陳鷥鷺　陳　永　潘　雪　軒　連　梁偉青

上海齊耀動力技術(shù)有限公司

碟式太陽能熱發(fā)電全壽命周期成本電價分析

陳鷥鷺陳永潘雪軒連梁偉青

上海齊耀動力技術(shù)有限公司

通過分析建立了碟式太陽能熱發(fā)電站成本電價計算的全壽命周期模型，并結(jié)合建造成本、運營維護成本及發(fā)電量的預(yù)測，對影響成本電價的因素逐一分析，測算了中國碟式太陽能熱發(fā)電站的預(yù)期成本電價，通過對比計算指出了成本電價隨產(chǎn)能規(guī)模及技術(shù)工藝因素的發(fā)展而下降，其中產(chǎn)能規(guī)模作用最為明顯。

碟式太陽能熱發(fā)電；全壽命周期；成本電價；聚光碟成本；斯特林機成本

在全球能源枯竭、節(jié)能減排壓力增大的背景下，我國的能源開發(fā)利用主要面臨兩個方面的矛盾，一是傳統(tǒng)能源日漸枯竭與能源需求持續(xù)快速增長的矛盾，二是以煤為主的能源結(jié)構(gòu)與環(huán)境壓力持續(xù)增大的矛盾。太陽能的普遍存在性和無限利用的清潔性，使得開發(fā)利用太陽能成為有效化解以上兩個方面矛盾的重要途徑，世界各國也把太陽能作為逐步代替常規(guī)能源的重要舉措之一。

碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是太陽能熱發(fā)電中光電轉(zhuǎn)換效率最高的一種方式，它通過旋轉(zhuǎn)拋物面碟形聚光器將太陽輻射聚集到接收器中，接收器將能量吸收后傳遞到熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了太陽能到電能的轉(zhuǎn)換[1]。

目前，困擾碟式太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要原因是其高昂的發(fā)電成本。國外研究機構(gòu)一般利用計量法和因素法對太陽能熱發(fā)電站成本電價進行分析和預(yù)測國內(nèi)研究機構(gòu)目前尚沒有針對碟式太陽能熱發(fā)電站的成本電價分析實例。碟式太陽能熱發(fā)電成本電價與電站建造成本、運營維護成本、年發(fā)電量、財務(wù)成本、稅金等因素有關(guān)，這些因素具有獨立的變化性，同時也相互影響。

本文基于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全壽命周期的發(fā)電成本模型，綜合采用因素法和占比法分析碟式太陽能電站建造成本、發(fā)電量及運營維護成本這三要素，并分析各項驅(qū)動因素作用下，中國碟式太陽能熱發(fā)電成本電價趨勢。

1　碟式太陽能熱發(fā)電站成本構(gòu)成

1.1電站建造成本的構(gòu)成及比例

按照常規(guī)的工程造價分析方法，太陽能熱發(fā)電站建造成本主要分設(shè)備費、安裝費和土建費3部分。

為方便細(xì)化分析，以10 MW電站為例，碟式斯特林太陽能熱發(fā)電站按工程建設(shè)項目劃分為發(fā)電設(shè)備費、調(diào)試安裝費、場地準(zhǔn)備費、電站配套及基礎(chǔ)設(shè)施費、間接費用，占比分別為73%，9%，7%，10%和1%。發(fā)電設(shè)備主要包括PCU和聚光跟蹤系統(tǒng)。調(diào)試安裝費主要為安裝地基、系統(tǒng)的運輸?shù)跹b、氫氣管線、電纜鋪設(shè)及系統(tǒng)調(diào)試等。

電站配套及基礎(chǔ)設(shè)施費主要分為電氣并網(wǎng)部分、低壓電氣設(shè)備及主變壓器。

1.2發(fā)電設(shè)備成本的構(gòu)成及比例

發(fā)電設(shè)備是碟式太陽能熱發(fā)電站完成光-熱-電能量轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，其成本可以用單位功率造價描述，目前中國碟式太陽能熱發(fā)電站的單臺套設(shè)備為15 000～30 000元/kW。其中PCU成本約占系統(tǒng)成本的30%，聚光碟及跟蹤控制系統(tǒng)成本占70%。

