太陽能光熱發(fā)電技術發(fā)展現(xiàn)狀芻議

劉少超 萬源

摘 ?要：本文對太陽能光熱發(fā)電技術形式、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和未來方向進行了論述。

關鍵詞：光熱發(fā)電;儲能;熱力品質

前言：

隨著全球氣候變化問題日益嚴峻，世界各國都更加重視減少傳統(tǒng)化石能源的使用和大力開發(fā)光伏、風電等可再生能源發(fā)電。但這種做法會降低電網(wǎng)系統(tǒng)的轉動慣量，使得電網(wǎng)調頻和調壓難度越來越大，電網(wǎng)的穩(wěn)定性不斷被挑戰(zhàn)。同時，接入地區(qū)如電網(wǎng)存在消納問題，棄風和棄光的現(xiàn)象會比較嚴重，限制了光伏和風電的進一步發(fā)展。

太陽能光熱發(fā)電技術利用太陽能作為能量來源，可通過儲能將聚光集熱和發(fā)電進行解耦，是清潔、穩(wěn)定和可調度的發(fā)電形式，比煤電具有更佳的調峰調頻能力，能夠逐步替代傳統(tǒng)發(fā)電形式，并緩解高比例間歇性可再生能源對電網(wǎng)的沖擊。

1 太陽能光熱發(fā)電技術

太陽能光熱發(fā)電技術目前主要有四種發(fā)電系統(tǒng)：槽式、塔式、菲涅爾式和碟式。

1.1 槽式光熱發(fā)電

槽式光熱發(fā)電利用槽式拋物面將太陽的光線聚成焦線，然后在焦線上安裝集熱器，將收集來的能量加熱水產(chǎn)生蒸汽來驅動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。目前的槽式光熱電站多采用導熱油來吸收熱量，并通過熔鹽進行儲熱。

槽式光熱發(fā)電技術的聚光比為20-100，系統(tǒng)運行溫度為400攝氏度左右。槽式光熱電站技術較其他三種技術最為成熟，在全球已有約4.8GW電站投入商業(yè)運行。槽式光熱發(fā)電對場平要求高，對緯度和季節(jié)因素比較敏感，技術改進空間和成本下降空間有限。

1.2 塔式光熱發(fā)電

塔式光熱發(fā)電技術首先利用定日鏡將太陽能聚焦在吸熱塔頂部的吸熱器上，然后將收集來的能量加熱水產(chǎn)生蒸汽來驅動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。塔式光熱發(fā)電技術可將熔鹽直接吸熱和儲換熱，同時利用點聚焦可獲得高溫超高壓的熱力品質，故比槽式光熱發(fā)電技術具有更高的發(fā)電效率。

塔式光熱發(fā)電技術的聚光比為1000-3000，系統(tǒng)運行溫度視工質不同可達到565-1200攝氏度。塔式光熱發(fā)電技術商業(yè)化時間晚于槽式光熱發(fā)電技術，技術改進和成本降低空間大，在新增的光熱電站中占比超過槽式光熱電站。

1.3 菲涅爾式光熱發(fā)電

菲涅爾光熱發(fā)電與槽式光熱發(fā)電均為線聚焦形式，但結構更簡單，建設運行成本更低。菲涅爾式光熱發(fā)電利用具有追日功能的主反射鏡列將太陽光反射到二級反射鏡和線性接受器上，加熱接收器內(nèi)的水直接獲得蒸汽或者通過接收器內(nèi)的導熱油或熔鹽先進行吸熱儲熱，然后再與水換熱產(chǎn)生蒸汽，最終推動汽輪機發(fā)電。

菲尼爾式光熱發(fā)電技術的聚光比為45-100，系統(tǒng)運行溫度可達到400-550攝氏度。菲涅爾式光熱對太陽能直射資源要求較低，可通過改進工質來提高工作溫度，技術還處在初步商業(yè)化階段。

1.4 碟式光熱發(fā)電

碟式光熱發(fā)電技術首先將碟式聚光鏡聚集的太陽能集中到其焦點處的集熱器上，再把集熱器吸收的高密度能量轉換為熱能并傳輸給熱機（斯特林發(fā)動機等），最終驅動發(fā)電機發(fā)電。

碟式光熱發(fā)電技術的聚光比為500-2000，系統(tǒng)運行溫度可達到750攝氏度，單體規(guī)模一般小于1.5MW，適合建設分布式電站。碟式光熱發(fā)電技術的發(fā)電效率在四種技術形式中最高，但是斯特林發(fā)動機等熱機較為昂貴，且目前不能實現(xiàn)儲熱和提供平穩(wěn)的電力供應，仍需要進一步對技術進行突破。

