明確太陽能熱發(fā)電戰(zhàn)略定位促進(jìn)技術(shù)發(fā)展

王志峰，何雅玲，康重慶，王偉勝，杜鳳麗

（1.中國科學(xué)院電工研究所，北京100864；2.中國科學(xué)院太陽能熱利用和光伏系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100864；3.西安交通大學(xué)，西安710049；4.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京100084；5.清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院，北京100085；6.中國電力科學(xué)研究院，北京100192；7.國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，北京100190）

0 引言

太陽能熱發(fā)電是集光熱轉(zhuǎn)換發(fā)電、大規(guī)模儲熱和電網(wǎng)同步機(jī)特性于一身的可再生能源發(fā)電方式。太陽能熱發(fā)電具有長時(shí)間儲能能力且采用汽輪機(jī)-同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，可滿足現(xiàn)有交流同步電力系統(tǒng)的慣量、故障穿越、電壓/頻率響應(yīng)等技術(shù)要求，可為綠色低碳電力系統(tǒng)提供可靠的保障與支撐，將在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮中堅(jiān)作用。國家主席習(xí)近平2021 年9 月21 日出席第七十六屆聯(lián)合國大會一般性辯論并發(fā)表題為《堅(jiān)定信心共克時(shí)艱共建更加美好的世界》的重要講話，指出：中國將力爭2030 年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這需要付出艱苦努力，但我們會全力以赴。中國將大力支持發(fā)展中國家能源綠色低碳發(fā)展，不再新建境外煤電項(xiàng)目。太陽能熱發(fā)電這種唯一具有穩(wěn)定可控特性的可再生能源發(fā)電將進(jìn)入更加快速的發(fā)展期。

從“十五”期間開始，在科技部、國家發(fā)改委、財(cái)政部、國家能源局以及國家自然科學(xué)基金委等部委的支持下，我國在太陽能熱發(fā)電技術(shù)的科研與商業(yè)化推廣方面取得了長足的進(jìn)步。截至2020 年12月，我國太陽能熱發(fā)電已有3 座實(shí)驗(yàn)電站、8 座商業(yè)化電站建成并網(wǎng)發(fā)電，總裝機(jī)容量超過500 MW。中國企業(yè)在國外總包建成和在建的電站裝機(jī)容量達(dá)到1 000 MW。我國太陽能熱發(fā)電核心技術(shù)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)鏈已基本形成，關(guān)鍵設(shè)備部件已全部可國產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展蓄勢待發(fā)。隨著產(chǎn)業(yè)鏈基本形成和逐步穩(wěn)定，電價(jià)也逐步加快下降步伐。2020 年年初，財(cái)政部、國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》（財(cái)建〔2020〕4 號）提出，2021 年12 月31 日后新增太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目不再納入中央財(cái)政補(bǔ)貼范圍。太陽能光熱產(chǎn)業(yè)面臨新的要求和挑戰(zhàn)，需要政府、行業(yè)和企業(yè)群策群力，共同研究和推進(jìn)光熱技術(shù)和產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的措施。

1 太陽能熱發(fā)電在“雙碳”目標(biāo)中的重要作用

“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)提出，到2060年前中國將實(shí)現(xiàn)碳中和，可再生能源占一次能源消費(fèi)比達(dá)到70%以上。風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電具有“極熱無風(fēng)”“晚峰無光”等特點(diǎn)和“大裝機(jī)、小電量”特征［1］，隨著“碳達(dá)峰”和“碳中和”的推進(jìn)，高比例、間歇性和波動性的風(fēng)電與光伏在電力系統(tǒng)中的比重不斷增加，在滿足電力系統(tǒng)電量需求的同時(shí)，也帶來較大的調(diào)峰壓力。2020 年，時(shí)任國家電網(wǎng)總工程師陳國平在電力系統(tǒng)發(fā)展方向暨學(xué)術(shù)方向研討會的主旨報(bào)告《現(xiàn)代電力系統(tǒng)的問題、挑戰(zhàn)與發(fā)展方向》中指出：“電力系統(tǒng)發(fā)展需要重構(gòu)，應(yīng)大力發(fā)展具有傳統(tǒng)同步機(jī)新特性的光熱電源。”2019 年，清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)研究院在《高比例可再生能源電力系統(tǒng)中光熱發(fā)電的價(jià)值發(fā)現(xiàn)》一文指出：“靈活可控的特點(diǎn)使得光熱發(fā)電并網(wǎng)既具有可再生能源效益又具有靈活性效益。發(fā)揮運(yùn)行靈活性特性，可以實(shí)現(xiàn)光熱與風(fēng)電、光伏及其他能源打捆的平滑效益，提升區(qū)內(nèi)消納和打捆外送中的可再生能源消納水平。高比例可再生能源并網(wǎng)下，太陽能熱發(fā)電的電力支撐效益顯著，有望成為部分地區(qū)主要的調(diào)節(jié)電源重要選項(xiàng)之一。”可以起到“利用可再生能源消納可再生能源”作用。

