塔式太陽能光熱電站經濟效益分析

李 冉

中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司

0 引言

隨著全球經濟的高速發展，化石能源的消耗量日益增加，隨之而來的環境惡化、氣候變暖等環境問題日益突出，發展綠色低碳環保的可再生能源技術已成為各國追求的新目標。

太陽能作為可再生能源中的主力，具有其自身獨特的優勢。太陽能發電技術可分為光伏發電和現有電網。太陽能光熱發電具有規模化優勢，建設規模越大，單位收益將增加越多。我國的太陽能光熱產業經過近幾十年的持續發展，已渡過了發展導入期，即將進入大規模發展的成長期。

1 太陽能光熱發電技術

1.1 太陽能光熱發電技術現狀

太陽能光熱發電技術是采用大規模的反射鏡用于反射集聚的太陽能，將太陽能轉化為熱能再經常規的熱力循環工作流程將熱能轉化為電能。

常見的太陽能光熱發電技術有槽式、塔式、碟式三種形式。

槽式太陽能熱發電系統把太陽光以線聚焦的方式反射到集熱管表面，進而對管內的傳熱流體進行加熱，達到足夠溫度的傳熱流體再通過蒸汽發生器后將熱量傳遞給蒸汽，通過常規熱力循環進行發電[3]。

塔式光熱發電系統即是在發電站中安裝成千上萬面可以將太陽光反射到特定位置的定日鏡，每面定日鏡都配有自動跟蹤的結構并獨立進行跟蹤太陽所在位置，每天定日鏡通過反射將太陽光反射到塔頂部的集熱器[4]。集熱器將吸收到的太陽能轉化為熱能加熱工質，通過熱力循環進行發電。

碟式太陽能熱發電是通過雙軸驅動跟蹤裝置驅動碟式聚光器，拋物面反射鏡面將太陽輻射聚焦到焦點處的集熱器上，然后利用布雷頓循環將熱能傳給熱傳導工質并使之受熱汽化，產生蒸汽后驅動發電機工作產生電能[3]。

其中，塔式和碟式是目前采用的主流技術，適用于大規模、發電容量較大的電站。

我國的太陽能光熱電站主要集中在西部太陽能光照資源豐富的地區。2016年9月14日，國家能源局正式發布了《國家能源局關于建設太陽能熱發電示范項目的通知》，確定第一批20個太陽能熱發電示范項目名單，包括9個塔式電站、7個槽式電站和4個菲涅爾電站，總裝機134.9萬kW[3]。

1.2 塔式太陽能光熱電站

塔式太陽能光熱電站如圖1所示，采用大規模的定日鏡，跟蹤太陽光并將太陽光反射至中央塔頂的集熱裝置加熱熔融鹽，再通過蒸汽發生器將水加熱成水蒸氣，蒸汽通過汽輪機做功，帶動發電機發電。

常規的塔式光熱電站主要由聚光系統、集熱系統、儲熱系統、蒸汽發生系統、發電系統五部分組成，其中聚光系統的效率及其成本對熱電站的經濟性影響很大，是太陽能熱電站設計中需要著重考慮的因素。聚光和集熱系統必須同時工作收集能量，因此也將二者統稱為聚光集熱系統。

圖1 西班牙Gemasolar電站

1.2.1 二次反射塔式光熱技術

二次反射技術是指在聚光集熱系統中增加一個二次反射塔，鏡場將太陽光反射后匯聚到二次反射塔雙曲面的焦點上，二次反射塔將鏡場反射來的太陽光再次反射，聚集到塔下的熔鹽吸熱器，冷熔鹽吸熱后將太陽輻射能轉換為熔鹽的內能，再通過熱熔鹽加熱工質水，進行后續的汽水熱力循環發電過程，見圖2。

圖2 二次反射塔式光熱發電系統流程圖

與傳統的塔式集熱系統相比，二次反射技術具有以下特殊的優勢：

1)安全性高

無熔鹽凍堵風險：熔鹽直接吸收太陽能輻射，從根本上消除了熔鹽在吸熱器中的凍堵風險，保證了電站運行的穩定性。

降低鹽罐泄露風險：熔鹽罐泄露是光熱熔鹽儲能的一大問題，創新設計的雙層罐，保證穹頂每天的熱脹冷縮不會產生內罐的腰焊縫處的應力集中，外罐承力基礎和內罐保溫基礎分離，大幅降低基礎設計和施工難度，同時大幅減少保溫材料的用量。