碟式斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)的PCU成本構(gòu)成主要可以劃分為發(fā)電機、熱端部分、冷端部分、傳動部件、箱裝體及輔助系統(tǒng)等5大件，依次占PCU比重為10%、30%、25%、20%、15%，如圖1。

圖1　碟式PCU成本構(gòu)成圖

圖2　聚光跟蹤系統(tǒng)成本構(gòu)成圖

聚光跟蹤系統(tǒng)主要有4部分構(gòu)成（見圖2）：跟蹤系統(tǒng)組件、鏡面碟板組件、驅(qū)動機構(gòu)以及電氣設(shè)備，其分別占到聚光跟蹤系統(tǒng)成本總額的35%、31%、17%、17%。跟蹤系統(tǒng)組件是由立柱、懸臂、遮光板、輪轂及緊固結(jié)構(gòu)件等組成，各項成本在跟蹤系統(tǒng)組件中占比依次為18%、23%、5%、20%、34%。鏡面碟板組件由背板、鏡面、緊固件及其他等組成，各項成本在跟蹤系統(tǒng)組件中占比依次為59%、31%、10%。驅(qū)動機構(gòu)由水平及俯仰轉(zhuǎn)動2部分組成，成本在跟蹤系統(tǒng)組件中占比分別為73%、27%。電器設(shè)備包括SCC配電柜、DC配電柜、電機、SCADA系統(tǒng)、限位裝置及線纜等組成，各項成本在跟蹤系統(tǒng)組件中占比依次為21%、22%、22%、1%、2%、32%；

2　全壽命周期成本電價模型

2.1全壽命周期成本電價模型建立

太陽能熱發(fā)電站成本電價是指電站運營期內(nèi)收入和成本相等時的上網(wǎng)電價。電站的收入即為上網(wǎng)電價與上網(wǎng)發(fā)電量的乘積，電站的成本由固定資產(chǎn)折舊、運營維護成本、財務(wù)費用及稅費等組成。全壽命周期成本電價模型是基于全壽命周期電站成本分析法建立的模型，全壽命周期成本是在電站壽命期內(nèi)發(fā)生的直接、間接及其他有關(guān)費用的總和。

從電站的全壽命周期去考慮成本問題，即不僅考慮電站的初始投資，也考慮電站整個周期的支持成本，包括運營、維修、折舊等。采取的方法是通過建立公共的假設(shè)和參數(shù)，將全壽命周期的成本折現(xiàn)為現(xiàn)值。根據(jù)上述成本電價影響因素建立全壽命周期太陽能熱發(fā)電成本模型如圖3所示。圖中，DNI表示太陽直射輻射量。

圖3　碟式太陽能熱發(fā)電站成本結(jié)構(gòu)

模型包括了影響成本電價的最重要的3個基礎(chǔ)因素：建設(shè)成本計算模塊、運營維護成本計算模塊和發(fā)電量計算模塊。同時，在3個基礎(chǔ)模塊計算基礎(chǔ)上，計算發(fā)電成本。在其他因素固定不變的條件下，通過調(diào)整建設(shè)成本和運營維護成本的變化值可以分別對2個構(gòu)成部分進行成本靈敏性分析。由于財務(wù)費用及稅費屬于較為固定的模塊，因此模型中不涉及此部分。成本電價公式為[2]。

式中：It為第t年的電站建造成本；Mt為第t年的運營維護成本；Et為第t年的發(fā)電量；r為資金折現(xiàn)率；n為電站運營期。

2.2建造成本發(fā)展趨勢

碟式太陽能熱發(fā)電站建造成本占比最大的部分是發(fā)電設(shè)備，其成本變化對電站造價及成本電價有很大的影響。發(fā)電設(shè)備主要由斯特林機、聚光碟跟蹤系統(tǒng)、箱裝體輔助系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，各部分的造價構(gòu)成比例依次為37%，52%，2%和9%。因此，聚光碟系統(tǒng)及斯特林機的成本決定了電站發(fā)電設(shè)備的費用。

