槽式太陽能熱發(fā)電站系統(tǒng)配置的經(jīng)濟(jì)性分析

李 然，封春菲，田增華

(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120)

1 槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)及儲(chǔ)熱技術(shù)

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用槽式拋物面反射鏡聚光的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。其裝置是一種借助槽式拋物面反光鏡將太陽光反射并聚焦到集熱管上，加熱集熱管中的導(dǎo)熱流體，管中導(dǎo)熱流體通過換熱系統(tǒng)將水加熱成水蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電的清潔能源利用裝置。

雖然太陽能是巨大的能源寶庫，但到達(dá)地球表面的太陽輻射能量密度卻很低，而且輻射強(qiáng)度也不斷發(fā)生變化，具有顯著的稀薄性、間斷性和不穩(wěn)定性。為了提高系統(tǒng)發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性，需要設(shè)置熱能存儲(chǔ)(thermal energy storage,TES)裝置，在太陽能不足時(shí)將儲(chǔ)存的熱能釋放出來以滿足發(fā)電需求。

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中采用儲(chǔ)熱技術(shù)的目的是為了降低發(fā)電成本，提高發(fā)電的有效性，它可以實(shí)現(xiàn)：(1)容量緩沖；(2)可調(diào)度性和時(shí)間平移；(3)提高年利用率；(4)電力輸出更平穩(wěn)；(5)高效滿負(fù)荷運(yùn)行等。

現(xiàn)階段太陽能儲(chǔ)熱主要有三種形式，顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱。其中顯熱儲(chǔ)熱是目前技術(shù)最成熟且具有商業(yè)可行性的儲(chǔ)熱方式。顯熱儲(chǔ)熱又分為液體顯熱儲(chǔ)熱、固體顯熱儲(chǔ)熱、液——固聯(lián)合顯熱儲(chǔ)熱三種。目前在槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)中應(yīng)用較為普遍的是采用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，熔融鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì)的間接雙罐式儲(chǔ)熱系統(tǒng)，屬于液體顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)。

2 太陽倍數(shù)與儲(chǔ)熱時(shí)間對(duì)電站供電量影響分析

影響槽式太陽能熱發(fā)電站系統(tǒng)優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)性的因素很多，其中兩個(gè)重要的因素就是儲(chǔ)熱容量和太陽倍數(shù)。儲(chǔ)熱容量即太陽能熱發(fā)電站的儲(chǔ)熱小時(shí)數(shù)；太陽倍數(shù)則是指對(duì)于特定的設(shè)計(jì)點(diǎn)，太陽能集熱場(chǎng)輸出的熱功率與汽機(jī)額定熱功率之比，反映了集熱系統(tǒng)容量與發(fā)電系統(tǒng)容量之間的差別。太陽倍數(shù)與儲(chǔ)熱容量是相輔相承的，設(shè)置儲(chǔ)熱系統(tǒng)或者增加儲(chǔ)熱時(shí)間都需要增大太陽能集熱場(chǎng)面積，產(chǎn)生更多的熱量用于儲(chǔ)熱系統(tǒng)，因此，其太陽倍數(shù)也會(huì)隨之增加。例如，若取太陽倍數(shù)為1進(jìn)行太陽能集熱場(chǎng)與常規(guī)發(fā)電島容量相匹配，則在設(shè)計(jì)條件下，太陽能集熱場(chǎng)輸出的熱量剛好能滿足常規(guī)島額定負(fù)荷運(yùn)行；若以太陽能倍數(shù)為2進(jìn)行集熱場(chǎng)配置，則需要設(shè)置儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)條件下，一半的集熱場(chǎng)用于發(fā)電，另一半則用于儲(chǔ)熱系統(tǒng)；依此類推，太陽倍數(shù)可以取3或者4。太陽倍數(shù)與儲(chǔ)熱系統(tǒng)的關(guān)系見圖1。