1.1 連續(xù)發(fā)電調(diào)節(jié)能力強(qiáng)

根據(jù)我國2018 年投產(chǎn)的3 座商業(yè)化太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的運(yùn)行結(jié)果，太陽能熱發(fā)電機(jī)組調(diào)峰深度最大可達(dá)80%；爬坡速度快，升降負(fù)荷速率可達(dá)每分鐘3%～6%額定功率，冷態(tài)啟動時(shí)間1 h 左右、熱態(tài)啟動時(shí)間約25 min，可100%參與電力平衡，可部分替代石化類常規(guī)發(fā)電機(jī)組，對保障高比例可再生能源電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要價(jià)值［2］。電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院以目前新疆電網(wǎng)為例進(jìn)行過模擬計(jì)算，假定建設(shè)太陽能熱發(fā)電機(jī)組從1 000～5 000 MW，可減少棄風(fēng)棄光電量10.2%～37.6%。太陽能熱發(fā)電也具有承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷的能力，且已被驗(yàn)證。

西班牙有18座太陽能熱發(fā)電站不間斷運(yùn)行達(dá)3周，其中帶15 h 儲能、裝機(jī)容量20 MW 的Gemasolar電站實(shí)現(xiàn)連續(xù)36 d 全天候運(yùn)行。在我國，裝機(jī)容量50 MW 的中廣核德令哈太陽能熱發(fā)電站連續(xù)運(yùn)行32 d（772.6 h），青海中控德令哈50 MW 光熱電站連續(xù)運(yùn)行12 d（292.7 h），首航高科敦煌100 MW 光熱電站連續(xù)運(yùn)行9 d（216.0 h）［2］。

清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)研究院研究表明，如安裝22 GW 光伏和7 GW 風(fēng)電，青海電網(wǎng)在豐水期可連續(xù)3 d 全清潔能源供電（包括省內(nèi)負(fù)荷以及特高壓外送河南）；如在此基礎(chǔ)上配置4 GW 太陽能熱發(fā)電，青海省在豐水期可高達(dá)創(chuàng)世界紀(jì)錄的連續(xù)30 d全清潔能源供電。

1.2 安全性高，適合大容量儲能使用

儲能安全性是大容量儲能的一個(gè)重要方面，帶有二元硝酸鹽的儲熱是一種安全水平較高的儲熱方式。目前，國內(nèi)單機(jī)容量最大的首航高科太陽能熱發(fā)電站儲電已達(dá)1 700 MW·h，全球達(dá)到了1 000 GW·h。自1982 年4 月美國加州SOLAR ONE 建成以來，全球6 690 MW 的裝機(jī)還未發(fā)生過類似鋰電爆炸等安全性事故，是一種高安全性的儲能方式。

1.3 可雙向連接電網(wǎng)