斯特林發(fā)動機是一種利用外部能量加熱使活塞往復(fù)運動的外燃機，它也可以稱為熱氣機。它是一種外燃的閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動機，有別于依靠燃料在發(fā)動機內(nèi)部燃燒獲得動力的內(nèi)燃機[3]。僅從結(jié)構(gòu)而言，斯特林發(fā)電機比內(nèi)燃機簡單得多，主要包括加熱器、回?zé)崞鳌⑴錃饣钊?、動力活塞、冷卻器以及傳動機構(gòu)等部件。就成本降低的趨勢而言，在設(shè)計階段，發(fā)動機冷端部件采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，直接靠汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，熱端部件優(yōu)化材料，選用新型耐高溫材料（陶瓷材料、不銹鋼材料），并通過優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)在保證機器可靠性的基礎(chǔ)上降低材料要求等方式能夠在一定規(guī)?；a(chǎn)后降低斯特林機的造價。

聚光碟跟蹤系統(tǒng)主要由聚光碟及跟蹤機構(gòu)組成。碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)所用的聚光器為旋轉(zhuǎn)拋物面形狀，因而該系統(tǒng)所用聚光器可稱為碟式聚光器[4]。從設(shè)備的制造成本構(gòu)成角度，聚光鏡成本分為材料成本、加工成本和運輸安裝調(diào)試成本3部分。其中材料成本約占50%，加工成本約占40%，運輸安裝土建等成本約占10%。材料成本方面，聚光鏡背板向著材料更少、更輕便的方向發(fā)展，如采用蜂窩板結(jié)構(gòu)。反射鏡方面，目前鏡面厚度一般為0.7～4 mm，鏡面厚度的減少可以使反射鏡反射率提高并降低反射鏡原片材料成本，同時鏡面重量的減輕也使對鏡架、動力設(shè)備及基座的要求降低，不過將提高對于玻璃粘貼工藝的要求。跟蹤系統(tǒng)設(shè)備主要包括傳動機構(gòu)和電機，性能指標(biāo)主要依據(jù)聚光碟的重量、風(fēng)抗強度等因素確定。根據(jù)目前常用的渦輪蝸桿、絲桿等傳動形式，由于均為成熟的配套行業(yè)，批量化采購將能夠降低采購成本。

系統(tǒng)的加工成本方面，隨著制造工藝的成熟及批量制造帶來的規(guī)模化效應(yīng)，聚光鏡零部件的加工成本將有較大的降幅。聚光鏡加工費包括鏡架的加工費和動力設(shè)備加工費兩項。加工過程包括焊接、成型等工藝，費用涵蓋了設(shè)備、模具、場地、水電等公攤成本，人工成本及管理成本。當(dāng)太陽能熱發(fā)電站形成規(guī)模效應(yīng)后，批量制造成本優(yōu)勢顯現(xiàn)，加工費中的公攤成本和管理成本因高產(chǎn)能被大幅平攤[5]。

聚光碟系統(tǒng)運輸安裝土建方面，目前國內(nèi)尚未形成常態(tài)化的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，參見塔式相關(guān)行業(yè)研究，以中國青海地區(qū)為例，運輸費約為80元/m2，安裝及土建費約為60元/m2，調(diào)試費約為4元/m2。當(dāng)太陽能熱發(fā)電站形成規(guī)模效應(yīng)后，將帶動中國中西部地區(qū)相關(guān)制造業(yè)發(fā)展。本地化的制造將大幅降低聚光鏡零部件的運輸成本，預(yù)計可降為30元/ m2。同時，隨著太陽能熱發(fā)電規(guī)?；缶酃忡R安裝土建的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)形成，相關(guān)費用預(yù)計可降為50元/ m2。隨著調(diào)試人員逐漸替換成當(dāng)?shù)貏诹?，技能逐漸成熟相關(guān)調(diào)試費用降為3元/m2。預(yù)計未來聚光碟鏡的運輸安裝土建及調(diào)試成本為83元/m2[6]。

