基于二氧化碳的制冷、供暖和供电的能源系统

什么是二氧化碳（carbon dioxide）？二氧化碳（carbon dioxide），一种碳氧化合物，化学式为CO2，化学式量为44.0095 ，常温常压下是一种无色无味或

什么是二氧化碳（carbon dioxide）？

二氧化碳（carbon dioxide），一种碳氧化合物，化学式为CO2，化学式量为44.0095 ，常温常压下是一种无色无味或无色无臭而其水溶液略有酸味 的气体，也是一种常见的温室气体，还是空气的组分之一（占大气总体积的0.03%-0.04%）。

在物理性质方面，二氧化碳的熔点为-56.6℃（527kPa），沸点为-78.5℃，密度比空气密度大（标准条件下），溶于水。在化学性质方面，二氧化碳的化学性质不活泼，热稳定性很高（2000℃时仅有1.8%分解），不能燃烧，通常也不支持燃烧，属于酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性，因与水反应生成的是碳酸，所以是碳酸的酸酐。

二氧化碳一般可由高温煅烧石灰石或由石灰石和稀盐酸反应制得，主要应用于冷藏易腐败的食品（固态）、作致冷剂（液态）、制造碳化软饮料（气态）和作均相反应的溶剂（超临界状态）等。关于其毒性，研究表明：低浓度的二氧化碳没有毒性，高浓度的二氧化碳则会使动物中毒。

二氧化碳气体是大气组成的一部分（占大气总体积的0.03%-0.04%），在自然界中含量丰富，其产生途径主要有以下几种：

①有机物（包括动植物）在分解、发酵、腐烂、变质的过程中都可释放出二氧化碳。

②石油、石腊、煤炭、天然气燃烧过程中，也要释放出二氧化碳。

③石油、煤炭在生产化工产品过程中，也会释放出二氧化碳。

④所有粪便、腐植酸在发酵，熟化的过程中也能释放出二氧化碳。

⑤所有动物在呼吸过程中，都要吸氧气吐出二氧化碳。

二氧化碳应用：

高纯二氧化碳主要用于电子工业，医学研究及临床诊断、二氧化碳激光器、检测仪器的校正气及配制其它特种混台气，在聚乙烯聚合反应中则用作调节剂。

固态二氧化碳广泛用于冷藏奶制品、肉类、冷冻食品和其它转运中易腐败的食品，在许多工业加工中作为冷冻剂，例如粉碎热敏材料、橡胶磨光、金属冷处理、机械零件的收缩装配、真空冷阱等。

气态二氧化碳用于碳化软饮料、水处理工艺的pH控制、化学加工、食品保存、化学和食品加工过程的惰性保护、焊接气体、植物生长刺激剂，在铸造中用于硬化模和芯子及用于气动器件，还应用于杀菌气的稀释剂（即用氧化乙烯和二氧化碳的混台气作为杀菌、杀虫剂、熏蒸剂，广泛应用于医疗器具、包装材料、衣类、毛皮、被褥等的杀菌、骨粉消毒、仓库、工厂、文物、书籍的熏蒸）。

液体二氧化碳用作致冷剂，飞机、导弹和电子部件的低温试验，提高油井采收率，橡胶磨光以及控制化学反应，也可用作灭火剂。

超临界状态的二氧化碳可以用作溶解非极性、非离子型和低分子量化合物的溶剂，所以在均相反应中有广泛应用。

1、二氧化碳制冷系统（CO2 refrigeration system）

二氧化碳空调制冷效率同样工况下普遍比常用制冷剂系统低，一般认为冷凝和蒸发温度越低，二氧化碳循环的表现会相对变好。

论文摘要：

Investigation of heat recovery in CO2 trans-critical solution for supermarket refrigeration（用于超市制冷的二氧化碳跨临界解决方案中的热回收调查）

S. Sawalha，2013, International Journal of Refrigeration-revue Internationale Du Froid：本研究使用计算机模拟模型，研究了从减温器中回收热量的二氧化碳跨临界系统的性能。研究了冷凝器/气体冷却器中过冷（或进一步冷却）对系统性能的影响。按照本研究中建议的控制策略，从分析的二氧化碳系统中回收所需的加热能量所需的额外运行能量需求小于典型的热泵在相同负荷下的需求。在整个季节中，几乎所有的环境温度都是这样的情况。当考虑到同时的加热和冷却负荷时，与传统的R404A制冷系统和单独的热泵加热需求相比，二氧化碳跨临界系统在瑞典的一个平均规模的超市中的年能源使用量较低。二氧化碳跨临界系统是在相对寒冷的气候条件下满足超市同时制冷和加热需求的有效解决方案。

