高 嵩,任博涵,許繼剛,陳永安,李鴻飛
(1. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100020;2. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院,北京 100020;3. 中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司,北京 100071)
塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定的發(fā)電,承擔(dān)調(diào)峰電源的任務(wù),是太陽(yáng)能熱發(fā)電的重要技術(shù)類(lèi)型,也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的有效方式之一。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是集熱溫度最高的一種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng),而儲(chǔ)熱系統(tǒng)是塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一,其可以將多余的太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái),以實(shí)現(xiàn)對(duì)非連續(xù)性太陽(yáng)能輸入的平抑,確保了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性,實(shí)現(xiàn)了較為廉價(jià)的電網(wǎng)調(diào)峰能力。
儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量需要與塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站所在地的太陽(yáng)能資源及熱發(fā)電站的整體裝機(jī)容量相匹配,其選擇對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的初投資、運(yùn)行穩(wěn)定性和發(fā)電時(shí)長(zhǎng)至關(guān)重要。因此,分析塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中儲(chǔ)熱系統(tǒng)建設(shè)初期的投資及回報(bào)收益等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo),對(duì)項(xiàng)目建設(shè)至關(guān)重要。在經(jīng)濟(jì)性分析中,內(nèi)部收益率(IRR)和平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)是重要的衡量指標(biāo)[2]。
熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛的儲(chǔ)熱系統(tǒng)[1]。相較于以水作為吸熱器工質(zhì),以熔融鹽作為吸熱器工質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)主要有:1)熔融鹽工質(zhì)在吸熱、傳熱、儲(chǔ)熱的工藝過(guò)程中不發(fā)生相變,使塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的工藝得以簡(jiǎn)化,儲(chǔ)熱容量得以大幅提升;2)可以使塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的發(fā)電模式實(shí)現(xiàn)集熱與發(fā)電解耦運(yùn)行。
本文以我國(guó)某太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)的太陽(yáng)能資源作為邊界條件,依托某100 MW熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目,基于該項(xiàng)目的實(shí)際參數(shù)建立計(jì)算模型,分析電站的初投資情況,并通過(guò)IRR和LCOE這2個(gè)衡量指標(biāo),對(duì)不同吸熱器輸出熱功率和不同儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量時(shí)的熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行模擬分析,從而得出熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量選擇的評(píng)估方法,以期為未來(lái)熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
以某100 MW熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的實(shí)際參數(shù)建立模型進(jìn)行模擬計(jì)算,并利用System Advisory Model (SAM)軟件對(duì)該電站進(jìn)行發(fā)電量模擬計(jì)算,其中,以太陽(yáng)倍數(shù)(solar multiple,SM)表征吸熱器的輸出熱功率,以儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)表征儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量。使用IRR和LCOE作為衡量指標(biāo)[3],研究在不同儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)及不同SM值條件下熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)性。
1)SM[4]的定義是指在工程所在地太陽(yáng)能資源條件下,塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)所有聚光集熱設(shè)備(即定日鏡)投運(yùn)時(shí),吸熱器輸出熱功率和汽輪機(jī)額定負(fù)荷需要的熱功率的比值。
工程所在地的SM可表示為:
式中:Qth,s為吸熱器的輸出熱功率;Qth,p為汽輪機(jī)額定負(fù)荷需要的熱功率。
2)IRR是指當(dāng)電力投資項(xiàng)目在其整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)各年凈現(xiàn)金流量現(xiàn)值累計(jì)等于零時(shí)的折現(xiàn)率[5]。對(duì)于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站而言,即表示在其設(shè)計(jì)生命周期內(nèi),在該折現(xiàn)率下,通過(guò)每年的凈收益能夠收回全部的項(xiàng)目投資。
IRR可表示為:
式中:CIt為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站第t年的現(xiàn)金流入;COt為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站第t年的現(xiàn)金流出;n為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的設(shè)計(jì)生命周期。
IRR是電力投資項(xiàng)目進(jìn)行投資決策的重要依據(jù),回收成本的年限越短,IRR值越高;反之,回收成本的年限越長(zhǎng),IRR值就越低。
