点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘
首页> 光明科普> 视频 > 正文

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

来源:光明网2025-04-28 09:55

  能源革命浪潮下,清洁发电技术的突破是推动“双碳”目标实现的关键引擎。

  二氧化碳作为导致温室效应增强的主要因素之一,如今却成为了一种变革性发电技术——超临界二氧化碳发电技术的关键载体。

  经过多年的技术攻关与示范应用,由中国核动力研究设计院打造的“超碳一号”即将并网发电。光明网特邀中国核动力院“超碳一号”总设计师黄彦平,从原理到应用,全面解读超临界二氧化碳发电技术。

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

  光明网:用二氧化碳发电,这背后究竟是什么原理?

  黄彦平:传统的蒸汽发电技术是将水通过热源(煤/天然气/油等)加热转化为蒸汽,推动汽轮机转动,带动发电机产生电能,这已应用140余年。

  超临界二氧化碳发电,是用处于超临界态的二氧化碳,从热源里面吸热,再推动膨胀机或者叫气体透平来发电。它的循环过程是:首先,超临界二氧化碳经过压气机升压;然后,利用换热器将工质等压加热;其次,工质进入膨胀机做功,带动发电机发电;最后,工质进入冷却器,恢复到初始状态,再进入压气机形成闭式循环。

  之所以二氧化碳能成为发电领域的“超级工质”,是因为当二氧化碳被加压至7.38兆帕、加热至31℃时,会进入超越气态和液态物质特性的“超临界态”,兼具高密度和低粘度的双重优势。整个过程中,二氧化碳都处于超临界态,没有相变,做功能力强。

  光明网:超临界二氧化碳发电,安全吗?

  黄彦平:二氧化碳的临界压力是7.38兆帕,也就是73.8个大气压。目前我们研制的“超碳一号”示范机组最高工作压力为23兆帕。而水工质的临界压力在22兆帕左右,超超临界水蒸气机组的工作压力不低于31兆帕。所以,超临界二氧化碳发电机组现在最高的工作压力都比超超临界蒸汽动力机组压力要低。相对于310个大气压的工作系统,230个大气压的工作系统安全性是更高的。

  光明网:超临界二氧化碳发电技术为什么能成为一种变革性发电技术?

  黄彦平:超临界的工质特点和构型特点,使得超临界二氧化碳发电技术在工程上有以下优势:一是高效率。中高温下效率高于传统水蒸气朗肯循环。

  二是超紧凑。得益于该技术所利用的二氧化碳的独特物质特性,机组体积小、重量轻,使得其循环发电装置能够拥有更高的能量密度,这对建设来说也是降低成本的一个方面。这种优势也进一步减少了设备数量。

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

  像我们研发的“超碳一号”系统主要设备是一个压气机,一个膨胀机,一个冷却器,一个回热器,还有一个换热器,简称“两机三器一系统”。

  三是快响应。超碳发电系统简单,能快速启停和负荷跟踪,适宜间歇式热源。

  光明网:“超碳一号”在研制的过程中遇到了哪些难题?

  黄彦平:超临界二氧化碳有优势,也有短板。最大的一个短板是它的表面换热能力很差,只有水的三分之一左右。所以,我们碰到的第一个难点就是要研制高比表面积的换热器。这种设备除了要增加比表面积,还要让它的承压能力、耐腐蚀性都要好,这需要毫米级薄板的高强度焊接。我们试遍了传统方法,都无法实现。

  非常幸运的是,上个世纪八九十年代,出现了一种真空扩散焊工艺。我们将这项技术用在了超临界二氧化碳换热器的研发上。为此,专门研制了系列化工业母机——大尺寸扩散焊机等设备,实现了超临界二氧化碳换热设备全国产、型谱化研制,而且可以拓展至百兆瓦级,彻底攻克了高效紧凑换热设备的工程级研制难题。

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

  第一代(左)/第二代(右)兆瓦级超临界二氧化碳发电技术实验装置

  还有一个难点就是控制。超临界二氧化碳有响应快的优势,引入一个热量,可以快速升压,但要做到既能响应快又能可控,这就很难。我们研制并测试验证了面向多应用场景、具备多功能、多型式的型谱化样机,这些都是首次研制。

  2023年,我们联合济钢国际在首钢水钢现场建设了2套15兆瓦超临界二氧化碳余热发电机组。项目中,这项技术的优势展露无遗,场地需求及用水需求降低50%,发电效率提升42.7%,年发电量提升84%。

【大国重器零距离】二氧化碳如何变身“发电高手”?“超碳一号”总师揭秘

  可以说,经过十余年的攻关,我国的超临界二氧化碳发电技术产学研体系基本建立,全国产化产业链条基本成型,具备了全面工程应用条件。

  光明网:接下来,还有哪些计划?