2、二氧化碳热泵（CO2 heat pump）

二氧化碳热泵的工作原理就是是通过冷媒或制冷剂将空气中的二氧化碳吸收，并释放到水中，压缩机 将回流的低压冷媒压缩后，变成高温高压的气体排出，高温高压的冷媒气体流经缠绕在水箱外面的铜管，热量经铜管传导到水箱内，冷却下来的冷媒在压力的持续作用下变成液态，经膨胀阀后进入蒸发器 ，由于蒸发器的压力骤然降低，因此液态的冷媒在此迅速蒸发变成气态，并吸收大量的热量。同时，在风扇的作用下，大量的空气流过蒸发器外表面，空气中的能量被蒸发器吸收，空气温度迅速降低，变成冷气排进空间。相关研究自1996年以后减弱。

Fundamental process and system design issues in CO2 vapor compression systems（二氧化碳蒸气压缩系统的基本工艺和系统设计问题）

Man-Hoe Kim, J. Pettersen, C. Bullard，2004, Progress in Energy and Combustion Science，595 itations, 266 References.

论文摘要：本文介绍了跨临界二氧化碳循环技术在各种制冷、空调和热泵应用方面的最新发展和技术状况。重点是基本工艺和系统设计问题，包括讨论二氧化碳的属性和特点、循环基础、高压侧压力控制方法、热力学损失、循环改造、组件/系统设计、安全因素以及有前景的应用领域。文章对文献进行了严格的审查，并讨论了二氧化碳技术在制冷、空调和热泵应用中的重要发展趋势和特点。还介绍了先进的循环设计方案，建议对基本循环进行可能的性能改进。

3、亚临界CO2动力循环（Transcritical CO2 power cycle）

亚临界：亚临界是物质存在的状态条件，是指某些物质在温度高于其沸点但低于临界温度，以流体形式且压力低于其临界压力存在的物质。当温度不超过某一数值，对气体进行加压，可以使气体液化，而在该温度以上，无论加多大压力都不能使气体液化，这个温度叫该气体的临界温度。在临界温度下，使气体液化所必须的压力叫临界压力。

超临界：以水为例，超临界技术介绍如下：通常情况下，水以蒸汽、液态和冰三种常见的状态存在，且是极性溶剂，可以溶解包括盐在内的大多数电解质，对气体和大多数有机物则微溶或不溶。液态水的密度几乎不随压力升高而改变。

但是如果将水的温度和压力升高到临界点（Tc=374.3℃，Pc=22.1MPa）以上，水的性质发生了极大变化，其密度、介电常数、黏度、扩散系数、热导率和溶解性等都不同于普通水。

超超临界：水的临界参数为：tc=374.15℃，Pc=22.129MPa。在临界点以及超临界状态时，将看不见蒸发现象，水在保持单相的情况下从液态直接变成汽态。一般将压力大于临界点Pc的范围称为超临界区，压力小于Pc的范围称为亚临界区。

从物理意义上讲，水的状态只有超临界和亚临界之分；而超超临界一般是应用在火电厂方面的概念，在物理学中没有这个分界点，只表示超临界技术发展的更高阶段，是常规蒸汽动力火电机组的自然发展和延伸。由于超超临界参数机组在我国投运的数量最多，超超临界是我国人为的一种区分，也称为优化的或高效的超临界参数。

超超临界与超临界的划分界限尚无国际统一的标准。我国电力百科全书认为主蒸汽压力≥27MPa为超超临界机组。2003年，我国“国家高技术研究发展计划（'863'计划）”项目“超超临界燃煤发电技术”中，定义超超临界参数为蒸汽压力≥25MPa，蒸汽温度≥580℃。

论文：Parametric optimization design for supercritical CO2 power cycle using genetic algorithm and artificial neural network

Jiangfeng Wang+ 2 authorsShaolin Ma，2010, Applied Energy，171 Citations, 20 References

论文摘要：超临界二氧化碳发电循环显示出回收低品位废热的巨大潜力，因为它在热回收蒸汽发生器（HRVG）中的热源和工作流体之间具有更好的温度滑行匹配。进行了参数分析和能量分析，以研究热力学参数对循环性能和各部件中能量破坏的影响。在给定的废热条件下，通过遗传算法（GA）对超临界二氧化碳发电循环的热力学参数进行了优化，并以放能效率作为目标函数。采用多层前馈网络类型和反向传播训练的人工神经网络（ANN）来快速实现参数优化设计。结果表明，关键的热力学参数，如涡轮机进口压力、涡轮机进口温度和环境温度，对超临界二氧化碳发电循环的性能和各部件的能量破坏有重大影响。研究还表明，在可变废热条件下，使用人工神经网络可以很准确地预测超临界二氧化碳发电循环的最佳热力学参数。

论文：Transcritical CO2 power cycle – Effects of regenerative heating using turbine bleed gas at intermediate pressure

