童家麟，呂洪坤，李汝萍，關(guān) 鍵

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江省能源集團(tuán)有限公司，杭州 310007）

0 引言

我國全口徑發(fā)電量2018年為69 947億kWh，較2017年增長8.4%。其中，非化石發(fā)電量為21 654億kWh，比上年增長11.1%，對全國發(fā)電量增長的貢獻(xiàn)率為40%，特別是風(fēng)電、太陽能等新能源發(fā)電量增長28.5%，對全國發(fā)電量增長的貢獻(xiàn)率達(dá)到了22.2%。同時(shí)，2018年全國棄風(fēng)率和棄光率均呈下降趨勢，較2017年分別下降5.0%和2.8%，這說明我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整速度加快，清潔能源已進(jìn)入規(guī)?；l(fā)展的新階段[1-2]。目前，風(fēng)力發(fā)電存在占有土地量大，所發(fā)電力不穩(wěn)定、不可靠等缺點(diǎn)，一定程度上限制了其發(fā)展，特別是陸上風(fēng)電場，因?qū)χ車h(huán)境和鳥類等有不良影響，其大規(guī)模發(fā)展愈加受到抑制[3]。而太陽能具有存儲總量大、清潔安全、對環(huán)境友好等優(yōu)勢受到了世界各國的重視[4-6]，2018年我國太陽能發(fā)電量約為0.18億kWh，占總發(fā)電量的2.5%。

目前較為成熟的太陽能發(fā)電技術(shù)可分為太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱發(fā)電兩大類[7]，比較而言，太陽能光熱發(fā)電技術(shù)具有儲熱容量較大、儲熱成本較低、所產(chǎn)生的交流電可直接并網(wǎng)、易與常規(guī)發(fā)電模式互補(bǔ)發(fā)電、具備電壓支撐能力、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電等優(yōu)勢，在大容量太陽能發(fā)電中更具優(yōu)勢[8]。光熱發(fā)電可以與風(fēng)電、光伏及其他可再生能源打捆輸出，能提升區(qū)域消納和打捆外送中的可再生能源消納水平，因而具有良好的發(fā)展前景，圖1為以目前某電網(wǎng)為例模擬計(jì)算得出的光熱發(fā)電不同總裝機(jī)容量下棄風(fēng)棄光的減少電量，由圖1可知，隨著光熱發(fā)電總裝機(jī)容量的增加，電網(wǎng)棄風(fēng)棄光的減少電量呈明顯下降趨勢。以技術(shù)類型劃分，太陽能光熱發(fā)電集熱環(huán)節(jié)主要有槽式、塔式、碟式、涅菲爾式等4種，導(dǎo)熱工質(zhì)一般采用水、礦物油或者熔鹽[9-10]，最后可通過水蒸汽朗肯循環(huán)、CO2布雷頓循環(huán)或者斯特林發(fā)動機(jī)等發(fā)電[11-12]。

圖1 光熱發(fā)電不同總裝機(jī)容量下棄風(fēng)棄光的減少電量

國外對太陽能光熱發(fā)電技術(shù)研究較早，從20世紀(jì)80年代至今已有大量太陽能光熱項(xiàng)目投入商業(yè)化運(yùn)行，截至2018年底，全球光熱電站建成裝機(jī)容量達(dá)到6 069 MW，其中以西班牙和美國為典型代表[13]，其太陽能資源豐富，光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展最早也最為成熟，光熱電站規(guī)模居于世界前列。我國在光熱發(fā)電領(lǐng)域起步相對較晚，但近年來取得了較快發(fā)展，在中西部地區(qū)已有一定規(guī)模的光熱電站投入商業(yè)運(yùn)行。2018年，我國光熱發(fā)電新增裝機(jī)215 MW，占全球總新增裝機(jī)的22.97%，目前共有10余個(gè)項(xiàng)目已投產(chǎn)或在實(shí)質(zhì)性建設(shè)中?；诖?，本文主要介紹國際和中國光熱發(fā)電技術(shù)近年來的發(fā)展趨勢，對國內(nèi)商業(yè)化運(yùn)行容量最大的熔鹽塔式光熱項(xiàng)目，即北京首航敦煌100 MW塔式光熱發(fā)電示范項(xiàng)目作重點(diǎn)介紹。

