【文/ 觀察者網(wǎng)專欄作者 鐳射】

前幾天，我在觀察者網(wǎng)發(fā)表了文章《光熱發(fā)電：中國(guó)下一張“國(guó)家名片”？》，下面有兩位網(wǎng)友的評(píng)論很有意思。

@好人 網(wǎng)友評(píng)論：“果然又是花式燒開水?！?

@伽藍(lán)之瞳 網(wǎng)友評(píng)論：“其實(shí)我在考慮，能不能把傳統(tǒng)的發(fā)電方式換一換？我們燒開水發(fā)電燒了多久了？”

目前的主流火力發(fā)電，確實(shí)是“燒開水”——用鍋爐將水燒成蒸汽，再用熱機(jī)將蒸汽的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。從1785年瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)起，就一直是如此。只不過這個(gè)過程，以前用的是往復(fù)式蒸汽機(jī)，現(xiàn)在用的是蒸汽輪機(jī)。

即使是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，目前效率最高的方式，也是燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)：在燃?xì)廨啓C(jī)后面再加上一套廢熱鍋爐，利用燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣的熱量“燒開水”，再用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而最大限度地提高整套系統(tǒng)的熱效率。

除了火力發(fā)電之外，與火力發(fā)電同屬熱電站的核電站和太陽能光熱電站，其實(shí)也是“燒開水”，只不過前者是用核能“燒開水”，而后者是用太陽灶“燒開水”。

眾所周知，我國(guó)光熱資源主要集中在西部水資源相對(duì)缺乏的地區(qū)。那么，能不能如@伽藍(lán)之瞳 網(wǎng)友所說，在利用太陽能光熱資源的時(shí)候，“把傳統(tǒng)的發(fā)電方式換一換”，不需要那么多水呢？別說，辦法還真有。

第一個(gè)，也是目前已經(jīng)投入大規(guī)模應(yīng)用的辦法，其實(shí)我那篇文章中已經(jīng)提到了，那就是用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)明于1816年，以其發(fā)明者，英國(guó)物理學(xué)家羅巴特·斯特林的名字命名。和大致與其同一時(shí)期發(fā)明的瓦特蒸汽機(jī)類似，它也是一種外燃式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。但和瓦特蒸汽機(jī)不同的是，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)不是用水蒸汽，而是用氣體（早期用空氣，現(xiàn)在一般用氦氣或氫氣）作為工質(zhì)，這使得它不需要龐大的鍋爐系統(tǒng)，也就是說，它不需要“燒開水”。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的這個(gè)特點(diǎn)，再加上它是一種外部加熱的閉式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，使得它有一個(gè)非常突出的優(yōu)點(diǎn)：不“挑食”。它幾乎可以使用任何形式的熱源。這使得它非常適合用于太陽能光熱發(fā)電。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理（本文圖片均由作者收集供圖）

鄂爾多斯100kW太陽能光熱示范電廠是我國(guó)第一個(gè)碟式太陽能光熱發(fā)電示范電廠，2012年9月建成，共由10臺(tái)10kW碟式太陽能斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)組成，年發(fā)電量為32萬kWh

不過，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)也有很多缺陷，最大的問題就是單機(jī)輸出功率小。因?yàn)橥獠繜嵩吹臒崃抗?yīng)是連續(xù)的，而斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)又是閉式循環(huán)，這使得斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體工質(zhì)會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持在較高的溫度，為了減少熱損失必須采取隔熱措施，由此必然導(dǎo)致其體積和重量增加。這使得它的功重比非常小，單機(jī)功率沒法做得太大，歷史上斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)曾經(jīng)達(dá)到的最大單機(jī)功率也只有幾百千瓦。

這就大大限制了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的普及應(yīng)用。可以說，靠斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)來代替“燒開水”，是不現(xiàn)實(shí)的。

幸而，除了斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，還有一種發(fā)動(dòng)機(jī)，也是不需要“燒開水”的，這就是燃?xì)廨啓C(jī)。那么，光熱發(fā)電能不能利用燃?xì)廨啓C(jī)作為熱機(jī)呢？

首先，讓我們來簡(jiǎn)單回顧一下燃?xì)廨啓C(jī)的構(gòu)造和工作原理。一個(gè)最簡(jiǎn)單的燃?xì)廨啓C(jī)，由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪三部分組成。空氣先進(jìn)入壓氣機(jī)，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮升壓后進(jìn)入燃燒室，在燃燒室內(nèi)，經(jīng)過壓縮的空氣與燃料（氣體或液體）混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪，由渦輪驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)和對(duì)外輸出功率，做功后的廢氣排入大氣。

燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

仔細(xì)分析這個(gè)過程，我們可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)壓氣機(jī)壓縮升壓后的空氣在燃燒室內(nèi)與燃料混合燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體，這一步是燃?xì)廨啓C(jī)整個(gè)工作流程的核心環(huán)節(jié)。這就是說，如果能在燃燒之前，就先提升壓縮空氣的溫度，就可以在保持燃燒室輸出的燃?xì)鉁囟炔蛔兊耐瑫r(shí)，降低空氣在燃燒室內(nèi)的升溫幅度，從而有效減少燃料的消耗量。

裝備于英國(guó)45型驅(qū)逐艦的羅爾斯·羅伊斯WR21型燃?xì)廨啓C(jī)就是利用做完功后排出的廢氣的熱量，在壓縮空氣進(jìn)入燃燒室之前對(duì)其加熱，從而有效提高了燃機(jī)的燃料利用率。與功率相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單循環(huán)船用燃?xì)廨啓C(jī)相比，WR-21可節(jié)約燃油27%到30%。既然可以用廢氣作為加熱來源，那么光熱自然也可以。