侯宏娟,高 嵩,楊勇平,崔映紅

(華北電力大學(xué)能源的安全與清潔利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102206)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得對(duì)電力的需求越來(lái)越大,同時(shí)長(zhǎng)期以來(lái)電力生產(chǎn)以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)所造成的環(huán)境污染及全球氣候變暖問(wèn)題,使得利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能等可再生能源進(jìn)行發(fā)電越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

太陽(yáng)能熱發(fā)電作為未來(lái)進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電的一種方式雖然受到越來(lái)越多的關(guān)注,但目前其經(jīng)濟(jì)性還無(wú)法與常規(guī)能源發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)。為降低成本,將太陽(yáng)能與化石能源相結(jié)合構(gòu)成的混合發(fā)電系統(tǒng)為促進(jìn)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了方向。1997年國(guó)際能源署IEA和Solarpaces將太陽(yáng)能和化石能源混合發(fā)電 (Solar-Hybrid System)列為二十一世紀(jì)近期和中期太陽(yáng)能熱利用的發(fā)展目標(biāo)[1]。

1 混合系統(tǒng)說(shuō)明

本文以固定面積的槽式集熱場(chǎng)為熱源替代600 MW各級(jí)加熱器的抽汽來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化[2]。在優(yōu)化過(guò)程中集熱器的瞬時(shí)效率按文獻(xiàn)[3]得到的公式 (1)進(jìn)行計(jì)算:

式中 :k為入射角修正系數(shù);Δt為集熱器工作溫度與環(huán)境溫度之差;I為太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度,W/m2。

優(yōu)化后的結(jié)果列于表1中。

表1 混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Optimization results of hybrid power system

由表中可看出用太陽(yáng)能槽式集熱場(chǎng)取代第8級(jí)抽汽,多做的功最多,太陽(yáng)能的光-熱-電轉(zhuǎn)化效率也最高。由此在下面的分析中本文以槽式集熱場(chǎng)全部取代第8級(jí)抽汽為例進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 評(píng)價(jià)模型

技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)的指標(biāo)是多種多樣的[4～8],他們從不同的角度反映了工程技術(shù)方案的經(jīng)濟(jì)性。這些指標(biāo)大致分為三類(lèi)。一是以時(shí)間作為計(jì)量單位的時(shí)間型指標(biāo),如投資回收期、借款償還期等;二是以貨幣金額表示的價(jià)值型指標(biāo),如凈現(xiàn)值、凈年值等;三是反映資源利用率的效率型指標(biāo),如投資利用率、內(nèi)部收益率、投資凈現(xiàn)值率等?？稍偕茉窗l(fā)電通常有較高的初投資和低的運(yùn)行維護(hù)成本。單純的太陽(yáng)能熱發(fā)電成本很高,將槽式太陽(yáng)能集熱場(chǎng)與燃煤機(jī)組結(jié)合起來(lái)一方面降低了太陽(yáng)能發(fā)電的成本,另一方面減少了煤耗和CO2的排放。本文采用了國(guó)際上慣用的比較比較可再生能源發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的能源成本(LEC)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。它既體現(xiàn)了現(xiàn)金的時(shí)間價(jià)值,考慮了電站在整個(gè)生命周期內(nèi)的成本,又可以對(duì)不同規(guī)模的電站進(jìn)行比較。雖然LEC的定義非常簡(jiǎn)單,但是其數(shù)學(xué)描述遠(yuǎn)不像表面那么簡(jiǎn)單。不同的學(xué)者采用不同的 LEC定義方式。本文采用文獻(xiàn)[4]所用的定義式:

式中:CC為總初投資;AF為年系數(shù)。

式中:q=1+i,i為利率;D為系統(tǒng)壽命;O&M為年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用;A為年凈發(fā)電量,kW?h;Fuel為燃料費(fèi)用。

2.2 案例分析

為了便于比較本文所計(jì)算的LEC均為太陽(yáng)能部分的LEC。在本例中用槽式太陽(yáng)集熱場(chǎng)的得熱取代全部第 8級(jí)抽汽。集熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)容量為MWt?h,若當(dāng)?shù)氐奶?yáng)直射輻射資源為2 000 kW?h/(m2?a),則年節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤21 445.7 t,相應(yīng)的減排CO253 614.3 t,CO2減排收益取15＄/t。計(jì)算中系統(tǒng)壽命取30年,利率取6%[4],單位面積集熱場(chǎng)的投資按200＄/m2計(jì)算,集熱場(chǎng)的年平均集熱效率按50%[9]計(jì)算,集熱場(chǎng)的管路損失按 2%計(jì)算[7],運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用取總投資的3%,集熱場(chǎng)的泵功耗按8%計(jì),則太陽(yáng)能發(fā)電部分的 LEC為0.053＄/kW?h,若不計(jì)CO2減排部分則 LEC為0.068＄/kW?h。

