 等对不同的超临界CO2布雷顿循环设计(简单布雷顿循环，再压缩布雷顿循环，带有再压缩的部分冷却循环和主压缩中间冷却的再压缩循环)进行了详细的能量和㶲分析，分析了涡轮机入口温度和循环设计对热效率和㶲的影响。
Al-Sulaiman 等对与太阳能发电塔相结合的5个超临界CO2布雷顿循环的典型工作日的效率进行了分析比较。Wang 等对熔盐腔式吸热器结合再压缩布雷顿系统的关键参数对系统㶲效率和热效率的影响进行了研究，并比较了不同布雷顿循环系统的特性。Milani 等比较了直接超临界CO2和间接熔盐换热超临界CO2循环的特性。
Alsulaiman 等对功率分别为41.5、60 和90MW 的双重再压缩CO2布雷顿循环联合辅助锅炉进行了性能模拟。陈渝楠等用ASPEN PLUS 软件建立了600MW超临界CO2布雷顿循环结合火力发电系统数学模型，分析了布雷顿循环参数对循环效率的影响。张一帆等用Fortran 语言建立了含分流再压缩和一次再热的超临界CO2布雷顿循环火力发电系统的数学模型。吴毅等建立了以熔融盐为传热介质、再压缩式超临CO2布雷顿循环为动力循环的塔式太阳能集热发电系统的分析模型，并研究了用不同动力循环对整个电站性能的影响。
综上，国外研究主要集中在塔式光热系统结合CO2布雷顿循环发电系统的循环形式优化、效率分析和㶲分析方面。国内在这方面的研究还比较少，主要集中在布雷顿循环结合火力发电的参数分析、不同形式循环的效率分析和间接熔盐换热的超临界布雷顿循环的分析。
目前，国内外的研究都是侧重于循环系统的特性研究，尚未开展关于塔式太阳能光热系统的参数研究。本文首先建立了再压缩布雷顿循环模型，然后研究了再压缩布雷顿循环对光热系统的参数和指标的影响，同时对发电系统典型日的运行参数进行了分析。
二、系统概述
本文采用基于超临界CO2 布雷顿循环的塔式太阳能光热系统，采用定日镜场收集的光能直接加热工质CO2方式，吸热器采用外置式圆柱形吸热器。由于太阳能资源具有不稳定性，所以系统加入了辅助燃料系统来维持系统的运行稳定，同时也能保证系统在夜间的运行。本文的动力循环系统设计采用的超临界CO2再压缩循环，因为它是其他大多数衍生循环设计的基础，具有结构简单效率高的特点。系统的具体布置如图1 所示。
光热系统主要包括外置式吸热器和定日镜场。定日镜场通过追踪太阳位置将阳光收集反射到吸收器上，从而加热吸热器里的CO2工质。当涡轮机入口温度不能满足设计点的温度时，需要投入辅助燃料系统来维持涡轮机入口的温度。
图1 系统示意图
动力循环系统主要包括涡轮机、两级压缩机、两级回热器、预冷器。CO2工质分为两路：一路先经过预冷器预冷，然后进过一级压缩机压缩，再经过低温回热器加热；另一路经过二级压缩机压缩并与经过低温回热器后的第一路汇合。汇合后的CO2工质经过高温回热器加热，然后经过光热系统和助燃料系统加热，最后到涡轮机中膨胀做功。
三、计算模型与基本参数概述
本文定日镜场布置选址甘肃玉门，镜场设计点基本参数见表1。镜场系统采用 solarpilot 软件模拟镜场布置过程，如图 2所示。
表1 镜场设计点基本参数
图2 镜场布置模拟
吸热器采用外置式圆柱形吸热器，吸热器设计的基本参数如表2所示。采用再压缩布雷顿循环作为动力循环，循环的基本参数如表3所示。
表2 吸热器的基本参数
表3 布雷顿循环基本参数
四、计算结果
基于上述模型及系统主要参数，对50MW 超临界CO2 的塔式太阳能光热系统进行了模拟研究，着重研究了涡轮机入口温度对吸热器效率、吸热面积、镜场面积、供能比率等参数的影响。计算结果如图3-15所示。
图3 ASPEN模拟结果与NREL模拟结果对比
图4 冷源损失随着涡轮机入口温度的变化
图5 吸热面积随着涡轮机入口温度的变化
图6 对流损失和辐射损失随着涡轮机入口温度的变化
图7 吸热器效率随着涡轮机入口温度的变化
图8 镜场面积随着涡轮机入口温度的变化
图9 镜场效率随着涡轮机入口温度的变化
图10 总效率随着涡轮机入口温度的变化
图11 典型日系统运行情况
图12 典型日24h光热系统供能比率
图13 典型日逐时吸热器效率
图14 典型日逐时全厂效率分析
图15 典型日白天全厂平均效率
五、论文结论
1、随着涡轮机入口温度的增加，布雷顿循环效率增加，吸热器的效率减小，镜场效率增加，全厂效率呈现先上升再下降，在750℃左右达到最大。
2、随着涡轮机入口温度的升高，吸热器的吸热面积减小，镜场面积也减小。涡轮机入口温度从500℃到800℃，吸热器的吸热面积减小了21.7%，镜场面积减小了22.2%。
3、基于超临界CO2 循环的塔式太阳能光热系统在夏至日光热系统供能比率最高，能到达50%；在冬至日光热系统供能比率最低，只有27.4%；平均供能比率在39.7%左右。
4、典型日的逐时吸热器和全厂效率是先升后降的曲线，比较4 个典型日白天的全厂平均效率，夏至日的效率略高于春分和秋分0.8 个百分点；冬至日的效率低于春分和秋分5.5 个百分点；4 个典型日的平均效率在20.36%左右。
温馨提示
查阅论文原文，请联系Lydia，邮箱：cnste@vip.126.com。
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