太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量配置優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣 浩，馮云崗

（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025）

由于受到季節(jié)、氣候、晝夜、地理緯度和海拔高度等的影響，太陽(yáng)輻射是間斷且不穩(wěn)定的，要使太陽(yáng)能能夠持續(xù)穩(wěn)定的被利用，采用合適的儲(chǔ)能技術(shù)是關(guān)鍵因素。太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)中采用儲(chǔ)熱技術(shù)的目的主要為了降低發(fā)電成本以提高發(fā)電的有效性，通過(guò)合理的配置運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)容量緩沖、可調(diào)度性和時(shí)間平移、提高年利用率、電力輸出更平穩(wěn)、高效滿負(fù)荷運(yùn)行等方面的效果。因此，儲(chǔ)熱技術(shù)是太陽(yáng)能熱電站成功走向市場(chǎng)化，并且能與傳統(tǒng)電力相進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)關(guān)鍵要素，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量配置、系統(tǒng)優(yōu)化研究非常有必要。

1 儲(chǔ)熱技術(shù)研究

按照熱能存儲(chǔ)方式的不同，太陽(yáng)能高溫儲(chǔ)熱技術(shù)可以分為顯熱儲(chǔ)熱、相變儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)熱儲(chǔ)熱3種方式。

1.1 顯熱儲(chǔ)熱

顯熱儲(chǔ)熱主要是通過(guò)儲(chǔ)熱材料溫度的上下變化而存儲(chǔ)熱能，這是3種熱能存儲(chǔ)方式中原理最簡(jiǎn)單、技術(shù)最成熟、材料來(lái)源最豐富、成本最低廉的一種，并且具有商業(yè)可行性。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3種。

（1）液體顯熱儲(chǔ)熱。槽式太陽(yáng)能光熱電站帶的儲(chǔ)熱系統(tǒng)通常有直接儲(chǔ)熱和間接儲(chǔ)熱2種形式。直接儲(chǔ)熱系統(tǒng)采用熔融鹽液既作為傳熱介質(zhì)又作為顯熱儲(chǔ)熱材料的方式，無(wú)油-鹽換熱器；間接儲(chǔ)熱常采用合成油作為傳熱介質(zhì)，熔融鹽液作為顯熱儲(chǔ)熱材料，傳熱介質(zhì)與儲(chǔ)熱材料之間有油-鹽換熱器。直接儲(chǔ)熱系統(tǒng)可以節(jié)省油-鹽換熱，減少換熱步驟，避免了傳熱介質(zhì)與儲(chǔ)熱材料之間的不良換熱，而且適用于400～500℃的高溫工況，但需采用隔熱和伴熱的方法防止凍結(jié)，導(dǎo)致初期投資與運(yùn)行維護(hù)成本過(guò)大；間接儲(chǔ)熱系統(tǒng)綜合考慮了防凍與儲(chǔ)熱材料成本問(wèn)題。

儲(chǔ)熱材料通常采用合成物或共晶混合物，如60%NaNO3+40%KNO3的硝酸鹽混合物、二苯基氧（Therminol VP-1）、Hitec（53%KNO3+7%NaNO3+40%NaNO2）、Hitec XL（45%KNO3+48%Ca（NO3）2+7%NaNO3）等。考慮到合成油分解溫度低，熔融鹽熔點(diǎn)高、易凍結(jié)等問(wèn)題，現(xiàn)階段新研制的室溫離子液體（Room Temperature I-onic Liquid，RTIL）等材料已進(jìn)入試驗(yàn)階段。

（2）固體顯熱儲(chǔ)熱。固體儲(chǔ)熱系統(tǒng)包括儲(chǔ)熱材料、高溫傳熱流體和嵌入固體材料的圓管式換熱管組成。在儲(chǔ)熱工況時(shí)，熱流體沿著換熱管流動(dòng)把高溫?zé)崮軅鬟f到儲(chǔ)熱材料中。在放熱工況時(shí)，冷流體沿著相反方向流動(dòng)把儲(chǔ)熱材料中的熱能吸收到流體中用來(lái)發(fā)電。

