太陽能熱發(fā)電最低投資定量分析

范潔，杜鳳麗，孫建朝

(1.中國華電科工集團有限公司，北京 100088； 2.太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，北京 100090)

表1 典型50 MW塔式太陽能熱發(fā)電站主要參數(shù)[3]

1 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)劃分[1]

太陽能熱發(fā)電與傳統(tǒng)火力發(fā)電相比有較大區(qū)別，聚光式太陽能熱發(fā)電形式種類繁多，但無論采用哪種技術(shù)路線，都可以劃分為太陽能聚光部分、集熱部分、傳熱和儲熱部分、發(fā)電部分等四大部分。其中，聚光、集熱、傳熱和儲熱3部分是傳統(tǒng)電力較少涉及的范疇，也是太陽能熱發(fā)電技術(shù)的核心，集中體現(xiàn)了太陽能熱發(fā)電的特點；而發(fā)電部分與傳統(tǒng)發(fā)電尤其是火力發(fā)電是相同或者類似的。為抓住問題關(guān)鍵，本文以我國2017年100 MW等級塔式太陽能的可研估算，就太陽能系統(tǒng)4部分的成本比例進行分析，探究太陽能熱發(fā)電最低單位造價的底線。

2 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)

太陽能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的鏡場由多面玻璃反射鏡組成，發(fā)電系統(tǒng)由汽輪發(fā)電機組及其熱力系統(tǒng)組成[2]。鏡場將太陽光反射聚焦到塔頂?shù)募療崞?，熱量可儲存，?dāng)儲熱達到一定量后，在夜晚沒有太陽能量的情況下，塔式熱發(fā)電系統(tǒng)仍可連續(xù)發(fā)電，從而保證24 h連續(xù)發(fā)電，而能量來源為太陽能和經(jīng)過儲熱的太陽能。其他化石能源或可再生能源可以在機組啟動或冬季嚴(yán)寒季節(jié)進行補燃，以保證機組的安全運行。系統(tǒng)每個模塊可獨立運行，可靠性和調(diào)節(jié)性能高，也可提供持續(xù)的熱量用于供熱和制冷、農(nóng)業(yè)加工等其他用途。典型的塔式系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

根據(jù)表1確定的系統(tǒng)靜態(tài)投資為134 004萬元，靜態(tài)單位造價為26 800元/kW，動態(tài)投資139 943萬元，動態(tài)單位投資27 989元/kW。一般50 MW等級常規(guī)火電機組(年運行小時5 000 h)靜態(tài)單位投資不超過5 000元/kW，則同等太陽能電站靜態(tài)投資(發(fā)電年運行小時2 916 h)是火電機組的5.36倍。

由表1可明顯看出太陽能熱發(fā)電的特點。由于項目靜態(tài)投資較高，與常規(guī)火電相比，工程一次性投資大，增加了項目融資成本，其中工程固定資產(chǎn)折舊所占度電成本的比例高達60%左右；另一方面，由于發(fā)電能源來自太陽能，電站中占有大部分的燃料費用沒有了，有些電站僅消耗極少量的啟動、低負(fù)荷運行和保溫用天然氣燃料，因而運營成本相對較低。因此，有必要對工程投資的組成進行分析，并分析高投資和低運行成本同時對發(fā)電電價的影響。表2為50 MW太陽能電站各分項系統(tǒng)的投資費用。

表2 典型50 MW塔式太陽能熱發(fā)電站經(jīng)濟參數(shù)

根據(jù)50 MW煤電系統(tǒng)的單位造價分析，鍋爐系統(tǒng)(含輸煤系統(tǒng)、除灰系統(tǒng)、除塵等)造價大約7 500萬元，考慮到部分電氣和熱控的就地柜、表盤、儀表等費用額度不超過500萬元，鍋爐系統(tǒng)費用約8 000萬元，扣除這部分，汽輪發(fā)電機部分的造價約1.7億元。表2中發(fā)電投資19 019萬元，與常規(guī)發(fā)電設(shè)備相比高約11.9%。

