碟式太阳能热发电全寿命周期成本电价分析

陈鸶鹭　陈　永　潘　雪　轩　连　梁伟青

上海齐耀动力技术有限公司

碟式太阳能热发电全寿命周期成本电价分析

陈鸶鹭陈永潘雪轩连梁伟青

上海齐耀动力技术有限公司

通过分析建立了碟式太阳能热发电站成本电价计算的全寿命周期模型，并结合建造成本、运营维护成本及发电量的预测，对影响成本电价的因素逐一分析，测算了中国碟式太阳能热发电站的预期成本电价，通过对比计算指出了成本电价随产能规模及技术工艺因素的发展而下降，其中产能规模作用最为明显。

碟式太阳能热发电；全寿命周期；成本电价；聚光碟成本；斯特林机成本

在全球能源枯竭、节能减排压力增大的背景下，我国的能源开发利用主要面临两个方面的矛盾，一是传统能源日渐枯竭与能源需求持续快速增长的矛盾，二是以煤为主的能源结构与环境压力持续增大的矛盾。太阳能的普遍存在性和无限利用的清洁性，使得开发利用太阳能成为有效化解以上两个方面矛盾的重要途径，世界各国也把太阳能作为逐步代替常规能源的重要举措之一。

碟式太阳能热发电技术是太阳能热发电中光电转换效率最高的一种方式，它通过旋转抛物面碟形聚光器将太阳辐射聚集到接收器中，接收器将能量吸收后传递到热电转换系统，从而实现了太阳能到电能的转换[1]。

目前，困扰碟式太阳能热发电产业发展的主要原因是其高昂的发电成本。国外研究机构一般利用计量法和因素法对太阳能热发电站成本电价进行分析和预测国内研究机构目前尚没有针对碟式太阳能热发电站的成本电价分析实例。碟式太阳能热发电成本电价与电站建造成本、运营维护成本、年发电量、财务成本、税金等因素有关，这些因素具有独立的变化性，同时也相互影响。

本文基于碟式太阳能热发电系统全寿命周期的发电成本模型，综合采用因素法和占比法分析碟式太阳能电站建造成本、发电量及运营维护成本这三要素，并分析各项驱动因素作用下，中国碟式太阳能热发电成本电价趋势。

1　碟式太阳能热发电站成本构成

1.1电站建造成本的构成及比例

按照常规的工程造价分析方法，太阳能热发电站建造成本主要分设备费、安装费和土建费3部分。

为方便细化分析，以10 MW电站为例，碟式斯特林太阳能热发电站按工程建设项目划分为发电设备费、调试安装费、场地准备费、电站配套及基础设施费、间接费用，占比分别为73%，9%，7%，10%和1%。发电设备主要包括PCU和聚光跟踪系统。调试安装费主要为安装地基、系统的运输吊装、氢气管线、电缆铺设及系统调试等。

电站配套及基础设施费主要分为电气并网部分、低压电气设备及主变压器。

1.2发电设备成本的构成及比例

发电设备是碟式太阳能热发电站完成光-热-电能量转换的系统，其成本可以用单位功率造价描述，目前中国碟式太阳能热发电站的单台套设备为15 000～30 000元/kW。其中PCU成本约占系统成本的30%，聚光碟及跟踪控制系统成本占70%。

碟式斯特林热发电系统的PCU成本构成主要可以划分为发电机、热端部分、冷端部分、传动部件、箱装体及辅助系统等5大件，依次占PCU比重为10%、30%、25%、20%、15%，如图1。

图1　碟式PCU成本构成图

图2　聚光跟踪系统成本构成图

聚光跟踪系统主要有4部分构成（见图2）：跟踪系统组件、镜面碟板组件、驱动机构以及电气设备，其分别占到聚光跟踪系统成本总额的35%、31%、17%、17%。跟踪系统组件是由立柱、悬臂、遮光板、轮毂及紧固结构件等组成，各项成本在跟踪系统组件中占比依次为18%、23%、5%、20%、34%。镜面碟板组件由背板、镜面、紧固件及其他等组成，各项成本在跟踪系统组件中占比依次为59%、31%、10%。驱动机构由水平及俯仰转动2部分组成，成本在跟踪系统组件中占比分别为73%、27%。电器设备包括SCC配电柜、DC配电柜、电机、SCADA系统、限位装置及线缆等组成，各项成本在跟踪系统组件中占比依次为21%、22%、22%、1%、2%、32%；