圖1 太陽倍數(shù)與儲(chǔ)熱系統(tǒng)的關(guān)系示意圖

目前，國際已投運(yùn)的太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目總裝機(jī)容量約為3850 MW，采用槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的電站數(shù)量為59個(gè)，總?cè)萘考s為2984 MW，其中采用儲(chǔ)熱技術(shù)的電站數(shù)量為15個(gè)，總?cè)萘考s為935 MW。通過對(duì)比國際上幾個(gè)已投運(yùn)的槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目，西班牙Andasol槽式太陽能電站是西班牙最早的帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)電站，其配置了滿足機(jī)組額定負(fù)荷運(yùn)行約7.5小時(shí)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，每期工程太陽能集熱場(chǎng)面積達(dá)到51萬m2，太陽倍數(shù)為2；而美國SEGS系列槽式電站及內(nèi)華達(dá)Solar One電站均未設(shè)置儲(chǔ)熱系統(tǒng)，SEGS VI期電站規(guī)模30 MW)，VIII期(80 MW)，IX期(80 MW)電站和內(nèi)華達(dá)Solar One(64 MW)電站，均未設(shè)置儲(chǔ)熱系統(tǒng)，其太陽倍數(shù)為1。

表1 國際槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目?jī)?chǔ)熱時(shí)間與太陽倍數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

根據(jù)國外已建成的多個(gè)電站的發(fā)電情況，若當(dāng)?shù)刂苯虞椛銬NI約為2000 kWh/m2.a，槽式太陽能熱發(fā)電站在不設(shè)置儲(chǔ)熱系統(tǒng)的技術(shù)條件下，其機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)約在2000 h左右，若配置儲(chǔ)熱系統(tǒng)并增大太陽能集熱場(chǎng)面積(增大太陽倍數(shù))則可以延長電站每天運(yùn)行時(shí)間，增加電站機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)。

目前，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)開發(fā)的可再生能源模擬軟件System Advisor Model(SAM)可用于槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目前期的計(jì)算，可根據(jù)設(shè)置的集熱場(chǎng)參數(shù)及儲(chǔ)熱系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行太陽能熱發(fā)電站模擬運(yùn)行及發(fā)電量測(cè)算，是目前太陽能熱發(fā)電站前期設(shè)計(jì)階段普遍使用的計(jì)算工具。通過計(jì)算分析，太陽倍數(shù)(SM)與機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)的關(guān)系可暫按以下簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：H機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)；DNI當(dāng)?shù)刂苯虞椛淠贻椛淞?kWh/m2.a；SM太陽倍數(shù)。

下面以太陽能資源相對(duì)豐富的內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)為例，針對(duì)采用熔融鹽雙罐間接儲(chǔ)熱技術(shù)的50 MW純槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)分析太陽倍數(shù)與儲(chǔ)熱時(shí)間對(duì)電站供電量的影響。

內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)太陽能資源較豐富，太陽輻射量大，日照時(shí)數(shù)長，日照百分率高。開發(fā)和利用長久、清潔、無污染的太陽能資源潛力較大，具有利用太陽能的良好條件。該地區(qū)全年直接輻射DNI約1920 kWh/m2，全年總輻射GHI約1610 kWh/m2，全年平均氣溫 8.0℃，全年平均風(fēng)速3.3 m/s。

以內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)的光資源等邊界條件，對(duì)于50 MW槽式儲(chǔ)熱太陽能熱發(fā)電站，分別按太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間為基準(zhǔn)，用SAM軟件進(jìn)行供電量模擬，繪制供電量隨太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間的變化曲線見圖2。

圖2 供電量與太陽倍數(shù)(SM)關(guān)系曲線

由圖2可以看出，在同樣儲(chǔ)熱時(shí)間的條件下，槽式太陽能熱發(fā)電站供電量隨著太陽倍數(shù)的增加而增加，這是由于隨著太陽倍數(shù)的增加，槽式太陽能集熱場(chǎng)面積增大，可以輸出更多的熱量，延長了每日電站的運(yùn)行時(shí)間，其年供電量有所增加。