綜上所述，聚光鏡成本下降的動力因素主要有：①規(guī)模效應(yīng)帶來的加工費用和運輸費用降低；②更輕便聚光鏡的設(shè)計降低相關(guān)材料費用；③跟蹤傳動設(shè)備的批量化采購降低該部件成本。

2.3運營維護成本發(fā)展趨勢

運營維護費用主要包括修理費、人員工資福利、材料費、水費及其他費用。目前，由于沒有成熟的大規(guī)模碟式太陽能熱發(fā)電站應(yīng)用，其修理費率參照同類型塔式的測試方法，依據(jù)火電站經(jīng)驗進行預(yù)估，每年為電站固定資產(chǎn)投資的2%。人員工資方面可參考火電標(biāo)準(zhǔn)進行。項目材料費主要包括斯特林機外圍工質(zhì)站介質(zhì)的日常補充及斯特林機運行時的少量輔助燃料費用，約為30元/MWh。由于碟式僅需要少量水資源用于碟面清洗，而耗水費用是火電廠日常支出的較大項目，故項目綜合耗水及其他費用參考火電標(biāo)準(zhǔn)（20元/MWh）的30%計，按6元/MWh計算。

2.3運營維護成本發(fā)展趨勢

影響上網(wǎng)凈發(fā)電量的因素有光照條件（年DNI）、發(fā)電機組額定功率、太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率、熱電轉(zhuǎn)換效率和廠用電率。其中，在未來有較大提升潛力的是太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率。太陽能光熱轉(zhuǎn)換效率是聚光鏡反射率、鏡面清潔度、抗陰影遮擋率、大氣透射率、吸熱器截斷效率和吸熱器熱效率的乘積。其中，抗陰影遮擋率、大氣透射率這兩者決定了鏡場效率，它們和吸熱器截斷效率是與電站緯度、聚光鏡布局和調(diào)光策略相關(guān)的。太陽能熱發(fā)電站要維持高鏡面清潔度需要清洗聚光鏡，隨著清洗自動化設(shè)備的成熟，平均鏡面清潔度可由目前的90%水平提升至93%。吸熱器效率受吸熱器吸收率及散熱損失影響，與吸熱器表面涂層材質(zhì)、表面溫度及風(fēng)速有關(guān)。

3　算例分析

3.1算例基本條件

以坐落于中國西部的德令哈，裝機容量10MW的電站為例，單臺套碟式系統(tǒng)額定輸出功率為25 kW，共400臺碟式設(shè)備。為更具對比性，分別選取單臺套成本為37.5萬元和50萬元的碟式太陽能熱發(fā)電站為例進行建造成本估算，前者的發(fā)電設(shè)備、電站外圍配套設(shè)備及場地準(zhǔn)備等建造成本分別約為1.5億元、0.2億元及0.15億元，整體電站預(yù)期建造成本為1.85億元；后者在電站外圍配套及場地準(zhǔn)備等方面費用變化不大，各項成本為2億元、0.2億元及0.15億元，整體電站預(yù)期建造成本為2.35億元

運營維護費用方面，參考火電標(biāo)準(zhǔn)按照50MW電站定額50人，10 MW碟式電站定額5人，工資按照人均6萬元、福利費系數(shù)按工資總額的60%計。10 MW碟式電站的運營維護費用總計約為200萬元/年。

發(fā)電量方面，以德令哈地區(qū)實測年DNI達(dá)到2 000 kWh/m2為例，預(yù)期10 MW電站年利用小時數(shù)達(dá)到2 550 h。針對碟式太陽能熱發(fā)電項目目前未有投運項目實測，廠用電率參照中型機組的火電廠廠用電率約6%進行估算，10 MW電站的凈上網(wǎng)發(fā)電量為24 GWh。

3.2預(yù)期成本電價

電站運營期按照30年計，將目前火電項目通用的折現(xiàn)率8%代入式（1）可以計算得到10 MW單臺套成本為37.5萬元和50萬元的碟式電站的預(yù)期含稅成本電價為0.76元/kWh和0.95元/kWh。