2　全寿命周期成本电价模型

2.1全寿命周期成本电价模型建立

太阳能热发电站成本电价是指电站运营期内收入和成本相等时的上网电价。电站的收入即为上网电价与上网发电量的乘积，电站的成本由固定资产折旧、运营维护成本、财务费用及税费等组成。全寿命周期成本电价模型是基于全寿命周期电站成本分析法建立的模型，全寿命周期成本是在电站寿命期内发生的直接、间接及其他有关费用的总和。

从电站的全寿命周期去考虑成本问题，即不仅考虑电站的初始投资，也考虑电站整个周期的支持成本，包括运营、维修、折旧等。采取的方法是通过建立公共的假设和参数，将全寿命周期的成本折现为现值。根据上述成本电价影响因素建立全寿命周期太阳能热发电成本模型如图3所示。图中，DNI表示太阳直射辐射量。

图3　碟式太阳能热发电站成本结构

模型包括了影响成本电价的最重要的3个基础因素：建设成本计算模块、运营维护成本计算模块和发电量计算模块。同时，在3个基础模块计算基础上，计算发电成本。在其他因素固定不变的条件下，通过调整建设成本和运营维护成本的变化值可以分别对2个构成部分进行成本灵敏性分析。由于财务费用及税费属于较为固定的模块，因此模型中不涉及此部分。成本电价公式为[2]。

式中：It为第t年的电站建造成本；Mt为第t年的运营维护成本；Et为第t年的发电量；r为资金折现率；n为电站运营期。

2.2建造成本发展趋势

碟式太阳能热发电站建造成本占比最大的部分是发电设备，其成本变化对电站造价及成本电价有很大的影响。发电设备主要由斯特林机、聚光碟跟踪系统、箱装体辅助系统及监控系统构成，各部分的造价构成比例依次为37%，52%，2%和9%。因此，聚光碟系统及斯特林机的成本决定了电站发电设备的费用。

斯特林发动机是一种利用外部能量加热使活塞往复运动的外燃机，它也可以称为热气机。它是一种外燃的闭式循环往复活塞式热力发动机，有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机[3]。仅从结构而言，斯特林发电机比内燃机简单得多，主要包括加热器、回热器、配气活塞、动力活塞、冷却器以及传动机构等部件。就成本降低的趋势而言，在设计阶段，发动机冷端部件采用标准化设计，直接靠汽车行业标准设计，热端部件优化材料，选用新型耐高温材料（陶瓷材料、不锈钢材料），并通过优化密封结构在保证机器可靠性的基础上降低材料要求等方式能够在一定规模化生产后降低斯特林机的造价。

聚光碟跟踪系统主要由聚光碟及跟踪机构组成。碟式斯特林太阳能热发电系统所用的聚光器为旋转抛物面形状，因而该系统所用聚光器可称为碟式聚光器[4]。从设备的制造成本构成角度，聚光镜成本分为材料成本、加工成本和运输安装调试成本3部分。其中材料成本约占50%，加工成本约占40%，运输安装土建等成本约占10%。材料成本方面，聚光镜背板向着材料更少、更轻便的方向发展，如采用蜂窝板结构。反射镜方面，目前镜面厚度一般为0.7～4 mm，镜面厚度的减少可以使反射镜反射率提高并降低反射镜原片材料成本，同时镜面重量的减轻也使对镜架、动力设备及基座的要求降低，不过将提高对于玻璃粘贴工艺的要求。跟踪系统设备主要包括传动机构和电机，性能指标主要依据聚光碟的重量、风抗强度等因素确定。根据目前常用的涡轮蜗杆、丝杆等传动形式，由于均为成熟的配套行业，批量化采购将能够降低采购成本。

