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二氧化碳還能發電?我國發電技術取得重大突破,不用“燒開水”!

此前,我國科學家不通過植物的光合作用,而是把二氧化碳通過一系列的化學反應,合成出澱粉。這一次,我國科學家在二氧化碳應用方面又有了重大突破!二氧化碳還能被用來發電,我國第一座大型二氧化碳循環發電機組成功投運。

在地球大氣中,二氧化碳的含量位列第五,占比約為0.0413%。由于人類活動導緻大氣中的二氧化碳濃度快速升高,加劇了溫室效應,如果能充分利用二氧化碳,無疑是一件重大利好的事情。

但話又說回來,二氧化碳基本上都被視為一種廢氣,它們究竟是如何被用于發電的呢?二氧化碳發電的未來前景有多廣闊呢?由此能否解決全球變暖的問題呢?

目前,我國電力的主要來源是火力發電,其占比約為70%。無論是火電的煤炭燃燒,還是核電的核裂變反應,這些過程産生的巨大能量都無法直接轉變為電能,最終都繞不開“燒開水”。

火力或核能産生的能量被用于加熱水,形成高溫高壓的水蒸氣。這些水蒸氣就像水電站的水能一樣推動蒸汽輪機轉動,然後再帶動發電機轉動,從而産生電能。完成這一過程後,水蒸氣會進入冷凝器中冷卻為液态水,然後再次進入循環發電過程。這種循環被稱為朗肯循環,水是工質。

水經過加熱變成蒸汽,然後膨脹做功,消耗了有能用,熵增加。因此,需要把水從氣态冷卻為液态,讓其熵值變小,再經過加熱,使其獲得有用能,才能再次膨脹做功,推動發電機發電。這個過程的熱效率并不高。

而我國華能西安熱工院自主建成的二氧化碳循環發電機組,發電循環過程中的工質是二氧化碳。但這種二氧化碳比較特别,處于超臨界狀态,它們展示出的優異性能,讓這種新型的動力循環變得非常有前景。那麼,超臨界狀态的二氧化碳究竟有什麼特别之處呢?

在常溫常壓下,二氧化碳是一種氣态。如果保持壓力不變,給二氧化碳降溫到一定程度,它們将會轉變為液态。如果保持溫度不變,給二氧化碳加壓到一定程度,它們也會轉變為液态。

通過控制二氧化碳的溫度和壓力,使這兩個參數同時達到某一臨界值,二氧化碳将會處于一種特殊的超臨界狀态,既不是液态,也不是氣态,但又同時具有液态和氣态時的性質。

具體而言,當溫度為31 ℃,氣壓為72.8個地表大氣壓之時,二氧化碳就會變成超臨界流體。此時,二氧化碳可以像液體那樣流動,但又能像氣體一樣能被壓縮,放到容器中也能像氣體一樣膨脹充滿整個容器。

在華能西安熱工院自主研發的二氧化碳循環發電機組中,收集到的二氧化碳溫度最高被加熱到600 ℃,壓力最高被加壓到197個大氣壓。在這種條件下,用超臨界二氧化碳作為工質,來推動汽輪機帶動發電機發電。

與水相比,用超臨界二氧化碳作為工質來發電可以提高發電效率3%至5%。二氧化碳機組的體積也要小得多,相同的裝機容量,體積隻有傳統蒸汽機組的4%。此外,這種新技術還能讓火力發電廠有效減少二氧化碳排放量達10%,這無疑有助于節能減碳,放緩全球變暖的步伐。

此次,二氧化碳循環發電機組在滿負荷下成功試運行72小時後,正式投運,機組發電功率為5 MW,該機組容量目前在全世界同類型中位列第一,這讓我們在這項前沿技術研究處于世界領先水平。

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