青海地區(qū)太陽能光熱發(fā)電前景分析

(中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

能源是滿足人類生存、促進社會發(fā)展的重要資源，能源技術的每次變革都促進了人類社會的進步[1]。截至2017年底，全球探明石油儲量約為1.697萬億桶，天然氣探明儲量為193.5萬億m3，按照2017年消耗量水平，石油與天然氣分別只能滿足全人類約50年與52年的用度。隨著一次能源的大量消耗，以及面對全球氣候變暖，生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化等問題，低碳綠色能源的開發(fā)成為世界各國關注的焦點[2]。

2017年，全球一次能源消費有40%用于發(fā)電，這使得電力行業(yè)成為最大的用能行業(yè)。隨著可再生能源占比提升和電氣化技術的加速發(fā)展，電力行業(yè)處在能源轉(zhuǎn)型的前沿地帶。由于風能和太陽能發(fā)電的快速提升，可再生能源領漲全球發(fā)電量。目前風能和太陽能在總發(fā)電量中的占比僅為8%，還有很大的提升空間[3]。2017年，全球太陽能發(fā)電量增長超過30%，增長主要源于技術發(fā)展和政策支持，故其發(fā)電成本持續(xù)走低。2018年，上海電氣集團中標的大型太陽能光熱發(fā)電項目，投標電價為7.3美分/kW·h。太陽能熱發(fā)電技術作為新的太陽能利用技術，以其可以規(guī)?；?、連續(xù)運行的優(yōu)勢，成為近年來世界范圍內(nèi)可再生能源領域的投資焦點[3]。

1 國家及地區(qū)的資源與政策

1.1 國家“十三五”太陽能行業(yè)政策

2016年，國家能源局發(fā)布能源工作指導意見，提出加快清潔低碳化進程，建設綠色發(fā)展新生態(tài)，要著力開發(fā)和利用太陽能等綠色能源。

2016年9月13日，國家能源局發(fā)布《關于建設太陽能熱發(fā)電示范項目》的通知，確定并發(fā)布的第一批太陽能熱發(fā)電示范項目共20個，總計裝機容量134.9萬kW，分布在甘肅、青海、新疆、內(nèi)蒙古、河北等省(自治區(qū))。

2016年12月，國家能源局發(fā)布《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，該規(guī)劃制定了我國2016年至2020年太陽能利用發(fā)展的發(fā)展目標、指導方針、保障措施和重點任務。該規(guī)劃是“十三五”期間我國太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導文件。規(guī)劃目標是到2020年底，太陽能熱發(fā)電裝機達到500萬kW?！笆濉碧柲芾弥饕笜艘姳?，重點地區(qū)2020年光伏發(fā)電建設規(guī)模見表2。

表1 “十三五”太陽能利用主要指標

表2 重點地區(qū)2020年光伏發(fā)電建設規(guī)模

1.2 我國太陽能資源分布

我國幅員遼闊，有著豐富的太陽能資源，具備發(fā)展太陽能熱發(fā)電的資源基礎。據(jù)統(tǒng)計資料分析，我國陸地面積每年接收的太陽輻射總熱量為3.3×103～8.4×103MJ/m2，相當于2.4×104億噸標準煤。我國的太陽資源豐富帶主要集中在青藏高原、甘肅北部、寧夏北部、新疆南部、河北西北部等地。

國際上太陽能熱發(fā)電廠址的DNI(Direct Normal Insolation，太陽直接輻射，簡稱直接輻射)資源通常在1 700 kW·h/m2a以上。我國DNI資源較高的主要地區(qū)統(tǒng)計見表3。

表3 我國DNI資源較高的主要地區(qū)統(tǒng)計

1.3 國家及地區(qū)“十三五”太陽能熱發(fā)電規(guī)劃

《太陽能發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出依照“統(tǒng)籌規(guī)劃、分步實施、技術引領、產(chǎn)業(yè)協(xié)同”的發(fā)展模式，逐步推進太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)有序發(fā)展。

我國“十三五”光熱發(fā)電規(guī)劃中，2020年底實現(xiàn)5GW的裝機目標，在國家規(guī)劃的指引下，各地區(qū)也陸續(xù)出臺了地方性的光熱“十三五”發(fā)展規(guī)劃。

青海、甘肅、新疆等8省區(qū)發(fā)布光熱發(fā)電“十三五”規(guī)劃的總裝機規(guī)模高達9 000 MW，其中首批20個光熱發(fā)電示范項目的所在地(青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古、河北5省區(qū))到2020年規(guī)劃的光熱發(fā)電裝機容量高達8 600 MW(見表4)。