系统的加工成本方面，随着制造工艺的成熟及批量制造带来的规模化效应，聚光镜零部件的加工成本将有较大的降幅。聚光镜加工费包括镜架的加工费和动力设备加工费两项。加工过程包括焊接、成型等工艺，费用涵盖了设备、模具、场地、水电等公摊成本，人工成本及管理成本。当太阳能热发电站形成规模效应后，批量制造成本优势显现，加工费中的公摊成本和管理成本因高产能被大幅平摊[5]。

聚光碟系统运输安装土建方面，目前国内尚未形成常态化的标准规范，参见塔式相关行业研究，以中国青海地区为例，运输费约为80元/m2，安装及土建费约为60元/m2，调试费约为4元/m2。当太阳能热发电站形成规模效应后，将带动中国中西部地区相关制造业发展。本地化的制造将大幅降低聚光镜零部件的运输成本，预计可降为30元/ m2。同时，随着太阳能热发电规模化后聚光镜安装土建的作业标准形成，相关费用预计可降为50元/ m2。随着调试人员逐渐替换成当地劳力，技能逐渐成熟相关调试费用降为3元/m2。预计未来聚光碟镜的运输安装土建及调试成本为83元/m2[6]。

综上所述，聚光镜成本下降的动力因素主要有：①规模效应带来的加工费用和运输费用降低；②更轻便聚光镜的设计降低相关材料费用；③跟踪传动设备的批量化采购降低该部件成本。

2.3运营维护成本发展趋势

运营维护费用主要包括修理费、人员工资福利、材料费、水费及其他费用。目前，由于没有成熟的大规模碟式太阳能热发电站应用，其修理费率参照同类型塔式的测试方法，依据火电站经验进行预估，每年为电站固定资产投资的2%。人员工资方面可参考火电标准进行。项目材料费主要包括斯特林机外围工质站介质的日常补充及斯特林机运行时的少量辅助燃料费用，约为30元/MWh。由于碟式仅需要少量水资源用于碟面清洗，而耗水费用是火电厂日常支出的较大项目，故项目综合耗水及其他费用参考火电标准（20元/MWh）的30%计，按6元/MWh计算。

2.3运营维护成本发展趋势

影响上网净发电量的因素有光照条件（年DNI）、发电机组额定功率、太阳能光热转换效率、热电转换效率和厂用电率。其中，在未来有较大提升潜力的是太阳能光热转换效率。太阳能光热转换效率是聚光镜反射率、镜面清洁度、抗阴影遮挡率、大气透射率、吸热器截断效率和吸热器热效率的乘积。其中，抗阴影遮挡率、大气透射率这两者决定了镜场效率，它们和吸热器截断效率是与电站纬度、聚光镜布局和调光策略相关的。太阳能热发电站要维持高镜面清洁度需要清洗聚光镜，随着清洗自动化设备的成熟，平均镜面清洁度可由目前的90%水平提升至93%。吸热器效率受吸热器吸收率及散热损失影响，与吸热器表面涂层材质、表面温度及风速有关。

3　算例分析

3.1算例基本条件

以坐落于中国西部的德令哈，装机容量10MW的电站为例，单台套碟式系统额定输出功率为25 kW，共400台碟式设备。为更具对比性，分别选取单台套成本为37.5万元和50万元的碟式太阳能热发电站为例进行建造成本估算，前者的发电设备、电站外围配套设备及场地准备等建造成本分别约为1.5亿元、0.2亿元及0.15亿元，整体电站预期建造成本为1.85亿元；后者在电站外围配套及场地准备等方面费用变化不大，各项成本为2亿元、0.2亿元及0.15亿元，整体电站预期建造成本为2.35亿元

运营维护费用方面，参考火电标准按照50MW电站定额50人，10 MW碟式电站定额5人，工资按照人均6万元、福利费系数按工资总额的60%计。10 MW碟式电站的运营维护费用总计约为200万元/年。

