联合海水淡化和余热的风力增压式太阳能烟囱电站技术经济性分析

左 潞，周 恬，李 闯，戴鹏展，刘子涵，藤盛龙，屈 波

（河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 210098）

0 引言

为提高单纯用于电力生产的太阳能烟囱电站（Solar Chimney Power Plant，SCPP）的太阳能利用效率[1]和经济性，本课题组提出了海水淡化-太阳能烟囱电站系统 （Solar Chimney Power Plant Combined with Seawater Desalination，SCPPCSD），并进行了初步的理论分析和微型试验研究。由于SCPPCSD中部分能量被凝结的淡水带走，导致集热棚内气流温度下降，减小了SCPPCSD的内外气流压差，使得发电量有所下降。针对这一问题，研究者提出无动力风力增压型海水淡化-太阳能烟囱电站系统（Wind Supercharged Solar Chimney Power Plant Combined with Seawater Desalination，WSSCPPSD）[4]～[6]，改善了系统内外气流压差。WSSCPPSD作为SCPPCSD的增效衍生系统，虽然明显提高了综合系统的性能，但是其运行特性受环境参数波动的影响仍然较大，导致其电站运行功率波动较大，系统性能仍有改善的空间。目前，许多学者将外热源（地热能、烟气等）技术与SCPP技术结合[7]，[8]，用来提高SCPP的性能，降低环境因素对其性能的影响。基于此，本文提出了联合海水淡化和余热的太阳能烟囱电站系统（Solar Chimney Power Plant combining Desalination and Waste heat，SCPPDW）和联合海水淡化和余热的风力增压式太阳能烟囱电站系统（Wind Supercharged Solar Chimney Power Plant combining Desalination and Waste heat，WSCPPDW）[9]。通过构建WSCPPDW数学模型及计算来分析其技术经济性，旨在利用研究所得到的具体数据，量化阐明该综合系统在性能输出与投资回报方面的优势，为其进一步商业化提供一定的指导和参考。

1 物理模型

WSCPPDW是风力增压型海水淡化-太阳能烟囱电站（WSSCPPSD）的进一步拓展系统，其工作原理见文献[9]。WSCPPDW的特别之处在于可在盘式海水蒸馏池下方设计并设置专用螺旋形烟气加热流道（SGC），耦合利用火电厂烟气余热进一步加热海水。烟气经火电厂烟气再热器（GGH）再热后，进入WSCPPDW底部的SGC。为了增加烟气与海水之间的换热时间，充分利用烟气余热和土地资源，SGC烟道采用螺旋形布置。烟气流经SGC进入导流锥腔，通过设置在导流腔内的烟气净化装置（湿式除尘器或其他装置）进行净化，防止烟气腐蚀烟囱内壁和涡轮机。净化后的烟气由导流锥出口处的喷嘴喷射出并进入公用烟囱。

WSCPPDW能够同时利用太阳能、烟气余热能和高空风能等实现水、电联产，其原理如图1所示。

图1 WSCPPDW原理示意图Fig.1 Schematic diagram of WSCPPDW

根据喷射器原理，高速烟气射流通过喷嘴高速喷射时，能够卷吸涡轮机出口和集热棚出口处的空气，提高集热棚内气流流速，增大系统内空气质量流量。由于空气与烟气的混合气体温度远大于空气的温度，经过净化的高温烟气与集热棚出口的热气流混合后，系统内外的温度差和压差均显著增大，提高了涡轮机压降和轴功率。

本研究中WSCPPDW的模型尺寸和运行工况分别参照西班牙原型SCPP尺寸参数和典型运行工况[9]，烟囱高度194.6 m，直径10 m，集热棚直径244 m，集热棚进口高度1.85 m，出口高度8 m，过渡段采用钟形流道设计方法设计。烟气入口温度358.15 K，烟气质量流量436.3 kg/s。外环境温度298.15 K，太阳辐照度850 W/m2，烟囱顶部风速15 m/s。

