以技术革新实现更高运行温度 削减光热发电LCOE
发布者：本网记者Robin | 来源：CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 7779查看 | 2013-01-30 11:46:00
削减光热发电的LCOE是全球光热发电业界当前面临的共同命题。在全球能源市场的激烈竞争下，替代能源技术如光伏和风电正在逐步接近传统燃气发电的成本，而光热发电依然需要进一步降低LCOE以使其可以在可再生能源市场中占稳脚跟。
CSPPLAZA光热发电网报道：CSPPLAZA已经在此前的多篇报道中讨论过这一命题，增大光热电站的相对装机容量、降低项目融资的贷款利率、拉动组件成本下降、增大发电量等等，这一系列的解决路径都是基于LCOE的影响因子来考虑的。
从更深一层来看，我们需要从技术角度上设法提升光热电站的运行温度。温度影响着光热电站的发电效率和发电量，进一步影响了LCOE。
如果将光热电站的运行温度从当前普遍的380摄氏度提升到550摄氏度，对LCOE产生的具体影响有几何？我们从理论层面上来探讨这一问题。
技术革新方向：降低LCOE
在过去的几年内，太阳能热发电产业界共同努力已经推动了LCOE的持续下跌，摩洛哥瓦尔扎扎特160MW槽式项目的中标电价仅为1.62道拉姆/KWH（约0.188美元/KWH，约人民币1.183元/KWH），这一事实说明了业内对光热发电成本的掌控预期。这个电价有着里程碑的意义，但相对于风电和光伏，该电价依然偏高。我们仍需在此基础上进一步消减LCOE，才能使光热发电在全球能源市场竞争者占据重要地位。
LCOE的影响因素众多，每个光热电站所处的地理环境的不同都将对LCOE造成重要影响。CAPEX的降低和电力产能的提高是LCOE降低的两大直接影响要素。
我们此前已在相关文章中提到过LCOE的计算公式，从该公式可以看出，降低LCOE可以通过降低CAPEX和OPEX实现；同时，提升电站的运行性能，增加电力产能也将对LCOE削减带来一定帮助。经验数据显示，CAPEX约占一个光热电站总的生命周期内投资成本的50%左右，是其中最大的影响因素，项目融资带来的投资支出约占31%左右，OPEX约占13%，剩余的是相关的税费支出。
据CSPTODAY发布的研究数据显示，降低1%的CAPEX大约可以削减0.8%~0.9%的LCOE，提升1%的发电量大约可以带来0.7%~0.8%的LCOE削减。
新技术的开发即是为了降低成本、提升发电效率。但一般来讲，降低成本和提升效率是相悖的，大多时候，成本降低则意味着效率随之下降。
技术的主要革新方向集中于：一是更廉价、更高效、可运行温度更高的传热介质的开发；二是新的高效廉价的储热系统的开发；三是对光热电站的组件设备进行改进，如增大槽式反射镜的聚光面积，提高反射镜的反射率，改进塔式接收器的设计，定日镜系统的设计等；四是自动化的运维程序和监控技术的应用以降低运维成本等等。
传热介质研发：实现更高温度
上述几个方面为LCOE的削减提供了广阔的空间，目前对各种解决途径关注较多的当归于新型传热介质的研发，如美国能源部此前通过Sunshot计划给予1000万美元支持光热发电传热介质的研发。
根据卡诺循环原理，卡诺循环中的热机效率的计算公式如下：卡诺效率η=1－Tc/Th（Tc指低温热源温度，Th指高温热源温度），热量循环的温差越高，发电效率越高。当前光热电站的实际运行效率还远低于卡诺循环的理论效率。
实现更高的运行温度对光热电站提高效率是极为有益的。熔盐塔式电站可以获得550摄氏度左右的蒸汽温度，比传统的槽式电站一般能够达到的380摄氏度的温度要高出不少，带来的直接影响是热电转化效率提高了5%~8%。
熔盐传热介质的主要缺点是熔点太高，易凝固堵塞管路。当前熔盐的研发目标是开发出低熔点、高气化点的熔盐，而现实中面临的困难是熔点降低了，其气化点也随之降低。这两者是相悖的。
下表展示了效率和运行温度之间的关系：其中浅蓝色的曲线为各温度对应下的理论卡诺效率，深蓝色的曲线为现实中可以实现的效率上限（以75%的理论效率折算），同时给出了在超临界蒸汽循环、超临界二氧化碳循环下的效率变化。从该图可以看出，温度与效率的正相关关系。运行温度提高→热效率提高→发电量提高→LCOE降低
为量化这些关系，可以确定一个提高运行温度和削减LCOE的一个理论关联式，但这一公式难以成为一个通用关联式，因为每个电站都因DNI值和电站设计等而出现不同的结果，1%的热效率的增加对不同电站的发电量的影响也不尽相同。
我们可以假定一种参考情景，如下表，对一个110MW的配置了6小时储热的槽式电站进行成本和运行性能分析，假定蒸汽温度可从380摄氏度提高到1000摄氏度，LCOE的削减幅度可达40%，如果从380摄氏度提高到550摄氏度，可削减10%的LCOE。
LCOE通过提高运行温度来削减的同时，还可以相对减少光场系统的建设规模，由于热效率提高，光场的集热规模就可以对应减小。对一个110MW的光热电站进行分析，如果发电效率从39.5%提高到44%（通过将传热介质的温度提高至560摄氏度），光场的集热面积可相应减小约10%，这将产生CAPEX的大幅下降。
但在实际操作中，提高电站运行温度还可能面对来自材料，组件设计和电站构造等方面的障碍，这些对CAPEX也会造成一定的负面影响。在进行相关研发时应通盘考虑。
总的来看，提高运行温度对LCOE削减有重要意义，CSP产业对此在时间和金钱上的投入是值得肯定的。实现更高的运行温度不仅仅可以提高效率，还可以相应地降低CAPEX。但这又是一把双刃剑，更高的运行温度的实现需要材料和组件设计方面的进一步发展，这同时又将增加CAPEX。
因此，研发的方向应是，这种新型的传热介质可以帮助实现更高的运行温度，整体上又不增加过多的系统额外投入，对CAPEX不造成过多的负面影响。这是我们面对的一个较大的挑战，需要CSP业界的共同努力。
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