1 國際及中國太陽能光熱發(fā)電市場現(xiàn)狀

1.1 國際太陽能光熱發(fā)電市場現(xiàn)狀

國際光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展契機(jī)是中東戰(zhàn)爭引發(fā)的“石油危機(jī)”，促進(jìn)了西方國家加快推進(jìn)商業(yè)化可再生能源技術(shù)的開發(fā)，其中西班牙和美國是全球太陽能光熱電站投入數(shù)量和容量最大的國家。截至2019年，作為首先大規(guī)模應(yīng)用光熱發(fā)電系統(tǒng)的國家，西班牙共擁有50座光熱電站，總裝機(jī)容量達(dá)到了2 300 MW，但2013年后因政府取消了對光熱電站的政策支持，導(dǎo)致光熱市場沒落，從2013年至今總裝機(jī)容量沒有變化。美國光熱電站總裝機(jī)容量達(dá)到了1 800 MW，但近年來光熱發(fā)電新增裝機(jī)規(guī)模增長也較為緩慢[14]。圖2為2007—2018年全球光熱發(fā)電新增裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)。由圖2可知，全球光熱發(fā)電新增裝機(jī)容量在2012—2014年達(dá)到峰值，隨著西班牙和美國等老牌光熱發(fā)電市場的暫緩發(fā)展，全球光熱發(fā)電新增裝機(jī)容量在2016—2017年處于低谷階段。但隨著光熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日趨增加和光熱電站單位成本不斷下降，新興光熱市場正迅速崛起，使得2018年全球光熱發(fā)電新增裝機(jī)容量又處于高峰期，達(dá)到了945 MW。圖3為截至2018年底，各主要光熱發(fā)電國家光熱發(fā)電裝機(jī)容量和2018年度新增裝機(jī)容量比較。由圖3可知，2018年全球光熱發(fā)電新增裝機(jī)容量增幅較大，主要得益于摩洛哥、南非、中國、以色列、沙特等國家多座商業(yè)化光熱電站的建成投運(yùn)，表1所示為上述國家2018年度投產(chǎn)的商業(yè)化大型光熱電站，其中摩洛哥NoorⅡ和NoorⅢ光熱發(fā)電項(xiàng)目分別是迄今世界上單機(jī)容量最大的槽式和熔鹽塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目。2019年，這些國家有多個(gè)項(xiàng)目有望建成，全球光熱市場預(yù)計(jì)將再次實(shí)現(xiàn)新增光熱發(fā)電新增裝機(jī)規(guī)模的大幅增長。

圖2 2007—2018年全球光熱發(fā)電新增裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)

圖3 世界各主要光熱發(fā)電國家光熱發(fā)電裝機(jī)容量和2018年度新增裝機(jī)容量比較

1.2 中國太陽能光熱發(fā)電市場現(xiàn)狀

與國外部分國家光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)已處于成熟化商業(yè)階段相比，我國太陽能光熱發(fā)電剛剛起步，屬于公認(rèn)的朝陽產(chǎn)業(yè)，但目前仍處于大規(guī)模推廣的初始階段[15]。2013年7月，青海中控德令哈10 MW塔式光熱電站并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著我國自主研發(fā)的太陽能光熱發(fā)電技術(shù)向商業(yè)化運(yùn)行邁出了堅(jiān)定的步伐，對于我國早期的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)頗具示范意義。2016年9月，國家能源局正式發(fā)布了《國家能源局關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》，共有20個(gè)項(xiàng)目列入首批光熱項(xiàng)目，總裝機(jī)容量約1.35 GW，核定光熱發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為1.15元/kWh，但由于部分項(xiàng)目存在資金、技術(shù)、股權(quán)、體制等問題，目前仍未開工建設(shè)。截至2018年底，我國已投運(yùn)10 MW及以上大型光熱項(xiàng)目6個(gè)，表2為我國已投運(yùn)和即將投運(yùn)的部分大型光熱項(xiàng)目。由表2可知，幾個(gè)已投產(chǎn)和進(jìn)行中的光熱項(xiàng)目技術(shù)路線包括了槽式導(dǎo)熱油傳熱熔鹽儲熱、槽式熔鹽傳儲熱、熔鹽塔式、二次發(fā)射塔式、菲涅爾式熔鹽、類菲涅爾式混凝土等6種，其中以槽式導(dǎo)熱油傳熱熔鹽儲熱和熔鹽塔式應(yīng)用最為普遍。從國際上看，在上述幾種太陽能熱發(fā)電技術(shù)中，槽式導(dǎo)熱油熱發(fā)電技術(shù)最為成熟，具有較高的性價(jià)比[16-17]，而塔式熱發(fā)電技術(shù)盡管目前的成熟度不如槽式熱發(fā)電技術(shù)，但相比常規(guī)槽式導(dǎo)熱油熱發(fā)電技術(shù)，其發(fā)電效率更高，同時(shí)由于節(jié)省了導(dǎo)熱油工藝，系統(tǒng)更加簡化，被公認(rèn)為極具潛力的技術(shù)路線。我國未來光熱技術(shù)路線的篩選很大程度上依托于表2中示范電站的實(shí)際運(yùn)行情況，特別是類菲涅爾式混凝土等顛覆性技術(shù)路線的實(shí)際應(yīng)用，為我國光熱技術(shù)的創(chuàng)新提供了新的方向。