2 数学模型

文献[9]详细介绍了WSCPPDW基于热平衡方程构建的传热传质和输出性能计算模型，利用此模型可计算得到本文所取的典型运行工况下综合系统的输出性能。

式中：Ej为各产品年总量；Pj为产品价格；θ为恒定的通货膨胀率。

第k年WSCPPDW的总收益Ballk为

式中：下标P，C，W，S分别为发电、碳信用、淡水和原盐。

第k年WSCPPDW的总成本Callk为

式中：Com1为第1年的操作与维护费用；εom为操作与维护成本的年增长率。

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第k年的净收益NETk

式中：x为贴现率。

WSCPPDW服役期间的总净现值TNPV为

采用风险调整贴现率法分析综合系统的经济性，贴现率x为

式中：μ，y和z分别为无风险贴现率、风险收益率和风险程度。

3 结果分析

3.1 不同综合系统性能对比

图2为在相近的几何参数和相似运行条件下，WSCPPDW，SCPPDW，西班牙原型SCPP和文献[11]～[15]提出的能够实现水、电联产的综合系统性能对比。由图2可知，WSCPPDW的发电和产水性能优于现有的大多数水、电联产SCPP综合系统。SCPPDW的发电功率、淡水产量和能量利用效率分别为159.3 kW，15.0 t/h和11.7%。WSCPPDW的发电功率、淡水产量和能量利用效率分别为193.7 kW，17.2 t/h和13.5%。在风力增压装置的增益效果下，WSCPPDW的发电量、淡水产量和能量综合利用效率比SCPPDW分别提高了21.6%，14.7%和15.4%。因此，通过设置风力增压装置，明显提高了系统性能。文献[11]提出的综合系统的产水量明显大于WSCPPDW，但其发电量远小于WSCPPDW，这是因为这两个系统采用的海水淡化基本方法不同，将加湿-除湿系统应用于水、电联产系统，加湿-除湿法的海水淡化效率远大于传统盘式蒸馏海水淡化方法，所以其系统的淡水产量大大提升。

图2 WSCPPDW和其他综合系统的性能对比Fig.2 Performance comparison between WSCPPDW and other integrated systems

在一定程度上，WSCPPDW性能优于其他系统，因此WSCPPDW的尺寸参数可以适当减小，从而降低了建造难度。WSCPPDW耦合了高温烟气余热利用技术，选址不局限于太阳辐射充足的地区，因此更加灵活。此外，WSCPPDW将火电厂烟囱和太阳能烟囱相结合，减少了投资，提高了经济效益，促进了SCPP技术的商业应用。

3.2 总收益分析

图3为SCPPDW和WSCPPDW服役期间总净利润TNET和总净现值TNPV的对比情况。由图3可知，WSCPPDW的TNET和TNPV分别为41.9×106元和5.5×106元；SCPPDW的TNET和TNPV分别为29.4×106元和2.7×106元。在风力增压装置的作用下，WSCPPDW的TNET和TNPV显著提高，分别增大了42.8%和102%。这是由于在风力增压装置的作用下，WSCPPDW的发电量和产水量明显提高，分别增大了21.6%和14.7%。

图3 SCPPDW与WSCPPDW的TNET和TNPV对比Fig.3 Comparison of TENT and TNPV between SCPPDW and WSCPPDW

3.3 经济性能的逐年变化规律

图4为在系统服役期间内，SCPPDW及WSCPPDW年净收益的变化规律。

图4 服役期间内SCPPDW及WSCPPDW的年净收益变化规律Fig.4 Changes in the annual net income of SCPPDW and WSCPPDW during the service period

由图4可见，随着工作时长的增加，SCPPDW和WSCPPDW的年净收益均呈递增趋势，WSCPPDW的年净收益始终大于SCPPDW。SCPPDW的年净收益只有在综合系统开始工作的前4 a为负值，在余下工作时间内均大于零。而WSCPPDW的年净收益只有在综合系统工作的第1年小于零。这是因为，在通货膨胀率的影响下，SCPPDW和WSCPPDW的售电收益、碳信用收益、淡水收益、原盐收益均逐年增加。此外，由于每年需偿还固定数额的贷款费用，剩余所需偿还贷款逐年减少，所以每年需要偿还的贷款年利息也逐年减小。因此，SCPPDW和WSCPPDW的年净收益均逐年增大。