（3）液—固聯(lián)合顯熱儲(chǔ)熱。為了降低槽式系統(tǒng)中的雙罐熔融鹽液間接儲(chǔ)熱裝置的固定投資成本，目前研制出了斜溫層單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)。斜溫層單罐是利用密度與溫度冷熱的關(guān)系，當(dāng)高溫熔融鹽液在罐的頂部被高溫泵抽出，經(jīng)過(guò)油鹽換熱器冷卻后，由罐的底部進(jìn)入罐內(nèi)時(shí)，或者當(dāng)?shù)蜏厝廴邴}液在罐的底部被低溫泵抽出，經(jīng)過(guò)油鹽換熱器加熱后，由罐的頂部進(jìn)入罐內(nèi)時(shí)，在罐的中間會(huì)存在一個(gè)溫度梯度很大的自然分層，即斜溫層。斜溫層以上熔融鹽液保持高溫，斜溫層以下熔融鹽液保持低溫，隨著熔融鹽液的不斷抽出，斜溫層會(huì)上下移動(dòng)，抽出的熔融鹽液能夠保持恒溫，當(dāng)斜溫層到達(dá)罐的頂部或底部時(shí)，抽出的熔融鹽液的溫度會(huì)發(fā)生顯著變化。該系統(tǒng)采用了液態(tài)儲(chǔ)熱材料NaNO3與KNO3的熔融鹽混合物與固態(tài)儲(chǔ)熱材料石英巖、硅質(zhì)沙。

1.2 相變儲(chǔ)熱

相變儲(chǔ)熱主要是利用儲(chǔ)熱材料發(fā)生相變時(shí)吸收或放出的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。該系統(tǒng)具有相變潛熱大、相變溫區(qū)窄，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。相變儲(chǔ)熱主要有以下兩種情形。

（1）DSG槽式系統(tǒng)中采用單一相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱方式。該系統(tǒng)主要采用230～330℃的加膨脹石墨的復(fù)合相變材料，應(yīng)用微膠囊技術(shù)以及設(shè)計(jì)逆流相變儲(chǔ)熱換熱器，達(dá)到降低成本的目的。

（2）在采用合成油作為傳熱介質(zhì)的槽式系統(tǒng)中，采用級(jí)聯(lián)相變儲(chǔ)熱的方案以及相變儲(chǔ)熱材料／顯熱儲(chǔ)熱材料／相變儲(chǔ)熱材料的混合儲(chǔ)熱方案。該儲(chǔ)熱裝置采用3個(gè)豎立的串聯(lián)殼管換熱器，殼內(nèi)分別放置了 KNO3、KNO3／KCl、NaNO3三種相變儲(chǔ)熱材料。

1.3 化學(xué)反應(yīng)熱儲(chǔ)熱

化學(xué)反應(yīng)熱儲(chǔ)熱是指利用可逆化學(xué)反應(yīng)的結(jié)合熱儲(chǔ)存熱能。此種儲(chǔ)熱方式具有儲(chǔ)能密度高、可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。可逆熱化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱雖然具有儲(chǔ)能密度大的特點(diǎn)，但由于應(yīng)用技術(shù)和工藝太復(fù)雜存在許多不確定性。常采用的方式有利用氫氧化鈣分解成氧化鈣和水的逆反應(yīng)、氨的分解與合成來(lái)儲(chǔ)熱。

1.4 適用于不同傳熱工質(zhì)光熱電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)儲(chǔ)熱技術(shù)的分析研究，總結(jié)出適用于不同傳熱工質(zhì)的光熱電站的儲(chǔ)能系統(tǒng)具體如下。

（1）對(duì)于水作為傳熱工質(zhì)的光熱電站：雙罐間接儲(chǔ)熱、單罐熔融鹽溫躍層儲(chǔ)熱、飽和水儲(chǔ)熱、混凝土／陶瓷固體儲(chǔ)熱。

（2）對(duì)于導(dǎo)熱油作為傳熱工質(zhì)的光熱電站：雙罐間接儲(chǔ)熱、單罐熔融鹽溫躍層儲(chǔ)熱、混凝土／陶瓷固體儲(chǔ)熱。

（3）對(duì)于熔融鹽作為傳熱工質(zhì)的光熱電站：雙罐直接儲(chǔ)熱、單罐熔融鹽溫躍層儲(chǔ)熱、混凝土／陶瓷固體儲(chǔ)熱。

通過(guò)儲(chǔ)熱技術(shù)分析及相關(guān)案例總結(jié)得到，雙罐熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成熟，風(fēng)險(xiǎn)性較小，是近期發(fā)展的主要候選對(duì)象，相變儲(chǔ)熱將是中長(zhǎng)期的優(yōu)先研究對(duì)象，而化學(xué)反應(yīng)熱儲(chǔ)熱目前僅具備部分競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)收集現(xiàn)有儲(chǔ)熱系統(tǒng)案例，綜合考慮光熱電站運(yùn)行特點(diǎn)、多種儲(chǔ)熱系統(tǒng)可行性及安全性，雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)為現(xiàn)階段技術(shù)相對(duì)成熟、安全可靠的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，并且現(xiàn)有運(yùn)行案例較多。因此，本文主要針對(duì)雙罐熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的配置容量進(jìn)行研究分析。