2 國內(nèi)典型光熱發(fā)電項(xiàng)目

北京首航敦煌100 MW塔式光熱發(fā)電示范項(xiàng)目是2016年國家能源局確定的第一批20個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目之一，項(xiàng)目于2018年12月正式并網(wǎng)發(fā)電。項(xiàng)目是目前全球最高的熔鹽塔式光熱項(xiàng)目，擁有目前全球最大的鏡場。項(xiàng)目占地面積約800萬m2，設(shè)計(jì)年發(fā)電量3.9億kWh，熔鹽用量約3萬t，共有1萬多面定日鏡，儲熱時(shí)間11 h。表3為該項(xiàng)目申報(bào)階段和最終實(shí)施情況的主要參數(shù)及設(shè)備配置等的差異。由表3可知，項(xiàng)目最終實(shí)施方案與申報(bào)方案相比，在汽輪機(jī)選型、定日鏡等均有一定程度優(yōu)化。

北京首航敦煌100 MW塔式光熱發(fā)電示范項(xiàng)目項(xiàng)目總投資約30.4億元，經(jīng)測算，項(xiàng)目年稅后內(nèi)部收益率為9.5%，稅后靜態(tài)投資回收期為10.59年，項(xiàng)目投資效益良好。該光熱電站的成功并網(wǎng)，標(biāo)志著中國企業(yè)已完全掌握了建設(shè)大規(guī)模熔鹽塔式光熱電站的核心設(shè)計(jì)技術(shù)，是目前中國和亞洲裝機(jī)規(guī)模最大、全球裝機(jī)容量第二的塔式光熱電站，與同等電量的火電站相比，每年可減排10萬t粉塵，0.5萬t NOX，1.05萬t SO2和35萬t CO2，具有良好的社會效益。盡管項(xiàng)目在前期建設(shè)和現(xiàn)階段運(yùn)行中仍存在諸如設(shè)計(jì)不合理、運(yùn)行方式欠優(yōu)等問題，但為后續(xù)塔式光熱項(xiàng)目的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表1 2018年度全球投產(chǎn)商業(yè)化光熱電站

3 制約國內(nèi)光熱電站發(fā)展的若干因素

盡管從國際層面看，光熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)誕生多年，且商業(yè)化運(yùn)行也較為成熟，但在我國，其商業(yè)化應(yīng)用仍在初級發(fā)展階段，離平價(jià)上網(wǎng)的目標(biāo)還存在一定差距[18]，仍有一些因素制約了光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)大規(guī)模推廣發(fā)展。

3.1 宏觀因素

從宏觀層面來看，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）太陽能資源是光熱技術(shù)開發(fā)的最重要因素，我國太陽能資源分布不均勻，局部地區(qū)相對有限，所以不能在全國范圍內(nèi)大規(guī)模推廣光熱電站。國外光熱電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，年累計(jì)DNI大于1 800 kWh/m2的地區(qū)較適宜于投運(yùn)光熱電站，但根據(jù)SolarGIS提供的我國太陽能資源分布，DNI大于1 800 kWh/m2的地區(qū)均位于我國中西部地區(qū)。

（2）水資源亦是光熱技術(shù)開發(fā)的重要因素，我國太陽能資源較為豐富的西北地區(qū)水資源相對短缺，大部分地區(qū)的年降雨量在400 mm以下，目前光熱發(fā)電大部分仍基于水蒸汽朗肯循環(huán)的基礎(chǔ)上，需消耗一定數(shù)量的水資源，若未來CO2布雷頓循環(huán)等技術(shù)得以成熟發(fā)展，可極大改善水資源對光熱技術(shù)發(fā)展的制約[19-20]。

表2 我國已投運(yùn)和即將投運(yùn)的部分大型光熱發(fā)電項(xiàng)目

表3 北京首航敦煌100 MW塔式光熱發(fā)電示范項(xiàng)目申報(bào)和最終實(shí)施情況

（3）土地資源亦是光熱技術(shù)開發(fā)的因素之一，光熱發(fā)電較其他發(fā)電技術(shù)需要占據(jù)相當(dāng)規(guī)模的土地資源，以塔式發(fā)電技術(shù)為例，其占地面積巨大，約為1 000畝/10 MW，且要求地面坡度小于3%[21]。

