塔式太阳能光热电站经济效益分析

李 冉

中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司

0 引言

随着全球经济的高速发展，化石能源的消耗量日益增加，随之而来的环境恶化、气候变暖等环境问题日益突出，发展绿色低碳环保的可再生能源技术已成为各国追求的新目标。

太阳能作为可再生能源中的主力，具有其自身独特的优势。太阳能发电技术可分为光伏发电和现有电网。太阳能光热发电具有规模化优势，建设规模越大，单位收益将增加越多。我国的太阳能光热产业经过近几十年的持续发展，已渡过了发展导入期，即将进入大规模发展的成长期。

1 太阳能光热发电技术

1.1 太阳能光热发电技术现状

太阳能光热发电技术是采用大规模的反射镜用于反射集聚的太阳能，将太阳能转化为热能再经常规的热力循环工作流程将热能转化为电能。

常见的太阳能光热发电技术有槽式、塔式、碟式三种形式。

槽式太阳能热发电系统把太阳光以线聚焦的方式反射到集热管表面，进而对管内的传热流体进行加热，达到足够温度的传热流体再通过蒸汽发生器后将热量传递给蒸汽，通过常规热力循环进行发电[3]。

塔式光热发电系统即是在发电站中安装成千上万面可以将太阳光反射到特定位置的定日镜，每面定日镜都配有自动跟踪的结构并独立进行跟踪太阳所在位置，每天定日镜通过反射将太阳光反射到塔顶部的集热器[4]。集热器将吸收到的太阳能转化为热能加热工质，通过热力循环进行发电。

碟式太阳能热发电是通过双轴驱动跟踪装置驱动碟式聚光器，抛物面反射镜面将太阳辐射聚焦到焦点处的集热器上，然后利用布雷顿循环将热能传给热传导工质并使之受热汽化，产生蒸汽后驱动发电机工作产生电能[3]。

其中，塔式和碟式是目前采用的主流技术，适用于大规模、发电容量较大的电站。

我国的太阳能光热电站主要集中在西部太阳能光照资源丰富的地区。2016年9月14日，国家能源局正式发布了《国家能源局关于建设太阳能热发电示范项目的通知》，确定第一批20个太阳能热发电示范项目名单，包括9个塔式电站、7个槽式电站和4个菲涅尔电站，总装机134.9万kW[3]。

1.2 塔式太阳能光热电站

塔式太阳能光热电站如图1所示，采用大规模的定日镜，跟踪太阳光并将太阳光反射至中央塔顶的集热装置加热熔融盐，再通过蒸汽发生器将水加热成水蒸气，蒸汽通过汽轮机做功，带动发电机发电。

常规的塔式光热电站主要由聚光系统、集热系统、储热系统、蒸汽发生系统、发电系统五部分组成，其中聚光系统的效率及其成本对热电站的经济性影响很大，是太阳能热电站设计中需要着重考虑的因素。聚光和集热系统必须同时工作收集能量，因此也将二者统称为聚光集热系统。

图1 西班牙Gemasolar电站

1.2.1 二次反射塔式光热技术

二次反射技术是指在聚光集热系统中增加一个二次反射塔，镜场将太阳光反射后汇聚到二次反射塔双曲面的焦点上，二次反射塔将镜场反射来的太阳光再次反射，聚集到塔下的熔盐吸热器，冷熔盐吸热后将太阳辐射能转换为熔盐的内能，再通过热熔盐加热工质水，进行后续的汽水热力循环发电过程，见图2。

图2 二次反射塔式光热发电系统流程图

与传统的塔式集热系统相比，二次反射技术具有以下特殊的优势：

1)安全性高

无熔盐冻堵风险：熔盐直接吸收太阳能辐射，从根本上消除了熔盐在吸热器中的冻堵风险，保证了电站运行的稳定性。

降低盐罐泄露风险：熔盐罐泄露是光热熔盐储能的一大问题，创新设计的双层罐，保证穹顶每天的热胀冷缩不会产生内罐的腰焊缝处的应力集中，外罐承力基础和内罐保温基础分离，大幅降低基础设计和施工难度，同时大幅减少保温材料的用量。