图5为SCPPDW及WSCPPDW净现值的变化规律。

图5 服役期间内SCPPDW及WSCPPDW的净现值变化规律Fig.5 Changes in the NPV of SCPPDW and WSCPPDW during the service period

由图5可知，在服役期间的前15 a，SCPPDW的净现值逐年增大，随后净现值逐年减小；在服役期间的前11 a，WSCPPDW的净现值逐年增大，随后净现值逐年减小。SCPPDW的净现值在综合系统工作的前4 a小于零，在剩余服役时间内均大于零。而WSCPPDW的净现值只有在综合系统工作的第1年小于零，比SCPPDW提前3 a开始盈利，WSCPPDW的净现值始终大于SCPPDW的净现值。这是因为，净现值主要受到年净收益和贴现率的影响。由前文可知，净现值与净收益呈正相关关系，与贴现率呈负相关关系。由上述分析知，SCPPDW在运行的前15 a内，SCPPDW的年净收益逐年增大，且净收益为影响净现值变化的主导因素，所以SCPPDW的净现值逐年增大；随着服役时长的增加，贴现率对净现值的影响逐渐显著，在运行了15 a后，贴现率成为影响净现值变化的主导因素，SCPPDW的净现值逐年减小。同理，WSCPPDW和SCPPDW净现值的变化规律相同，均为先增大后减小。由于年维修费用与净现值呈负相关，因此WSCPPDW净现值开始减小的拐点比SCPPDW稍有提前。此外，由于SCPPDW在服役期前4 a的年净收益小于零，所以其净现值也小于零；由于WSCPPDW的年净收益始终大于SCPPDW，所以WSCPPDW的净现值也始终大于SCPPDW。

4 结论

本文利用文献[9]中所构建的SCPPDW和WSCPPDW性能输出数学模型及现金流计算构建了经济分析数学模型，探讨了SCPPDW和WSCPPDW的技术经济性，得到以下结论。

①在西班牙原型SCPP的运行参数和尺寸参数下，烟气余热的利用，使得SCPPDW和WSCPPDW的发电和产水性能优于现有的大多数水、电联产SCPP综合系统。因此WSCPPDW的尺寸参数可以适当减小，降低了建造难度。

②风力增压装置能够显著提高综合系统的性能。SCPPDW发电量为159.3 kW·h，产水量为15.0t/h，能量综合利用效率为11.7%；WSCPPDW的发电量为193.7 kW·h，产水量为17.2 t/h，能量综合利用效率为13.5%。与SCPPDW相比，WSCPPDW的能量综合效率提高了15.4%。

③在烟囱顶部增设的风力增压装置可使综合系统总净利润和总净现值明显增大。与SCPPDW相比，WSCPPDW的总净利润和总净现值分别增大了21.6%和14.7%。

④随着工作时长的增加，SCPPDW和WSCPPDW的年净收益均呈逐年递增的趋势，二者的年净现值均先增大后减小，分别在第15年和第11年达到最大值，WSCPPDW的年净收益和年净现值始终大于SCPPDW。SCPPDW的年净收益和年净现值在系统开始运行的前4 a为负值，增设风力增压装置后的WSCPPDW的年净利润和年净现值在系统开始工作的第1年为负值，在剩余的服役期间内均大于零，比SCPPDW提前3 a开始盈利。

⑤WSCPPDW同时利用了多种形式的能源，提高了综合系统的能量综合利用效率；烟气余热的利用使系统在低辐射状态下以及夜间、雨天能够连续、稳定地工作，输出可观的淡水和发电功率；WSCPPDW耦合了高温烟气余热利用技术，选址更加灵活；WSCPPDW将火电厂烟囱和太阳能烟囱相结合，减少了投资，提高了经济效益，促进了SCPP技术的商业应用。