太陽能儲熱系統(tǒng)容量配置優(yōu)化設(shè)計

蔣 浩，馮云崗

（上海電力設(shè)計院有限公司，上海 200025）

由于受到季節(jié)、氣候、晝夜、地理緯度和海拔高度等的影響，太陽輻射是間斷且不穩(wěn)定的，要使太陽能能夠持續(xù)穩(wěn)定的被利用，采用合適的儲能技術(shù)是關(guān)鍵因素。太陽能光熱系統(tǒng)中采用儲熱技術(shù)的目的主要為了降低發(fā)電成本以提高發(fā)電的有效性，通過合理的配置運用，可以實現(xiàn)容量緩沖、可調(diào)度性和時間平移、提高年利用率、電力輸出更平穩(wěn)、高效滿負荷運行等方面的效果。因此，儲熱技術(shù)是太陽能熱電站成功走向市場化，并且能與傳統(tǒng)電力相進行競爭的一個關(guān)鍵要素，對儲熱系統(tǒng)的容量配置、系統(tǒng)優(yōu)化研究非常有必要。

1 儲熱技術(shù)研究

按照熱能存儲方式的不同，太陽能高溫儲熱技術(shù)可以分為顯熱儲熱、相變儲熱和化學反應熱儲熱3種方式。

1.1 顯熱儲熱

顯熱儲熱主要是通過儲熱材料溫度的上下變化而存儲熱能，這是3種熱能存儲方式中原理最簡單、技術(shù)最成熟、材料來源最豐富、成本最低廉的一種，并且具有商業(yè)可行性。顯熱儲熱又分為液體顯熱儲熱、固體顯熱儲熱、液-固聯(lián)合顯熱儲熱3種。

（1）液體顯熱儲熱。槽式太陽能光熱電站帶的儲熱系統(tǒng)通常有直接儲熱和間接儲熱2種形式。直接儲熱系統(tǒng)采用熔融鹽液既作為傳熱介質(zhì)又作為顯熱儲熱材料的方式，無油-鹽換熱器；間接儲熱常采用合成油作為傳熱介質(zhì)，熔融鹽液作為顯熱儲熱材料，傳熱介質(zhì)與儲熱材料之間有油-鹽換熱器。直接儲熱系統(tǒng)可以節(jié)省油-鹽換熱，減少換熱步驟，避免了傳熱介質(zhì)與儲熱材料之間的不良換熱，而且適用于400～500℃的高溫工況，但需采用隔熱和伴熱的方法防止凍結(jié)，導致初期投資與運行維護成本過大；間接儲熱系統(tǒng)綜合考慮了防凍與儲熱材料成本問題。

儲熱材料通常采用合成物或共晶混合物，如60%NaNO3+40%KNO3的硝酸鹽混合物、二苯基氧（Therminol VP-1）、Hitec（53%KNO3+7%NaNO3+40%NaNO2）、Hitec XL（45%KNO3+48%Ca（NO3）2+7%NaNO3）等。考慮到合成油分解溫度低，熔融鹽熔點高、易凍結(jié)等問題，現(xiàn)階段新研制的室溫離子液體（Room Temperature I-onic Liquid，RTIL）等材料已進入試驗階段。

（2）固體顯熱儲熱。固體儲熱系統(tǒng)包括儲熱材料、高溫傳熱流體和嵌入固體材料的圓管式換熱管組成。在儲熱工況時，熱流體沿著換熱管流動把高溫熱能傳遞到儲熱材料中。在放熱工況時，冷流體沿著相反方向流動把儲熱材料中的熱能吸收到流體中用來發(fā)電。