同理，太陽能熱發(fā)電站其他費用包括設(shè)計費、現(xiàn)場征地、工程管理費等不可預(yù)見費用，其投資額比例也比常規(guī)火電高約30%。根據(jù)眾多數(shù)據(jù)分析比較，太陽能電站的占地是常規(guī)電站占地的10倍，因而其土地費用等也會增加，但由于太陽能電站基本建在戈壁荒蕪地區(qū)，在得到政策支持條件下，其費用節(jié)省的可能性是有的，其他費用投資可控制在1.5億元范圍內(nèi)。

儲熱部分的功能主要是提高太陽能熱發(fā)電的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力，具有類似抽水蓄能調(diào)峰水電站的功能，因而這部分費用可以單獨分析。

鏡場和集熱部分類似火電廠鍋爐部分[4]，兩者分別占總費用的48.1%和9.3%，兩項投資為7.693億元。

3 定量分析電站單位造價方法

太陽能塔式電站鏡場布置和優(yōu)化比較復(fù)雜，鏡場的太陽反射計算依賴于當(dāng)前太陽、反射鏡與集熱塔的位置，并考慮鄰近玻璃鏡陰影遮擋情況。目前，太陽能計算國外有HFLCAL和EBSILON兩套軟件，第1種可計算確定太陽能鏡場、集熱塔、發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)，并對布置參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計；第2種用于模擬電廠運行，輸入當(dāng)?shù)靥枟l件等參數(shù)，利用鏡場運行小時數(shù)據(jù)和集熱器性能分析，可得到全年的發(fā)電結(jié)果，計算出年總發(fā)電量。在所有計算中，發(fā)電量的計算是最重要的，但發(fā)電量計算不能僅依靠軟件，還需要根據(jù)已建電站的每年實際發(fā)電量，依靠當(dāng)?shù)仉娬镜膶嶋H外部條件，用實際數(shù)據(jù)進行對比，才能得到較真實的依據(jù)。目前，國外電站已有近30年的運行數(shù)據(jù)，國內(nèi)也有1個電站具有1年以上的實際運行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是分析電站發(fā)電量最好的校核數(shù)據(jù)。

為了定量分析塔式太陽能熱發(fā)電的單位造價，根據(jù)投資費用和電站效率計算公式，推導(dǎo)出如下關(guān)系式：

Psolar=Pgra+Psto+k1Ppow+Poth，

(1)

(2)

式(1)中：Psolar為塔式太陽能熱發(fā)電站單位造價，元/kW；Pgra為鏡場系統(tǒng)單位造價，元/kW；Psto為儲熱系統(tǒng)單位造價，元/kW；Ppow為發(fā)電系統(tǒng)(包括汽輪發(fā)電機組及全部熱力系統(tǒng)，集熱塔系統(tǒng)等，該系統(tǒng)與同等容量常規(guī)火電站相比，單位造價相近略低)單位造價，元/kW；k1指塔式太陽能熱常規(guī)發(fā)電單位投資和同等容量火電站單位投資比；Poth為其他費用單位造價(主要為工程建設(shè)管理費用)，元/kW。

式(2)中等式右側(cè)第1項為式(1)中的Pgra，式中：n1為反射鏡鋼結(jié)構(gòu)材料單位重量，不含土建部分用鋼，kg/m2；n2為反射鏡鋼結(jié)構(gòu)材料單位價格，含全套支架、土建、安裝費用，元/kg；h1為發(fā)電年運行小時數(shù)(全年總發(fā)電量與銘牌功率比)，h；η1為塔式電站發(fā)電效率，%；ω為當(dāng)?shù)靥柲苤鄙漭椛渲?，kW/(m2·a)。

式(2)中等式右側(cè)第2項為式(1)中的Psto，式中：3 600指1 kW·h電的熱含量，kJ/(kW·h)；h2為儲熱小時數(shù)，h；n3為熔鹽單位價格，元/kg，含罐體、土建、安裝費用；η2為塔式電站鏡場和吸熱塔效率，%；c為熔鹽工作溫度范圍內(nèi)的平均比熱容，J/(kg·K)；Δt為高溫熔鹽罐和低溫熔鹽罐溫度差，℃。

