太阳能储热系统容量配置优化设计

2015-12-16冯云岗

电力与能源 2015年5期

蒋浩，冯云岗

（上海电力设计院有限公司，上海 200025）

由于受到季节、气候、昼夜、地理纬度和海拔高度等的影响，太阳辐射是间断且不稳定的，要使太阳能能够持续稳定的被利用，采用合适的储能技术是关键因素。太阳能光热系统中采用储热技术的目的主要为了降低发电成本以提高发电的有效性，通过合理的配置运用，可以实现容量缓冲、可调度性和时间平移、提高年利用率、电力输出更平稳、高效满负荷运行等方面的效果。因此，储热技术是太阳能热电站成功走向市场化，并且能与传统电力相进行竞争的一个关键要素，对储热系统的容量配置、系统优化研究非常有必要。

1 储热技术研究

按照热能存储方式的不同，太阳能高温储热技术可以分为显热储热、相变储热和化学反应热储热3种方式。

1.1 显热储热

显热储热主要是通过储热材料温度的上下变化而存储热能，这是3种热能存储方式中原理最简单、技术最成熟、材料来源最丰富、成本最低廉的一种，并且具有商业可行性。显热储热又分为液体显热储热、固体显热储热、液-固联合显热储热3种。

（1）液体显热储热。槽式太阳能光热电站带的储热系统通常有直接储热和间接储热2种形式。直接储热系统采用熔融盐液既作为传热介质又作为显热储热材料的方式，无油-盐换热器；间接储热常采用合成油作为传热介质，熔融盐液作为显热储热材料，传热介质与储热材料之间有油-盐换热器。直接储热系统可以节省油-盐换热，减少换热步骤，避免了传热介质与储热材料之间的不良换热，而且适用于400～500℃的高温工况，但需采用隔热和伴热的方法防止冻结，导致初期投资与运行维护成本过大；间接储热系统综合考虑了防冻与储热材料成本问题。

储热材料通常采用合成物或共晶混合物，如60%NaNO3+40%KNO3的硝酸盐混合物、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。考虑到合成油分解温度低，熔融盐熔点高、易冻结等问题，现阶段新研制的室温离子液体（Room Temperature I-onic Liquid，RTIL）等材料已进入试验阶段。

（2）固体显热储热。固体储热系统包括储热材料、高温传热流体和嵌入固体材料的圆管式换热管组成。在储热工况时，热流体沿着换热管流动把高温热能传递到储热材料中。在放热工况时，冷流体沿着相反方向流动把储热材料中的热能吸收到流体中用来发电。

（3）液—固联合显热储热。为了降低槽式系统中的双罐熔融盐液间接储热装置的固定投资成本，目前研制出了斜温层单罐储热系统。斜温层单罐是利用密度与温度冷热的关系，当高温熔融盐液在罐的顶部被高温泵抽出，经过油盐换热器冷却后，由罐的底部进入罐内时，或者当低温熔融盐液在罐的底部被低温泵抽出，经过油盐换热器加热后，由罐的顶部进入罐内时，在罐的中间会存在一个温度梯度很大的自然分层，即斜温层。斜温层以上熔融盐液保持高温，斜温层以下熔融盐液保持低温，随着熔融盐液的不断抽出，斜温层会上下移动，抽出的熔融盐液能够保持恒温，当斜温层到达罐的顶部或底部时，抽出的熔融盐液的温度会发生显著变化。该系统采用了液态储热材料NaNO3与KNO3的熔融盐混合物与固态储热材料石英岩、硅质沙。

1.2 相变储热

相变储热主要是利用储热材料发生相变时吸收或放出的热量来实现能量的储存。该系统具有相变潜热大、相变温区窄，结构紧凑等优点。相变储热主要有以下两种情形。

（1）DSG槽式系统中采用单一相变储热材料的储热方式。该系统主要采用230～330℃的加膨胀石墨的复合相变材料，应用微胶囊技术以及设计逆流相变储热换热器，达到降低成本的目的。

（2）在采用合成油作为传热介质的槽式系统中，采用级联相变储热的方案以及相变储热材料／显热储热材料／相变储热材料的混合储热方案。该储热装置采用3个竖立的串联壳管换热器，壳内分别放置了 KNO3、KNO3／KCl、NaNO3三种相变储热材料。