太陽能熱發(fā)電的熔融鹽儲能系統(tǒng)，既可通過太陽能集熱系統(tǒng)給其充熱、儲熱，也可通過電加熱系統(tǒng)將網(wǎng)上的峰值電力轉(zhuǎn)化為熱能存儲發(fā)電。這樣的使用方式非常有利于電力系統(tǒng)的電力平衡，也能很好地參與電力市場交易。我國吉林省白城市太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電和光伏互補(bǔ)項(xiàng)目就鼓勵采用這種方式的太陽能熱發(fā)電。太陽能熱發(fā)電+可再生能源電力項(xiàng)目正在起步。2021 年9 月9 日，吉林省白城市人民政府發(fā)布“吉西基地魯固直流白城140萬千瓦外送項(xiàng)目入選推薦企業(yè)評優(yōu)結(jié)果公示”，風(fēng)電800 MW、光伏400 MW、光熱200 MW［3］。其中太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)熔融鹽儲罐中帶有可接納可再生能源電力的電加熱系統(tǒng)，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)形成雙向連接，達(dá)到靈活調(diào)節(jié)可再生能源電力的目的。2021 年9 月28 日，青海省海南基地青豫直流二期3 400 MW外送項(xiàng)目、海西基地青豫直流二期1 900 MW 外送項(xiàng)目進(jìn)行了中標(biāo)候選人公示。其中，光伏項(xiàng)目規(guī)模3 500 MW、風(fēng)電項(xiàng)目規(guī)模1 500 MW、光熱發(fā)電項(xiàng)目規(guī)模300 MW。

2 我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)基本成熟，具備加快發(fā)展的條件

太陽能熱發(fā)電技術(shù)已在西班牙、美國以及中東、北非等國家和地區(qū)取得了良好的應(yīng)用效果。2020年全球累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到6 690 MW，分布在西班牙、美國、法國、意大利、以色列、摩洛哥、埃及、阿爾及利亞、南非、智利、阿聯(lián)酋和中國等。

2.1 我國首批太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目拉動了傳統(tǒng)電力行業(yè)綠色低碳升級

我國2016 年啟動的首批太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目對我國攻克首臺套關(guān)鍵技術(shù)裝備和若干“卡脖子”技術(shù)提供了關(guān)鍵支撐，為打造我國完整的產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)集成能力奠定了基礎(chǔ)，20 個(gè)示范項(xiàng)目目前已有8 個(gè)并網(wǎng)運(yùn)行，所使用的材料和設(shè)備國產(chǎn)化率超過了90%。太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈主要相關(guān)企業(yè)已超過500 家，其中聚光器、吸熱器、曲面玻璃反射鏡、傳儲熱材料器件和換熱器企業(yè)總數(shù)超過300家。我國主要國有能源建設(shè)企業(yè)幾乎都參加了項(xiàng)目建設(shè)［2］。

2.2 地方政府規(guī)劃太陽能熱發(fā)電基地情況

隨著首批示范項(xiàng)目的開展，我國各級政府部門、金融機(jī)構(gòu)和國家電網(wǎng)對太陽能熱發(fā)電的投資、財(cái)稅、土地、并網(wǎng)等政策有了逐步明確的支持思路。截至2020年，不少具備太陽能熱發(fā)電資源條件的地方政府組織編制了太陽能熱發(fā)電基地規(guī)劃，主要包括：甘肅玉門、阿克塞、敦煌市，青海海西州烏圖美仁光伏光熱園區(qū)，新疆哈密市，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)等總計(jì)約34 GW［2］。

2.3 太陽能熱發(fā)電產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)已經(jīng)走向世界

雖起步晚，但技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)和裝備已走出國門。上海電氣集團(tuán)設(shè)計(jì)、采購、施工（EPC）總包了阿聯(lián)酋700 MW 太陽能熱發(fā)電站項(xiàng)目。摩洛哥太陽能發(fā)電園合計(jì)350 MW 的太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目EPC承包方是中國電建集團(tuán)聯(lián)合體［2］。在2018 年，皇明公司16 km 長的吸熱管出口法國SUNCNIM 公司，應(yīng)用于eLLO 9MW 菲涅爾式DSG 熱發(fā)電站。2019 年，中國能建和中控太陽能公司聯(lián)合體中標(biāo)希臘MINOS 項(xiàng)目，投資并承建希臘50 MW 太陽能發(fā)電站。2019年，常州龍騰太陽能公司出口6 000 根真空集熱管，應(yīng)用于印度Meil 50 MW槽式電站。