2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量分析模型

儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量配置研究基于太陽(yáng)能發(fā)電量計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立經(jīng)濟(jì)型分析模型，以求獲得最佳的儲(chǔ)熱配置比例，儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量分析邏輯圖如圖1所示。其主要分析步驟如下。

（1）通過(guò)太陽(yáng)能輻射資料輸入，分析計(jì)算得站址所在地代表年逐時(shí)太陽(yáng)能法向直接輻照量（DNI）。

（2）通過(guò)集熱器熱損、光學(xué)損失以及鏡場(chǎng)面積的輸入，分析計(jì)算得鏡場(chǎng)逐時(shí)所吸收的總熱量。

（3）通過(guò)對(duì)逐時(shí)鏡場(chǎng)吸收的熱量是否滿足汽輪機(jī)發(fā)電需求熱量進(jìn)行判斷。如滿足則將該熱量輸入蒸發(fā)及發(fā)電系統(tǒng)；如不滿足，則再對(duì)該熱量是否滿足儲(chǔ)熱熱量需求進(jìn)行判斷，如滿足則將該熱量輸入儲(chǔ)熱系統(tǒng)，如不滿足則棄光。

（4）通過(guò)對(duì)蒸發(fā)系統(tǒng)以及儲(chǔ)熱系統(tǒng)所提供的熱量進(jìn)行輸入，分析計(jì)算光熱電站逐時(shí)上網(wǎng)電量。

（5）通過(guò)對(duì)上網(wǎng)電量、投資估算進(jìn)行分析，判斷其是否為效益最佳，如果達(dá)到最高收益，則再根據(jù)其棄光率總結(jié)出最佳儲(chǔ)熱容量配置，如果未達(dá)到理想收益，則再對(duì)儲(chǔ)熱容量進(jìn)行更改，重復(fù)以上步驟，直至計(jì)算出最佳結(jié)果。

3 經(jīng)濟(jì)性模型

經(jīng)濟(jì)性模型根據(jù)差額收益率的分析方式進(jìn)行建立，分析內(nèi)容主要包括集熱陣鏡場(chǎng)、占地面積、支架基礎(chǔ)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)4個(gè)方面。

3.1 固定成本模型

根據(jù)系統(tǒng)配置方案，主要設(shè)備包括集熱陣鏡片、支架及基礎(chǔ)、集熱管、儲(chǔ)罐、熔鹽泵等工藝設(shè)施。根據(jù)廠家的調(diào)研數(shù)據(jù)，各工藝系統(tǒng)的固定成本投資如表1所示。

表1 固定成本投資費(fèi)用

鏡場(chǎng)部分及油系統(tǒng)中包括新增鏡片、集熱管、導(dǎo)熱油、膨脹溢流系統(tǒng)、電氣及熱工控制系統(tǒng)、管道及保溫等；支架及基礎(chǔ)包括新增支架、跟蹤系統(tǒng)、土建支墩等；儲(chǔ)熱系統(tǒng)包括新增熔鹽罐、熔鹽泵、熔鹽、熔鹽換熱器、土建支墩、電氣及熱工控制系統(tǒng)、管道及保溫等；土地費(fèi)用包括新增征地費(fèi)用。除此之外，各系統(tǒng)中已包括各新增部分的設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、安裝工程費(fèi)以及建筑工程費(fèi)，除此之外還包括項(xiàng)目建設(shè)管理費(fèi)、項(xiàng)目建設(shè)技術(shù)服務(wù)費(fèi)、分系統(tǒng)調(diào)試及整套啟動(dòng)試運(yùn)費(fèi)、生產(chǎn)準(zhǔn)備費(fèi)、大件運(yùn)輸特殊措施費(fèi)以及基本預(yù)備費(fèi)。

3.2 運(yùn)行成本模型

在運(yùn)行成本模型中：①綜合折舊率按20年考慮為4.75%；保修期為5年，在保修期間修理費(fèi)率取0.7%，保修期滿后20年正常修理費(fèi)率取設(shè)備費(fèi)的1.5%、建安及其他費(fèi)用的0.5%；②模型中計(jì)算期取26年，其中建設(shè)期1年，生產(chǎn)期25年；③電站職工人數(shù)70人，人均年工資按60 000元估算，福利費(fèi)提取率14%，勞保統(tǒng)籌和住房基金提取率分別為37%和12%；保險(xiǎn)費(fèi)率取0.25%；（4）材料費(fèi)20元／kW，其他費(fèi)用30元／kW；⑤上網(wǎng)電價(jià)按1.2元／kWh，天然氣價(jià)按3.13元／Nm3；⑥廠用電率取10%。

