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金建祥深入探讨:塔式与槽式光热发电技术经济性对比

2018.04.03 来自:CSP Focus 光略咨询

塔式与槽式,两种目前较为主流的光热发电技术,关于哪个技术更加成熟或者更加有发展前景的争论在过去十余年一直没有停止过。浙江中控太阳能公司董事长兼总工程师金建祥研究员就此问题在3月底北京CSP Focus光热发电中国聚焦大会上分享了他的一些研究成果。


以下为金老师的演讲内容:

    

各位上午好,非常感谢会议组织方CSP Focus光略咨询的邀请,下面我跟大家分享一下导热油槽式(以下简称油槽)和熔盐塔式(以下简称盐塔)技术路线的一些看法。


我先介绍一下研究背景,今天这个题目比较难讲,昨天晚上我还在犹豫要不要讲,因为这是很得罪人的事情,尤其是我们中控太阳能公司是从事盐塔光热技术研发和产业化的,可能有人会对研究结果的公正性产生怀疑,其实这个想法是多余的。去年6、7月份,当时突发奇想,因为第一批示范项目20个,上网电价都是1.15元,我知道盐塔的热电效率要比油槽高15%左右,是不是意味着油槽的光热效率比盐塔高15%?这是第一个问号,因为以前没有研究过槽式。另外一个想法,光热产业要有未来,必须降低它的度电成本,能不能把油槽的集热技术和盐塔的热电转化技术有机结合起来,形成槽塔混合发电方式,实现更低的度电成本?当初搞了一个方案,四个油槽加一个盐塔,油槽产生饱和蒸汽,由盐塔产生过热蒸汽,把饱和蒸汽过热到550度,这个想法看起来很好。我提交给公司内部的研发人员,经过两个月的研究证明这个方案不可行。因为油槽光热效率与纬度和季节紧密相关,而且在中国高纬度地区年均光热效率没有盐塔高。我想说明一下,希望不要对号入座,这结果是理论仿真出来的,只能说是潜在优势,并不意味着到目前为止塔式能够全面战胜槽式,其实槽式也有难能可贵的优点。现在我们正在研究的是如何把槽式的优点嫁接到塔式技术路线中,使得塔式潜在优势能够真正发挥出来,其实这就是槽塔互相学习、共同成长的过程。


简单回顾一下塔式和塔式的基本原理。槽式属于线聚光,单方向跟踪转动,它有三个优点:简单,光热效率与规模没有什么大的关系,100兆瓦、200兆瓦对整体效率影响不大,最大好处是多个回路并联,容错性非常高,发电量达成率很高。它的问题是聚光比比较低,只有100倍,集热量不太均匀;塔式相反,它的优点是聚光比达1000倍,远比槽式高,能量品质比较高,效率比较高,投资下降空间比较大;但也有缺点,二维转动,比一维转动复杂,难度高不少,规模扩大会使镜场效率下降,最大问题是镜场容错性比较差,发电量达到设计值难度比较大。


 


不同纬度槽塔余弦效率对比:对夏至、冬至和春分三个节气,以及北纬20度与北纬40度进行仿真,得出如下结果:塔式在不同纬度、不同季节余弦效率变化不大(约在5%以内)。而槽式在不同纬度、不同季节差别很大。光热效率也一样,基本趋势跟余弦效率一样,槽式北纬40度冬至日光热效率只有夏至日的32%,同一个季节北纬40度光热效率是北纬20度的49%,这两个数据可以直观地说明槽式光热效率跟季节和纬度紧密相关。


不同纬度、不同规模盐塔和油槽电站光热效率比较:

不同纬度区域:海南三亚北纬18度,西藏北纬30度,青海德令哈北纬37.4度,新疆哈密北纬42.4度,玉门、敦煌是北纬40度。


不同装机规模主要数据:

50MW电站,DNI 900 W/m²,集光面积66万m²,汽轮机效率分别是盐塔45.13%和油槽39.78%,储热10个小时。

100MW电站,DNI 900 W/m²,集光面积增加到136万m²,盐塔汽轮机效率45.53%,油槽不变,是西门子汽轮机的参数,储热时间12小时。油槽镜场南北布置,据我所知,玉门地区某油槽项目镜场也是南北布置,不是东西布置,所有数据都用同一个SAM软件仿真的。


 


结果如下:三亚100 MW,光热效率是油槽比盐塔高8.3%,50 MW高6.6%,也就是低纬度的情况下油槽的光热效率比盐塔高。纬度越高(向北),到德令哈的时候,100 MW盐塔光热效率比油槽高4.5%,而50 MW高6.5%,这里可以看出对盐塔来说镜场规模越大光热效率越低。在哈密差距更大一些,100 MW,盐塔比油槽高11.1%,50 MW高12.3%。通过仿真计算得到很有意义的两个数据:对于50 MW规模来说,油槽与盐塔光热效率相等的纬度大约是北纬30度,对于100 MW来说北纬32度盐塔与油槽光热效率相等,因此较低纬度时油槽比盐塔光热效率要高一些。


发电量的对比:


 


