一种新的发电系统像喷气发动机一样工作

4 月 12 日，新墨西哥州桑迪亚国家实验室的工程师们利用一种新型发电系统，在短短几个小时内将电子送回桑迪亚-科特兰空军基地电网。这个小型概念验证于本月初公布，它向团队展示了他们自 2007 年以来一直在改进的系统是稳定、可控的，并且能够与电网很好地同步。

该团队声称，新系统可能比现有的发电系统更高效，它基于通过闭环布雷顿循环描述的热力学过程，其工作原理与喷气发动机类似。大多数喷气发动机由开放式布雷顿循环提供动力。环境空气被引入并压缩。然后，它被燃料加热并通过涡轮机膨胀。然后，该涡轮机可以机械地操作发电机以产生电力（如果你在地面上）或推力（如果你在飞机上）。

“前几年，我们只是制造电力，然后将其放入电阻负载箱中。这就像一个巨大的烤箱，它将电能转化为热量，”参与该项目的桑迪亚国家实验室机械工程师 Darryn Fleming 说道。“能够将电力重新输送到电网是这个项目的主要成果。”

那么布雷顿循环描述了哪些发动机操作呢？“想象一下，你拿一根管子，把涡轮机的[气体]排放口与压缩机连接起来，让工作流体保持循环。这是一个封闭的布雷顿循环，”参与测试的桑迪亚机械工程师洛根·拉普说。“它有相同的压缩机、涡轮机和热交换器，但工作流体始终留在管道内。”

该系统可与多种气体配合使用，如空气、氦气、氮气。桑迪亚团队使用超临界状态的二氧化碳，它有点像气体，但也有点像液体。“它的密度非常高，但它也可以像气体一样通过涡轮机膨胀，”拉普说。“因此，由于它的密度很高，我们减少了压缩所需的工作量，这使我们能够获得更高的热电[转换]效率。”

为大多数现代科技提供动力的电力是通过基于蒸汽的兰金循环产生的。燃料（如煤）用于加热水以产生蒸汽，然后蒸汽通过涡轮膨胀，将机械功转化为电能。但弗莱明说，该系统的热电效率约为 33%。通过使用高于 1,070 psi 和高于 88 华氏度的超临界二氧化碳，“你可以达到水的 70% 密度，因此你的系统效率更高。”这意味着与蒸汽系统相比，它可以用更少的燃料产生更多的电力。

此外，拉普指出，他们的技术与热源无关，因此不必与化石燃料结合使用。“有人提议将其与天然气或煤炭结合使用，但我们的资金来自美国能源部核能部门。因此，我们正在努力将其与先进的核反应堆结合使用，”他说。“我们还与太阳能塔合作，利用镜子聚焦太阳，加热中央塔。在这种应用中，它效果很好。”

他们还在积极研究是否可以将该技术与废热回收相结合，即捕获钢铁厂和水泥厂排气烟囱的热量，为布雷顿循环提供动力。

在测试中，他们使用电加热器作为燃料源为循环提供动力，并将先进的电梯电力电子设备的部件改装到他们用来调节和将测试回路中的电力输送到电网的机器中。虽然这一次他们消耗的能量比他们输送回电网的能量要多，但弗莱明说，这只是他们模拟系统运行的一种方式。

作为下一步计划的一部分，该团队希望将机器推向更高的功率水平、更高的温度和更高的涡轮速度。根据热力学定律，提高这些因素在理论上将使他们获得更高的热电效率。上次测试的效率为 35% 到 40%，但 Rapp 认为，通过正确的配置，他们可以将其提高到 50%。此外，该团队还希望在未来一年进一步开发此类系统所需的一些新支持基础设施，如密封件和磁力轴承。