研究背景

塔式光热发电技术被认为是一种前景良好的大规模太阳能发电技术，近年来实现了快速发展和商业化。然而，现有商用熔盐塔式系统的最高运行温度仅在565°C左右，循环效率仅为38-44%，年光电效率小于20%，尚处在较低的水平。为了进一步提升光电转换效率，近年来学者们提出了一种以液态锡为传热流体的超高温塔式技术，该技术将吸热器出口温度和透平入口温度分别提升到了1350°C和1300°C左右，从而有望将循环效率提升到60%以上。然而，在超高温条件下，一方面，蒸汽、二氧化碳等工质都会与结构材料发生反应，导致蒸汽朗肯循环和SCO2布雷顿循环都不再适用；另一方面，以氦气（He）为工质的布雷顿循环在超高温下展现出更高的循环效率与安全性。然而，传统He布雷顿循环的动力循环吸热温差较小，导致循环与蓄热系统的耦合能力较低，从而会降低电站储热能力。鉴于此，为了实现动力循环与超高温塔式系统的高效耦合，亟需发展高效率、高吸热温差的新型动力循环。

研究内容

针对上述问题，中南大学李庆教授、研究生额尔奇、邱羽副教授、研究生王济康和张元婷以He布雷顿循环作为顶循环，以SCO2布雷顿循环为底循环，提出了4种新型He-SCO2梯级布雷顿循环（参见图1-4）并建立了其热力学模型。在此基础上，以循环热效率与吸热工质吸热温差为性能指标及优化目标，对He循环的高压、中压与SCO2循环的高压、低压、分流比、压力比之比等参数的影响进行了分析及双目标优化（参见图5-15）。优化结果表明，在1300℃的透平入口温度下，新型He-SCO2梯级循环比传统He布雷顿循环的性能更加优越（参见图12-15）。具体性能分析表明，新型He-SCO2梯级循环最高可达到64.72%的热效率或最高1014.7℃的吸热温差（参见表1）；在合理权衡热效率和吸热温差的影响之后，新型循环可同时达到超过60%的热效率与超过900℃的吸热温差（参见表1）。上述优良的综合性能可归因于基于双目标优化之后的新型He-SCO2梯级循环实现了能量的高效梯级利用。该工作可为超高温塔式系统动力循环的设计和开发提供参考。相关工作以“Conceptual design of novel He-SCO2 Brayton cycles for ultra-high-temperature concentrating solar power”为题发表在国际期刊《Energy Conversion and Management》（IF= 9.709）上。

主要数据

图1. He-SCO2梯级循环1 (a) 布局 (b) 温熵图

图2. He-SCO2梯级循环2 (a) 布局 (b) 温熵图

图3. He-SCO2梯级循环3 (a) 布局 (b) 温熵图

图4. He-SCO2梯级循环4 (a) 布局 (b) 温熵图

图5. He循环高压对梯级循环(a)热效率与(b)吸热温差的影响

图6. He循环中压对梯级循环热效率与吸热温差的影响

图7. He循环中压对梯级循环净功率与吸热量的影响

图8. SCO2循环高压对梯级循环(a)热效率与(b)吸热温差的影响

图9. SCO2循环低压对梯级循环(a)热效率与(b)吸热温差的影响

图10. SCO2循环分流比对梯级循环(a)热效率与(b)吸热温差的影响

图11. SCO2循环压力比之比对梯级循环热效率与吸热温差的影响

图12. He循环与He-SCO2梯级循环的帕累托最优前沿

图13. He循环与He-SCO2梯级循环1与2对比

图14. He循环与He-SCO2梯级循环3与4对比

图15. 4个He-SCO2梯级循环的帕累托最优前沿及最优点

表1. He-SCO2梯级循环的帕累托最优前沿中的几个典型最优点

论文信息

Qing Li, Erqi E, Yu Qiu, Jikang Wang, Yuanting Zhang. Conceptual design of novel He-SCO2 Brayton cycles for ultra-high-temperature concentrating solar power[J]. Energy Conversion and Management, 2022: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115618.