2)较高的热效率

吸热器散热面小、对流热损失小、零热阻、光吸收率可达99%，理论研究表明光热转换效率可达90%以上；吸热器保温盖板快速开合可应对复杂的来云工况，热损失小；来云工况无需排盐，热效率高；

3)创新设计，提高设备国产化率

吸热器本体为不锈钢316钢壳结构，采用流量调节阀控制进出口流量，技术成熟、设备全部国产化，吸热器本体低位布置，可采用短轴熔盐泵替代价格昂贵的高扬程熔盐泵；

4)模块化设计、建造、调试、运维

二次反射采用模块化集成聚光、吸热、集中蓄热、换热。多塔模块化结构施工周期短，可实现分期建设、提早运营。单元模块完成后即可开展调试运行、发电产出，项目前期的财务环境大幅优化；运行中部分模块出现故障，也不影响整个电站持续运行。

2 实例分析

以某100 MW光热发电机组为例，分析采用二次反射聚光集热系统光热发电机组的经济效益。

2.1 场址太阳能资源特点及方案选择

该光热电站场址区域的年太阳直接辐射量为1 902.3 kWh/m2，平均日照时数为3 064 h。太阳能资源属于“较丰富”，且稳定程度等级为稳定，日照充足，适合建设大型光热电站。

本电站采用二次反射塔式光热技术，共安装28个聚光集热子模块，总镜面反射面积为1 167 264 m2。储热介质为熔盐，储热时长9 h。选用一台100 MW超高压一次中间再热、8级回热，直接空冷，凝汽式汽轮机发电机组。

2.2 经济效益分析

2.2.1 经济效益分析基础数据

本项目机组有4类运行模式：集热场低负荷-蒸汽发生系统低负荷、集热场满负荷-蒸汽发生系统满负荷、集热场低负荷-蒸汽发生系统满负荷、集热场停机-蒸汽发生系统低负荷。根据场址的光照条件和机组灵活的运行方案，折算成满负荷发电。

光热电站首年的净发电量为345 GWh，25年运营期内发电效率无衰减，平均每年净发电量为345 Wh，平均年利用小时数可达3 450 h。

经济效益分析所采用的基础数据见表1。

表1 经济性评价基础数据表

正常运行期第一年包含调试期，发电量为满发电量的80%，从正常运行期第二年开始，每年上网电量为34 500万kWh。

修理费提存率按投产前五年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 经济效益分析结论

根据经济分析的基础数据计算得出光热电站的经济效益结论见表2。

表2 经济性评价指标（运营期25年）

同时对该项目进行不确定性分析，以机组年利用小时、工程投资、上网电价均增减10%，测算其资本金内部收益率的变化规律，从而预测其投资风险管控因素。

由表3可见，三个敏感因素对项目的经济影响相当，因此，要降低本项目的投资风险，应主要把控总投资、发电量及电价这三方面的波动。

以经营期年（25年）平均成本作为测算依据，经计算该电站盈亏平衡点为57.86%，即当项目年利用小时数达到3450 h×57.86%=1 996 h时，项目可达到盈亏平衡经营。

表3 敏感性因素分析表

3 结论

光热及储换热技术是可再生能源与大规模热储能结合的新兴发展技术，在发电、储能和电网平衡等领域都是未来发展方向，具有可靠、灵活的电力输出特性，在能源战略上有重大意义，也是国内外先进技术的集中领域。

采用二次反射技术，具有多项优势：采用模块化集成聚光、吸热、集中蓄热、换热；多塔模块化结构施工周期短，可实现分期建设，提早运营；采用地面直接吸热器，无熔盐冻堵风险，安全性高、运维便利等。

结合投资经济性的分析可见，二次反射光热发电技术的经济性较高，合理控制总投资、发电量及电价三方面因素，对经济性的影响也极为重要。