1.3 化学反应热储热

化学反应热储热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能。此种储热方式具有储能密度高、可以长期储存等优点。可逆热化学反应储热虽然具有储能密度大的特点，但由于应用技术和工艺太复杂存在许多不确定性。常采用的方式有利用氢氧化钙分解成氧化钙和水的逆反应、氨的分解与合成来储热。

1.4 适用于不同传热工质光热电站的储能系统

通过对储热技术的分析研究，总结出适用于不同传热工质的光热电站的储能系统具体如下。

（1）对于水作为传热工质的光热电站：双罐间接储热、单罐熔融盐温跃层储热、饱和水储热、混凝土／陶瓷固体储热。

（2）对于导热油作为传热工质的光热电站：双罐间接储热、单罐熔融盐温跃层储热、混凝土／陶瓷固体储热。

（3）对于熔融盐作为传热工质的光热电站：双罐直接储热、单罐熔融盐温跃层储热、混凝土／陶瓷固体储热。

通过储热技术分析及相关案例总结得到，双罐熔融盐储热系统的应用已经成熟，风险性较小，是近期发展的主要候选对象，相变储热将是中长期的优先研究对象，而化学反应热储热目前仅具备部分竞争力。通过收集现有储热系统案例，综合考虑光热电站运行特点、多种储热系统可行性及安全性，双罐熔盐储热系统为现阶段技术相对成熟、安全可靠的储热系统，并且现有运行案例较多。因此，本文主要针对双罐熔盐储热系统的配置容量进行研究分析。

2 储热系统容量分析模型

储热系统容量配置研究基于太阳能发电量计算模型的基础上，通过建立经济型分析模型，以求获得最佳的储热配置比例，储热系统容量分析逻辑图如图1所示。其主要分析步骤如下。

（1）通过太阳能辐射资料输入，分析计算得站址所在地代表年逐时太阳能法向直接辐照量（DNI）。

（2）通过集热器热损、光学损失以及镜场面积的输入，分析计算得镜场逐时所吸收的总热量。

（3）通过对逐时镜场吸收的热量是否满足汽轮机发电需求热量进行判断。如满足则将该热量输入蒸发及发电系统；如不满足，则再对该热量是否满足储热热量需求进行判断，如满足则将该热量输入储热系统，如不满足则弃光。

（4）通过对蒸发系统以及储热系统所提供的热量进行输入，分析计算光热电站逐时上网电量。

（5）通过对上网电量、投资估算进行分析，判断其是否为效益最佳，如果达到最高收益，则再根据其弃光率总结出最佳储热容量配置，如果未达到理想收益，则再对储热容量进行更改，重复以上步骤，直至计算出最佳结果。

3 经济性模型

经济性模型根据差额收益率的分析方式进行建立，分析内容主要包括集热阵镜场、占地面积、支架基础、储热系统4个方面。

3.1 固定成本模型

根据系统配置方案，主要设备包括集热阵镜片、支架及基础、集热管、储罐、熔盐泵等工艺设施。根据厂家的调研数据，各工艺系统的固定成本投资如表1所示。

表1 固定成本投资费用

镜场部分及油系统中包括新增镜片、集热管、导热油、膨胀溢流系统、电气及热工控制系统、管道及保温等；支架及基础包括新增支架、跟踪系统、土建支墩等；储热系统包括新增熔盐罐、熔盐泵、熔盐、熔盐换热器、土建支墩、电气及热工控制系统、管道及保温等；土地费用包括新增征地费用。除此之外，各系统中已包括各新增部分的设备购置费、安装工程费以及建筑工程费，除此之外还包括项目建设管理费、项目建设技术服务费、分系统调试及整套启动试运费、生产准备费、大件运输特殊措施费以及基本预备费。

3.2 运行成本模型

在运行成本模型中：①综合折旧率按20年考虑为4.75%；保修期为5年，在保修期间修理费率取0.7%，保修期满后20年正常修理费率取设备费的1.5%、建安及其他费用的0.5%；②模型中计算期取26年，其中建设期1年，生产期25年；③电站职工人数70人，人均年工资按60 000元估算，福利费提取率14%，劳保统筹和住房基金提取率分别为37%和12%；保险费率取0.25%；（4）材料费20元／kW，其他费用30元／kW；⑤上网电价按1.2元／kWh，天然气价按3.13元／Nm3；⑥厂用电率取10%。

3.3 财务分析模型

按动态模型进行分析，根据国家现行财税制度和现行价格，按国家发改委和建设部颁发的《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）等要求，同时采用了有关规定要求的数据和设计技术参数等。

