张博文
中国汽车工业工程有限公司 天津市南开区 300012
摘要：太阳能发电在实际应用的过程中存在稳定性差、可控性低等弊端问题。为了解决这些问题，衍生出槽式太阳能-燃气联合循环系统这一新型发电技术。这种方式不仅减少了不可再生资源的使用量和C02排放量，还显著提高了发电机组的运行效率，表现出较强的经济性。为此，本文针对槽式太阳能-燃气联合循环系统工作原理、各项经济指标及其经济性进行了系统化分析，最后针对其未来发展做出了相关展望。
关键词：槽式太阳能-燃气联合循环系统；原理；经济性；展望
引言：纯粹的太阳能发电虽然降低了不可再生资源使用量和环境污染程度，但却存在成本高、效率低、稳定性差、实用效果不佳等问题，难以实现大规模应用。于是，人们考虑将太阳能与风能、地热能、生物质能或者燃气轮机组成一个联合循环发电系统，使其呈现较强的节能性、科学合理性及经济性。近几年，槽式太阳能-燃气联合循环系统在众多种能源组合当中呈现出更加强大的应用优势。它不仅提高了新能源发电的稳定性，还因为无需安装储热装置大大降低了发电成本，呈现出较强的经济性。因此，有必要针对其系统性能及后续发展进行更加全面的探究，使其技术优势得到更加充分有效的发挥。
1.槽式太阳能-燃气联合循环系统概述
1.1技术原理
槽式太阳能-燃气联合循环系统（以下简称ISCC）是利用中高温太阳能集热器技术与燃气-蒸汽联合所共同构成的一种循环混合热能发电技术。其技术原理是利用燃气轮机余热作为太阳能热的一种补充，通过预热给水与太阳能热所产生的过热蒸汽温度相结合，呈现出一种循环出力的效果，同时使太阳能发电效率和稳定性均得到显著优化。图1为槽式太阳能-燃气联合循环系统技术原理示意图。
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图1 ISCC技术原理示意图
从图1中可以看出，其技术原理主要体现在：①传热工质最初在槽式太阳能集热场内加热，之后经余热锅炉再次加热，进入到蒸汽轮机内做功，从而促使发电机发电；②做功后的工质再重新经水处理器、经余热锅炉进入到太阳能集热器参与循环；③燃气轮机经循环后产生高温气体，该气体进入到余热锅炉进行预热给水。
1.2技术优势
ISCC系统与纯粹的太阳能发电系统和常规的燃气-蒸汽联合循环发电系统相比，均表现出明显的优势特点，具体体现在以下几个方面：①运行效率高：I由于ISCC系统借助了太阳能热量，使联合系统的运行效率获得显著提升；②经济性强：ISCC电站无需使用储热系统，当其与现成的常规联合电站集成应用时，可以节省大量增设蒸汽轮机的费用。即便需要增设蒸汽轮机，其费用也远远低于建立一个独立太阳能电站的费用；③突破太阳能发电技术障碍：太阳能发电会到集热器加热流体温度的限制，所以纯粹的太阳能发电效率并不高。将燃气轮机余热来作为太阳能热量的补充，可以有效消除太阳能发电的瓶颈问题；④降低不可再者生资源使用量：ISCC系统采用太阳能代替了部分天然气，有效降低了天然气的使用量。而且ISCC电站主要建设于干旱地区或者沙漠地带，这些地区本身太阳能资源就较为丰富，而且ISCC机组冷凝系统采用的是空冷系统，机组中蒸汽循环部分发电量占总发电量比重高达50%，与常规的天然气-蒸汽联合循环发电机相比，ISCC机组产生同等电量可节省40%水耗量；⑤供电稳定：ISCC系统仅凭借燃气轮机组即可实现稳定供电，从根本上消除了单独太阳能发电受到的外界条件限制，极大的提高了供电连续性及稳定可靠性；⑥降低环境污染：ISCC电站采用的是太阳能和天然气作为主要供电燃料，太阳能作为一种清洁能源在发电过程中污染物排放量较小，在环保方面呈现出极高的应用价值。
2.系统经济性评价指标
对于ISCC系统而言，主要通过净现值、内部收益率、动态投资回收期、能源平均成本这几项经济性评价指标考虑其是否具备经济性：
2.1净现值
净现值是指在项目计算周期内，按照现行的行业基准折现率或者按照其他设定好的折现率计算出年度净现金流量现值的代数和，其公式为：
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在该式中：C