S. Mondal, S. De，2015，22 Citations, 27 References

论文摘要：对于低温余热的能源利用，二氧化碳是一种潜在的工作流体，因为它的临界温度较低。在这项工作中，假设在低温（200°C）下烟气的数量有限，为利用涡轮机排放的气体进行再生加热的超临界二氧化碳发电循环建立了一个热力学模型。分析表明，循环性能随着放空率的提高而改善。然而，对于指定的排气压力和再生器出口处的排气温度，通过考虑再生器尺寸的指数增长（由NTU转移单位数指定），排气比率的最大实用值可以被固定。最重要的观察结果是，在其余循环参数的特定值中，存在与最大第一定律效率或最小循环不可逆性相对应的最佳放气压力。

4、超临界CO2动力循环（Supercritical CO2 power cycle）

超临界二氧化碳作为一种高效无污染的清洁运行工质一起了众多学者的关注，超临界二氧化碳布雷顿循环则成为了一种具有极大潜力的替代能源转换系统。由于超临界二氧化碳具有一系列优势，使其在核反应堆、燃煤联合循环、太阳能等方面具有广泛的应用前景。

水蒸汽朗肯循环热功转换是主流发电技术。目前大型燃煤发电机组主蒸汽温度已达630℃，进一步提升效率受到材料制约，700℃蒸汽温度下钢材腐蚀严重，限制了主蒸汽参数的提高。超临界二氧化碳动力循环，简称sCO₂循环，采用CO₂实现热功转换。sCO₂循环有三个优势。首先，CO₂化学性质稳定，高温下与金属材料反应弱，为进一步提高主蒸汽参数奠定了基础；其次，当主蒸汽温度超过550℃时，sCO₂循环效率高于水蒸汽朗肯循环；再次，sCO₂循环系统高压运行，系统紧凑。

论文：Carbon Dioxide Condensation Cycles For Power Production

G. Angelino，1968, Journal of Engineering for Power，242 Citations, 0 References

论文摘要：摘录了Gianfranco Angelino的 "用于发电的二氧化碳冷凝循环 "的观点。

论文：Exergoeconomic analysis and optimization of single-pressure single-stage and multi-stage CO2 transcritical power cycles for engine waste heat recovery: A comparative study

S. Wang, Chuang Wu, J. Li，2018, Energy，16 Citations, 40 References

论文摘要：本工作主要集中在新型单压多级CDTPCs（二氧化碳超临界动力循环）和用于发动机余热回收的单压单级CDTPCs之间的热力学和外经济性比较。提出了一种基于外能燃料分布的方法来计算底层CDTPCs的燃料成本。进行了参数分析以研究决策变量对所考虑的CDTPCs性能的影响，并对其进行了优化和比较。热力学研究表明，双级CDTPC可以在废气温度为470℃时为2928千瓦的发动机产生最高的净功率输出517.27千瓦。经济效益研究表明，当废气温度为300-600℃时，单级CDTPC的总成本最低，而当废气温度为530-600℃时，由于热力学和经济效益更好，建议使用双级CDTPC。同时，考虑到热力学和经济性，在废气温度为300-600℃时，不推荐使用三级CDTPC。还进行了多目标优化，以获得案例研究中考虑的CDTPC的最佳条件。

论文：Supercritical CO2 Power Cycle Developments and Commercialization: Why sCO2

Michael Persichilli, Alex Kacludis, E. Zdankiewicz，2012，32 Citations, 7 References

论文摘要：美国能源部估计，美国每年有280,000兆瓦的废热排放，可以作为可用能源回收，提供美国20%的电力需求，同时减少20%的温室气体，每年节省700-150亿美元的能源成本。废热可以被视为另一种绿色能源，因为它是一种可再生能源，可以提高现有化石燃料使用的能源效率，同时通过将回收的热量转化为可用的电力、加热和/或冷却来减少电网需求。虽然各种独立的数据来源表明，这种废热回收的机会在美国市场的价值超过6000亿美元，但类似的大机会在全世界都存在。Echogen电力系统有限公司（美国俄亥俄州阿克伦市）正在开发发电技术，将来自废物和可再生能源的热量转化为电力和工艺热。热机技术；Thermafficient ®热机利用突破性的超临界二氧化碳动力循环将废热转化为电能。与有机和基于蒸汽的朗肯循环系统相比，超临界二氧化碳可以在广泛的热源温度范围内实现高效率，而且组件紧凑，从而使系统的占地面积更小，资本和运营成本更低。平准化电力成本（LCOE）的计算结果是：基于二氧化碳的热机平均每千瓦时0.025美元，利用超临界二氧化碳热机进行底部循环的完整联合循环燃气轮机系统平均每千瓦时0.065美元。本文介绍了二氧化碳和基于蒸汽的热回收系统之间的示范性贸易研究比较。本文还提供了Echogen 250千瓦示范热机的最新情况，该热机于2011年在美国电力公司的研究中心完成了初步测试。还介绍了该系统在商业区供热组织的长期测试的现状，以及将于2013年在美国客户的主场安装的多兆瓦热机。

