力學所在二氧化碳動力循環(huán)研究中獲進展

　　CO₂動力循環(huán)應用熱源范圍廣泛，在工業(yè)余熱能、地熱能、太陽熱能、生物質(zhì)能、核能及常規(guī)化石能源領域，均具有極大的發(fā)展空間。在中高溫熱能發(fā)電領域，優(yōu)勢更加明顯，具有引領發(fā)電領域革命，成為主流和核心發(fā)電技術的潛力。美國Sandia國家實驗室、西南研究院（SwRI）和Lawrence Berkeley國家實驗室等研究機構已將其作為革命性前沿技術積極研究。

　　該循環(huán)工質(zhì)CO₂無毒、不可燃、穩(wěn)定、環(huán)境友好、成本低廉，是廣泛存在于自然界和工業(yè)過程中的自然工質(zhì)。CO₂動力循環(huán)中工質(zhì)常處于超臨界狀態(tài)（超臨界布雷頓循環(huán)中工質(zhì)均處于超臨界狀態(tài)，跨臨界CO₂動力循環(huán)中工質(zhì)吸熱和膨脹初期處于超臨界狀態(tài)），使得CO₂動力循環(huán)具有極高的循環(huán)熱效率和功率密度。美國Sandia國家實驗室指出，超臨界CO₂布雷頓循環(huán)在熱源溫度為538°C時可實現(xiàn)43%的熱效率，在700°C時給出高達50%的熱效率，顯著高于熱力發(fā)電傳統(tǒng)朗肯循環(huán)33%左右的熱效率。高功率密度使得CO₂動力循環(huán)發(fā)電機組尺寸縮減為傳統(tǒng)朗肯循環(huán)發(fā)電機組的幾十甚至百分之一，備受空間、輪船、潛艇等空間狹小場合的青睞。

　　中國科學院力學研究所采用滾動轉(zhuǎn)子膨脹機作為系統(tǒng)膨脹部件，在實驗室實現(xiàn)了CO₂跨臨界動力循環(huán)發(fā)電，并開展了系統(tǒng)循環(huán)實驗研究，相關成果發(fā)表于Energy (Pan L, Li B, Wei X and Li T, Energy, 2016, 95: 247-254)。

　　在較低的運行參數(shù)下，高壓側壓力為11.0MPa、低壓側壓力為4.6MPa、膨脹機進口溫度為80°C，獲得了1.1kW的穩(wěn)定發(fā)電功率和5.0%的循環(huán)熱效率（不考慮工質(zhì)泵耗功）。CO₂動力循環(huán)壓差較大，致使膨脹機內(nèi)部高壓腔和低壓腔間動密封效率較低，易形成較大的內(nèi)部泄漏，膨脹機效率普遍不高，該實驗中膨脹機等熵效率達到21.4%。滾動轉(zhuǎn)子膨脹機存在啟動死點，并且啟動瞬間發(fā)電功率極大，然后迅速下降，存在一個較大波動，最終達到穩(wěn)定運行。系統(tǒng)發(fā)電功率受工質(zhì)泵轉(zhuǎn)速影響較大，隨工質(zhì)泵轉(zhuǎn)速的升高而增大。當工質(zhì)泵轉(zhuǎn)速保持恒定時，發(fā)電電流隨負載電阻的升高而降低，而發(fā)電電壓變化很小，造成發(fā)電功率與負載電阻呈負相關關系。

　　上述研究工作獲得中科院重大科研裝備研制項目“純低溫余熱CO₂工質(zhì)發(fā)電實驗平臺研制”的支持。

圖1. CO₂跨臨界動力循環(huán)實驗平臺

圖2. 實驗過程中發(fā)電功率變化規(guī)律