圖3 供電量與儲(chǔ)熱時(shí)間關(guān)系曲線

由圖3可以看出，在相同的集熱場(chǎng)面積的條件下，電站供電量隨著儲(chǔ)熱時(shí)間的增加而增加，但是儲(chǔ)熱時(shí)間增加而帶來的電站供電量的增加并不是無限制的，當(dāng)增加到一定程度后，增加儲(chǔ)熱時(shí)間不會(huì)引起供電量的增加，甚至由于儲(chǔ)熱系統(tǒng)保溫電伴熱要消耗一定的廠用電而導(dǎo)致供電量有所下降。

綜上所述，槽式太陽能熱發(fā)電站供電量隨著太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間的增加而增加，但在太陽倍數(shù)一定的條件下，供電量隨儲(chǔ)熱時(shí)間的增加是有峰值的，達(dá)到該值以后，即使增加儲(chǔ)熱時(shí)間，供電量也不會(huì)繼續(xù)增加。

3 太陽倍數(shù)與儲(chǔ)熱時(shí)間對(duì)電站經(jīng)濟(jì)性影響分析

通過上述分析得到了電站發(fā)電量隨太陽倍數(shù)與儲(chǔ)熱時(shí)間的變化關(guān)系，但對(duì)于槽式太陽能熱發(fā)電站設(shè)計(jì)來說，其最主要的目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目電價(jià)最優(yōu)化。雖然增加太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間會(huì)使供電量增加，給電站帶來收益，但同時(shí)其項(xiàng)目初期投資也會(huì)隨著太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間的增加而增大。在投資和收益之間如何找到最優(yōu)的平衡點(diǎn)，是在電站設(shè)計(jì)階段需要優(yōu)化和解決的主要問題。

3.1 投資與財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)模型

當(dāng)前上網(wǎng)電價(jià)的測(cè)算方法大致有以下幾種：根據(jù)財(cái)務(wù)水平測(cè)算，應(yīng)用邊際成本法測(cè)算，建立模型測(cè)算等等。各種方法都存在不同程度的利弊，對(duì)于同一個(gè)發(fā)電項(xiàng)目，由于所選定的方法和考慮問題的角度不同，其上網(wǎng)電價(jià)相差很大。

目前，我國火力發(fā)電項(xiàng)目應(yīng)用較多的上網(wǎng)電價(jià)測(cè)算方法為根據(jù)財(cái)務(wù)水平測(cè)算上網(wǎng)電價(jià)。財(cái)務(wù)成本定價(jià)法屬會(huì)計(jì)學(xué)定價(jià)模式，即：

其中：發(fā)電成本=生產(chǎn)成本+財(cái)務(wù)費(fèi)用

總成本=固定資產(chǎn)的折舊費(fèi)+營運(yùn)費(fèi)+各種稅收+利潤。其中，營運(yùn)費(fèi)包括：燃料費(fèi)、水費(fèi)、維修費(fèi)、人工服務(wù)費(fèi)、員工工資福利費(fèi)以及外購電等有效經(jīng)營所必需的費(fèi)用。

財(cái)務(wù)成本電價(jià)也稱為還本付息電價(jià)，是根據(jù)國家現(xiàn)行的財(cái)稅制度和現(xiàn)行價(jià)格，以電力項(xiàng)目的實(shí)際造價(jià)為基礎(chǔ)，測(cè)算其他各項(xiàng)費(fèi)用，在保證補(bǔ)償成本、多納稅金和一定財(cái)務(wù)盈利的前提下，測(cè)算上網(wǎng)電價(jià)。其測(cè)算思路為：電價(jià)為售電收入與供電量之比，而銷售收入是總成本費(fèi)用、銷售利潤、銷售稅金的總和，這樣單位電價(jià)就是總成本費(fèi)用、銷售稅金的和除以售電童。這種定價(jià)模式著眼于賬面上的年度平衡，即會(huì)計(jì)成本加利潤。