  黄彦平:我们现在已经掌握的超临界二氧化碳技术,基本上可以做到从两百千瓦到一百兆瓦这个功率等级。接下来,我们要对不同的应用场景、不同的功率等级规模,进行工程应用的探索,也就是示范。示范成功后,我们就会做标准化设计。这些对降低成本、提高运维能力和水平都是至关重要的。

  作为一项颠覆性技术,不仅仅是一个科学原理上的颠覆,在产业上也要能够带来颠覆性的收益,那才称得上颠覆性技术。

 

记 者

宋雅娟 肖春芳

剪 辑

李怡霏(实习)

[ 责编:田新宇 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 福建宁德:海上田园冬耕忙

  • “雪龙”号在阿蒙森海开展大洋考察作业

独家策划

推荐阅读
我国结核病防治虽成效显著,疫情持续下降,但当前形势依然严峻,防治工作任重道远。作为一名从业30多年的结核科医生,我一直专注于结核病的临床诊治与防控,从未想过自己会与结核病防治历史结缘——直到十余年前。
2026-01-23 10:13
每到冬天,许多人都会感到手脚冰凉,即使穿得很厚,也难以真正暖和起来。为什么会有这种现象?该如何有效改善?
2026-01-23 10:06
“设立教育基金是我多年的心愿,希望为学校年轻人的培养作一点贡献。”
2026-01-23 10:01
1月22日,中科宇航将微重力金属增材制造返回式科学实验载荷交付于中国科学院力学研究所。这台由力学所自主研制的载荷,搭载于中科宇航力鸿一号遥一飞行器,于1月12日成功开展我国首次太空金属增材制造(即“3D打印”)实验。据悉,这是我国首次基于火箭平台实施太空金属增材制造返回式科学实验。
2026-01-23 09:48
团队所制备的“纤维芯片”中,电子元件(如晶体管)集成密度达10万个/厘米,通过晶体管高效互连,可实现数字、模拟电路运算等功能。而在虚拟现实领域,基于“纤维芯片”所构建的智能触觉手套适用于远程手术组织硬度感知、虚拟道具交互等场景,有望极大提升用户与虚拟环境的交互体验。
2026-01-23 09:48
扎实推进科普智库各项建设工作,为实现2035年“终结结核病流行”目标注入强劲的思想动力与坚实的行动支撑。
2026-01-22 18:44
国家能源局21日发布的数据显示,截至2025年12月底,我国电动汽车充电设施数量达2009.2万个,突破2000万大关。方案提出,到2027年底,将在全国范围内建成2800万个充电设施,提供超3亿千瓦的公共充电容量,满足超过8000万辆电动汽车充电需求,实现充电服务能力的翻倍增长。
2026-01-22 09:31
正因如此,团队创新性转向了模拟计算这一新兴赛道,成功研制出基于阻变存储器的非负矩阵分解模拟计算求解器。“这项工作为非负矩阵分解这类约束优化问题的实时求解开辟了新路径,展现了模拟计算处理现实复杂数据的巨大潜力。
2026-01-22 09:28
对于成千上万的心脏病患者来说,植入心脏起搏器是维持生命节律的重要方式。该起搏器设计极度微型化,生物相容性优异,可通过微创导管经股静脉植入心脏内部,大大降低了手术创伤。
2026-01-22 09:27
这是一种生物分子磁敏感荧光蛋白(MFP),能与磁场和无线电波相互作用,其特性正源于蛋白质内部的量子力学效应。研究团队首先开发出一种原型成像仪器,能够利用类似磁共振成像(MRI)的原理,对经过人工改造的蛋白质进行体内定位。
2026-01-22 09:44
20日,海南省脑空间信息学与脑机接口技术创新中心揭牌。据了解,海南大学近年来在全脑成像技术研发、脑图谱绘制等领域取得多项重大突破,并成功研发了高通量低功耗采集及刺激芯片、高自由度神经刺激芯片等多款脑机接口专用芯片,还构建了神经系统疾病灵长类动物模型研发技术体系,为脑科学基础与转化研究、脑机接口技术发展提供了技术支撑。
2026-01-22 09:30
光明日报北京1月21日电 记者王美莹、通讯员丁艳青从中国地震局获悉,近日,我国地震行业首个国家级与省级联动的网络安全管理平台正式建成并投入使用。目前,该平台已投入业务运行,显著提升了全国地震行业网络安全的整体防护水平,为业务平稳运行提供了坚实保障。
2026-01-22 09:29
随着中国第42次南极考察队队员陈龙耀从东南极西福尔丘陵地区裸露的岩壁敲下第一块岩石样本,中山站度夏地质考察工作正式启动。
2026-01-21 09:08
这套“地震断层模拟试验装置”由中国工程院院士、中国地震局工程力学研究所名誉所长谢礼立领衔的团队历时4年攻关研制完成,已成功通过验收。
2026-01-21 09:02
长期以来,半导体面临一个难题:我们知道下一代材料的性能会更好,却往往不知道如何将它制造出来。这项材料工艺革新解决了从第三代到第四代半导体都面临的共性散热难题,为后续的性能爆发奠定了关键基础。
2026-01-21 09:01
该团队通过对比研究嫦娥六号月球背面样品与嫦娥五号月球正面样品,发现嫦娥六号样品中的碳结构具有更明显的缺陷特征,这可能与月球背面经历的更强烈的微陨石撞击历史有关。
2026-01-21 09:00
近日,在国新办举行的新闻发布会上,海关总署相关负责人介绍,2025年中国高技术产品出口增长13.2%,工业机器人出口增长48.7%,并首次超过进口,我国成为工业机器人净出口国。
2026-01-21 08:56
2025年C919安全载客超过400万人次,而且今年又新开了广州往返南京的航线。
2026-01-20 07:00
工业和信息化部、国家发展改革委等五部门日前联合印发《关于开展零碳工厂建设工作的指导意见》。
2026-01-20 03:25
工业和信息化部日前印发最新修订的《优质中小企业梯度培育管理办法》,将科技型中小企业纳入优质中小企业梯度培育范围。办法自2026年4月1日起实施。
2026-01-20 03:20
加载更多