碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電全壽命周期成本電價(jià)分析

陳鷥鷺　陳　永　潘　雪　軒　連　梁偉青

上海齊耀動(dòng)力技術(shù)有限公司

碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電全壽命周期成本電價(jià)分析

陳鷥鷺陳永潘雪軒連梁偉青

上海齊耀動(dòng)力技術(shù)有限公司

通過(guò)分析建立了碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站成本電價(jià)計(jì)算的全壽命周期模型，并結(jié)合建造成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本及發(fā)電量的預(yù)測(cè)，對(duì)影響成本電價(jià)的因素逐一分析，測(cè)算了中國(guó)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的預(yù)期成本電價(jià)，通過(guò)對(duì)比計(jì)算指出了成本電價(jià)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(yáng)能熱發(fā)電；全壽命周期；成本電價(jià)；聚光碟成本；斯特林機(jī)成本

在全球能源枯竭、節(jié)能減排壓力增大的背景下，我國(guó)的能源開(kāi)發(fā)利用主要面臨兩個(gè)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(zhǎng)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(yáng)能的普遍存在性和無(wú)限利用的清潔性，使得開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能成為有效化解以上兩個(gè)方面矛盾的重要途徑，世界各國(guó)也把太陽(yáng)能作為逐步代替常規(guī)能源的重要舉措之一。

碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是太陽(yáng)能熱發(fā)電中光電轉(zhuǎn)換效率最高的一種方式，它通過(guò)旋轉(zhuǎn)拋物面碟形聚光器將太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能到電能的轉(zhuǎn)換[1]。

目前，困擾碟式太陽(yáng)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(guó)外研究機(jī)構(gòu)一般利用計(jì)量法和因素法對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電站成本電價(jià)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)目前尚沒(méi)有針對(duì)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的成本電價(jià)分析實(shí)例。碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電成本電價(jià)與電站建造成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本、年發(fā)電量、財(cái)務(wù)成本、稅金等因素有關(guān)，這些因素具有獨(dú)立的變化性，同時(shí)也相互影響。

本文基于碟式太陽(yáng)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(yáng)能電站建造成本、發(fā)電量及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本這三要素，并分析各項(xiàng)驅(qū)動(dòng)因素作用下，中國(guó)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電成本電價(jià)趨勢(shì)。

1　碟式太陽(yáng)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(jià)分析方法，太陽(yáng)能熱發(fā)電站建造成本主要分設(shè)備費(fèi)、安裝費(fèi)和土建費(fèi)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(yáng)能熱發(fā)電站按工程建設(shè)項(xiàng)目劃分為發(fā)電設(shè)備費(fèi)、調(diào)試安裝費(fèi)、場(chǎng)地準(zhǔn)備費(fèi)、電站配套及基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)、間接費(fèi)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(fèi)主要為安裝地基、系統(tǒng)的運(yùn)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(fèi)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(yáng)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(jià)描述，目前中國(guó)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的單臺(tái)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(jī)、熱端部分、冷端部分、傳動(dòng)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(jiàn)圖2）：跟蹤系統(tǒng)組件、鏡面碟板組件、驅(qū)動(dòng)機(jī)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(xiàng)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(xiàng)成本在跟蹤系統(tǒng)組件中占比依次為59%、31%、10%。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由水平及俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)、SCADA系統(tǒng)、限位裝置及線纜等組成，各項(xiàng)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(jià)模型

2.1全壽命周期成本電價(jià)模型建立

太陽(yáng)能熱發(fā)電站成本電價(jià)是指電站運(yùn)營(yíng)期內(nèi)收入和成本相等時(shí)的上網(wǎng)電價(jià)。電站的收入即為上網(wǎng)電價(jià)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(yùn)營(yíng)維護(hù)成本、財(cái)務(wù)費(fèi)用及稅費(fèi)等組成。全壽命周期成本電價(jià)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(fèi)用的總和。

從電站的全壽命周期去考慮成本問(wèn)題，即不僅考慮電站的初始投資，也考慮電站整個(gè)周期的支持成本，包括運(yùn)營(yíng)、維修、折舊等。采取的方法是通過(guò)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(jià)影響因素建立全壽命周期太陽(yáng)能熱發(fā)電成本模型如圖3所示。圖中，DNI表示太陽(yáng)直射輻射量。

圖3　碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站成本結(jié)構(gòu)