3)LCOE是指對(duì)電力投資項(xiàng)目在設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)的成本和發(fā)電量平準(zhǔn)化后,項(xiàng)目每發(fā)電1 kWh所需要的成本;通常用于比較不同發(fā)電技術(shù)和不同裝機(jī)規(guī)模的電力投資項(xiàng)目的成本。
對(duì)于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站而言,LCOE的計(jì)算式可表示為[6]:
式中:Cc為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的建設(shè)成本;CO&M為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的運(yùn)行和維護(hù)成本;Cf為年補(bǔ)燃的燃料費(fèi);Enet為塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)的總凈發(fā)電量。
SAM軟件是可用于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的模擬仿真的可再生能源項(xiàng)目評(píng)估模型軟件,利用該軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,可以評(píng)估塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)SAM軟件中的性能模型可以模擬計(jì)算出塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站每小時(shí)的凈發(fā)電量,從而可以生成該電站一整年的發(fā)電量,即可得到1組發(fā)電量數(shù)據(jù),共包含8760個(gè)發(fā)電量數(shù)值。
在本文研究的某100 MW熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中,吸熱塔的高度為220 m,并采用熔融鹽作為吸熱器工質(zhì)。該熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站所在地的海拔高度為1308 m;該電站所在地的年日照小時(shí)數(shù)約為3257.9 h,年法向直射太陽(yáng)輻射量為1900 kWh/m2。該電站所在地的年平均氣溫為7.1 ℃,極端最高氣溫為38 ℃,極端最低氣溫為-35.1 ℃;一年中,7月為最熱的月份,月均氣溫為21.7 ℃;1月為最冷的月份,月均氣溫為-9.8 ℃。該電站所在地的年平均降水量為66.7 mm,年平均沙塵暴天數(shù)為8.2天,年平均雷暴天數(shù)為7.7天,年平均大風(fēng)天數(shù)為40.7天;年平均風(fēng)速為3.8 m/s,最大風(fēng)速為24 m/s。該熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的目標(biāo)年利用小時(shí)數(shù)為3900 h,汽輪發(fā)電機(jī)組的額定工況輸出功率為100 MW,額定熱效率為43.89%,熱耗率為8203.06 kJ/kWh,廠用電率為10%。
設(shè)計(jì)該熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)時(shí),儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較來(lái)確定[7],以儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)來(lái)表征儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量。應(yīng)在熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的目標(biāo)發(fā)電量及其鏡場(chǎng)的配置確定后,在考慮吸熱器制造工藝的前提下,以LCOE值最低時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)作為最佳儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)。
利用SAM軟件建立該熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站模型。SM分別設(shè)置為2.4、2.6、2.8、3.0、3.2;儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)分別設(shè)置為8、10、12、14、16、18 h,變化步長(zhǎng)為2 h;對(duì)上述工況設(shè)置進(jìn)行排列組合,共需要計(jì)算30種工況設(shè)置下的LCOE值,在考慮吸熱器制造工藝的前提下,以LCOE值最低來(lái)確定最優(yōu)的吸熱器輸出熱功率和儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)。
年利用小時(shí)數(shù)越大,意味著熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站需要配置的吸熱器的輸出熱功率越大;吸熱器的輸出熱功率越大,意味著該電站需要配置更多的定日鏡,儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量也需要相應(yīng)增大。這些變化不僅會(huì)增加熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的初投資,同時(shí)也會(huì)增加其年發(fā)電量,但最終的結(jié)果會(huì)以LCOE值來(lái)體現(xiàn)。
不同輸出熱功率的吸熱器均對(duì)應(yīng)不同的儲(chǔ)熱系統(tǒng)配置方案。從熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站設(shè)計(jì)的角度來(lái)看,IRR值最高所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)配置方案是最佳設(shè)計(jì)方案,但還應(yīng)結(jié)合電站的初投資限制,以及吸熱器的銘牌功率來(lái)確定最佳方案,并以此作為工程設(shè)計(jì)時(shí)的推薦方案。
在熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的初投資中,總費(fèi)用包括建筑費(fèi)、設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、安裝費(fèi)等,需要依據(jù)各個(gè)設(shè)備的價(jià)格和工程建設(shè)成本來(lái)確定。本熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站模型的初投資數(shù)據(jù)執(zhí)行文獻(xiàn)[8-10]的規(guī)定。
熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站采用基于朗肯循環(huán)的儲(chǔ)熱系統(tǒng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性分析可參考Chen等[11]的研究結(jié)果,即增大儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)就是增加儲(chǔ)熱系統(tǒng)的投資。