发电量方面，以德令哈地区实测年DNI达到2 000 kWh/m2为例，预期10 MW电站年利用小时数达到2 550 h。针对碟式太阳能热发电项目目前未有投运项目实测，厂用电率参照中型机组的火电厂厂用电率约6%进行估算，10 MW电站的净上网发电量为24 GWh。

3.2预期成本电价

电站运营期按照30年计，将目前火电项目通用的折现率8%代入式（1）可以计算得到10 MW单台套成本为37.5万元和50万元的碟式电站的预期含税成本电价为0.76元/kWh和0.95元/kWh。

参考光伏行业的增值税减半优惠政策以及西部大开发地区企业所得税的优惠政策，10 MW电站的预期成本电价仅为0.62元/kWh和0.85元/ kWh。

显而易见，发电设备的成本直接影响着电站的成本电价。

3.3成本电价下降动因分析

综上分析，碟式太阳能热发电站成本电价下降的主要动因有如下2条。首先，太阳能热发电站规模效应带来的产能扩大，是电站造价下降的主要因素。其次，技术和工艺的进步在降低成本和提升发电量方面所起的作用，包括采用更少的材料、性价比更高的传动方式、更高效率的吸热器工艺以及高自动化程度的清洗装备等。

4　结语

本文系统性地逐一剖析碟式太阳能热发电站成本构成，分别对电站的建造成本、运营维护成本及发电量的趋势和预期进行了定性分析，探索了中国碟式太阳能热发电站全寿命周期成本电价分析模式，明确了产能规模化效应及技术工艺进步对于成本电价的影响。碟式太阳能热发电作为清洁能源，有良好的环境效益，能够通过碳排放交易获取一定收益，并在贷款方面享受一定的财务优惠。因此，预计未来太阳能热发电站成本电价可与燃煤火电站的电价相当，具有广阔的应用前景和成长空间。

[1] 许辉，张红，白穜，丁莉，庄骏. 碟式太阳能热发电技术综述.热力发电，2009

[2] International Renewable Energy Agency. Renewable energy technologies：cost analysis series[R].2012

[3] 李斌.碟式斯特林太阳能热发电系统中跟踪系统的研究：[硕士学位论文].陕西：陕西科技大学，2013

[4] 李鑫，李斌，臧春城等．碟式斯特林太阳能热发电系统设计——集热器设计计算数学模型[J].能源工程，2004，(4)：21-24.

[5] 中国科学院清洁能源技术发展中心．中国太阳能集热发电的可行性及政策研究报告[R].2009

[6] 李心，赵晓辉，李江烨，李伟，徐能，黄文君。塔式太阳能热发电全寿命周期成本电价分析。电力系统自动化，2015

INFORMATION AND DYNAMIC

节能信息与动态

上海首个太阳能光伏发电公交场站投入使用

上海市首家太阳能光伏发电公交场站日前在浦东上南公交高科西路停车场投入使用。该项目全年发电预计可达20万kWh，在为新能源公交车充电同时，还能提供场内办公区域的全天候用电。

光伏发电即利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。高科西路停车场采用光伏发电后，全年可节约标煤60 t，减少CO2排放近200 t，SO2排放6 t。

（浦东新区）

Full Life Cycle Electricity Cost Analysis of Dish-Type Solar Thermal Power Generation

Chen Silu, Chen Yong, Pan Xue, Xuan Lian, Liang Weiqing
Shanghai Qiyao Power Technology Co.,Ltd

The article analyzes full life cycle model of dish-type solar thermal power generation station based on electricity cost calculation. Combined with construction cost, operation maintenance cost and power generation output prediction, the author analyzes all factors affecting electricity cost and predicts expected electricity cost of Chinese dish-type solar thermal power generation station. The author also points out that electricity cost will decrease with increasing productivity scale and technological process factors development through comparison calculation and the most important factor is productivity scale function.

Dish-Type Solar Thermal Power Generation, Full Life Cycle, Electricity Cost, Spotlight Plate Cost, Stirling Engine Cost

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.11.003

陈鸶鹭（1989-），女，硕士研究生；研究方向碟式斯特林太阳能热发电系统。