NPV代表净现值；C
CI代表现金流入；C
CO则代表现金流出；(C
CI-C
CO)
t代表第t年的现金流量；n代表项目计算期；i
c代表基准折现率。其计算结果会出现以下三种可能：第一C
NPV>0：这种情况意味着该方案实施后，除了可以实现基本预定收益以外，可能还会获得更高的收益；第二C
NPV=0：该情况意味着该方案实施后的投资收益率与预期相符；第三C
NPV<0：表示该方案无法达到预期收益率，即方案不可行。
2.2内部收益率
内部收益率是指资金流入现值总额等于资金流出现值总额或者净现值等于零时折现率，其公式为：
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在该式中：iIRR表示内部收益率，当i
IRR>i,C
NPV>0或者i
IRR=i,C
NPV=0时，均表示方案可行；i
IRR<i,C
NPV<0表示方案不可行。
2.3动态投资回收期
动态投资回收期指的是在考虑货币时间价值这一条件下，以投资项目净现金流量的现值抵偿原始投资现值所需要的时间，或者说从项目从投资开始直到累计折现现金流量等于0时，所使用的时间，其公式为：
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在该式当中：p
t代表的是动态投资回收期；p
c代表基准投资回收期。如果p
t≤p
c或者C
NPC≥0，则表示可以在要求的时间内收回投资，即方案可行；如果p
t>p
c或者C
NPT<0，则意味着无法在要求时间内收回投资，应当舍弃该方案。
2.4能源平均成本
能源平均成本是某一个电站各项成本和装置效率之间的综合指标，其公式为：
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在该公式中：C为最初的总投资金额；a代表年系数；C
om代表运行维护成本；C
f代表燃料成本；C
c代表二氧化碳减排受益；E为年发电量；i代表利率；n表示系统寿命。
3.ISCC系统的经济性分析
3.1三种电站的设计思路
笔者以集热面积为270320m2的50MW槽式太阳能热发电站为例，分别设计了单纯的太阳能热（SEG）电站、槽式太阳能与燃气联合循环（ISCC）电站、常规燃气蒸汽联合循环（GTCC）电站这三种电站形式（表1为三个电站的主要设计参数）。
表1 三个电站的主要设计参数
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具体的电站设计说明为：①太阳能集热系统采用的是导热油作为传热流体；②蒸汽系统由三级压缩、单级再热的蒸汽轮机以及回热蒸汽锅炉共同构成；③SEG电站采用的是双罐熔融盐储热系统，ISCC电站和GTCC电站所采用的燃料为天然气。通过对三种电站系统进行比较分析，发现ISCC系统与GTCC系统具有相同的输出功率。另外，ISCC电站可以有效减少纯粹太阳能发电机组在频繁启停过程中所形成的能量损耗；还可以有效改善常规燃气-蒸汽联合循环系统随着大气温度升而高出力减少这一缺陷疸；同时，ISCC比纯粹的太阳能发电具有更强的稳定性，供电效果更佳。
3.2三种电站系统的经济性
首先，ISCC系统与GTCC系统的经济性的对比分析：假设这三套电站系统建设均建设在甘肃兰州地区，该地区太阳能年辐射量F为2000(kW·h)/m2，日照时长为ta为320h。按照集热损失公式QHCL=0.027kW/m2计算，集热器的光学效率为ηop=0.75。如集热场面积为A，则ISCC电站太阳能部分的年吸热量为Qsa。可公式表示为：
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该电站的发电燃料为天然气，如其低位热值取35000kJ/m3，则可以得到以下结论：ISCC电站每年比GTCC电站节省天然气39300km3，如果按照天然气价格1.5元/m3计算，每年节省天然气燃料费5893万元，每年CO2减排量为77155t，如果按照传统CO2减排成本80元/t计算，则年度净增收益为6510.24万元；其次，ISCC系统与SEG系统的经济性对比分析：太阳能电站主要由集热系统、储热系统、换热系统和发电系统这几部门构成。对于纯粹的槽式太阳能电站而言，建设太阳能集热场需要购买安装聚光器、真空集热管、就地控制器等设备，这些设备费用就占据了总投资的主要份额。假设太阳能集热场投资2000元/m2，同时参考目前国内外市场上相关设备安装采购的现行价格，分别估算出建设SEG电站和ISCC电站投资价格。详见表2。