表4 首批20個光熱發(fā)電示范項目統(tǒng)計

2 太陽能熱發(fā)電技術路線

太陽能光熱發(fā)電，也稱為聚焦型太陽能熱發(fā)電(Concentrating Solar Power, CSP)，利用反射鏡面的聚焦作用將太陽能的熱量收集起來，通過換熱裝置產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽，然后按照常規(guī)汽輪機驅(qū)動發(fā)電。采用太陽能光熱發(fā)電技術，可以利用儲熱裝置將白天的太陽能熱能儲存起來，夜間放出熱量發(fā)電[5]，實現(xiàn)太陽能連續(xù)發(fā)電和提高電站容量，從而降低單位千瓦造價。

太陽能熱發(fā)電技術主要包括拋物槽式發(fā)電、塔式發(fā)電和碟式發(fā)電3種[6]。其中，拋物槽式發(fā)電和塔式發(fā)電的發(fā)展最為迅速，已實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)運行。槽式發(fā)電技術最為成熟，應用業(yè)績最多。對于碟式發(fā)電系統(tǒng)的研究還處在示范階段。下面對上述3種太陽能熱發(fā)電技術作簡要介紹。

2.1 拋物槽式太陽能熱發(fā)電

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串聯(lián)、并聯(lián)的排列，利用槽式拋物面反射鏡將太陽光聚焦到安裝在拋物線形反射鏡焦點上的線形接收器上，加熱流過接收器的熱傳導液，熱傳導液在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，最后將蒸汽送入常規(guī)的蒸汽輪機發(fā)電。

槽式太陽能發(fā)電包括槽型拋物面聚光/高溫真空管集熱子系統(tǒng)、導熱油(或熔鹽)/蒸汽換熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)等。

槽式發(fā)電跟蹤系統(tǒng)結(jié)構簡單、技術成熟，適合大規(guī)模發(fā)電，目前已大規(guī)模商業(yè)化應用。但是槽式系統(tǒng)工質(zhì)工作溫度較低，太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率相比塔式和碟式較低。

2.2 塔式太陽能熱發(fā)電

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也稱為集中式太陽能光熱發(fā)電。利用數(shù)量眾多、獨立跟蹤太陽光的定向反射鏡(定日鏡)，將太陽熱輻射反射到位于塔頂?shù)母邷丶療崞魃?，通過能量轉(zhuǎn)換把熱量傳遞給導熱介質(zhì)(如導熱油、熔鹽等)，再由蒸汽發(fā)生器生產(chǎn)高溫高壓過熱蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電。因塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)聚光倍數(shù)高、能量集中過程簡單、熱轉(zhuǎn)化效率較高等優(yōu)點，塔式發(fā)電系統(tǒng)可實現(xiàn)大規(guī)模的發(fā)電。

塔式發(fā)電每臺鏡面需要配置獨立的跟蹤系統(tǒng)以調(diào)整鏡面的角度，確保太陽光能隨時反射到塔頂?shù)募療崞魃?。這導致鏡面跟蹤控制系統(tǒng)較為復雜，運行維護成本較高。

2.3 碟式太陽能熱發(fā)電

碟式(又稱盤式)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用碟(盤)狀拋物面鏡將入射太陽光聚焦到聚光集熱器的焦點處，傳熱工質(zhì)流經(jīng)集熱器吸收太陽光轉(zhuǎn)換成熱能，然后驅(qū)動斯特林熱機發(fā)電[7]。

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)聚光比可高達3 000以上，同時吸熱器運行溫度可達800 ℃左右，因此碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是目前效率最高的太陽能發(fā)電技術，最高效率可達29%。該系統(tǒng)可獨立運行、應用靈活、占地小，可單臺或多套并聯(lián)運行。由于碟式發(fā)電系統(tǒng)單機容量較小，比較適合建立分布式發(fā)電系統(tǒng)。

3 青海地區(qū)太陽能發(fā)電項目的有利條件

3.1 青海地區(qū)太陽能資源稟賦優(yōu)勢突出

青海省海西州是我國太陽能資源最為豐富的地區(qū)之一，太陽能總輻射量為6 888 MJ/m2，等效發(fā)電小時數(shù)可達到1 650 h左右。青海省有可用于新能源發(fā)電建設的荒漠化土地約10萬km2，且地勢平緩，適合集中連片規(guī)劃布局大型光熱發(fā)電項目。理論裝機容量可達30億kW。從資源角度看，青海新能源開發(fā)前景廣闊。

