【文/ 觀察者網專欄作者 鐳射】

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

@好人 網友評論：“果然又是花式燒開水?！?

@伽藍之瞳 網友評論：“其實我在考慮，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，確實是“燒開水”——用鍋爐將水燒成蒸汽，再用熱機將蒸汽的內能轉換為機械能，驅動發(fā)電機發(fā)電。從1785年瓦特發(fā)明蒸汽機起，就一直是如此。只不過這個過程，以前用的是往復式蒸汽機，現(xiàn)在用的是蒸汽輪機。

即使是燃氣輪機發(fā)電，目前效率最高的方式，也是燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)：在燃氣輪機后面再加上一套廢熱鍋爐，利用燃氣輪機排出的廢氣的熱量“燒開水”，再用汽輪機驅動發(fā)電機發(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，我國光熱資源主要集中在西部水資源相對缺乏的地區(qū)。那么，能不能如@伽藍之瞳 網友所說，在利用太陽能光熱資源的時候，“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，也是目前已經投入大規(guī)模應用的辦法，其實我那篇文章中已經提到了，那就是用斯特林發(fā)動機來驅動發(fā)電機。

斯特林發(fā)動機發(fā)明于1816年，以其發(fā)明者，英國物理學家羅巴特·斯特林的名字命名。和大致與其同一時期發(fā)明的瓦特蒸汽機類似，它也是一種外燃式活塞發(fā)動機。但和瓦特蒸汽機不同的是，斯特林發(fā)動機不是用水蒸汽，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，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)動機的這個特點，再加上它是一種外部加熱的閉式循環(huán)發(fā)動機，使得它有一個非常突出的優(yōu)點：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)動機工作原理（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第一個碟式太陽能光熱發(fā)電示范電廠，2012年9月建成，共由10臺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)動機也有很多缺陷，最大的問題就是單機輸出功率小。因為外部熱源的熱量供應是連續(xù)的，而斯特林發(fā)動機又是閉式循環(huán)，這使得斯特林發(fā)動機的氣體工質會長時間保持在較高的溫度，為了減少熱損失必須采取隔熱措施，由此必然導致其體積和重量增加。這使得它的功重比非常小，單機功率沒法做得太大，歷史上斯特林發(fā)動機曾經達到的最大單機功率也只有幾百千瓦。

這就大大限制了斯特林發(fā)動機的普及應用?？梢哉f，靠斯特林發(fā)動機來代替“燒開水”，是不現(xiàn)實的。

幸而，除了斯特林發(fā)動機，還有一種發(fā)動機，也是不需要“燒開水”的，這就是燃氣輪機。那么，光熱發(fā)電能不能利用燃氣輪機作為熱機呢？

首先，讓我們來簡單回顧一下燃氣輪機的構造和工作原理。一個最簡單的燃氣輪機，由壓氣機、燃燒室和渦輪三部分組成?？諝庀冗M入壓氣機，經壓氣機壓縮升壓后進入燃燒室，在燃燒室內，經過壓縮的空氣與燃料（氣體或液體）混合燃燒，產生高溫高壓燃氣，燃氣驅動渦輪，由渦輪驅動壓氣機和對外輸出功率，做功后的廢氣排入大氣。

燃氣輪機結構示意圖

仔細分析這個過程，我們可以發(fā)現(xiàn)，經壓氣機壓縮升壓后的空氣在燃燒室內與燃料混合燃燒產生高溫高壓氣體，這一步是燃氣輪機整個工作流程的核心環(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氣溫度不變的同時，降低空氣在燃燒室內的升溫幅度，從而有效減少燃料的消耗量。

裝備于英國45型驅逐艦的羅爾斯·羅伊斯WR21型燃氣輪機就是利用做完功后排出的廢氣的熱量，在壓縮空氣進入燃燒室之前對其加熱，從而有效提高了燃機的燃料利用率。與功率相當?shù)暮唵窝h(huán)船用燃氣輪機相比，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。