（3）液—固聯(lián)合顯熱儲熱。為了降低槽式系統(tǒng)中的雙罐熔融鹽液間接儲熱裝置的固定投資成本，目前研制出了斜溫層單罐儲熱系統(tǒng)。斜溫層單罐是利用密度與溫度冷熱的關(guān)系，當高溫熔融鹽液在罐的頂部被高溫泵抽出，經(jīng)過油鹽換熱器冷卻后，由罐的底部進入罐內(nèi)時，或者當?shù)蜏厝廴邴}液在罐的底部被低溫泵抽出，經(jīng)過油鹽換熱器加熱后，由罐的頂部進入罐內(nèi)時，在罐的中間會存在一個溫度梯度很大的自然分層，即斜溫層。斜溫層以上熔融鹽液保持高溫，斜溫層以下熔融鹽液保持低溫，隨著熔融鹽液的不斷抽出，斜溫層會上下移動，抽出的熔融鹽液能夠保持恒溫，當斜溫層到達罐的頂部或底部時，抽出的熔融鹽液的溫度會發(fā)生顯著變化。該系統(tǒng)采用了液態(tài)儲熱材料NaNO3與KNO3的熔融鹽混合物與固態(tài)儲熱材料石英巖、硅質(zhì)沙。

1.2 相變儲熱

相變儲熱主要是利用儲熱材料發(fā)生相變時吸收或放出的熱量來實現(xiàn)能量的儲存。該系統(tǒng)具有相變潛熱大、相變溫區(qū)窄，結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。相變儲熱主要有以下兩種情形。

（1）DSG槽式系統(tǒng)中采用單一相變儲熱材料的儲熱方式。該系統(tǒng)主要采用230～330℃的加膨脹石墨的復合相變材料，應用微膠囊技術(shù)以及設(shè)計逆流相變儲熱換熱器，達到降低成本的目的。

（2）在采用合成油作為傳熱介質(zhì)的槽式系統(tǒng)中，采用級聯(lián)相變儲熱的方案以及相變儲熱材料／顯熱儲熱材料／相變儲熱材料的混合儲熱方案。該儲熱裝置采用3個豎立的串聯(lián)殼管換熱器，殼內(nèi)分別放置了 KNO3、KNO3／KCl、NaNO3三種相變儲熱材料。

1.3 化學反應熱儲熱

化學反應熱儲熱是指利用可逆化學反應的結(jié)合熱儲存熱能。此種儲熱方式具有儲能密度高、可以長期儲存等優(yōu)點?？赡鏌峄瘜W反應儲熱雖然具有儲能密度大的特點，但由于應用技術(shù)和工藝太復雜存在許多不確定性。常采用的方式有利用氫氧化鈣分解成氧化鈣和水的逆反應、氨的分解與合成來儲熱。

1.4 適用于不同傳熱工質(zhì)光熱電站的儲能系統(tǒng)

通過對儲熱技術(shù)的分析研究，總結(jié)出適用于不同傳熱工質(zhì)的光熱電站的儲能系統(tǒng)具體如下。

（1）對于水作為傳熱工質(zhì)的光熱電站：雙罐間接儲熱、單罐熔融鹽溫躍層儲熱、飽和水儲熱、混凝土／陶瓷固體儲熱。

（2）對于導熱油作為傳熱工質(zhì)的光熱電站：雙罐間接儲熱、單罐熔融鹽溫躍層儲熱、混凝土／陶瓷固體儲熱。

（3）對于熔融鹽作為傳熱工質(zhì)的光熱電站：雙罐直接儲熱、單罐熔融鹽溫躍層儲熱、混凝土／陶瓷固體儲熱。

通過儲熱技術(shù)分析及相關(guān)案例總結(jié)得到，雙罐熔融鹽儲熱系統(tǒng)的應用已經(jīng)成熟，風險性較小，是近期發(fā)展的主要候選對象，相變儲熱將是中長期的優(yōu)先研究對象，而化學反應熱儲熱目前僅具備部分競爭力。通過收集現(xiàn)有儲熱系統(tǒng)案例，綜合考慮光熱電站運行特點、多種儲熱系統(tǒng)可行性及安全性，雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)為現(xiàn)階段技術(shù)相對成熟、安全可靠的儲熱系統(tǒng)，并且現(xiàn)有運行案例較多。因此，本文主要針對雙罐熔鹽儲熱系統(tǒng)的配置容量進行研究分析。