3.2 技術(shù)因素

從技術(shù)層面看，制約光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)大規(guī)模推廣發(fā)展主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）光熱發(fā)電投資成本巨大，國際上光熱電站單位投資約為4 200～8 400$/kW，國內(nèi)某50 MW光熱電站投資額約為17億元，為常規(guī)燃煤火力發(fā)電站的10倍。

（2）光熱發(fā)電平準(zhǔn)化電力成本仍較為昂貴，根據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)顯示，目前光熱發(fā)電成本在0.20～0.25$/kWh，大規(guī)模商業(yè)化投產(chǎn)仍需政府在金融政策、上網(wǎng)電價(jià)等多方面進(jìn)行支持，但隨著技術(shù)革新等因素的推動，至2030年，有望下降至0.10$/kWh甚至更低。

（3）關(guān)鍵設(shè)備、材料國產(chǎn)化道路漫長，以某50 MW塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目為例，盡管國產(chǎn)化率達(dá)到了95%以上，但熔鹽吸熱器的主要材料：鎳基合金鋼、耐高溫涂層等仍需從國外引進(jìn)[22]，一定程度上也使得項(xiàng)目初投資居高不下。

（4）現(xiàn)階段建設(shè)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，某50 MW塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目自投產(chǎn)后出現(xiàn)問題最多的并不是定日鏡、吸收器等新設(shè)備，而出現(xiàn)在以往認(rèn)為最成熟的常規(guī)島發(fā)電系統(tǒng)，且目前存在達(dá)不到預(yù)期發(fā)電量等問題，需要對運(yùn)行方式給予優(yōu)化。

4 太陽能光熱發(fā)電技術(shù)在我國的應(yīng)用前景

由上文可知，雖然我國太陽能光熱發(fā)電目前仍處于示范電站階段，但近年來發(fā)展勢頭迅猛，同時(shí)，我國光熱發(fā)電自主核心技術(shù)發(fā)展步伐明顯加快，正在建設(shè)的國家首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，設(shè)備、裝備、材料等國產(chǎn)化率均達(dá)到了90%以上，這為今后光熱技術(shù)的國產(chǎn)化發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。值得注意的是，由上海電氣為EPC總承包的迪拜阿聯(lián)酋馬克圖姆太陽能園區(qū)第四期950 MW光熱光伏復(fù)合發(fā)電項(xiàng)目的開工建設(shè)，標(biāo)志著我國光熱項(xiàng)目建設(shè)已向國際化邁進(jìn)，該項(xiàng)目在單體光熱裝機(jī)、單體光熱項(xiàng)目熔鹽用量、吸熱塔高度等方向均創(chuàng)造了世界之最。2019年魯能海西州多能互補(bǔ)集成優(yōu)化示范工程50 MW光熱項(xiàng)目的建成投產(chǎn)，為風(fēng)電、光伏、光熱、儲能等多種能源綜合利用提供了新的思路，該示范工程將建成國際領(lǐng)先的多能互補(bǔ)、智能調(diào)度的純清潔綜合利用創(chuàng)新基地。甘肅玉門花海百萬千瓦級光熱發(fā)電基地、青海省千萬千瓦級可再生能源基地等多個(gè)光熱發(fā)電基地的規(guī)劃，為我國光熱發(fā)電發(fā)展提供了良好的發(fā)展契機(jī)。中國可再生能源學(xué)會預(yù)計(jì)，2030年我國光熱發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到30 GW，2050年預(yù)計(jì)可達(dá)到180 GW，發(fā)展前景非常良好。

5 結(jié)語

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)作為可再生能源發(fā)電技術(shù)之一，具有電力輸出穩(wěn)定可靠、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活可控、等電量替換經(jīng)濟(jì)性明顯等優(yōu)勢，近年來日益受到關(guān)注，其在國際上已有數(shù)十年的發(fā)展歷程，在我國也有近10年的歷史。我國光熱發(fā)電近年來發(fā)展速度較快，截至2018年底，我國已建成光熱發(fā)電總裝機(jī)244.3 MW，另有數(shù)個(gè)項(xiàng)目正在建設(shè)中，并逐步向國際化邁進(jìn)，部分技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平。相信隨著光熱發(fā)電技術(shù)的不斷成熟和國家相關(guān)政策的有力扶持，太陽能光熱發(fā)電必將在我國發(fā)電市場占據(jù)越來越重要的地位。