2016年8月，海西州政府出臺了《海西州國家清潔能源示范基地建設實施意見》，按照文件規(guī)劃，到2020年柴達木盆地要新增光熱發(fā)電裝機3GW，到2030年柴達木盆地光熱發(fā)電裝機將達到20GW。

3.2 用電負荷需求穩(wěn)定提升

地區(qū)用電負荷穩(wěn)定提升。2015年底，海西州最大電力負荷73.84萬kW，用電量50.29億kW·h?！笆濉逼陂g，海西州一批重點載能項目陸續(xù)建成投產(chǎn)，電力需求將不斷激發(fā)，本地電力吸納能力顯著提高。預計2020年全社會最大電力負荷565.2萬kW，用電量377.17億kW·h，特別是如果重點謀劃的太陽能、拆解大飛機等產(chǎn)業(yè)項目落地，預計地區(qū)用電負荷將大幅攀升。

3.3 基礎設施條件及電網(wǎng)資源條件較好

經(jīng)過多年的開發(fā)建設，青海海西州新能源裝機容量已達到了381萬kW，建成了格爾木、德令哈、都蘭、烏蘭及大柴旦等5個交通便捷、電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構完善的新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)園區(qū)，且園區(qū)水電路、綠化、亮化、公共服務等配套設施完善。

電力輸送通道有序推進。2015年底，全州750 kV變電站(含開關站)3座，輸電線路6條；330 kV變電站8座，輸電線路13條；110 kV變電站24座，輸電線路80條，有效地保障了海西州300萬kV新能源電力消納和輸送?！笆濉逼陂g隨著特高壓電網(wǎng)入青，青海電網(wǎng)將邁上新的臺階，輸送能力將大幅提升，可有效解決海西州乃至青海光伏等新能源發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)和電能遠距離輸送問題。青海電網(wǎng)預計新增柴達木、海南(塔拉)、花土溝東、玉樹、果洛等5座特高壓變電站，并通過塔拉—果洛—阿壩、塔拉—天水、格爾木—玉樹—昌都、若羌—花土溝—格爾木—塔拉特高壓輸電通道的建設，形成省內(nèi)“一橫兩縱兩直”特高壓電網(wǎng)網(wǎng)架。格爾木至福州±1 100kV直流外送工程，已得到國家能源局和國家電網(wǎng)公司的支持，可輸送可再生能源2 000萬kW以上，力爭在“十三五”期間建成運行。

4 太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 國際太陽能光熱發(fā)電的現(xiàn)狀

從上世紀50年代光熱發(fā)電技術誕生至今，全球太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了多個發(fā)展階段。根據(jù)初略統(tǒng)計，截至2015年12月底，全球已建成投運的光熱電站已接近5GW。全球太陽能光熱發(fā)電累計裝機容量見圖1。

圖1 全球太陽能光熱發(fā)電累計裝機容量(2006-2015年)

國際能源署太陽能熱發(fā)電和熱化學組織(Solar PACES)統(tǒng)計顯示，截至2016年2月底，全球在建太陽能熱發(fā)電機組規(guī)模約為1 400 MW。其中，摩洛哥在建裝機容量最高，達到350MW，包括裝機200 MW的NOOR II槽式光熱電站和裝機150 MW的NOOR III塔式光熱電站。各國在建太陽能光熱發(fā)電站裝機容量見圖2。

圖2 各國在建太陽能光熱發(fā)電站裝機容量(截至2016年2月)

國際能源機構(IEA)預測，到2060年光熱直接發(fā)電及采用光熱化工合成燃料發(fā)電共占全球電力結(jié)構約30%。

4.2 國內(nèi)太陽能光熱發(fā)電的現(xiàn)狀

我國太陽能光熱發(fā)電技術起步相對較晚，上世紀70年代才開始一些基礎研究。截至2015年底，我國光熱裝機規(guī)模約18 MW，其中純發(fā)電項目總裝機約為15 MW，除了中控德令哈10 MW塔式電站有商業(yè)化規(guī)模以外，其他均為小型的示范和實驗性項目。

中控德令哈光熱發(fā)電站一期工程是我國首套投入商業(yè)運營的光熱發(fā)電項目，2013年7月，位于青海省內(nèi)的中控德令哈光熱發(fā)電項目一期工程(10 MW，塔式)成功并網(wǎng)，配置6 h儲能裝置，標志著我國自主研發(fā)的太陽能熱電站技術向商業(yè)化運行邁出了堅實一步，填補了我國在該領域的空白[8]。