5、二氧化碳储能（CO2 energy storage）

论文摘要：The Role of CO2 Storage（二氧化碳储存的作用）

碳捕获、利用和储存将是实现气候和能源目标所需的技术和措施组合的一个重要部分。在国际能源署的清洁技术方案（CTS）中，到2060年期间，累计将有107 GtCO2被永久地储存起来，这就要求在今天的水平上大幅扩大CO2的储存规模。本报告分析了二氧化碳封存设施的开发规模和速度不能满足CCS优化路径的要求，对全球能源系统的影响。通过将情景期间的二氧化碳储存可用性限制在10 GtCO2，分析提供了对电力、工业、运输和建筑部门所需的额外措施和技术的深入了解，以便在2060年实现与CTS相同的减排量。有限二氧化碳封存情景变量发现，限制二氧化碳封存的作用将导致更高的成本和明显更高的电力需求，相对于CTS，需要增加3325千兆瓦的新发电能力，增加了17%，因为限制二氧化碳封存的可用性将需要在工业中更广泛地使用电解氢和生产合成烃燃料。更广泛地说，LCS将增加对处于早期发展阶段的技术的依赖。在2060年的设想期之后，对二氧化碳储存可用性的限制也将限制许多二氧化碳清除方案的可用性，因此可能与长期气候目标的实现不一致。

限制二氧化碳存储的可用性将增加能源转型的成本。清洁技术方案（CTS）的减排途径假定二氧化碳储存广泛可用以实现全球商定的气候目标。相对于只包括当前国家承诺的情景，它需要在电力、工业和燃料转化部门增加9.7万亿美元的投资。限制二氧化碳封存会导致这些额外的投资增加40%，达到13.7万亿美元，依靠更昂贵的新兴技术。

对去碳化电力的需求将进一步扩大。在有限二氧化碳封存情景变量（LCS）中，2060年的发电量将增加13%，即6130太瓦时，相对于CTS。这将需要在2060年增加3 325吉瓦的低碳发电能力，这几乎是2017年全球总装机容量的一半。在那些由于土地使用或其他因素而限制快速扩大风能和太阳能容量的地方，进口氢气可能成为一个重要的替代品。

工业上将需要替代工艺和新技术。在有限二氧化碳封存情景变量LCS中，钢铁和化学品的生产将更强烈地转向非化石燃料的路线。在2060年，25%的液态钢、约5%的合成氨和25%的甲醇生产将使用电解氢。相对于CTS，2060年工业的边际减排成本将增加一倍，达到约500美元/tCO2。这将使减排工作转向其他部门，并使工业排放增加4.8Gt CO2。

水泥生产在碳捕获、利用和储存（CCUS）方面的选择有限。水泥生产中三分之二的排放是工艺排放，缺乏有竞争力的CCUS替代品，这意味着该行业将吸收有限二氧化碳封存情景变量LCS中几乎一半的可用二氧化碳储存能力。到2060年，该行业的二氧化碳封存使用量将比CTS低15%左右（0.7Gt CO2），而排放量也会随之增加。

合成碳氢化合物燃料将成为一个更重要的减排战略。在有限二氧化碳封存情景变量LCS中，基于生物质二氧化碳的合成碳氢化合物燃料将需要成为可行的，作为碳捕获和储存的生物能源的替代品。这些燃料将需要约4700太瓦时的电力，取代全球9%的初级石油和2%的天然气需求。在有限二氧化碳封存情景变量LCS中，从今天到2060年，电解器的产能将平均每年增加40吉瓦，这比2018年新安装的0.015吉瓦的产能高得多。

碳捕集将保持其作用，在工业和燃料转化中增加二氧化碳的使用。相对于《中期战略》，在LCS中二氧化碳的使用将增长77%，但仍然相对较少。在LCS中，到2060年将有13.7公吨的二氧化碳被用于生产合成燃料、甲醇和尿素，其中接近三分之一的二氧化碳来自生物源。

一个净零排放的能源系统将面临双重挑战。二氧化碳储存的有限性将增加关键部门直接减排的挑战，同时，也限制了二氧化碳清除或 "负排放 "技术的可能性。在碳中和能源系统中，这些技术可以补偿难以直接消减的剩余排放量。

6、基于CO2的热电联产系统（Cogeneration system based on CO2）

论文：Energy and CO2 emissions performance assessment of residential micro-cogeneration systems with dynamic whole-building simulation programs