（1）增值税：根据《中华人民共和国增值税暂行条例（2008）》规定，企业采购固定资产（除建筑物、构筑物和消费用品外），均可以享受抵扣增值税的政策，在生产经营中的设备、材料的采购的进项税额，按年度的应缴增值税额抵扣。

（2）所得税：按基础税率25%计取。

（3）税金：电力工程缴纳的税金包括增值税、销售税金附加、所得税。其中，增值税为价外税，税率为17%。

（4）销售税金附加包括城市维护建设税和教育费附加，以增值税税额为基础征收，按规定税率分别采用5%和3%，本项目另有地方教育附加费2%。

表2 各储热容量下投资估算及系统参数

（5）利润及利润分配的估算。利润总额（税前利润）=发电收入-销售税金附加-总成本费用。能源站的总成本费用主要包括折旧费、修理费、工资与福利、材料费、其他费用、财务费用等。经营成本=总成本-折旧、财务费用。税后利润=利润总额-所得税。利润分配的原则是利润总额在弥补五年内的以前年度亏损，并交纳所得税后进行利润分配。

4 容量配比分析

储热容量分析模型中太阳能光热电站装机容量暂考虑按50MW进行计算，分析储热时间从0至8h的情况下，所增加的SCA回路、年发电量、占地面积、镜场投资、支架系统投资、土地费用、储能系统投资、差额内部收益率、增量回收期等变化趋势，选择储热系统的最佳占比。通过对模型进行分析计算，得到各储热容量下系统数据、投资估算及差额内部收益率如表2所示。

根据分析所得到的各储热小时情况下项目差额投资财务内部收益率的数据，绘制曲线如图2所示。由图2可以看出，当储热小时达到3h时，项目收益最佳；在1～4h经济效益变化幅度不大，保持在稳定收益状况。

不同储热容量配置情况下弃光率曲线如图3所示。由图3可以看出，储热容量配置在2～4h时，弃光率达到最低，4h以后弃光率又逐渐增大。因此，从经济性、太阳能弃光率、综合利用小时等方面综合考虑，储热容量配置在2～4h区域内为光热电站储热系统较优占配置区间。

图2 储热系统各容量下全投资内部收益率曲线

图3 储热系统各容量下弃光率曲线

由于储热系统各项经济指标是按给定的基本资料对经营期给定参考电价、投资，计算项目产出电量的效益作为收入进行测算的，考虑在今后的建设和投产后，某些条件可能发生变化，为了预测外界有关因素变化对工程经济效益的影响程度，现对差额投资、电价及差额发电量对差额内部收益率等指标的影响程度作敏感性分析，统计的分析曲线如4所示。

图4 储热系统各容量下敏感性分析曲线

从计算结果可以看出，差额发电量变化对差额内部收益率曲线的影响很大，当电价、差额投资以及差额发电量上浮及下调10%时，储热容量配置基本在2～3h时收益最佳。可见，由于价格为市场的不可控因素，项目本身应根据市场价格，选择合适的储能容量配置以提升经济效益。

由于太阳能的不可预测性，将对太阳能储热系统的配置有很大影响，如太阳能光照资源欠佳，则直接导致镜场大小、储热系统的配置以及发电量，本报告对太阳能资源的不稳定性在各储热容量配置情况下的影响作敏感性分析。太阳能资源的变化主要影响的是光热电站的发电量，因此，本报告将太阳能光照资源中最大影响因素因子（DNI）的浮动，在各储热容量配置下的差额收益率作为展现形式进行分析，得到各储热容量下差额收益率及弃光率变化曲线如图5所示。

从图5可以看出，当DNI自-25%～5%变化时，3h储热容量差额内部收益率最大，2h储热容量及4h储热容量次之。当DNI自-5%～15%变化时，3h储热容量差额内部收益率依旧最大，2h储热容量及1h储热容量排列二、三位。当DNI变化大于15%时，1h储热容量差额内部收益率达到最大，3h储热容量及2h储热容量次之，但两者差距不大。

从图6中可以看出，当DNI降幅超过30%时，储热容量大于3h基本弃光率为0%，1h储热容量弃光率较大。当DNI自-20%至5%变化时，3h储热容量弃光率最小，2h储热容量及4h储热容量次之。当DNI变化大于5%时，2h储热容量弃光率最小，3h储热容量及4h储热容量次之。

通过分析可以看出，DNI在设计点周围浮动时，2～4h储热容量差额效益最高，且弃光率较小。