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(jīng)濟的高速發(fā)展，化石能源的消耗量日益增加，隨之而來的環(huán)境惡化、氣候變暖等環(huán)境問題日益突出，發(fā)展綠色低碳環(huán)保的可再生能源技術(shù)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(yōu)勢。太陽能發(fā)電技術(shù)可分為光伏發(fā)電和現(xiàn)有電網(wǎng)。太陽能光熱發(fā)電具有規(guī)模化優(yōu)勢，建設規(guī)模越大，單位收益將增加越多。我國的太陽能光熱產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近幾十年的持續(xù)發(fā)展，已渡過了發(fā)展導入期，即將進入大規(guī)模發(fā)展的成長期。

1 太陽能光熱發(fā)電技術(shù)

1.1 太陽能光熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)是采用大規(guī)模的反射鏡用于反射集聚的太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能再經(jīng)常規(guī)的熱力循環(huán)工作流程將熱能轉(zhuǎn)化為電能。

常見的太陽能光熱發(fā)電技術(shù)有槽式、塔式、碟式三種形式。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)把太陽光以線聚焦的方式反射到集熱管表面，進而對管內(nèi)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(fā)生器后將熱量傳遞給蒸汽，通過常規(guī)熱力循環(huán)進行發(fā)電[3]。

塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)即是在發(fā)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為熱能加熱工質(zhì)，通過熱力循環(huán)進行發(fā)電。

碟式太陽能熱發(fā)電是通過雙軸驅(qū)動跟蹤裝置驅(qū)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(huán)將熱能傳給熱傳導工質(zhì)并使之受熱汽化，產(chǎn)生蒸汽后驅(qū)動發(fā)電機工作產(chǎn)生電能[3]。

其中，塔式和碟式是目前采用的主流技術(shù)，適用于大規(guī)模、發(fā)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(qū)。2016年9月14日，國家能源局正式發(fā)布了《國家能源局關于建設太陽能熱發(fā)電示范項目的通知》，確定第一批20個太陽能熱發(fā)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(guī)模的定日鏡，跟蹤太陽光并將太陽光反射至中央塔頂?shù)募療嵫b置加熱熔融鹽，再通過蒸汽發(fā)生器將水加熱成水蒸氣，蒸汽通過汽輪機做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。

常規(guī)的塔式光熱電站主要由聚光系統(tǒng)、集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)五部分組成，其中聚光系統(tǒng)的效率及其成本對熱電站的經(jīng)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(tǒng)必須同時工作收集能量，因此也將二者統(tǒng)稱為聚光集熱系統(tǒng)。

圖1 西班牙Gemasolar電站

1.2.1 二次反射塔式光熱技術(shù)

二次反射技術(shù)是指在聚光集熱系統(tǒng)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(zhuǎn)換為熔鹽的內(nèi)能，再通過熱熔鹽加熱工質(zhì)水，進行后續(xù)的汽水熱力循環(huán)發(fā)電過程，見圖2。

圖2 二次反射塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)流程圖

與傳統(tǒng)的塔式集熱系統(tǒng)相比，二次反射技術(shù)具有以下特殊的優(yōu)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(wěn)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(chuàng)新設計的雙層罐，保證穹頂每天的熱脹冷縮不會產(chǎn)生內(nèi)罐的腰焊縫處的應力集中，外罐承力基礎和內(nèi)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(zhuǎn)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?。粊碓乒r無需排鹽，熱效率高；

3)創(chuàng)新設計，提高設備國產(chǎn)化率

吸熱器本體為不銹鋼316鋼殼結(jié)構(gòu)，采用流量調(diào)節(jié)閥控制進出口流量，技術(shù)成熟、設備全部國產(chǎn)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(diào)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(jié)構(gòu)施工周期短，可實現(xiàn)分期建設、提早運營。單元模塊完成后即可開展調(diào)試運行、發(fā)電產(chǎn)出，項目前期的財務環(huán)境大幅優(yōu)化；運行中部分模塊出現(xiàn)故障，也不影響整個電站持續(xù)運行。

2 實例分析

以某100 MW光熱發(fā)電機組為例，分析采用二次反射聚光集熱系統(tǒng)光熱發(fā)電機組的經(jīng)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(qū)域的年太陽直接輻射量為1 902.3 kWh/m2，平均日照時數(shù)為3 064 h。太陽能資源屬于“較豐富”，且穩(wěn)定程度等級為穩(wěn)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(shù)，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(zhì)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(fā)電機組。

2.2 經(jīng)濟效益分析

2.2.1 經(jīng)濟效益分析基礎數(shù)據(jù)

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

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

經(jīng)濟效益分析所采用的基礎數(shù)據(jù)見表1。

表1 經(jīng)濟性評價基礎數(shù)據(jù)表

正常運行期第一年包含調(diào)試期，發(fā)電量為滿發(fā)電量的80%，從正常運行期第二年開始，每年上網(wǎng)電量為34 500萬kWh。

修理費提存率按投產(chǎn)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(jīng)濟效益分析結(jié)論

根據(jù)經(jīng)濟分析的基礎數(shù)據(jù)計算得出光熱電站的經(jīng)濟效益結(jié)論見表2。

表2 經(jīng)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(wǎng)電價均增減10%，測算其資本金內(nèi)部收益率的變化規(guī)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(jīng)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(fā)電量及電價這三方面的波動。

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

表3 敏感性因素分析表

3 結(jié)論

光熱及儲換熱技術(shù)是可再生能源與大規(guī)模熱儲能結(jié)合的新興發(fā)展技術(shù)，在發(fā)電、儲能和電網(wǎng)平衡等領域都是未來發(fā)展方向，具有可靠、靈活的電力輸出特性，在能源戰(zhàn)略上有重大意義，也是國內(nèi)外先進技術(shù)的集中領域。

采用二次反射技術(shù)，具有多項優(yōu)勢：采用模塊化集成聚光、吸熱、集中蓄熱、換熱；多塔模塊化結(jié)構(gòu)施工周期短，可實現(xiàn)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(jié)合投資經(jīng)濟性的分析可見，二次反射光熱發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟性較高，合理控制總投資、發(fā)電量及電價三方面因素，對經(jīng)濟性的影響也極為重要。