3 通過適當(dāng)市場調(diào)節(jié)和政策支持，太陽能熱發(fā)電電價(jià)可有效降低

國際能源署（International Energy Agency，IEA）預(yù)測2030 年太陽能熱發(fā)電電價(jià)將降至8.6美分/（kW·h）。國際可再生能源署（International Renewable Energy Agency，IRENA）預(yù)測，2030年G20國家太陽能熱發(fā)電電價(jià)將降到8.6 美分/（kW·h）［1］。美國能源部目標(biāo)：2030 年帶有12 h 儲能的太陽能熱發(fā)電電價(jià)降到5 美分/（kW·h）。

按照國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟、中國科學(xué)院電工研究所和克林頓基金會預(yù)測，若按我國現(xiàn)有太陽能熱發(fā)電設(shè)備和部件的產(chǎn)能計(jì)，每年新增一定容量，隨著產(chǎn)能擴(kuò)大，技術(shù)發(fā)展，工程經(jīng)驗(yàn)積累和新技術(shù)等的推動，預(yù)計(jì)太陽能熱發(fā)電電價(jià)發(fā)展情況為：2 年后可達(dá)0.85 元/（kW·h），5 年后可達(dá)0.60 元/（kW·h），10 年后可達(dá)0.35 元/（kW·h），15年后可達(dá)0.25元/（kW·h）［4］。

如電網(wǎng)采用峰谷分時(shí)段電價(jià)模式確定發(fā)電側(cè)的上網(wǎng)電價(jià)，太陽能熱發(fā)電機(jī)組可以利用儲熱系統(tǒng)，將電量集中到電價(jià)高峰時(shí)段銷售。這樣能使太陽能熱發(fā)電機(jī)組的高品質(zhì)電力在市場中體現(xiàn)合理的價(jià)值，甚至在峰值時(shí)平價(jià)上網(wǎng)。正午前后2 h 光伏出力最大，約占全天發(fā)電量的70%，此時(shí)太陽能熱電站進(jìn)入對儲熱容器充熱的運(yùn)行模式。到電價(jià)晚高峰時(shí)段，光伏出力下降甚至為0，儲熱驅(qū)動熱發(fā)電電站滿負(fù)荷運(yùn)行上網(wǎng)，所需補(bǔ)貼需求可大大降低。

4 發(fā)展和建議

電價(jià)政策對可再生能源發(fā)展至關(guān)重要。政府政策支持彌補(bǔ)了行業(yè)發(fā)展初期技術(shù)放大、商業(yè)模式不成熟及盈利能力較弱等核心問題，從而加速了科技創(chuàng)新和技術(shù)突破的步伐，發(fā)電成本得以大幅下降。截至2020 年年底，我國風(fēng)電累計(jì)補(bǔ)貼撥付約3 000 億元，光伏累計(jì)撥付約2 000 億元（含扶貧）?？梢钥吹?，經(jīng)過累計(jì)高達(dá)數(shù)千億元的補(bǔ)貼扶持，風(fēng)電和光伏發(fā)電才發(fā)展到目前的電價(jià)水平。而對于太陽能熱發(fā)電，截至2020年年底全國累計(jì)補(bǔ)貼不足1.5億元。

太陽能熱發(fā)電是清潔、低碳、穩(wěn)定、安全、高效的靈活電源，對我國“碳中和、碳達(dá)峰”戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，推動能源革命具有重大意義，為此建議如下。

（1）跟蹤總結(jié)已建成太陽能熱發(fā)電站的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。我國目前已在不同地域建成了共550 MW 的不同類型獨(dú)立太陽能熱發(fā)電站，2021 年又啟動了吉林白城和青海格爾木共計(jì)500 MW 與光伏風(fēng)電互補(bǔ)的太陽能熱發(fā)電站建設(shè)，國家有關(guān)部委應(yīng)組織科研和產(chǎn)業(yè)化力量，打破企業(yè)界限，對這些電站的技術(shù)進(jìn)行跟蹤總結(jié)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況挖掘其中的科學(xué)技術(shù)難題，在此基礎(chǔ)上集中力量攻克關(guān)鍵技術(shù)，形成完整產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)集成能力，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，這對太陽能熱發(fā)電的技術(shù)進(jìn)步將起到重要作用，也是國家設(shè)立示范項(xiàng)目的初衷。

