下一代太阳能热发电厂中超临界CO2循环的成本效益分析：技术经济比较与未来展望

研究人员针对下一代太阳能热发电厂中超临界CO2(sCO2)循环的经济性问题，通过建立六种sCO2循环和参考蒸汽循环的详细热力学模型及成本关联，开展年度发电模拟与平准化电力成本(LCOE)计算。结果表明，sCO2循环的LCOE至少比蒸汽循环高9%，即使关键组件成本降低50%仍无法实现成本持平。该研究为下一代太阳能热电厂技术路线选择提供了重要依据。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，太阳能热发电(CSP)技术因其可集成储能的优势备受关注。传统CSP电厂普遍采用蒸汽循环，但近年来超临界二氧化碳(sCO₂)循环因其理论高热效率和小型化潜力成为研究热点。然而，这种新技术面临高温高压材料、涡轮机械稳定性等挑战，其实际经济效益尚不明确。在此背景下，德国航空航天中心(DLR)等机构的研究人员开展了系统研究，论文发表在《Renewable Energy》上。

研究团队采用Ebsilon? Professional 14.03软件建立了六种sCO₂循环和参考蒸汽循环的热力学模型，包括简单回热、再压缩和部分冷却等布局。通过南非典型气象年的逐时模拟计算年发电量，结合西门子能源提供的组件成本数据，开发了三级成本模型：sCO₂动力模块采用组件级成本计算，其他子系统采用通用成本关联。特别考虑了粒子换热器(PHX)三种成本模型的影响，并优化了太阳能倍数和储热容量。

2. Plant configurations
研究设计了额定净功率112MW_e的电站，选址南非北开普省。sCO₂循环在550°C和650°C两个涡轮进口温度(TIT)下进行评估，采用CentRec?离心粒子接收器技术，其多塔配置可减少光学损失。参考蒸汽循环基于商业成熟的单再热设计，TIT为550°C。

3. Modeling and simulations
离设计建模采用独特控制策略：通过调节冷却空气流量维持压缩机进口温度，调整压力保证容积流量稳定。结果表明sCO₂循环在高于设计环境温度时效率急剧下降，而蒸汽循环能更好利用低温环境提升效率。

4. Results
4.1. LCOE comparison
所有sCO₂配置的LCOE均高于参考系统9-13%。550°C时简单回热循环表现最佳，650°C时三种循环经济性相近。最优配置出现在太阳能倍数3.0-3.6和储热容量14-16h_FLE。

4.2. Comparison of component and subsystem costs
成本分解显示sCO₂系统仅在简单回热循环的间接成本方面有优势。其换热器成本显著高于蒸汽系统，特别是采用温度敏感型Carbo_02成本模型时，PHX成本随温度呈指数增长。

4.4. Optima of storage capacity and PHX temperature difference
PHX终端温差(TTD)优化表明，较低TTD(50K)可降低粒子流量和库存成本。但这一优化高度依赖PHX成本模型的选择，在"上限"模型中最佳TTD随太阳能倍数增加而增大。

4.5. Component cost sensitivity analysis
敏感性分析显示，即使sCO₂关键组件成本降低50%，其LCOE仍无法与蒸汽循环持平。换热器和压缩机成本是主要制约因素。

5. Conclusions
研究表明，在当前技术条件下，纯sCO₂循环在下一代CSP电厂中不具备成本优势。这主要源于：1)高压高温换热器和压缩机的昂贵成本；2)高效率循环的小温差导致储热系统成本增加。研究人员建议未来CSP开发不应局限于sCO₂循环，而应充分考虑先进蒸汽循环的潜力。该成果为价值数十亿美元的下一代太阳能热发电技术路线选择提供了关键数据支持，避免了可能的技术锁定风险。值得注意的是，在中小型系统或中温应用等特定场景中，sCO₂技术仍可能具有竞争优势，这为后续研究指明了方向。