式(1)中Poth是電站單位投資的其他費用常規(guī)項；Ppow是常規(guī)火電站的單位投資，k1可修正兩者的差；前兩項可分別獨立判斷鏡場系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)的單位造價。式(2)將技術(shù)數(shù)據(jù)和單位造價形成關(guān)系式，可定量分析塔式太陽能熱發(fā)電的單位造價。從式(2)中可看出影響太陽能熱發(fā)電的因素，也可看出選擇高太陽能輻射值的地區(qū)和提高電站發(fā)電效率是降低鏡場成本的關(guān)鍵；對于儲熱系統(tǒng)，選擇更大儲熱比熱的材料和提高熔鹽儲熱溫度差，能有效降低儲熱成本。

表3 常規(guī)電站與太陽能熱電站材料量對比

式(2)除了計算塔式系統(tǒng)外，理論上可計算槽式系統(tǒng)，但需注意與造價有關(guān)的定義范圍。

4 鏡場費用下降空間

對太陽能熱發(fā)電和火電兩種類型的電站造價進行分析，材料使用量和材料單價可以比較出兩者的差異。表3針對同等容量常規(guī)和太陽能熱電站的材料量進行了比較[5]。

美國國家可再生能源實驗室(NREL)對先進塔式太陽能熱發(fā)電有一些指標(biāo)要求：在反射鏡偏差小于3 mrad、抗風(fēng)速小于37 m/s的條件下，反射鏡的成本應(yīng)小于75美元/m2?？梢?，反射鏡的成本降低空間很大。目前計算數(shù)據(jù)為1 232元/m2，根據(jù)對100 m2反射鏡架進行的優(yōu)化計算，在滿足6級風(fēng)速(14 m/s)時，反射鏡單位質(zhì)量可以控制在70 kg/m2，僅此一項，鏡場造價可降為4.512 1億元，節(jié)省1.933 7億元。從單位質(zhì)量投資分析，火電站鍋爐系統(tǒng)包括鍋爐及其附屬設(shè)備、輸煤、除灰設(shè)備等，材料單位質(zhì)量價格為1.540 2萬元/t，而鏡場設(shè)施僅包括反射鏡架、控制旋轉(zhuǎn)單元及纜線、基礎(chǔ)土建費用等部分，單位質(zhì)量價格為1.232 5萬元/t，今后規(guī)模化生產(chǎn)和建設(shè)后，可在此指標(biāo)上進一步降低投資。

太陽能鏡場土建費用分析如下：假定外部條件中，按照 7 度抗震(0.1g)、II 類場地土、采用天然地基，地基承載力按 200 kPa考慮，按照國內(nèi)規(guī)范將風(fēng)力轉(zhuǎn)換為風(fēng)壓數(shù)據(jù)，則不同風(fēng)力條件下的基礎(chǔ)材料用量如圖1所示。由圖1可見，當(dāng)風(fēng)力在5～8級時，基礎(chǔ)鋼材和混凝土使用量不變，9級以上時，基礎(chǔ)的鋼材和混凝土使用量增加，當(dāng)達到11級風(fēng)速時，材料量增加了1倍。

圖1 100 m2塔式太陽反射鏡支架基礎(chǔ)材料用量

根據(jù)如上分析，鏡場設(shè)計可根據(jù)每年當(dāng)?shù)仫L(fēng)級分布，確定安全運行控制點，當(dāng)反射鏡可在6,7,8級風(fēng)速以下安全運行時，超過上述風(fēng)速即采取停機保護措施。該計算也可證實，通過分析全年不同風(fēng)速的時間范圍，分析反射鏡在不同風(fēng)速下的單位造價，可得到最佳的安全運行停機保護點。