用动态整体建筑模拟程序评估住宅微型热电联产系统的能源和二氧化碳排放性能

论文摘要：微型热电联产，也被称为微型热电联产（MCHP）或住宅热电联产，是一项新兴技术，有可能通过减少一次能源消耗和相关的温室气体排放来提供能源效率和环境效益。该技术的分布式发电性质也有可能减少由于电力传输和分配效率低下造成的损失，并缓解公用事业的峰值需求问题。在国际能源署（IEA）建筑和社区系统节能计划的附件42中开发的整个建筑模拟工具的详细MCHP模型，已被用于对一些微型热电联产系统和住宅楼进行性能评估研究。通过模拟不同的热电联产技术，即以天然气为燃料的固体氧化物（SOFC）和聚合物电解质膜燃料电池、斯特林和内燃机，确定每年不可再生的一次能源（NRPE）需求和CO2当量（CO2 -eq）排放。这些技术与带有燃气锅炉和电网供电的参考系统进行了比较。还分析了一个地面耦合的热泵系统进行比较。热电联产装置被集成在不同能源标准水平的单户和多户住宅中。考虑了两种不同的发电组合。欧洲组合和联合循环电厂（CCPP）。对于MCHP设备，使用了详细的动态组件模型以及简化的性能图模型，并利用实验室实验结果或制造商数据进行了开发和校准。模拟是使用整个建筑模拟程序TRNSYS进行的，使用IEA规定的生活热水和电力需求曲线。对三种需求水平的组合进行了分析。在NRPE需求中，对于欧洲的电力组合，与燃气锅炉参考系统相比，大多数MCHP系统提供了减少（高达34%），并将出口到电网的电力计入。对于CCPP的发电组合，地面耦合热泵系统的NRPE降幅最大（高达29%）。热电联产系统的最大减排量为14%。就CO 2-eq排放而言，大多数热电联产系统为欧洲的电力组合提供了减排量（高达22%）。然而，热泵系统的减排量最大（23%）。对于CCPP组合，到目前为止，热泵系统的减排量仍然最大（高达29%）。热电联产系统的最大减排量是由单户住宅的ICE系统实现的（14%）。

论文：Energy-Saving and CO2-Emissions-Reduction Potential of a Fuel Cell Cogeneration System for Condominiums Based on a Field Survey

基于实地调查的燃料电池热电联产系统在公寓中的节能和二氧化碳减排潜力

Kazui Yoshida+ 3 authorsHiro Abe，2021, Energies，0 Citations, 21 References

论文摘要：住宅热电联产系统（CGS）因其在供应方和消费方的有效能源使用而受到重视。它同时产生电力和热能；然而，关于根据使用条件的效率的信息并不充分。在这项研究中，我们分析了由家庭能源管理系统（HEMS）测量的性能数据和居民的生活方式数据，该公寓有356个单位，每个单位都安装了燃料电池CGS。CGS的发电量有助于减少约12%的一次能源消耗和二氧化碳排放，CGS在电力需求中的发电率（即贡献率）约为38%。发电量主要是受用电量达4兆瓦时/户/年的影响。燃气或水的使用也影响了发电量，其中水的使用是影响贡献率的主要因素。发电量每月都有变化，主要是根据水温的变化。从这些结果中，我们确认CGS在减少公寓的能源消耗和二氧化碳排放方面有很大潜力。因此，建议在现有建筑和新建筑中安装燃料电池CGS，为日本政府在住宅领域的节能目标做出贡献。

7、基于CO2混合物的能源系统（Energy system with CO2-based mixtures）

8、二氧化碳系统的热力学分析和优化（Thermodynamic analysis and optimization of CO2 system）

论文：用于太阳能-热能的超临界二氧化碳布雷顿循环

Supercritical CO2 Brayton cycles for solar-thermal energy

Brian D. Iverson+ 2 authorsA. Kruizenga,2013,280 Citations, 80 References

论文摘要：在提高太阳能热电厂效率的机制中，提高整体效率最有效的方法之一是通过动力循环的改进。随着工作温度的不断提高，尽管超临界二氧化碳布雷顿循环技术的开发成本较高，但该技术开始显得更有吸引力。此外，超临界二氧化碳布雷顿在许多发电领域都有应用，而不仅仅是太阳能领域。

论文：基于综合建模的熔盐太阳能发电塔与重组超临界二氧化碳布雷顿循环集成的热力学分析和优化

Thermodynamic analysis and optimization of a molten salt solar power tower integrated with a recompression supercritical CO2 Brayton cycle based on integrated modeling