2)較高的熱效率

吸熱器散熱面小、對流熱損失小、零熱阻、光吸收率可達99%，理論研究表明光熱轉換效率可達90%以上；吸熱器保溫蓋板快速開合可應對復雜的來云工況，熱損失小；來云工況無需排鹽，熱效率高；

3)創新設計，提高設備國產化率

吸熱器本體為不銹鋼316鋼殼結構，采用流量調節閥控制進出口流量，技術成熟、設備全部國產化，吸熱器本體低位布置，可采用短軸熔鹽泵替代價格昂貴的高揚程熔鹽泵；

4)模塊化設計、建造、調試、運維

二次反射采用模塊化集成聚光、吸熱、集中蓄熱、換熱。多塔模塊化結構施工周期短，可實現分期建設、提早運營。單元模塊完成后即可開展調試運行、發電產出，項目前期的財務環境大幅優化；運行中部分模塊出現故障，也不影響整個電站持續運行。

2 實例分析

以某100 MW光熱發電機組為例，分析采用二次反射聚光集熱系統光熱發電機組的經濟效益。

2.1 場址太陽能資源特點及方案選擇

該光熱電站場址區域的年太陽直接輻射量為1 902.3 kWh/m2，平均日照時數為3 064 h。太陽能資源屬于“較豐富”，且穩定程度等級為穩定，日照充足，適合建設大型光熱電站。

本電站采用二次反射塔式光熱技術，共安裝28個聚光集熱子模塊，總鏡面反射面積為1 167 264 m2。儲熱介質為熔鹽，儲熱時長9 h。選用一臺100 MW超高壓一次中間再熱、8級回熱，直接空冷，凝汽式汽輪機發電機組。

2.2 經濟效益分析

2.2.1 經濟效益分析基礎數據

本項目機組有4類運行模式：集熱場低負荷-蒸汽發生系統低負荷、集熱場滿負荷-蒸汽發生系統滿負荷、集熱場低負荷-蒸汽發生系統滿負荷、集熱場停機-蒸汽發生系統低負荷。根據場址的光照條件和機組靈活的運行方案，折算成滿負荷發電。

光熱電站首年的凈發電量為345 GWh，25年運營期內發電效率無衰減，平均每年凈發電量為345 Wh，平均年利用小時數可達3 450 h。

經濟效益分析所采用的基礎數據見表1。

表1 經濟性評價基礎數據表

正常運行期第一年包含調試期，發電量為滿發電量的80%，從正常運行期第二年開始，每年上網電量為34 500萬kWh。

修理費提存率按投產前五年0.8%提取，五年后按1.0%提取，10年后按1.5%提取，15年后按2.0提取。

2.2.2 經濟效益分析結論

根據經濟分析的基礎數據計算得出光熱電站的經濟效益結論見表2。

表2 經濟性評價指標（運營期25年）

同時對該項目進行不確定性分析，以機組年利用小時、工程投資、上網電價均增減10%，測算其資本金內部收益率的變化規律，從而預測其投資風險管控因素。

由表3可見，三個敏感因素對項目的經濟影響相當，因此，要降低本項目的投資風險，應主要把控總投資、發電量及電價這三方面的波動。

以經營期年（25年）平均成本作為測算依據，經計算該電站盈虧平衡點為57.86%，即當項目年利用小時數達到3450 h×57.86%=1 996 h時，項目可達到盈虧平衡經營。

表3 敏感性因素分析表

3 結論

光熱及儲換熱技術是可再生能源與大規模熱儲能結合的新興發展技術，在發電、儲能和電網平衡等領域都是未來發展方向，具有可靠、靈活的電力輸出特性，在能源戰略上有重大意義，也是國內外先進技術的集中領域。

采用二次反射技術，具有多項優勢：采用模塊化集成聚光、吸熱、集中蓄熱、換熱；多塔模塊化結構施工周期短，可實現分期建設，提早運營；采用地面直接吸熱器，無熔鹽凍堵風險，安全性高、運維便利等。

結合投資經濟性的分析可見，二次反射光熱發電技術的經濟性較高，合理控制總投資、發電量及電價三方面因素，對經濟性的影響也極為重要。