由于热电转换效率盐塔比油槽高12-15%左右,而光电效率=光热效率*热电效率,因此光电效率在中国区内从北纬18到北纬42度盐塔均比油槽要高一些,大约高4.8%-28.6%(由南到北,油槽镜场南北布置),其中德令哈地区高19.1%(100 MW)和22.8%(50 MW)。发电量对比与光电效率对比基本一致,差距略为增大一些。槽式南北布置镜场时,由于季节带来的集热量的巨大差异,会导致夏天弃光量的增加,因而发电量偏差比光电效率偏差要大一点。不同地方盐塔和油槽发电量对比,也可以看出纬度越高,冬天油槽发电量越少,而盐塔影响不大,四季比较均匀。


油槽镜场布置角度不同带来的影响:


 


光热效率影响:对于油槽镜场布置角度不同,研究发现在中国高纬度的地方南北布置不一定是最好的布置方式,油槽最佳的光热效率时镜场布置角度与纬度有关:北纬30度以下低纬度地区南北布置效率最高,如果东西布置镜场,光热效率只有36%左右,而南北布置最高可以到43.5%。对于40度以上的地区,像玉门、哈密这些地区东西布置效率最高,东西布置效率比南北布置差不多高了2个百分点,但不管如何优化布置角度,高纬度地区的光热效率总是比低纬度地区要低(如哈密比德令哈低一个百分点)。


 


发电量季节均匀性的影响:镜场不同布置角度对于槽式电站发电量均匀性的影响很大,按照夏季6-8月份三个月发电量与冬季12-2月份三个月发电量差值判断均匀性大小,可以看出不同地方、不同角度差异是不一样的,相对来说东西布置冬季和夏季的差距很小,小到什么程度?德令哈小于5%,玉门小于3%,哈密小于1%,如果镜场南北布置的话夏季和冬季的发电量差值很大,夏季是100 GWh,那么冬季只有43 GWh。发电量季节均匀性差,会对投资影响比较大,槽式南北布置,夏天集热量很大,冬天很少(大约是夏天的一半不到),这对于储能电站来说储能系统很难设计,按照冬天数据设计,夏天会有大量的弃光,按照夏天设计,冬天根本储不满,这部分投资在冬天实际上是闲置浪费的。


结论,油槽发电量季节均匀性与布置方向有关,镜场南北布置时纬度越高均匀性越差;镜场东西布置油槽的季节性变化很小,远低于南北布置,但是日发电量均匀性变差了,即每天不同时间段发电量的差距很大,对电站的运行操作来说难度增加了。另外在高纬度情况下,东西布置油槽可以明显提高光电效率,如在哈密地区油槽东西方向布置,其与盐塔差距从南北布置时的28.6%下降到15.5%。


经济性对比


 


投资量的差别:中国的光资源主要集中在北纬36度到北纬43度区间,西藏虽然光资源很好,但是不是很好的发电区域。最南的格尔木,最北的哈密,基本是纬度比较高的地方。我们做了一个比较,数据不一定十分准确,但是也是比较客观的,因为这些数据来源于招投标结果。对于50MW的一个项目,塔式镜场到目前为止可能会比槽式高一点,镜场每平方米综合成本1000元不到一点,槽式约为950元。但是在相同的储能量的情况下,盐塔用盐量只有油槽的1/3,因此油槽熔盐储能系统的投资会比盐塔高出不少,如果储能12小时,盐塔储能系统投资约为2.5亿,槽式则为5.5亿。而常规岛的投资盐塔与油槽几乎相等,因此整个项目投资槽式比塔式高一些,大约会高16%左右。


北纬35-43度光热电站,塔式电站发电量比槽式高15%。塔式造价会比槽式低16%。运维成本基本相当。按照经济性模型计算,北纬36度以上的盐塔储能电站的度电成本会比油槽低27%。国际能源署预计到2025年塔式电站度电成本9美分、槽式为11美分,两者相差22%,由于低纬度情况下油槽效率比较高,两者差距应该小于22%,相反在高纬度情况下两者差距应该会高于22%,中国在高纬度区域,两者相差27%与国际能源署的预计完全吻合。


总结,槽式光热效率的季节性和纬度的敏感性要明显高于塔式,50MW电站北纬30度以上塔式光热效率高于槽式,100MW北纬32度以上塔式效率高于槽式。东西方向布置的槽式电站光热效率季节性差异大幅度减少,北纬40度及高纬度地区可有效提升效率,年均效率提高2个百分点,我国适合电站建设的光资源主要集中在高于北纬36度,塔式效率比槽式高15%,现有条件下度电成本比槽式低27%。

当然以上这些数据都是理论计算值,实际运行情况如何,还有待于实践检验,同时也要依靠广大盐塔工程技术人员,花几年时间才能把理论优势变成现实优势!当然槽式技术也在不断进步,其中熔盐槽式技术就是一个值得期待的方向,也许会给现有的油槽技术带来革命性的变化!

    

谢谢!


光热发电相关活动:2018 CSP Focus光热发电西班牙考察(6月16-23 西班牙)


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