系統(tǒng)效率提高也是降低造價的有效手段，表4列出了典型50 MW塔式太陽能熱發(fā)電站的各分項效率數(shù)據(jù)。典型電站從光到電的效率為14.88%，據(jù)報道國外100 MW塔式電站效率為18.76%。分析各分項效率可知，國外對吸熱器設(shè)備采取了優(yōu)化設(shè)計，特別是吸熱器表面涂吸熱層等措施，可提高能量的吸收，降低散熱損失，使光熱效率達到50%以上。通過計算可知，現(xiàn)有條件下的光熱效率可達到44%；廠用電率按11%設(shè)計，而實際廠用電率可控制在8%～9%。提高機組的熱力參數(shù)也是有效手段，根據(jù)計算，同等條件下超高壓參數(shù)機組比高壓機組效率提高3.80百分點，亞臨界機組比超高壓又提高1.21百分點，目前國內(nèi)汽輪機制造廠都在為提高汽輪機內(nèi)效率開展研究，同等容量新型機組的內(nèi)效率提高很多。

在表4的數(shù)據(jù)條件下，光熱效率提高1.50百分點，汽輪機熱電效率提高2.00百分點，僅此兩項就可使全廠效率提高1.40百分點，達到16.3%。效率提高可使鏡場面積降低8.5%，投資降低3 813萬元。

表4 典型50 MW塔式太陽能熱發(fā)電站效率參數(shù) %

要提高塔式太陽能電站聚光、集熱和儲熱的效率空間已經(jīng)不大，而提高機組的熱電轉(zhuǎn)換效率則可使電站效率有大幅的提高，目前提出的二氧化碳超超臨界布雷登循環(huán)系統(tǒng)，可使熱電轉(zhuǎn)換效率從目前的40%左右大幅提高到48%～50%。根據(jù)測算，當(dāng)熱電轉(zhuǎn)換效率再提高5.00百分點，鏡場費用可再降低1億元左右。

5 電站投資比較結(jié)論

按照常規(guī)火電站的技經(jīng)數(shù)據(jù)和工程量數(shù)據(jù)，與50 MW塔式太陽能熱發(fā)電站的投資進行對比，利用式(2)關(guān)系式得到的結(jié)論見表5。

表5中初設(shè)數(shù)據(jù)為國內(nèi)2014年版的火力發(fā)電工程建設(shè)預(yù)算編制與計算規(guī)定數(shù)據(jù)，當(dāng)時的單位造價為26 800元/kW，含稅電價為1.350元/(kW·h)。

表5 典型50 MW塔式太陽能熱發(fā)電站經(jīng)濟分析結(jié)論

按照目前國內(nèi)已達到的技術(shù)條件，結(jié)合國家開展的20個太陽能示范電站的經(jīng)濟數(shù)據(jù)，電站管理費用控制在常規(guī)火電站范圍內(nèi)，單位造價控制在21 200元/kW，則含稅上網(wǎng)電價1.015元/(kW·h)。

通過進一步降低鏡場投資、提高電站整體效率、采用高效率的發(fā)電機組，同時在土地政策上給予較好的條件，單位造價控制在17 200元/kW，含稅電價可在0.730元/(kW·h)。

此時，考慮太陽能熱發(fā)電無煙塵、硫化物、氮氧化物、汞等污染物排放，環(huán)保補償電價為0.050元/(kW·h)進行折算，考慮到太陽能熱發(fā)電采用了7 h儲熱，此部分的費用折算電價約為0.160元/(kW·h)。

為進行電站總投資及其經(jīng)濟性分析，根據(jù)我國電站融資、貸款、投資回收期、贏利模式等要求，結(jié)合以上技術(shù)數(shù)據(jù)就可以對太陽能電站進行具體投資和電價分析。計算結(jié)果顯示，按照電站壽命期30 a，全部投資收益率8%計算，在國內(nèi)太陽輻射資源條件下，最低含稅電價可達到0.730元/(kW·h)。考慮到環(huán)保排放補償和太陽能熱發(fā)電調(diào)峰補償，則相當(dāng)含稅電價為0.520元/(kW·h)。