模型包括了影響成本電價(jià)的最重要的3個(gè)基礎(chǔ)因素：建設(shè)成本計(jì)算模塊、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本計(jì)算模塊和發(fā)電量計(jì)算模塊。同時(shí)，在3個(gè)基礎(chǔ)模塊計(jì)算基礎(chǔ)上，計(jì)算發(fā)電成本。在其他因素固定不變的條件下，通過(guò)調(diào)整建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的變化值可以分別對(duì)2個(gè)構(gòu)成部分進(jìn)行成本靈敏性分析。由于財(cái)務(wù)費(fèi)用及稅費(fèi)屬于較為固定的模塊，因此模型中不涉及此部分。成本電價(jià)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(yùn)營(yíng)維護(hù)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(yùn)營(yíng)期。

2.2建造成本發(fā)展趨勢(shì)

碟式太陽(yáng)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(duì)電站造價(jià)及成本電價(jià)有很大的影響。發(fā)電設(shè)備主要由斯特林機(jī)、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(jià)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(jī)的成本決定了電站發(fā)電設(shè)備的費(fèi)用。

斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是一種利用外部能量加熱使活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的外燃機(jī)，它也可以稱為熱氣機(jī)。它是一種外燃的閉式循環(huán)往復(fù)活塞式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，有別于依靠燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒獲得動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)[3]。僅從結(jié)構(gòu)而言，斯特林發(fā)電機(jī)比內(nèi)燃機(jī)簡(jiǎn)單得多，主要包括加熱器、回?zé)崞鳌⑴錃饣钊?、?dòng)力活塞、冷卻器以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件。就成本降低的趨勢(shì)而言，在設(shè)計(jì)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)冷端部件采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，直接靠汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，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(guò)優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)在保證機(jī)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(jī)的造價(jià)。

聚光碟跟蹤系統(tǒng)主要由聚光碟及跟蹤機(jī)構(gòu)組成。碟式斯特林太陽(yáng)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(yùn)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(yùn)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(shí)鏡面重量的減輕也使對(duì)鏡架、動(dòng)力設(shè)備及基座的要求降低，不過(guò)將提高對(duì)于玻璃粘貼工藝的要求。跟蹤系統(tǒng)設(shè)備主要包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)，性能指標(biāo)主要依據(jù)聚光碟的重量、風(fēng)抗強(qiáng)度等因素確定。根據(jù)目前常用的渦輪蝸桿、絲桿等傳動(dòng)形式，由于均為成熟的配套行業(yè)，批量化采購(gòu)將能夠降低采購(gòu)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(lái)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(fèi)包括鏡架的加工費(fèi)和動(dòng)力設(shè)備加工費(fèi)兩項(xiàng)。加工過(guò)程包括焊接、成型等工藝，費(fèi)用涵蓋了設(shè)備、模具、場(chǎng)地、水電等公攤成本，人工成本及管理成本。當(dāng)太陽(yáng)能熱發(fā)電站形成規(guī)模效應(yīng)后，批量制造成本優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)，加工費(fèi)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(yùn)輸安裝土建方面，目前國(guó)內(nèi)尚未形成常態(tài)化的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，參見(jiàn)塔式相關(guān)行業(yè)研究，以中國(guó)青海地區(qū)為例，運(yùn)輸費(fèi)約為80元/m2，安裝及土建費(fèi)約為60元/m2，調(diào)試費(fèi)約為4元/m2。當(dāng)太陽(yáng)能熱發(fā)電站形成規(guī)模效應(yīng)后，將帶動(dòng)中國(guó)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(yùn)輸成本，預(yù)計(jì)可降為30元/ m2。同時(shí)，隨著太陽(yáng)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(fèi)用預(yù)計(jì)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(fèi)用降為3元/m2。預(yù)計(jì)未來(lái)聚光碟鏡的運(yùn)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(dòng)力因素主要有：①規(guī)模效應(yīng)帶來(lái)的加工費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用降低；②更輕便聚光鏡的設(shè)計(jì)降低相關(guān)材料費(fèi)用；③跟蹤傳動(dòng)設(shè)備的批量化采購(gòu)降低該部件成本。

2.3運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本發(fā)展趨勢(shì)