Kun Wang, Y. He，2017，145 Citations, 48 References

论文摘要： 在本研究中，提出了一个与S-CO2布雷顿循环相结合的熔融盐太阳能发电塔（SPT）系统。为综合SPT系统建立了一个综合模型，包括定日镜场、熔盐太阳能接收器、熔盐热存储和带再加热的S-CO2再压缩布雷顿循环。进行了参数分析，研究了一些关键的热力学参数（如热盐温度、循环高压、循环低压、中间压力和分割率）对综合SPT系统的能效的影响。通过使用遗传算法进行参数优化，以获得最高的整体能量效率。还讨论了组件性能和压缩机进口温度对最佳参数的影响。结果表明，最佳热盐温度为565℃，这是太阳盐作为传热流体和蓄热介质时的最高允许温度。此外，最佳循环低压在7.80-10.0兆帕之间，这意味着循环低压不一定要接近临界压力。压缩机进口温度的增加导致了最大能效的降低和最佳热力学参数的变化。组件的性能对最大放热效率有重大影响，但对最佳热力学参数的影响很小。为进一步提高系统效率，具有较高最高允许温度的新型盐是必不可少的。从目前条件下的能量效率来看，建议在SPT系统中使用最高允许温度为680℃的新型盐，并与S-CO 2再压缩布雷顿循环相结合。

论文：在熔盐太阳能塔系统中使用二氧化碳基二元混合物的不同超临界布雷顿循环的热力学性能分析

Thermodynamic performance analysis of different supercritical Brayton cycles using CO2-based binary mixtures in the molten salt solar power tower systems

Jiaqi Guo+ 4 authorsKun Wang，2019，21 Citations, 44 References

论文摘要：在本研究中，通过提出基于二氧化碳的二元混合循环，探讨了改善熔盐太阳能塔系统（SPT）性能的潜力。从热力学分析的角度讨论了使用氙气和丁烷作为S-CO2循环的添加剂的可行性。进行了详细的参数研究，以揭示关键参数对4个系统配置性能的影响。此外，对分别采用二氧化碳/氙气、二氧化碳和二氧化碳/丁烷的4种循环布局进行了系统比较，以说明SPT系统与基于二氧化碳的二元混合循环的性能改善机制。同时还证明了SPT系统的最佳性能。最后，推荐了最佳性能的系统布局和合适的添加剂。结果表明有以下问题。在S-CO2循环中加入氙气可以明显提高整体热效率和外能效率。而丁烷作为添加剂的效果是相反的。建议将CO2/氙气间冷循环作为与SPT系统耦合的最合适的布局，并且比带有S-CO2间冷循环的SPT系统，放能效率高1.18%～1.32%。详细的能量损失分数分布表明，接收器是能量损失最高的部分，其次是定日镜场，而丁烷作为添加剂有利于减少接收器的能量损失，因为其温差较小。该研究为改善SPT系统的性能提供了一种新的方法，并为在动力循环中添加二氧化碳基二元混合物提供了线索，特别是在SPT系统的应用方面。

9、二氧化碳系统的动态建模（Dynamic modeling of CO2 system）

论文：基于分裂概念的发动机余热回收的二氧化碳超临界动力循环（CTPC）的优化

Optimization of CO2 Transcritical Power Cycle (CTPC) for engine waste heat recovery based on split concept

Ligeng Li+ 3 authorsG. Shu，2021, Energy，2 Citations, 51 References

论文摘要：带有预热器和再生器的二氧化碳跨临界动力循环已成为回收发动机废热的一项有前途的技术。就外部和内部利用目标而言，夹套水、发动机废气和膨胀后的二氧化碳废气已被认为是主要的回收来源。然而，在这三个连续的加热过程中，温度干扰的问题可能会降低废气的利用率和热效率。因此，本研究提出了一个分体式概念，以研究温度干扰的目标。研究了三种相应的分体式系统。本文建立了全面的数学模型来比较其性能，并对每个优势进行了详细的分析。结果表明，温度干扰可以得到解决，以实现废气的最大利用，提高热效率。此外，优化后的净功率可以从14.7千瓦提高到19.0千瓦。在所研究的系统中，低温分体式系统显示循环效率增加了90.0%，而中温分体式系统发现热回收效率提高了4.9%。高温分体式系统在循环和热回收效率方面都显示出优于其他系统的特点，分别提高了18.3%和10.4%。

10、二氧化碳系统的实验测试（Experimental tests of CO2 system）

超临界二氧化碳涡轮机可用于超临界二氧化碳循环光热发电系统，该涡轮机的成功研发对超临界CO2光热发电技术的商业化具有重要意义。

当前，包括美国、中国、法国、日本等多个国家的科研机构和相关企业都在进行超临界二氧化碳发电技术的研究和产业化布局。

超临界二氧化碳(S-CO2)发电技术采用S-CO2布雷顿循环，是一种用超临界状态的二氧化碳作为工质的涡轮发动机热循环技术。

目前承担基础负荷的发电形式主要是火力发电（锅炉+汽轮机），该能量转换系统采用的工质是水-水蒸汽。锅炉主要是提供热源（燃煤），水在封闭管路中经升压后到锅炉中去吸热，然后再进入汽轮机膨胀做功，推动汽轮机旋转进而驱动发电机向电网供电。水的临界点为温度T=374℃(647 K)、压力22.05 MPa（220.5 bar）。目前最先进的超超临界火电机组运行参数情况为：温度高于593℃，水蒸汽压力高于31MPa。