3.3 財(cái)務(wù)分析模型

按動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行分析，根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行財(cái)稅制度和現(xiàn)行價(jià)格，按國(guó)家發(fā)改委和建設(shè)部頒發(fā)的《建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)》（第三版）等要求，同時(shí)采用了有關(guān)規(guī)定要求的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)等。

（1）增值稅：根據(jù)《中華人民共和國(guó)增值稅暫行條例（2008）》規(guī)定，企業(yè)采購(gòu)固定資產(chǎn)（除建筑物、構(gòu)筑物和消費(fèi)用品外），均可以享受抵扣增值稅的政策，在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中的設(shè)備、材料的采購(gòu)的進(jìn)項(xiàng)稅額，按年度的應(yīng)繳增值稅額抵扣。

（2）所得稅：按基礎(chǔ)稅率25%計(jì)取。

（3）稅金：電力工程繳納的稅金包括增值稅、銷售稅金附加、所得稅。其中，增值稅為價(jià)外稅，稅率為17%。

（4）銷售稅金附加包括城市維護(hù)建設(shè)稅和教育費(fèi)附加，以增值稅稅額為基礎(chǔ)征收，按規(guī)定稅率分別采用5%和3%，本項(xiàng)目另有地方教育附加費(fèi)2%。

表2 各儲(chǔ)熱容量下投資估算及系統(tǒng)參數(shù)

（5）利潤(rùn)及利潤(rùn)分配的估算。利潤(rùn)總額（稅前利潤(rùn)）=發(fā)電收入-銷售稅金附加-總成本費(fèi)用。能源站的總成本費(fèi)用主要包括折舊費(fèi)、修理費(fèi)、工資與福利、材料費(fèi)、其他費(fèi)用、財(cái)務(wù)費(fèi)用等。經(jīng)營(yíng)成本=總成本-折舊、財(cái)務(wù)費(fèi)用。稅后利潤(rùn)=利潤(rùn)總額-所得稅。利潤(rùn)分配的原則是利潤(rùn)總額在彌補(bǔ)五年內(nèi)的以前年度虧損，并交納所得稅后進(jìn)行利潤(rùn)分配。

4 容量配比分析

儲(chǔ)熱容量分析模型中太陽(yáng)能光熱電站裝機(jī)容量暫考慮按50MW進(jìn)行計(jì)算，分析儲(chǔ)熱時(shí)間從0至8h的情況下，所增加的SCA回路、年發(fā)電量、占地面積、鏡場(chǎng)投資、支架系統(tǒng)投資、土地費(fèi)用、儲(chǔ)能系統(tǒng)投資、差額內(nèi)部收益率、增量回收期等變化趨勢(shì)，選擇儲(chǔ)熱系統(tǒng)的最佳占比。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行分析計(jì)算，得到各儲(chǔ)熱容量下系統(tǒng)數(shù)據(jù)、投資估算及差額內(nèi)部收益率如表2所示。

根據(jù)分析所得到的各儲(chǔ)熱小時(shí)情況下項(xiàng)目差額投資財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率的數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖2所示。由圖2可以看出，當(dāng)儲(chǔ)熱小時(shí)達(dá)到3h時(shí)，項(xiàng)目收益最佳；在1～4h經(jīng)濟(jì)效益變化幅度不大，保持在穩(wěn)定收益狀況。

不同儲(chǔ)熱容量配置情況下棄光率曲線如圖3所示。由圖3可以看出，儲(chǔ)熱容量配置在2～4h時(shí)，棄光率達(dá)到最低，4h以后棄光率又逐漸增大。因此，從經(jīng)濟(jì)性、太陽(yáng)能棄光率、綜合利用小時(shí)等方面綜合考慮，儲(chǔ)熱容量配置在2～4h區(qū)域內(nèi)為光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)較優(yōu)占配置區(qū)間。

圖2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)各容量下全投資內(nèi)部收益率曲線

圖3 儲(chǔ)熱系統(tǒng)各容量下棄光率曲線

由于儲(chǔ)熱系統(tǒng)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是按給定的基本資料對(duì)經(jīng)營(yíng)期給定參考電價(jià)、投資，計(jì)算項(xiàng)目產(chǎn)出電量的效益作為收入進(jìn)行測(cè)算的，考慮在今后的建設(shè)和投產(chǎn)后，某些條件可能發(fā)生變化，為了預(yù)測(cè)外界有關(guān)因素變化對(duì)工程經(jīng)濟(jì)效益的影響程度，現(xiàn)對(duì)差額投資、電價(jià)及差額發(fā)電量對(duì)差額內(nèi)部收益率等指標(biāo)的影響程度作敏感性分析，統(tǒng)計(jì)的分析曲線如4所示。