2 儲熱系統(tǒng)容量分析模型

儲熱系統(tǒng)容量配置研究基于太陽能發(fā)電量計算模型的基礎(chǔ)上，通過建立經(jīng)濟型分析模型，以求獲得最佳的儲熱配置比例，儲熱系統(tǒng)容量分析邏輯圖如圖1所示。其主要分析步驟如下。

（1）通過太陽能輻射資料輸入，分析計算得站址所在地代表年逐時太陽能法向直接輻照量（DNI）。

（2）通過集熱器熱損、光學損失以及鏡場面積的輸入，分析計算得鏡場逐時所吸收的總熱量。

（3）通過對逐時鏡場吸收的熱量是否滿足汽輪機發(fā)電需求熱量進行判斷。如滿足則將該熱量輸入蒸發(fā)及發(fā)電系統(tǒng)；如不滿足，則再對該熱量是否滿足儲熱熱量需求進行判斷，如滿足則將該熱量輸入儲熱系統(tǒng)，如不滿足則棄光。

（4）通過對蒸發(fā)系統(tǒng)以及儲熱系統(tǒng)所提供的熱量進行輸入，分析計算光熱電站逐時上網(wǎng)電量。

（5）通過對上網(wǎng)電量、投資估算進行分析，判斷其是否為效益最佳，如果達到最高收益，則再根據(jù)其棄光率總結(jié)出最佳儲熱容量配置，如果未達到理想收益，則再對儲熱容量進行更改，重復以上步驟，直至計算出最佳結(jié)果。

3 經(jīng)濟性模型

經(jīng)濟性模型根據(jù)差額收益率的分析方式進行建立，分析內(nèi)容主要包括集熱陣鏡場、占地面積、支架基礎(chǔ)、儲熱系統(tǒng)4個方面。

3.1 固定成本模型

根據(jù)系統(tǒng)配置方案，主要設(shè)備包括集熱陣鏡片、支架及基礎(chǔ)、集熱管、儲罐、熔鹽泵等工藝設(shè)施。根據(jù)廠家的調(diào)研數(shù)據(jù)，各工藝系統(tǒng)的固定成本投資如表1所示。

表1 固定成本投資費用

鏡場部分及油系統(tǒng)中包括新增鏡片、集熱管、導熱油、膨脹溢流系統(tǒng)、電氣及熱工控制系統(tǒng)、管道及保溫等；支架及基礎(chǔ)包括新增支架、跟蹤系統(tǒng)、土建支墩等；儲熱系統(tǒng)包括新增熔鹽罐、熔鹽泵、熔鹽、熔鹽換熱器、土建支墩、電氣及熱工控制系統(tǒng)、管道及保溫等；土地費用包括新增征地費用。除此之外，各系統(tǒng)中已包括各新增部分的設(shè)備購置費、安裝工程費以及建筑工程費，除此之外還包括項目建設(shè)管理費、項目建設(shè)技術(shù)服務(wù)費、分系統(tǒng)調(diào)試及整套啟動試運費、生產(chǎn)準備費、大件運輸特殊措施費以及基本預備費。

3.2 運行成本模型

在運行成本模型中：①綜合折舊率按20年考慮為4.75%；保修期為5年，在保修期間修理費率取0.7%，保修期滿后20年正常修理費率取設(shè)備費的1.5%、建安及其他費用的0.5%；②模型中計算期取26年，其中建設(shè)期1年，生產(chǎn)期25年；③電站職工人數(shù)70人，人均年工資按60 000元估算，福利費提取率14%，勞保統(tǒng)籌和住房基金提取率分別為37%和12%；保險費率取0.25%；（4）材料費20元／kW，其他費用30元／kW；⑤上網(wǎng)電價按1.2元／kWh，天然氣價按3.13元／Nm3；⑥廠用電率取10%。