（2）國家應(yīng)確立對太陽能熱發(fā)電原創(chuàng)性及核心技術(shù)的持續(xù)支持政策。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，對可再生能源高占比具有支撐作用的太陽能熱發(fā)電的電價(jià)降低和規(guī)模化發(fā)展需要更多0—1 的原創(chuàng)性技術(shù)支撐，建議科技部在“十四五”及今后的科技發(fā)展規(guī)劃中加大對太陽能熱發(fā)電的支持力度，特別側(cè)重對原創(chuàng)性技術(shù)的支持，以期在聚光、光熱轉(zhuǎn)換材料和裝置、儲/放熱材料和裝備技術(shù)、發(fā)電工質(zhì)、電站控制等核心裝備，新型發(fā)電方式等方面有重大突破。而科技部目前的規(guī)劃和專項(xiàng)實(shí)施方案中對于太陽能熱發(fā)電技術(shù)的支持力度尚且不足。

（3）從可再生能源發(fā)展專項(xiàng)資金中安排資金，用于支持太陽能熱發(fā)電新技術(shù)研發(fā)和新技術(shù)示范工程初投資。2011 年1 月，財(cái)政部、國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《可再生能源發(fā)展基金征收使用管理暫行辦法》（財(cái)綜〔2011〕115 號）?？稍偕茉窗l(fā)展基金包括國家財(cái)政公共預(yù)算安排的專項(xiàng)資金（以下簡稱可再生能源發(fā)展專項(xiàng)資金）和依法向電力用戶征收的可再生能源電價(jià)附加收入等。建議通過可再生能源發(fā)展專項(xiàng)資金安排相關(guān)資金用于支持太陽能熱發(fā)電新技術(shù)研發(fā)，或者用于對新技術(shù)示范工程初投資進(jìn)行補(bǔ)貼。制定科學(xué)的電價(jià)退坡機(jī)制和價(jià)格形成機(jī)制促進(jìn)該技術(shù)快速提高經(jīng)濟(jì)性，包括采用招標(biāo)方式鼓勵技術(shù)先進(jìn)、成本降低較快的技術(shù)路線發(fā)展。例如，超臨界二氧化碳熱發(fā)電技術(shù)，超超臨界太陽能熱發(fā)電技術(shù)，太陽能與火電聯(lián)合運(yùn)行技術(shù)，太陽能高溫集熱和化學(xué)能耦合發(fā)電技術(shù)，太陽能熱發(fā)電熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，太陽能與風(fēng)電及光伏聯(lián)合運(yùn)行技術(shù)等。

（4）太陽能熱發(fā)電/光伏/風(fēng)電等多能互補(bǔ)電站采用綜合電價(jià)政策。提升區(qū)內(nèi)消納和外送中的可再生能源消納水平，在對電源可調(diào)度性進(jìn)行限定的前提下，可對該綜合電源采用招標(biāo)方式確定整體電價(jià)并試點(diǎn)綜合能源基地儲能峰谷電價(jià)，這樣既帶來了電網(wǎng)友好型可再生能源電源，也得到了較低成本的可再生能源電價(jià)。在保障調(diào)峰和投資收益的條件下，太陽能熱發(fā)電和光伏的裝機(jī)功率比例、儲熱發(fā)電量和光伏發(fā)電量還需要通過實(shí)踐進(jìn)一步研究。

5 結(jié)束語

實(shí)踐證明，太陽能熱發(fā)電不再單是新能源利用和電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的解決方案和手段，更是大型同步電力系統(tǒng)穩(wěn)定和大直流超遠(yuǎn)距離輸送的必要支撐基礎(chǔ)，為電網(wǎng)尤其是風(fēng)光富裕且遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的弱連接的區(qū)域電網(wǎng)提供必要的慣量、故障短路容量、電壓頻率支撐等。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，隨著新一代電力系統(tǒng)推進(jìn)，需大力發(fā)展太陽能熱發(fā)電等具備儲能特性的電源，太陽能熱發(fā)電可以逐步替代火電等高碳能源，作為可再生能源的入網(wǎng)調(diào)節(jié)手段，作為可再生能源高占比電網(wǎng)的重要支撐。