不同儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)時(shí)熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站初投資的變化如圖1所示。
圖1 不同儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)時(shí)熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站初投資的變化Fig. 1 Changes of initial investment of molten salt tower CSP station under different heat storage duration
從圖1可以看出,熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的初投資與儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)呈正相關(guān)。這是因?yàn)殡S著儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的增大,所需熔融鹽工質(zhì)的質(zhì)量增大,因此熔融鹽儲(chǔ)罐的尺寸及相關(guān)換熱器和配套設(shè)施的初投資也會(huì)隨之增加,最終導(dǎo)致整個(gè)電站的初投資增加。
在其他邊界條件保持不變的條件下,SM值分別設(shè)置為2.4、2.6、2.8、3.0、3.2,每個(gè)SM值對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)均是從8 h提高至18 h,對(duì)不同SM值及儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)組合工況設(shè)置下熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的IRR值情況進(jìn)行了模擬測(cè)算,得到的結(jié)果如圖2所示。
圖2 不同SM值及儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)組合工況設(shè)置下熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的IRR情況Fig. 2 IRR of molten salt tower CSP station under different SM value and heat storage duration
從圖2可以看出,當(dāng)SM=2.4時(shí),吸熱器的輸出熱功率為545 MW,此時(shí)IRR的最高值為8.37%,對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為10 h;當(dāng)SM=2.6時(shí),吸熱器的輸出熱功率為590 MW,此時(shí)IRR的最高值為9.07%,對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為12 h;當(dāng)SM=2.8時(shí),吸熱器的輸出熱功率為636 MW,此時(shí)IRR值的最高值為9.87%,對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為14 h;當(dāng)SM=3.0時(shí),吸熱器的輸出熱功率為682 MW,此時(shí)IRR的最高值為10.18%,對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為16 h;當(dāng)SM=3.2時(shí),吸熱器的輸出熱功率為727 MW,此時(shí)IRR的最高值為10.55%,對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為16 h??梢钥闯觯谕粋€(gè)SM值下,即當(dāng)吸熱器的輸出熱功率相同時(shí),隨著儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的增加,熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的IRR值均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),每個(gè)SM值對(duì)應(yīng)的IRR-儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)曲線中都存在1個(gè)IRR最高值;在SM值不同時(shí),IRR最高值隨著SM值的增大而增大,且IRR最高值出現(xiàn)在儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)更大的區(qū)域。
綜合分析可知,儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的增大必然會(huì)使熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的初投資增大,但是在吸熱器的輸出熱功率一定的情況下,過(guò)度增大儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)IRR值并不一定會(huì)升高,因此并不能使熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的發(fā)電量增加,所以設(shè)置過(guò)大的儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量反而會(huì)造成投資浪費(fèi);與此相反,在吸熱器的輸出熱功率一定的情況下,過(guò)小的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)明顯無(wú)法滿足熱輸出功率較大的吸熱器熱量輸出的存儲(chǔ)要求,會(huì)在儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量已滿的情況下導(dǎo)致部分熱量被浪費(fèi),出現(xiàn)被迫“棄光、棄熱”的情況,由于這部分熱量無(wú)法轉(zhuǎn)化為電量,造成了投資浪費(fèi)。圖2中,SM=2.6時(shí),IRR值超過(guò)了9%,而SM>2.8之后,IRR值的增長(zhǎng)明顯減緩,且吸熱器輸出熱功率過(guò)大也會(huì)導(dǎo)致制造工藝?yán)щy,因此,本文以SM取2.6作為儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化時(shí)的取值。
在確定吸熱器的輸出熱功率及鏡場(chǎng)參數(shù)后,進(jìn)行儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的優(yōu)化是熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站工程設(shè)計(jì)中必不可少的內(nèi)容。儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)與熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的初投資成本和年利用小時(shí)數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)SM=2.6時(shí),吸熱器的輸出熱功率為590 MW,鏡場(chǎng)的集熱面積為137萬(wàn)m2,年利用小時(shí)數(shù)為3990 h。當(dāng)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)從8 h提高到16 h(變化步長(zhǎng)為2 h)時(shí),熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的LCOE值的變化情況如圖3所示。