參考光伏行業(yè)的增值稅減半優(yōu)惠政策以及西部大開發(fā)地區(qū)企業(yè)所得稅的優(yōu)惠政策，10 MW電站的預(yù)期成本電價僅為0.62元/kWh和0.85元/ kWh。

顯而易見，發(fā)電設(shè)備的成本直接影響著電站的成本電價。

3.3成本電價下降動因分析

綜上分析，碟式太陽能熱發(fā)電站成本電價下降的主要動因有如下2條。首先，太陽能熱發(fā)電站規(guī)模效應(yīng)帶來的產(chǎn)能擴大，是電站造價下降的主要因素。其次，技術(shù)和工藝的進步在降低成本和提升發(fā)電量方面所起的作用，包括采用更少的材料、性價比更高的傳動方式、更高效率的吸熱器工藝以及高自動化程度的清洗裝備等。

4　結(jié)語

本文系統(tǒng)性地逐一剖析碟式太陽能熱發(fā)電站成本構(gòu)成，分別對電站的建造成本、運營維護成本及發(fā)電量的趨勢和預(yù)期進行了定性分析，探索了中國碟式太陽能熱發(fā)電站全壽命周期成本電價分析模式，明確了產(chǎn)能規(guī)模化效應(yīng)及技術(shù)工藝進步對于成本電價的影響。碟式太陽能熱發(fā)電作為清潔能源，有良好的環(huán)境效益，能夠通過碳排放交易獲取一定收益，并在貸款方面享受一定的財務(wù)優(yōu)惠。因此，預(yù)計未來太陽能熱發(fā)電站成本電價可與燃煤火電站的電價相當(dāng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和成長空間。

[1] 許輝，張紅，白穜，丁莉，莊駿. 碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)綜述.熱力發(fā)電，2009

[2] International Renewable Energy Agency. Renewable energy technologies：cost analysis series[R].2012

[3] 李斌.碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中跟蹤系統(tǒng)的研究：[碩士學(xué)位論文].陜西：陜西科技大學(xué)，2013

[4] 李鑫，李斌，臧春城等．碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計——集熱器設(shè)計計算數(shù)學(xué)模型[J].能源工程，2004，(4)：21-24.

[5] 中國科學(xué)院清潔能源技術(shù)發(fā)展中心．中國太陽能集熱發(fā)電的可行性及政策研究報告[R].2009

[6] 李心，趙曉輝，李江燁，李偉，徐能，黃文君。塔式太陽能熱發(fā)電全壽命周期成本電價分析。電力系統(tǒng)自動化，2015

INFORMATION AND DYNAMIC

節(jié)能信息與動態(tài)

上海首個太陽能光伏發(fā)電公交場站投入使用

上海市首家太陽能光伏發(fā)電公交場站日前在浦東上南公交高科西路停車場投入使用。該項目全年發(fā)電預(yù)計可達(dá)20萬kWh，在為新能源公交車充電同時，還能提供場內(nèi)辦公區(qū)域的全天候用電。

光伏發(fā)電即利用太陽電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能。高科西路停車場采用光伏發(fā)電后，全年可節(jié)約標(biāo)煤60 t，減少CO2排放近200 t，SO2排放6 t。

（浦東新區(qū)）

Full Life Cycle Electricity Cost Analysis of Dish-Type Solar Thermal Power Generation

Chen Silu, Chen Yong, Pan Xue, Xuan Lian, Liang Weiqing
Shanghai Qiyao Power Technology Co.,Ltd

The article analyzes full life cycle model of dish-type solar thermal power generation station based on electricity cost calculation. Combined with construction cost, operation maintenance cost and power generation output prediction, the author analyzes all factors affecting electricity cost and predicts expected electricity cost of Chinese dish-type solar thermal power generation station. The author also points out that electricity cost will decrease with increasing productivity scale and technological process factors development through comparison calculation and the most important factor is productivity scale function.

Dish-Type Solar Thermal Power Generation, Full Life Cycle, Electricity Cost, Spotlight Plate Cost, Stirling Engine Cost

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.11.003

陳鷥鷺（1989-），女，碩士研究生；研究方向碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。