運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用主要包括修理費(fèi)、人員工資福利、材料費(fèi)、水費(fèi)及其他費(fèi)用。目前，由于沒(méi)有成熟的大規(guī)模碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站應(yīng)用，其修理費(fèi)率參照同類型塔式的測(cè)試方法，依據(jù)火電站經(jīng)驗(yàn)進(jìn)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(jìn)行。項(xiàng)目材料費(fèi)主要包括斯特林機(jī)外圍工質(zhì)站介質(zhì)的日常補(bǔ)充及斯特林機(jī)運(yùn)行時(shí)的少量輔助燃料費(fèi)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(fèi)用是火電廠日常支出的較大項(xiàng)目，故項(xiàng)目綜合耗水及其他費(fèi)用參考火電標(biāo)準(zhǔn)（20元/MWh）的30%計(jì)，按6元/MWh計(jì)算。

2.3運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本發(fā)展趨勢(shì)

影響上網(wǎng)凈發(fā)電量的因素有光照條件（年DNI）、發(fā)電機(jī)組額定功率、太陽(yáng)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(lái)有較大提升潛力的是太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)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?cái)嘈屎臀鼰崞鳠嵝实某朔e。其中，抗陰影遮擋率、大氣透射率這兩者決定了鏡場(chǎng)效率，它們和吸熱器截?cái)嘈适桥c電站緯度、聚光鏡布局和調(diào)光策略相關(guān)的。太陽(yáng)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(dòng)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(guó)西部的德令哈，裝機(jī)容量10MW的電站為例，單臺(tái)套碟式系統(tǒng)額定輸出功率為25 kW，共400臺(tái)碟式設(shè)備。為更具對(duì)比性，分別選取單臺(tái)套成本為37.5萬(wàn)元和50萬(wàn)元的碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站為例進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)地準(zhǔn)備等方面費(fèi)用變化不大，各項(xiàng)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(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)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(wàn)元、福利費(fèi)系數(shù)按工資總額的60%計(jì)。10 MW碟式電站的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用總計(jì)約為200萬(wàn)元/年。

發(fā)電量方面，以德令哈地區(qū)實(shí)測(cè)年DNI達(dá)到2 000 kWh/m2為例，預(yù)期10 MW電站年利用小時(shí)數(shù)達(dá)到2 550 h。針對(duì)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目目前未有投運(yùn)項(xiàng)目實(shí)測(cè)，廠用電率參照中型機(jī)組的火電廠廠用電率約6%進(jìn)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(jià)

電站運(yùn)營(yíng)期按照30年計(jì)，將目前火電項(xiàng)目通用的折現(xiàn)率8%代入式（1）可以計(jì)算得到10 MW單臺(tái)套成本為37.5萬(wàn)元和50萬(wàn)元的碟式電站的預(yù)期含稅成本電價(jià)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(kāi)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(jià)僅為0.62元/kWh和0.85元/ kWh。

顯而易見(jiàn)，發(fā)電設(shè)備的成本直接影響著電站的成本電價(jià)。

3.3成本電價(jià)下降動(dòng)因分析

綜上分析，碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站成本電價(jià)下降的主要?jiǎng)右蛴腥缦?條。首先，太陽(yáng)能熱發(fā)電站規(guī)模效應(yīng)帶來(lái)的產(chǎn)能擴(kuò)大，是電站造價(jià)下降的主要因素。其次，技術(shù)和工藝的進(jìn)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(jià)比更高的傳動(dòng)方式、更高效率的吸熱器工藝以及高自動(dòng)化程度的清洗裝備等。

4　結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)性地逐一剖析碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站成本構(gòu)成，分別對(duì)電站的建造成本、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本及發(fā)電量的趨勢(shì)和預(yù)期進(jìn)行了定性分析，探索了中國(guó)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站全壽命周期成本電價(jià)分析模式，明確了產(chǎn)能規(guī)?；?yīng)及技術(shù)工藝進(jìn)步對(duì)于成本電價(jià)的影響。碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電作為清潔能源，有良好的環(huán)境效益，能夠通過(guò)碳排放交易獲取一定收益，并在貸款方面享受一定的財(cái)務(wù)優(yōu)惠。因此，預(yù)計(jì)未來(lái)太陽(yáng)能熱發(fā)電站成本電價(jià)可與燃煤火電站的電價(jià)相當(dāng)，具有廣闊的應(yīng)用前景和成長(zhǎng)空間。

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

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INFORMATION AND DYNAMIC

節(jié)能信息與動(dòng)態(tài)

上海首個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電公交場(chǎng)站投入使用

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

光伏發(fā)電即利用太陽(yáng)電池將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能。高科西路停車場(chǎng)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(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。