系統(tǒng)的 LEC會(huì)隨地區(qū)的太陽(yáng)輻射資源,系統(tǒng)壽命,集熱場(chǎng)年平均集、熱效率集熱場(chǎng)的投資成本等的變化而變化,如圖1～4所示:

圖1 LEC隨地區(qū)直射輻射資源的變化Fig.1 LEC vs.resources of DNI

由此可見(jiàn),隨著太陽(yáng)輻射資源,系統(tǒng)壽命,集熱場(chǎng)年平均集熱效率,單位面積集熱場(chǎng)的投資對(duì)LEC的影響均很大,目前許多已有的槽式熱發(fā)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)壽命都達(dá)到了25年、30年,甚至40年以上[9]。集熱場(chǎng)的年平均及熱效率也從SEGSⅥ的37.5%達(dá)到了Andasol的50%,集熱器每平米的造價(jià)也有望降到175＄/m2以下[10]。

圖2 LEC隨集熱器造價(jià)的變化Fig.2 LEC vs.capital cost per unit area of the collector

圖3 LEC隨集熱場(chǎng)年平均集熱效率的變化Fig.3 LEC vs.the average annual efficiency of the solar collector field

圖4 LEC隨系統(tǒng)壽命的變化Fig.4 LEC vs.the economic life of the system

3 結(jié) 論

本文在用槽式太陽(yáng)集熱場(chǎng)代替600 MW機(jī)組加熱器抽汽的混合發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果:用太陽(yáng)得熱替代第8級(jí)抽汽系統(tǒng)的熱性能最優(yōu)的基礎(chǔ)上對(duì)混合系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,得出在直射輻射資源為2 000 kW?h/(m2?a)的地區(qū),其太陽(yáng)能發(fā)電部分的LEC為0.062＄/kW?h,若不計(jì)CO2減排部分則LEC為0.068＄/kW?h,大大低于相同規(guī)模的SEGSⅥ純太陽(yáng)能發(fā)電0.16＄/kW?h,與風(fēng)力發(fā)電相當(dāng)。

此外本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射資源,系統(tǒng)壽命,集熱場(chǎng)年平均效率,單位集熱面積的成本對(duì) LEC影響的分析得到:

將混合電廠(chǎng)建在輻射條件好的地區(qū),采用高技術(shù)延長(zhǎng)系統(tǒng)的壽命,提高集熱場(chǎng)效率,降低集熱器的成本均有助于降低LEC成本。

根據(jù)我國(guó)國(guó)情,在我國(guó)的現(xiàn)有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件下,采用太陽(yáng)能與燃煤機(jī)組混合發(fā)電模式既有利于降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本,又有利于逐步推進(jìn)我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步。

[1]YANG Yongping,CUI Yinghong,HOU Hongjuan,et al.Research on solar aided coal-fired power generation system and performance analysis[J].Science In China(Series E),2008,51(8):1211-1221.

[2]林萬(wàn)超.火電廠(chǎng)熱系統(tǒng)節(jié)能理論[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1994.

[3]Vernon E.Dudley.Test Results SEGS LS-2 Solar Collector[R].SAND 94-1884,1994.

[4]Francesco La Porta,Università di Padova.Technical and economic analysis of future perspectives of solarthermal power plants[R].www.efpe.org/Download-Thesis.asp?file=4&thesis=:6.

[5]李鑫,李安定,李斌,等.蝶式/斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(12):108-111.

[6]Price H.A parabolic trough solar power plant simulation model[C].International SolarEnergy Conference,Hawaii,March 16-18,2003.

[7]Price H.Assessment of parabolic trough and power tower solar technology cost and performance forecasts[R].Sargent&Lundy LLC Consulting Group Chicago,Illinois.National Renewable Energy Laboratory.October 2003,NREL/SR-550-34440.

[8]SBeerbaum S,Weinrebe G.Solar thermal power generation in india-a techno-economic analysis[J].Renewable Energy,2000,21:153-174.

[9]Solar Millennium AG Annual Report[R].2007/2008.[10]Price H.Advances in parabolic trough solar power technology[J].Journal of solar energy engineering transactions of the ASME,2002,124(5):109-125.