圖3 不同儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)時(shí),熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的LCOE的變化情況Fig. 3 Changes of LCOE of molten salt tower CSP station under different heat storage duration
從圖3可以看出,熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的LCOE值隨儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的增加呈先減小后增大的趨勢(shì);當(dāng)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為12~14 h時(shí),該太陽(yáng)能熱發(fā)電站的LCOE值達(dá)到最低,為1.07元/kWh,該值與《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于太陽(yáng)能熱發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》(發(fā)改價(jià)格[2016]1881號(hào))[12]中提出的太陽(yáng)能熱發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)1.15元/kWh(含稅)相比,具有較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì),此時(shí)對(duì)應(yīng)的IRR值為9.07%,具有較好的投資回報(bào)。
從對(duì)LCOE值的分析中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)低于12 h時(shí),熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的LCOE值較高,這是因?yàn)樵趦?chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為8~10 h時(shí),由于吸熱器收集的熱量比儲(chǔ)熱系統(tǒng)所能存儲(chǔ)的熱量要多,儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱能力不足,導(dǎo)致該太陽(yáng)能熱發(fā)電站出現(xiàn)了“棄光、棄熱”現(xiàn)象,而儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱能力不足會(huì)影響該太陽(yáng)能熱發(fā)電站的年發(fā)電量,最終導(dǎo)致其LCOE值偏高。當(dāng)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)高于14 h以后,LCOE值再次升高,這是因?yàn)閮?chǔ)熱系統(tǒng)的容量配置過(guò)大,導(dǎo)致儲(chǔ)熱系統(tǒng)的冗余投資增加,使該太陽(yáng)能熱發(fā)電站的LCOE值上升。若將儲(chǔ)熱系統(tǒng)比喻成一個(gè)容器,并不會(huì)因?yàn)槿萜鬟x擇的容量越大,就能收集到更多用于發(fā)電的熱量,而吸熱器的輸出熱功率和鏡場(chǎng)的配套規(guī)模決定了熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的年集熱量,因此選擇合適的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)可以理解為選擇合適的儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量,以便于將吸熱器收集的所有熱量收集起來(lái),避免“棄光、棄熱”的現(xiàn)象發(fā)生。
綜上所述可知,本熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站在SM為2.6時(shí),選取12 h的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)作為儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量配置,此時(shí)該太陽(yáng)能熱發(fā)電站具有合理的初投資成本、較高的IRR值和具有競(jìng)爭(zhēng)力的LCOE值。
本文基于某100 MW熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了建模分析,采用IRR、LCOE指標(biāo)分析了在不同吸熱器輸出熱功率和不同儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)下熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的經(jīng)濟(jì)性,對(duì)確定鏡場(chǎng)參數(shù)條件下最優(yōu)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)配置進(jìn)行了模擬分析,得到以下研究結(jié)果:
1)不同SM值均存在對(duì)應(yīng)的IRR最高值,即吸熱器輸出熱功率存在對(duì)應(yīng)的最優(yōu)IRR值;再結(jié)合吸熱器的制造能力等外部條件后,可確定最佳的吸熱器輸出熱功率(即SM最優(yōu)值)。該熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的SM最優(yōu)值為2.6。
2)熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的LCOE值隨儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的增大呈先減小后增大的趨勢(shì),存在具有競(jìng)爭(zhēng)力的LCOE值。當(dāng)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為12~14 h,該熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的LCOE值最低可達(dá)1.07元/kWh。
3)通過(guò)對(duì)比分析,認(rèn)為該熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站在SM為2.6時(shí),儲(chǔ)熱系統(tǒng)的最佳儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為12 h,此時(shí)電站的IRR值達(dá)到最大,為9.07%。此容量配置下,該太陽(yáng)能熱發(fā)電站具有合理的初投資成本、較高的IRR值和具有競(jìng)爭(zhēng)力的LCOE值。
以期本文的研究方法可為熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站中儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量選型提供參考。