2 太陽能光熱發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和展望

2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國于20世紀70年代對太陽能光熱發(fā)電技術開始進行基礎研究。2003-2010年間，我國開始建設若干光熱試驗性示范項目，也催生了一批先驅型光熱發(fā)電技術和裝備企業(yè)。2011-2015年間，我國光熱發(fā)電取得了突破性進展，相繼建成多個小型試驗示范性項目，光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈逐步健全壯大;同時，太陽能光熱發(fā)電站選址普查、技術、導則和行業(yè)標準等指導性文件也相繼形成。 2013年7月，青海中控德令哈10MW塔式太陽能光熱電站順利并入青海電網(wǎng)發(fā)電，填補了我國商業(yè)化光熱電站并網(wǎng)發(fā)電的空白。2016年，隨著國家首批20個光熱示范項目名單和電價政策落地，中國光熱發(fā)電進入了規(guī)模商業(yè)化階段。

截止2020年底，我國共有合計520MW裝機的光熱發(fā)電實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電，包括2個10MW光熱電站，合計裝機450MW的7個首批光熱發(fā)電示范項目和1個50MW的多能互補光熱發(fā)電項目。

2.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對光熱發(fā)電技術的研究早于我國，從上世紀50年代就已開始設計和建設試驗電站。2005-2014年間，以西班牙和美國為首的多個國家的政府頒布了對光熱發(fā)電的公共扶持政策，快速推動了光熱技術的成熟和大型光熱發(fā)電項目的開發(fā)建設。

2014年以后，繼西班牙和美國取消光熱電站補貼和相關政策，全球光熱發(fā)電發(fā)展呈現(xiàn)了一定的滯緩。但隨著光熱技術經(jīng)濟性不斷提高，南非、摩洛哥、阿聯(lián)酋等新興光熱市場快速崛起，光熱發(fā)電裝機又恢復快速增長。

截止2020年底，全球已建成的光熱電站約7GW，其中西班牙約占2.3GW，美國約占1.7GW，摩洛哥占530MW，南非占500MW。除此之外，全球約有1GW的光熱電站處于建設階段，將于未來幾年陸續(xù)并網(wǎng)。

2.3 現(xiàn)存的挑戰(zhàn)

目前，全球光熱電站的市場規(guī)模仍很小，產(chǎn)業(yè)鏈未完全成熟，度電成本比較高。這使得光熱發(fā)電的開發(fā)和建設高度依賴國家政策的扶持。中國目前擬對2022年后并網(wǎng)的首批光熱示范項目電價停止電價補貼，意味著中國光熱發(fā)電靠補貼來實現(xiàn)經(jīng)濟性的開發(fā)模式的完結，需要尋求新的商業(yè)模式來繼續(xù)獲得發(fā)展。國外適合建設光熱電站的國家普遍采用電價招標的方式來進行光熱電站的開發(fā)，隨之而來的激烈市場競爭將對電站的建設成本提出更嚴苛的挑戰(zhàn)，對產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展帶來很大壓力。

另外，在國內(nèi)外電網(wǎng)依然能夠對光伏、風電等間歇性能源進行接入和消納的前提下，電網(wǎng)對新接入電源的電力品質要求較低，光熱發(fā)電最大的儲能優(yōu)勢難以發(fā)揮，對電網(wǎng)調峰調頻參與和貢獻很小。這樣的現(xiàn)狀也在很大程度上限制了光熱電站的快速發(fā)展。

同時，隨著電化學儲能產(chǎn)業(yè)的快速大規(guī)模發(fā)展和成本下降，光伏+儲能，風電+儲能的供電方式將在短時間儲能項目上對光熱發(fā)電形成優(yōu)勢，擠壓光熱發(fā)電的機會。

2.4 光熱發(fā)電未來展望

隨著全球各國對“碳達峰和碳中和”力度日益加強，煤電將陸續(xù)在全球的電力裝機中快速退出，這將為光熱發(fā)電的未來發(fā)展帶來非常好的機會。光熱發(fā)電利用長時間儲能承擔基礎負荷和調峰負荷等的優(yōu)勢將逐步得到更好地開發(fā)和利用。隨著國內(nèi)外光熱項目的陸續(xù)開發(fā)和建設以及光熱技術的不斷發(fā)展，光熱發(fā)電的成本也將繼續(xù)快速下降，推動行業(yè)更快更大規(guī)模地發(fā)展。

國際能源署以及其他重要能源機構均紛紛預測，到2050年全球光熱裝機貢獻全球約11%的電量供應。太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)以其廣闊的市場前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?，必將成為未來新能源產(chǎn)業(yè)應用的重點，并將在未來低碳革命中扮演越來越重要的角色。

3結束語

光熱發(fā)電做為一種清潔、穩(wěn)定和可調度的能源，具有其特有的優(yōu)勢，在電網(wǎng)中能夠發(fā)揮其他能源不可替代的作用。經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，光熱發(fā)電已經(jīng)達到了技術成熟、可大規(guī)模商業(yè)化的發(fā)展階段，必將隨著全球能源轉型的大潮繼續(xù)得到更好更快的發(fā)展。

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