3.2 總投資分析

項(xiàng)目總投資是影響項(xiàng)目收益的因素之一，對(duì)于槽式光熱項(xiàng)目來說，其總投資主要由集熱場(chǎng)費(fèi)用、導(dǎo)熱油系統(tǒng)費(fèi)用、儲(chǔ)熱系統(tǒng)費(fèi)用、全廠BOP費(fèi)用及其他費(fèi)用等，其中，集熱場(chǎng)費(fèi)用、導(dǎo)熱油系統(tǒng)費(fèi)用和儲(chǔ)熱系統(tǒng)費(fèi)用3項(xiàng)費(fèi)用總和占到總投資55%以上。由此可見，集熱場(chǎng)、導(dǎo)熱油系統(tǒng)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的費(fèi)用成為決定槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目總體投資水平的決定性因素。

通過上文的分析可知，太陽倍數(shù)(SM)和儲(chǔ)熱時(shí)間均影響槽式太陽能集熱場(chǎng)面積，因此項(xiàng)目總體投資水平也隨著兩者的變化而變化。圖4和圖5分析了50 MW槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目總體投資水平與太陽倍數(shù)(SM)和儲(chǔ)熱時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 項(xiàng)目總體投資隨太陽能倍數(shù)(SM)變化關(guān)系

由圖8可以看出，在儲(chǔ)熱時(shí)間不變，即儲(chǔ)熱系統(tǒng)費(fèi)用不變情況下，項(xiàng)目總體投資隨太陽倍數(shù)的增加而增加，且?guī)缀醭示€性增加趨勢(shì)，這主要是由于集熱場(chǎng)和導(dǎo)熱油系統(tǒng)費(fèi)用占項(xiàng)目總體投資較大，集熱場(chǎng)和導(dǎo)熱油系統(tǒng)的費(fèi)用變化會(huì)引起總體投資較大的變化。

圖5 項(xiàng)目總體投資隨儲(chǔ)熱時(shí)間變化關(guān)系

由圖5可以看出，在太陽倍數(shù)不變，即集熱場(chǎng)規(guī)模及費(fèi)用不變，項(xiàng)目總體投資隨熱儲(chǔ)熱時(shí)間的增加而增加。

以國際通用的50 MW裝機(jī)規(guī)模，帶8 h儲(chǔ)熱系統(tǒng)為例，其各系統(tǒng)占總投資比例見圖6。

圖6 槽式太陽能熱發(fā)電工程投資構(gòu)成示意圖

3.3 財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)分析

電價(jià)是衡量項(xiàng)目盈利性的決定性因素，在相同的收益率的條件下，較低的上網(wǎng)電價(jià)可提高項(xiàng)目上網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。而太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間在很大程度上影響著電站的總體投資和發(fā)電量，進(jìn)而影響上網(wǎng)電價(jià)的高低。

以內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)外部條件，以50MW槽式太陽能熱發(fā)電站為例討論太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間對(duì)上網(wǎng)電價(jià)的影響。計(jì)算的邊界條件如下：

(1)參照《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》(第三版)、《投資項(xiàng)目可行性研究指南》及現(xiàn)行的有關(guān)財(cái)稅政策，對(duì)槽式太陽能熱發(fā)電工程方案進(jìn)行財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)。

(2)槽式太陽能熱發(fā)電工程方案的資本金按占全部投資的20%，其余80%投資通過融資渠道解決。

(3)根據(jù)中國人民銀行最新發(fā)布的人民幣貸款基準(zhǔn)利率，各項(xiàng)目國內(nèi)融資貸款利率取6.15%，貸款寬限期為工程建設(shè)期，建設(shè)期利息計(jì)入本金，寬限期后每年按貸款本金等額償還。

(4)槽式太陽能塔式熱發(fā)電工程方案上網(wǎng)電價(jià)是在投資方內(nèi)部收益率為10%，滿足發(fā)電成本，稅金，盈余公積金及貸款償還15年及注資分利的條件下進(jìn)行測(cè)算的。

