据外媒近日报道，由欧盟委员会及欧盟“Horizon 2020”研究及创新计划联合出资研发的Scarabeus项目正在稳步推进，按照计划目前相关研究人员正在开发一种创新型混合流体，可以大幅提升超临界二氧化碳（sCO2）光热发电系统的循环效率。
据悉，这项耗资500万欧元（约合550万美元）的SCARABEUS项目将尝试在纯CO2中添加少量选定元素，以提升光热发电系统的发电效率，使其超过基于蒸汽或传统sCO2系统所能达到的水平，该项目小组的研究目标是：到2023年可以证明二氧化碳混合流体可以比传统蒸汽循环减少32%的资本支出（Capex）和40%的运营支出（Opex）。
可将系统运行温度提升50-60℃
塞维利亚大学能源系统教授、斯卡伯斯大学发言人David Sanchez告诉外媒，SCARABEUS项目专注于动力循环的冷段-冷却和压缩等环节，而这种混合介质思路可将光热发电系统中工作流体的临界温度提升50-60℃。
Sanchez表示，SCARABEUS团队目前正在对选定的二氧化碳混合物进行模拟，现有结果表明相关经济和技术目标均可以实现。下一步，团队将进一步扩大现有的混合物组合，并证明这些混合物的热稳定性。
对于光热发电系统来说，实现较高的运行温度正成为进一步提升系统效率并降低成本的关键，因此也是近年来全球相关研发团队的工作重点。
相比传统使用导热油作为传热介质的槽式电站，目前商业化的塔式光热发电系统往往使用熔盐作为传储热介质，系统工作温度提升至565℃左右，而更多研发团队在追求更高系统运行温度并试图将相关技术推向商业化。
去年，通用电气（GE）和西南研究院（SWRI）的工程师完成了世界上最高温度sCO2涡轮机的测试，在700℃左右的运行温度条件下，10MW的涡轮机产生了接近50%的热效率，远远高于传统光热发电系统所达到的35%-40%的水平。
图：超临界二氧化碳涡轮机
此外，美国Heliogen集团最近通过利用更先进和更精确的定日镜校准技术，使光热发电接收器温度超过1000℃。与此同时，德国DLR正在开发一种离心光热发电接收器，其接收器出口处的颗粒温度已可达到965℃。另外，法国的CNRS已经开发了一种流化床接收器，其颗粒温度已经超过900℃。而在西班牙，欧盟H2020的“太阳到液体”研究小组建设的化学反应器接收器已经实现了超过1400℃的温度。
可有效降低项目投资
据悉，通过二氧化碳混合物达到的较高临界温度允许光热发电系统在较高环境温度下使用冷凝朗肯式循环，SCARABEUS团队的目标是功率循环转换效率超过50%，而常规sCO2系统在类似情况下则必须采用效率较低的布雷顿型配置。
而在布局方面，SCAREBEUS项目设计的冷凝朗肯式循环系统只需要一个回热器和一个换热器，相比常规朗肯蒸汽循环往往10多个换热器的配置要简单得多。
而且，据正在领导该项目涡轮机械研究工作的伦敦城市大学方面介绍，混合工作流体的思路也允许在涡轮机械中使用泵而不是压缩机，这可以有效降低功耗和设备尺寸。
David Sanchez表示，更高的循环效率可以使光热发电系统配置更小的光场和储热系统，因此可以大大减少资本支出。
可进一步提升光热发电的适用领域
除了可大幅减少电厂资本支出，该项技术也将使光热发电的部署区域有望进一步扩大。
在冷却方面，该CO2混合介质将提升流体的露点温度，露点温度的提升可允许电站采用空/风冷冷凝（ACC）系统的冷却方式来替代常规的水/湿冷却循环（WCC），空冷取代水冷使设计更加简单，消除了对水循环和相关泵送设备及冷却塔的需求，零耗水也降低了运营成本和环境影响，最终达到降低成本并优化电站整体性能的效果。
据研究人员介绍，改用ACC系统除了可将使资本支出和运营支出减少约3%之外，还对中东和北非等新兴光热发电市场非常有利。在这些地区，气温经常超过二氧化碳的自然临界温度，而当地水资源非常缺乏，使用水冷成本极其高昂。
图：全球年平均气温（来自威斯康星大学）
David Sanchez指出，混合二氧化碳流体设计所带来的成本降低使光热发电系统部署在更多直接辐射指数（DNI）较低的地区也成为可能。
SCARABEUS项目研发背景：
随着光伏和风电的快速发展和大规模部署，成本相对较高的光热发电生存空间被进一步压缩，快速实现降本势在必行，而目前备受全球光热发电行业关注的超临界二氧化碳光热发电技术的不断突破有望为行业突破成本瓶颈带来较大助力。
研究表明，提高动力循环的热效率是降低光热发电系统的平准化能源成本（LCOE）的关键。传统光热发电系统的热效率一般为35％至40％，而配备超临界二氧化碳（sCO2）动力循环的光热发电系统可实现近50%的热效率。
在欧盟（EU）的资助下，包括西班牙可再生能源巨头Abengoa在内的9家单位（5家大学与4家公司）参与了SCARABEUS项目的科研工作。