表2 SEG电站和ISCC电站基础投资情况
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从表2中可以看出：太阳能集热场的建设成本在总投资成本当中占据着相当大的比重，尤其在建设纯粹太阳能发电系统当中，其比重更高；由于ISCC系统无需储热系统，所以就储热换热成本这一项成本而言，其费用远远低于SEG电站；由于ISCC电站机组容量大于SEG电站，面且加入了布雷顿循环系统，所以其发电模块成本明显高于SEG电站。如果按照折现率为10%、系统寿命为20a、利率为6%、年运行时长5500h、电价0.5元/（kW·h）进行计算，根据净现值、内部收益率、动态投资回收期、能源平均成本这4个公式分别计算出SEG电站和ISCC电站各自的经济性指标，参见表3。
表3 SEG电站和ISCC电站的经济性指标
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从表3中可以看出，SEG电站的CNPV<0，这就说明在在电价较低这一情况下，纯粹的太阳能电站是不可取的。在想维持其正确运行，在很大程度上需要依赖国家的补贴政策，这无疑不符合“经济性”原则；而ISCC电站CNPV为72832.35万元，iIRR为15.8%，远远大于ic，Pt为10a，CLEC为0.35元/（kW·h），这些数据均远远低于纯粹太阳能发电的实际成本。如果按照电价1.2元/（kW·h）进行计算，SEG电站的CNPV为-0.05万元，依然是亏损状态。由此可以得出结论，在经济性方面，ISCC电站明显优于SEG电站。而且通过以上计算也可以看出：ISCC电站比GTCC电站相比，年节约燃气量为39300km3，C02减排量为77155t，这也说明了ISCC电站可以取得更高的内部收益率，在三种电站形式当中是最为理想的选择。不仅如此，ISCC系统在降低化石能源消耗、减少污染排放和控制能源成本方面，同样具有非常好的应用效果。
4.ISCC系统的发展展望
首先，在建设ISCC电站之前，需要进行选址工作。在选址的过程中，需要工作人员考虑非常多的因素。除了太阳能直辐射量、降雨量、温度、风速等天气因素以外，还涉及到很多其他因素。如果没有同时兼顾到这些影响因素，就会导致ISCC电站在后续建设和投入使用中遇到各种不利因素。因此，在今后的ISCC系统发展中，需要相关技术人员针对选址方法与相关原则进行更加细致的研究；其次，针对更多不同集热面积、不同容量的机组，不同太阳能份额的ISCC电站经济性指标进行对比分析，力争找到各容量ISCC电站最经济的太阳能份额，实现经济收效的最大化；此外，在后续工作中，可以针对添加蓄热装置后，对ISCC机组运行情况和投资回收等方面的影响进行更加系统化的探究；最后，在未来一段时期内，槽式太阳能热发电技术仍是我国亟需进一步探索研究的一项技术。目前，世界上只有少数几大企业真正具备生产高温真空集热管的能力，国内现有的真空集热管的封接方法仅适用于300℃以下的中低温，与发达国家相比还存在着较大差距。还需要加大相关科研力度，加快实现我国高温太阳能领域的全面发展。
结语：ISCC电站极大的减少了对发电过程中对太阳能的依赖以及机组设备的启停次数，在有效节省成本、减少不可再生资源使用量、提高环保效益的基础上，使机组发电效率提到了大幅提升，在实际应用中表现出非常明显的技术优势与经济优势。但是，在ISCC系统今后的发展中，还需要针对其经济性以及节能性进行更加深入细致的研究，力争实现其技术优势的最大化。
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