而超临界二氧化碳电力循环系统，其主要的核心部件包括压缩机、透平、回热器、冷却装置、吸热装置等。工质CO2的临界温度为 31℃（304K），临界压力为 7.38MPa（73.8bar）。该系统可以实现较高的热电转换效率并超越传统的蒸汽轮机。同时，处于超临界状态下的CO2具有高的流动密度、传热性、粘度低，可以大大减小系统中涡轮机械和换热器的结构尺寸，降低运行维护成本。

此外，二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用作热力循环工质。

超临界二氧化碳+光热发电会产生什么效应？

目前常见的光热电站多用导热油、熔盐或直接用水蒸汽做传热流体，通过上述传热介质将光场收集到的热量传给机组，但流体的性质限制了机组性能。如导热油温度上限为400摄氏度左右，硝酸盐则为590摄氏度左右。

而较高的运行温度意味着较高的循环热效率和能更有效的储热。超临界二氧化碳布雷顿循环仅需外界提供500到800℃的温度，这是应用目前光热发电技术很容易达到的温度。

超临界二氧化碳发电可以在500摄氏度以上，20兆帕的大气压下实现高效率的热能利用，可以轻松达到45%以上，这将有效提高电力产能。美国能源部之所以支持此项研发，也是看到了此项技术在提高发电效率和降低成本方面的巨大潜力。

此外，超临界CO2透平如果用于地面发电厂，除了体积小、重量轻之外，还可以不用水，适合荒漠缺水地区的应用，是太阳能光热发电的理想选择，使用CO2做工质时，不存在工质冻结的问题，管路上不用电伴热，施工简单，并可显著降低成本。其应用于太阳能光热发电系统可实现效率的显著提升。系统仅需要较低的热量即可启动发电机、其应对负荷变化调整迅速、支持快速启停，这些优点是普通发电系统无法比拟的。

论文：Carbonate molten salt solar thermal pilot facility: Plant design, commissioning and operation up to 700 °C，Cristina Prieto+ 3 authorsC. Montero，2020, Renewable Energy，13 Citations, 27 References

摘要：聚光太阳能（CSP）目前在成本上与传统发电或其他太阳能技术相比没有竞争力，但它具有吸引力，因为它集成了商业上可行的大规模热能储存（TES）。为了提高性能和降低成本，已经提出了超临界二氧化碳（s-CO2）动力循环，以提高热-电转换率，使其达到50%以上。然而，为了实现这一目标，由接收器收集并储存在TES中的太阳能必须在700℃或以上的温度下输送到动力涡轮机，而目前先进的工厂只提供565℃的热能。阿本戈公司首次设计、建造并测试了用于CSP的高温（700℃）熔盐实验性试验工厂，使用碳酸盐作为传热流体。我们证明了在400-700℃之间进行大规模、与工业相关的操作的可行性，从而为整合更高效率的s-CO2动力循环提供了解决方案。解决了材料兼容性、部件设计、仪器和系统集成方面的关键点。操作方面，如预热和填充程序、启动、达到的最高温度以及面临的主要挑战都有详细描述。对环路和组件的热损失进行了分析。使用适当的电伴热元件，用碳酸盐操作是可行的，必须重新设计的主要子系统是高温罐和泵。这里总结了从工厂运行中获得的经验，以指导未来商业规模的高温熔盐工厂的设计。

11、二氧化碳系统的关键部件调查（ Key component investigations of CO2 system）

论文：10MW-Class sCO2 Compressor Test Facility at University of Notre Dame圣母大学的10MW级sCO2压缩机测试设施