在以上的邊界條件下，針對(duì)太陽倍數(shù)從1.2至3.0，以0.2為增量，儲(chǔ)熱時(shí)間0 h至15 h不同系統(tǒng)配置及年發(fā)電量，對(duì)應(yīng)的上網(wǎng)電價(jià)變化曲線見圖7。

圖7 電價(jià)隨儲(chǔ)熱時(shí)間及太陽倍數(shù)變化曲線

由圖11可以看出，在相同的太陽倍數(shù)下，對(duì)應(yīng)不同的儲(chǔ)熱時(shí)間，上網(wǎng)電價(jià)是先下降再上揚(yáng)的趨勢(shì)，也就說在同一個(gè)太陽倍數(shù)下，從不帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)開始，隨著儲(chǔ)熱時(shí)間的增加，項(xiàng)目發(fā)電量逐漸增加，電價(jià)是逐漸降低的；當(dāng)電價(jià)降低到臨界點(diǎn)時(shí)，若繼續(xù)增大儲(chǔ)熱系統(tǒng)，由于集熱場(chǎng)面積并未隨之增加，因此電站發(fā)電量并無明顯增加，電價(jià)隨之反而增加。

綜合考慮各種因素，以國際上較為常見的50 MW規(guī)模和約50000 m2集熱場(chǎng)開口面積為例(SM=1.8)，儲(chǔ)熱時(shí)間對(duì)電價(jià)的影響曲線見圖8。

圖8 SM=1.8時(shí)儲(chǔ)熱時(shí)間對(duì)電價(jià)的影響曲線

由圖8可以看出，在太陽倍數(shù)為1.8的條件下，其對(duì)應(yīng)集熱場(chǎng)開口面積為506850 m2，在儲(chǔ)熱時(shí)間8 h的條件下，項(xiàng)目電價(jià)最低。目前，西班牙多個(gè)50 MW槽式電站集熱場(chǎng)開口面積均為50000 m2并帶8 h儲(chǔ)熱系統(tǒng)，本方案與國際上帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的槽式電站結(jié)論一致。

4 結(jié)論

儲(chǔ)熱時(shí)間與太陽倍數(shù)(SM)是影響槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的兩個(gè)重要因素，本文提出了儲(chǔ)熱時(shí)間與太陽倍數(shù)對(duì)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)供電量及經(jīng)濟(jì)性的影響關(guān)系，并基于內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)外部輻射及氣象條件進(jìn)行了案例分析。根據(jù)分析得到以下結(jié)論：

槽式太陽能熱發(fā)電站供電量隨著太陽倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間的增加而增加；在太陽倍數(shù)不變的條件下，供電量隨儲(chǔ)熱時(shí)間的增加是有峰值的，達(dá)到該值以后，即使增加儲(chǔ)熱時(shí)間，供電量也不會(huì)繼續(xù)增加。

槽式太陽能熱發(fā)電站總體投資水平隨著在儲(chǔ)熱時(shí)間或太陽倍數(shù)的增加而增加，且集熱場(chǎng)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的投資占全部投資的50%以上。對(duì)于國際上較為普遍的50 MW規(guī)模配置8h儲(chǔ)熱系統(tǒng)的槽式太陽能熱發(fā)電站來說，其集熱場(chǎng)和儲(chǔ)熱系統(tǒng)投資分別占總投資50%和15%以上。

通過分析儲(chǔ)熱時(shí)間與太陽倍數(shù)對(duì)上網(wǎng)電價(jià)的影響可知，在相同的太陽倍數(shù)下，對(duì)應(yīng)不同的儲(chǔ)熱時(shí)間上網(wǎng)電價(jià)是先降低后上升的趨勢(shì)；在太陽倍數(shù)為1.8的條件下，其對(duì)應(yīng)集熱場(chǎng)開口面積為506850 m2，在儲(chǔ)熱時(shí)間8h的條件下，項(xiàng)目電價(jià)最低，與西班牙多個(gè)50MW槽式電站結(jié)論一致。

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