3.3 財務(wù)分析模型

按動態(tài)模型進行分析，根據(jù)國家現(xiàn)行財稅制度和現(xiàn)行價格，按國家發(fā)改委和建設(shè)部頒發(fā)的《建設(shè)項目經(jīng)濟評價方法與參數(shù)》（第三版）等要求，同時采用了有關(guān)規(guī)定要求的數(shù)據(jù)和設(shè)計技術(shù)參數(shù)等。

（1）增值稅：根據(jù)《中華人民共和國增值稅暫行條例（2008）》規(guī)定，企業(yè)采購固定資產(chǎn)（除建筑物、構(gòu)筑物和消費用品外），均可以享受抵扣增值稅的政策，在生產(chǎn)經(jīng)營中的設(shè)備、材料的采購的進項稅額，按年度的應繳增值稅額抵扣。

（2）所得稅：按基礎(chǔ)稅率25%計取。

（3）稅金：電力工程繳納的稅金包括增值稅、銷售稅金附加、所得稅。其中，增值稅為價外稅，稅率為17%。

（4）銷售稅金附加包括城市維護建設(shè)稅和教育費附加，以增值稅稅額為基礎(chǔ)征收，按規(guī)定稅率分別采用5%和3%，本項目另有地方教育附加費2%。

表2 各儲熱容量下投資估算及系統(tǒng)參數(shù)

（5）利潤及利潤分配的估算。利潤總額（稅前利潤）=發(fā)電收入-銷售稅金附加-總成本費用。能源站的總成本費用主要包括折舊費、修理費、工資與福利、材料費、其他費用、財務(wù)費用等。經(jīng)營成本=總成本-折舊、財務(wù)費用。稅后利潤=利潤總額-所得稅。利潤分配的原則是利潤總額在彌補五年內(nèi)的以前年度虧損，并交納所得稅后進行利潤分配。

4 容量配比分析

儲熱容量分析模型中太陽能光熱電站裝機容量暫考慮按50MW進行計算，分析儲熱時間從0至8h的情況下，所增加的SCA回路、年發(fā)電量、占地面積、鏡場投資、支架系統(tǒng)投資、土地費用、儲能系統(tǒng)投資、差額內(nèi)部收益率、增量回收期等變化趨勢，選擇儲熱系統(tǒng)的最佳占比。通過對模型進行分析計算，得到各儲熱容量下系統(tǒng)數(shù)據(jù)、投資估算及差額內(nèi)部收益率如表2所示。

根據(jù)分析所得到的各儲熱小時情況下項目差額投資財務(wù)內(nèi)部收益率的數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖2所示。由圖2可以看出，當儲熱小時達到3h時，項目收益最佳；在1～4h經(jīng)濟效益變化幅度不大，保持在穩(wěn)定收益狀況。

不同儲熱容量配置情況下棄光率曲線如圖3所示。由圖3可以看出，儲熱容量配置在2～4h時，棄光率達到最低，4h以后棄光率又逐漸增大。因此，從經(jīng)濟性、太陽能棄光率、綜合利用小時等方面綜合考慮，儲熱容量配置在2～4h區(qū)域內(nèi)為光熱電站儲熱系統(tǒng)較優(yōu)占配置區(qū)間。

圖2 儲熱系統(tǒng)各容量下全投資內(nèi)部收益率曲線

圖3 儲熱系統(tǒng)各容量下棄光率曲線

由于儲熱系統(tǒng)各項經(jīng)濟指標是按給定的基本資料對經(jīng)營期給定參考電價、投資，計算項目產(chǎn)出電量的效益作為收入進行測算的，考慮在今后的建設(shè)和投產(chǎn)后，某些條件可能發(fā)生變化，為了預測外界有關(guān)因素變化對工程經(jīng)濟效益的影響程度，現(xiàn)對差額投資、電價及差額發(fā)電量對差額內(nèi)部收益率等指標的影響程度作敏感性分析，統(tǒng)計的分析曲線如4所示。