Jeongseek Kang+ 6 authorsT. Held，2021，0 Citations, 19 References

摘要：压缩机是闭环布雷顿循环和先进的电热储能系统中的一个关键部件。使用sCO2作为主要工作流体对这些系统有很多优势。然而，由于独特的工作条件和流体特性，开发使用sCO2的高效压缩系统仍然面临着重大挑战。鉴于sCO2压缩机体积小，对功率的要求非常高，要想获得详细的实验测量结果是非常困难的。这使得目前的大部分实验结果都局限于非常小规模的单级离心式压缩机。较大的多级轴流式压缩机对sCO2系统具有重大意义，但还没有进行过实验调查。本文描述了一个新的10MW级闭环式sCO2或CO2压缩机测试设施的设计和突出特点。10MW驱动系统的物理规模允许对轴向和离心式压缩机类型进行测试，其流动通道足够大，可以进行详细的实验测量。包括通过流动通道的调查、稳定和非稳定的性能测量，以及叶片或刀片的空气力学测量。引言 在闭环布雷顿循环和先进的电热储能系统中使用超临界二氧化碳作为工作流体，已经显示出在提供高效率电力方面的巨大前景，热源的灵活性，以及减少发电厂的规模和成本。然而，必须实现一些新的技术进步，以使sCO2循环在商业上可行。其中一个主要部件是压缩机，它提供了循环中所需要的压力增加。关于sCO2在压缩机中的应用，它的一些特性与那些广泛用于涡轮压缩机的空气或气体不同。压缩机内的密度较高，整体工作压力范围较高，临界点附近的流体特性发生剧烈变化，这些都对压缩机的设计提出了独特的挑战。最近在压缩机测试环路或动力循环环路中对sCO2压缩机的实验研究已经成功证明了sCO2压缩机在闭环测试环境中的运行。然而，由于示范规模小，或者由于可用的驱动力有限，所有这些都是用离心式压缩机设计的，规模小，必须牺牲效率，导致整体循环效率低。另外，由于通过压缩机的流动通道非常小，对详细流量的研究不适合。在这种背景下，圣母大学涡轮机械实验室和Echogen电力系统公司设计了一个10兆瓦级的sCO2压缩机测试设施。该测试压缩机由一个带有增速齿轮箱的10兆瓦变速电机驱动。一个水/乙二醇冷却的热交换器吸收来自测试压缩机的附加能量。闭合回路被设计为达到稳定的运行，其中通过驱动电机增加的能量和通过冷却流吸收的能量是相等的。设计了一个带有二氧化碳罐和供应系统的二氧化碳库存管理系统，以供应从初始运行到测试运行的二氧化碳。选择10兆瓦规模的sCO2压缩机测试设施在规模上有各种优点。它允许测试压缩机和设施的许多部件使用商业硬件。此外，它还使该设施能够测试多级轴流式压缩机以及离心式压缩机，其流动通道足够宽，可以通过各种流量测量技术进行详细的流场调查。实验将包括详细的测量，这将大大推进我们对先进动力系统的sCO2压缩机的设计、性能、效率和可操作性的理解。开发和测试了一个独特的数据采集/控制系统。这包括进行实时后处理和控制的能力，有100s或1000s的稳定和非稳定的采集通道。封闭式二氧化碳测试回路的设计由美国能源部资助，将于2021年中期完成。最初的sCO2轴向压缩机测试将在2021年开始。测试的第一台压缩机是3级轴流式压缩机。3级测试压缩机是为基于sCO2的储能系统设计的100兆瓦级多级轴向压缩机的前3级的比例版本。该计划的目的是研究并最终展示高效、多级、轴向sCO2压缩机。全级压缩机的压力比为10.27。全机的前三级将在设计的测试设施中进行测试，设计点压力比和质量流速分别约为2.6和116公斤/秒。

12、二氧化碳和二氧化碳基混合物的传热和传质（CO2 and CO2-based mixtures heat and mass transfer）

论文：A numerical study on the thermal conductivity of H2O/CO2/H2 mixtures in supercritical regions of water for coal supercritical water gasification system，煤炭超临界水气化系统中H2O/CO2/H2混合物在超临界区域的热导率数值研究

Xueming Yang+ 3 authorsB. Cao，2019, International Journal of Heat and Mass Transfer，18 Citations, 49 References

摘要：煤气化技术是煤炭清洁利用的一个重要手段。在煤炭超临界水气化过程中，可以产生H2O/CO2/H2或H2O/CO2混合物，并作为热力学循环发电系统的工作介质。H2O/CO2/H2或H2O/CO2混合物的热导率是设计和优化基于煤炭超临界水气化的热力学系统所需的最基本的热性能之一。到目前为止，H2O/CO2/H2、H2O/CO2和H2O/H2混合物在水的超临界区域的热导率仍然未知。本文通过平衡分子动力学（EMD）模拟和各种理论模型预测了这些混合物在水的超临界区域的热导率。对MD模型的力场模型和模拟策略进行了讨论和推荐。为了验证模拟方法，通过MD模拟计算了纯H2O、CO2、H2和CO2/H2混合物的热导率，并与现有的实验和NIST数据进行了比较。本文提供的方法和数据可以促进煤炭超临界水气化的实际应用。

引用：

1.百度百科—二氧化碳

2.IEA (International Energy Agency) (2019), The Future of Hydrogen: Seizing Today’s Opportunities, IEA, Paris, www.iea.org/hydrogen2019/.

3.IEA (International Energy Agency) (2019),The Role of CO2 Storage