2015年9月，國家能源局發(fā)布《國家能源局關于組織太陽能熱發(fā)電示范項目建設的通知》，中國光熱發(fā)電示范項目建設啟動，中核、華能、大唐、華電、國電、國家電投、神華、中節(jié)能、中信等中央企業(yè)均有項目申報并入選，占據(jù)了入選的20個項目的半壁江山；民營企業(yè)中，中控、首航、中海陽、兆陽光熱、大成、博昱等光熱企業(yè)參與。

2016年發(fā)布的《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》明確指出，到2020年中國光熱發(fā)電總裝機規(guī)模要達到500萬kW，國內(nèi)適宜開發(fā)光熱電站地區(qū)所在地政府對于光熱發(fā)電行業(yè)的發(fā)展為當?shù)貛淼慕?jīng)濟效益和社會效益愈來愈重視，紛紛開始布局更大規(guī)模的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)。

4.3 太陽能光熱發(fā)電技術的市場研究方向

光熱行業(yè)的研究和發(fā)展仍然專注于儲熱系統(tǒng)的性能優(yōu)化和成本控制、關鍵設備(如集熱管等)的成本控制、光熱電站設備更新?lián)Q代，以及提高傳熱介質(zhì)的傳熱效率。

歐洲的研究者們則在化學儲熱和光熱混合電站研究方面領先。美國的研究方向則更為多樣化。2016年間進行的研究項目包括：儲熱系統(tǒng)中熔鹽的替代物研究；化學儲熱系統(tǒng)優(yōu)化研究，包括提高儲熱效率和降低儲熱成本；超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)應用的研究，以進一步提高光熱電站發(fā)電效率，并降低發(fā)電成本[9]。

槽式技術和塔式技術依舊是光熱發(fā)電市場的主流。2018年4月13日，上海電氣集團簽訂了阿聯(lián)酋迪拜Mohammedbin Rashid Al Moktoum太陽能園區(qū)第四期700 MW光熱發(fā)電站EPC合同。該項目由3個裝機容量為200 MW的槽式電站和1個裝機容量為100 MW的塔式電站組成。

5 青海地區(qū)太陽能光熱發(fā)電項目的制約因素分析及建議

我國光資源條件較好的西北地區(qū)風沙大，揚塵問題突出，該因素對系統(tǒng)光照強度衰減及鏡面反射率降低有一定的影響，建議在光熱發(fā)電項目前期可行性研究階段，充分論證上述因素的影響，并考慮相應的防治措施，以提高項目的可靠性和經(jīng)濟性。

太陽法向直接輻射值(DNI)的準確性是決定項目設計成敗的關鍵因素。目前，我國多數(shù)地區(qū)太陽DNI數(shù)據(jù)缺乏、衛(wèi)星數(shù)據(jù)與實測值偏差較大，不能準確反映規(guī)劃廠址的光資源實際情況。因此，建議青海地區(qū)從光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的長遠考慮，安排進行太陽DNI數(shù)據(jù)實測，積累數(shù)據(jù)，為光熱項目的選址及設計提供強有力的支撐，確保項目能夠達到預期目標。

青海等我國西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，干旱少雨，水資源貧乏，冬季寒冷，且遠離用電負荷中心，這些條件制約著光熱發(fā)電技術的規(guī)?；l(fā)展。青海地區(qū)發(fā)展太陽能光熱發(fā)電項目應結(jié)合當?shù)丨h(huán)境及資源特點，合理規(guī)劃項目方案，并與經(jīng)濟發(fā)展相適應，與電網(wǎng)配套建設步調(diào)一致。

6 結(jié)語

本文針對青海地區(qū)的太陽能光熱發(fā)電項目，從光熱發(fā)電的產(chǎn)業(yè)政策、項目建設條件、國內(nèi)外太陽能光熱發(fā)電領域技術和發(fā)展現(xiàn)狀，以及市場趨勢等多方面進行了重點分析和論述。

青海地區(qū)大力發(fā)展太陽能光熱發(fā)電、加快新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展是應對氣候變化、保護生態(tài)環(huán)境的重要舉措，符合國家及地區(qū)發(fā)展綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟的政策要求，同時未來市場電力需求量逐步增大，加之青海地區(qū)有較大的資源和電網(wǎng)優(yōu)勢，發(fā)展太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)具有良好的發(fā)展前景，對推動我國太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)升級、促進青海地區(qū)經(jīng)濟綠色發(fā)展具有重要意義。