圖4 儲(chǔ)熱系統(tǒng)各容量下敏感性分析曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看出，差額發(fā)電量變化對(duì)差額內(nèi)部收益率曲線的影響很大，當(dāng)電價(jià)、差額投資以及差額發(fā)電量上浮及下調(diào)10%時(shí)，儲(chǔ)熱容量配置基本在2～3h時(shí)收益最佳。可見(jiàn)，由于價(jià)格為市場(chǎng)的不可控因素，項(xiàng)目本身應(yīng)根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格，選擇合適的儲(chǔ)能容量配置以提升經(jīng)濟(jì)效益。

由于太陽(yáng)能的不可預(yù)測(cè)性，將對(duì)太陽(yáng)能儲(chǔ)熱系統(tǒng)的配置有很大影響，如太陽(yáng)能光照資源欠佳，則直接導(dǎo)致鏡場(chǎng)大小、儲(chǔ)熱系統(tǒng)的配置以及發(fā)電量，本報(bào)告對(duì)太陽(yáng)能資源的不穩(wěn)定性在各儲(chǔ)熱容量配置情況下的影響作敏感性分析。太陽(yáng)能資源的變化主要影響的是光熱電站的發(fā)電量，因此，本報(bào)告將太陽(yáng)能光照資源中最大影響因素因子（DNI）的浮動(dòng)，在各儲(chǔ)熱容量配置下的差額收益率作為展現(xiàn)形式進(jìn)行分析，得到各儲(chǔ)熱容量下差額收益率及棄光率變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，當(dāng)DNI自-25%～5%變化時(shí)，3h儲(chǔ)熱容量差額內(nèi)部收益率最大，2h儲(chǔ)熱容量及4h儲(chǔ)熱容量次之。當(dāng)DNI自-5%～15%變化時(shí)，3h儲(chǔ)熱容量差額內(nèi)部收益率依舊最大，2h儲(chǔ)熱容量及1h儲(chǔ)熱容量排列二、三位。當(dāng)DNI變化大于15%時(shí)，1h儲(chǔ)熱容量差額內(nèi)部收益率達(dá)到最大，3h儲(chǔ)熱容量及2h儲(chǔ)熱容量次之，但兩者差距不大。

從圖6中可以看出，當(dāng)DNI降幅超過(guò)30%時(shí)，儲(chǔ)熱容量大于3h基本棄光率為0%，1h儲(chǔ)熱容量棄光率較大。當(dāng)DNI自-20%至5%變化時(shí)，3h儲(chǔ)熱容量棄光率最小，2h儲(chǔ)熱容量及4h儲(chǔ)熱容量次之。當(dāng)DNI變化大于5%時(shí)，2h儲(chǔ)熱容量棄光率最小，3h儲(chǔ)熱容量及4h儲(chǔ)熱容量次之。

通過(guò)分析可以看出，DNI在設(shè)計(jì)點(diǎn)周圍浮動(dòng)時(shí)，2～4h儲(chǔ)熱容量差額效益最高，且棄光率較小。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）儲(chǔ)熱容量配置在2～4h區(qū)域內(nèi)，項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益較好，且變化幅度不大，同時(shí)，棄光率達(dá)到最低，為光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)配置較優(yōu)區(qū)間。

（2）通過(guò)對(duì)差額投資、電價(jià)及差額發(fā)電量對(duì)差額內(nèi)部收益率等指標(biāo)的影響程度作敏感性分析，發(fā)現(xiàn)差額發(fā)電量變化對(duì)差額內(nèi)部收益率曲線的影響很大，當(dāng)電價(jià)、差額投資以及差額發(fā)電量上浮及下調(diào)10%時(shí)，儲(chǔ)熱容量配置基本在2～3h時(shí)收益最佳。

（3）通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能資源的不穩(wěn)定性在各儲(chǔ)熱容量配置情況下的影響作敏感性分析，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)熱容量配置在2～4h區(qū)域內(nèi)，差額內(nèi)部收益率較優(yōu)，且棄光率較小。

綜上所述，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及光資源利用率，儲(chǔ)熱容量配置在2～3h時(shí)較理想，如考慮光資源利用率最高或電站全天24h穩(wěn)定運(yùn)行，則可配置較大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

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