圖4 儲熱系統(tǒng)各容量下敏感性分析曲線

從計算結(jié)果可以看出，差額發(fā)電量變化對差額內(nèi)部收益率曲線的影響很大，當電價、差額投資以及差額發(fā)電量上浮及下調(diào)10%時，儲熱容量配置基本在2～3h時收益最佳?？梢姡捎趦r格為市場的不可控因素，項目本身應根據(jù)市場價格，選擇合適的儲能容量配置以提升經(jīng)濟效益。

由于太陽能的不可預測性，將對太陽能儲熱系統(tǒng)的配置有很大影響，如太陽能光照資源欠佳，則直接導致鏡場大小、儲熱系統(tǒng)的配置以及發(fā)電量，本報告對太陽能資源的不穩(wěn)定性在各儲熱容量配置情況下的影響作敏感性分析。太陽能資源的變化主要影響的是光熱電站的發(fā)電量，因此，本報告將太陽能光照資源中最大影響因素因子（DNI）的浮動，在各儲熱容量配置下的差額收益率作為展現(xiàn)形式進行分析，得到各儲熱容量下差額收益率及棄光率變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，當DNI自-25%～5%變化時，3h儲熱容量差額內(nèi)部收益率最大，2h儲熱容量及4h儲熱容量次之。當DNI自-5%～15%變化時，3h儲熱容量差額內(nèi)部收益率依舊最大，2h儲熱容量及1h儲熱容量排列二、三位。當DNI變化大于15%時，1h儲熱容量差額內(nèi)部收益率達到最大，3h儲熱容量及2h儲熱容量次之，但兩者差距不大。

從圖6中可以看出，當DNI降幅超過30%時，儲熱容量大于3h基本棄光率為0%，1h儲熱容量棄光率較大。當DNI自-20%至5%變化時，3h儲熱容量棄光率最小，2h儲熱容量及4h儲熱容量次之。當DNI變化大于5%時，2h儲熱容量棄光率最小，3h儲熱容量及4h儲熱容量次之。

通過分析可以看出，DNI在設(shè)計點周圍浮動時，2～4h儲熱容量差額效益最高，且棄光率較小。

5 結(jié)語

（1）儲熱容量配置在2～4h區(qū)域內(nèi)，項目經(jīng)濟效益較好，且變化幅度不大，同時，棄光率達到最低，為光熱電站儲熱系統(tǒng)配置較優(yōu)區(qū)間。

（2）通過對差額投資、電價及差額發(fā)電量對差額內(nèi)部收益率等指標的影響程度作敏感性分析，發(fā)現(xiàn)差額發(fā)電量變化對差額內(nèi)部收益率曲線的影響很大，當電價、差額投資以及差額發(fā)電量上浮及下調(diào)10%時，儲熱容量配置基本在2～3h時收益最佳。

（3）通過對太陽能資源的不穩(wěn)定性在各儲熱容量配置情況下的影響作敏感性分析，發(fā)現(xiàn)儲熱容量配置在2～4h區(qū)域內(nèi)，差額內(nèi)部收益率較優(yōu)，且棄光率較小。

綜上所述，綜合考慮經(jīng)濟性及光資源利用率，儲熱容量配置在2～3h時較理想，如考慮光資源利用率最高或電站全天24h穩(wěn)定運行，則可配置較大容量的儲能系統(tǒng)。

［1］ 宋記鋒，丁樹娟.太陽能熱發(fā)電站［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［2］ 王志峰.太陽能熱發(fā)電站設(shè)計［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012.

［3］ 黃素逸，黃樹紅.太陽能熱發(fā)電原理及技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［4］ 田增華，張 鈞.槽式太陽能熱發(fā)電雙罐式熔融鹽間接儲熱系統(tǒng)設(shè)計研究［J］.太陽能，2012（22）：54-60.